微波辐射对落叶松木材色度学参数的影响

微波辐射对落叶松木材色度学参数的影响

落叶松是中国东北、内蒙古林区和华北、西南部高山针叶林的主要树种。这是中国东北三大主要针叶林之一。落叶松天然林蓄积量在东北林区约占针叶林总量的40%,仅在大兴安岭地区落叶松木材蓄积量可达3.7亿m3。落叶松木材也是我国重要的速生商品林树种之一,目前仅在我国的东北地区种植面积已达200多万hm2。其人工林蓄积量在东北林区占人工林总量的50%左右。落叶松木材质地坚硬,力学强度高,耐腐性强,具有清晰、自然、典雅的纹理和令人赏心悦目的颜色等诸多优点,深受人们喜爱[3~4],但落叶松木材渗透性差,树脂含量高,干燥困难,很大程度限制了其应用,因而落叶松木材的改性研究也就主要针对改善渗透性、脱脂和促进干燥而展开。Torgovnikov和Vinden在研究中使用微波处理辐射松(Pinusradiata)、花旗松(Pseudotsugamenziesi)心材、和斜叶桉(Eucalyptusobliqua)等木材后,其渗透性可显著改善。2000年澳大利亚墨尔本大学Grigory等在国际林联主办的专题为“桉树木制品的未来”研讨会上介绍了他们开发的微波木材改性技术,显示其用于热带木材处理时能明显提高木材的渗透性。2000年东北林业大学落叶松木材保护课题组首次提出木材“细胞爆破”的概念,利用高强度微波辐照对落叶松木材进行渗透性改善研究,研究结果显示,高强度微波处理可以有效改善落叶松木材的渗透性,并进一步研究了高强度微波辐射对落叶松木材材力学性质的影响和微波改性落叶松木材的脱脂技术。鉴于改性木材主要应用于对装饰性要求较高的领域,本文主要探讨高强度微波处理,汽蒸脱脂处理和微波-汽蒸脱脂处理对落叶松木材材色的影响。1试验材料和方法1.1孔径大小的影响长白落叶松板材为购自哈尔滨港木材交易市场的生材,产地为伊春小兴安岭地区,购进年轮宽度相近的尺寸为4000mm×200mm~300mm×60mm的径切板材2m3;按照规格锯解并刨削成300mm×100mm×20mm的试件供试验用。1.2微波实验设备本文主要研究微波处理、常压汽蒸处理和微波-常压汽蒸处理对落叶松木材材色的影响,对比分析处理材与素材在材色上的变化差异。微波实验设备是委托南京三乐微波技术发展有限公司加工的WLD24S-01型微波设备,微波频率为2450MHz,共9个档位,调节范围在5.54~24kW之间。材色测量采用日本NIPPONDENSHOKU公司生产的NF333分光光度计,其测量范围400~700nm,步进20nm,测量面积Φ8mm(标准),Φ4mm。1.3cie表色系统的建立微波处理功率的选择最低档5.54kW,中间档位12.92kW和最高档24kW,处理时间分别为90、55、30s,汽蒸处理的时间为2、4、6、8、12、16h。材色测量采用CIE(1976)L*a*b*均匀色空间。CIE1976(L*a*b*)均匀色空间是在CIE(1931)颜色空间的基础上几经修改后,得到的一个简化的均匀颜色空间。它在三维色空间的各个坐标轴方向上均具有视感知觉的等距性,而且细分了明度指数和色品指数的级差,更适用于较小色差情况下的颜色测量、比较和讨论。CIE表色系统不受人眼主观影响,适用于科学计量。