（森林培育专业论文）毛白杨立木染色技术研究.pdf

摘要 随着人们对生活质量的要求不断增长，装饰结构性用材是将来我国人造板工业发 展趋势之一。然而我国在很长一段期内不仅面临木材总量不足的矛盾，而且还将存在 因大径、珍贵天然材严重缺乏所造成的产品结构性矛盾。 毛白杨是我国最重要的人工林树种之一，杨木资源在我国人造板工业中已经得到 广泛利用。但是杨木由于其固有的性质和缺陷给加工利用带来了诸多困难，影响其利 用价值。为了有效利用丰富的杨木资源，针对杨木花纹不清晰、材色单调且多深色“湿 心材”的特点，利用仿真技术原理，加工制造仿珍贵树材的装饰材料是高附加值利用 杨木的重要途径，而木材颜色加工处理是制造仿真材料的关键技术之一。 本论文首次在国内用立木染色法对毛白杨小径材进行染色。探索了酸性金黄g 和碱性湖蓝b b 对其染色的最优化工艺；测定了试验期间试材的蒸腾量；分析了各工 艺因素对蒸腾量的影响；研究了蒸腾量与染液上升高度、上染率和色差的关系；分析 了两种染料在木材中的渗透规律。试验研究结果如下： l 、用酸性染料染色，试验优化工艺是染料质量分数为0 3 ，染色时间为4 天， 渗透剂质量分数为0 0 5 ，染液的p h 值为5 2 。 2 、用碱性染料染色，试验优化工艺是染料质量分数为0 2 ，染色时间为6 天， 渗透剂质量分数为0 0 3 ，染液的p h 值应在4 2 - 5 2 之间。 3 、两种染料分别染色时，各工艺因素对蒸腾量的影响不同。 4 、蒸腾量与染液上升高度、上染率、色差有显著的正相关关系，回归分析得到 相关度很高的一元线性关系式。 5 、试材在半径方向上存在一个共同现象：边材的染色效果明显好于心材；同一 年轮里，早材的染色效果要好于晚材，染色深度由早材向晚材逐渐变浅，年轮处的颜 色最深。 6 、用酸性金黄g 染色，随着染色高度的增加，色差值逐渐变小，明度三幸逐渐增 大，红绿轴色品指数逐渐变小，黄蓝轴色品指数也逐渐变小；染色高度一般在3 m 以 上。 7 、用碱性湖兰b b 染色，随着染色高度的增加，色差值逐渐变小；明度工逐渐 变大；红绿轴色品指数逐渐增大，黄蓝轴色品指数也逐渐增大。但是，在染色高度上， 碱性染料比不上酸性染料，染色高度一般在2 m 左右。 关键词：毛白杨；立木；染色；蒸腾量；渗透 s t u d yo ns t u m p a g ed y e i n gt e c h n o l o g yo f p o p u l u st o m e n t o s a g r a d u a t e ：c h e nl i h o n g s p e c i a l t y ：f o r e s tc u l t i v a t i o n t u t o r ：l i uz h i j u n a b s t r a c t w i t