测量前从同一块板材上获取试材,处理前在经过刨光处理的各试件板面上,选择光滑平整处,均匀取3个数据点,用圆规画一个Φ20mm的圆,并在旁边标注记号区分数据点,用NF333测色分光光度计测得各数据点色度学参数(L*、a*、b*)及总体色差(ΔE*)并记录,试件经微波处理、汽蒸处理和微波-汽蒸处理后,置于阴凉通风处与素材一并气干。待处理材和素材含水率降至气干含水率时(12%以下),再表层刨削处理后,测量其相同点处各参数值,由下列公式计算出下列参数:式中:ΔL*为明度差;Δa*为红绿轴色品差;Δb*为黄蓝轴色品差;C*为色饱和度;ΔC*为饱和度差;ΔE*为总体综合色差,简称色差;ΔH*为色调差ΔAg*是色相角差,正值表示色相角逆时针变化,负值表示色相角顺时针方向变化。公式中的下标t表示处理后的参数测量值;下标0表示处理之前的测量值。2结果与讨论2.1素材和处理材色谱分析素材和微波处理气干材刨削后,色度学参数均发生变化,素材与处理材的明度均有所提高,12.92kW处理材明度提高的幅度最大,较处理前提高了10.25%;素材和处理材均有变绿趋势,5.54kW处理材的红绿轴色品指数差Δa*变化幅度最大,较处理前偏绿22.9%;素材和处理材均有变蓝趋势,24kW处理材的黄蓝轴色品指数差Δb*变化幅度最大,较处理前偏蓝16.7%;素材和处理材的色饱和度呈下降趋势,5.54kW处理材的色饱和度差值ΔC*降低最大,较处理前降低17.18%;素材和处理材的色调角升高,12.92kW处理材的色调角差值ΔAg*升高幅度最大,较处理前升高了3.06%;素材和处理材的总体色差ΔE*均有上升,其中处理材上升幅度接近(表1)。从表1可以得出,素材处理前为生材,受含水率变化的影响,气干后其色度学参数发生改变;素材和微波处理材的明度升高,呈变绿、变蓝、色饱和度降低、色调角提高、总体色差小幅升高的趋势,微波处理材的各色度学参数变化值稍大于素材,这可能和微波辐射的高温使木材中某些发色基团和助色基团发生氧化或有色抽提物挥发有关;处理材色度学参数的变化与微波处理功率强度未见明显的相关性。2.2材料和处理材染色分析表2可以得出以下结果:试材经汽蒸处理气干后,明度有所提高,其中除汽蒸2h明度差(ΔL*)略低于素材外,其他处理材均大于素材,汽蒸处理8h明度提高的幅度最大,较处理前提高了15.51%;汽蒸处理试材的红绿色品差Δa*表明:除汽蒸2、4h有变红的趋势外,其余呈变绿的趋势,且幅度大于素材,其中汽蒸6h变绿趋势最大,b*较处理前降低了17.87%;素材和处理材的黄蓝轴色品指数差Δb*和色饱和度差值ΔC*表明,素材和处理材均有变蓝、色饱和度降低的趋势,汽蒸12、16h的Δb*和ΔC*降低的幅度与素材相近,汽蒸2、4h变蓝和色饱和度降低的趋势小于素材,汽蒸6、8h试材变蓝和色饱和度降低趋势较强,汽蒸6h最强,较处理前Δb*和ΔC*分别降低了16.6%和16.84%;素材和汽蒸6、12、16h的色调角ΔAg*略有提高,其余处理材降低或不变,变化幅度最大为汽蒸4h,较处理前色调角降低了2.77%;汽蒸4、6h试材的总体色差ΔE*值小于素材,其余均大于素材,总体色差值最大值为汽蒸8h。汽蒸处理可使落叶松木材明度增加,汽蒸2、4h试材的Δa*有变红趋势,其余则呈变蓝趋势,汽蒸处理后木材的色饱和度降低,汽蒸可使木材的总体色差增加,汽蒸处理可能会使色调角Ag*增加;汽蒸后试材色度学参数变化总体趋势与素材一致,但其最大变化值的绝对值均大于素材,且有处理材少数参数变化趋势与素材不一致,这些可能与汽蒸试材内某些发色或助色基团水解溶出等因素有关。2.3微波-汽蒸处理试材与其他微胶囊的对比从图1可以得出,经微波-汽蒸处理后,试材的明度提高,相同汽蒸时间5.54kW处理材提高幅度较24kW处理材大,12.92kW的提高幅度最小;相同功率汽蒸2~4h试材明度提高幅度最大,汽蒸8h时相对较低;微波5.54kW-汽蒸2h明度提高最大,比处理前提高了8.91%。从图2可以看出,素材和多数处理材均有变绿的趋势,仅12.92kW-汽蒸8、12h处理材有变红趋势;Δa*的变化与微波功率和汽蒸时间无明显相关,Δa*变化幅度最大为5.54kW-汽蒸8h处理试材,较处理前降低23.61%。从图3可以看出,素材和处理材均呈变蓝趋势,Δb*与汽蒸时间无明显相关,24kW-汽蒸试材变蓝趋势较其他功率汽蒸处理试材强,最强为24kW-汽蒸6h,b*较处理前降低了15.02%。从图4可以得出,素材和处理材的色饱和度均呈下降趋势,ΔC*与汽蒸时间无明显相关,24kW-汽蒸试材降低趋势强于5.54kW-汽蒸处理试材,24kW-汽蒸12h的C*降低最大,较处理前降低了15.06%。从图5可以得出,素材和处理材的色调角均发生了变化,且处理材的色调角变化幅度多大于素材,相同功率汽蒸8h时色调角变化最大,5.54kW-汽蒸8h的Ag*变化幅度最大,较处理前增加了3.66%;但色调角的升高或降低与微波功率和汽蒸时间无明显相关。从图6可以看出,素材和处理材总体色差均发生了变化,变化趋势与ΔL*相似,处理材的ΔE*多大于素材,且与微波功率强弱和汽蒸时间长短无明显相关。微波-汽蒸处理可使试材的明度升高,但升高的幅度与微波功率强度和汽蒸时间无明显相关;微波-汽蒸处理使多数试材呈变绿,部分呈变红趋势;微波-汽蒸处理后试材有变蓝趋势,且强于素材,24kW-汽蒸处理试材变蓝趋势最强;微波-汽蒸处理使试材的色饱和度降低,色调角升高或降低,汽蒸8h色调角变化幅度最大;微波-汽蒸处理可能使处理材的总体色差变大,这可能与试材受微波处理和汽蒸处理共同作用的结果有关,处理材内部可能既有发色和助色基团高温氧化,也有发色抽提物挥发或水解溶出原因。3微波-汽蒸处理对落叶松木材色度学参数的影响落叶松木材处于高强度微波场中时,木材细胞内的水分迅速生热汽化,产生对细胞内壁的蒸汽压力,使薄壁细胞、纹孔膜等薄弱组织破裂,产生细微裂纹,从而形成新的流体通道,提高了木材的渗透性。将渗透性后的高温的试材,立即进行汽蒸处理,从而蒸汽快速进入木材内部,脱出树脂中溶解松香的松节油,使占主要组成的松香等固定在木材内不再移动,从而实现对落叶松木材脱脂的目的。落叶松微波-汽蒸脱脂处理过程中对试材色度学参数的影响,其影响规律可归纳如下:(1)素材的色度学参数随含水率变化其明度升高、呈变绿、变蓝趋势、色饱和度降低、色调角提高,总体色差升高;(2)微波处理后试材色度学参数变化方向和素材一致,但变化幅度稍大于素材,即微波处理对落叶木材材色影响不大;(3)汽蒸处理可能导致落叶松木材明度升高,多呈变绿趋势,部分呈变红趋势,所有试材呈变蓝趋势,色饱和度降低,色调角增加或降低,总体色差值随汽蒸时间延长略显增加;(4)微波-汽蒸处理中,试材受微波和汽蒸处理的共同作用影响,试材明度升高,多数试材明度高于素材,多呈变绿趋势,部分呈变红趋势,所有试材呈变蓝趋势,色饱和度降低,色调角升高或降低;从变化幅度看,明度差、黄蓝轴色品指数差、色饱和度差值均低于微波处理和汽蒸处理试材,红绿轴色品指数差和色调角差值则略高于微波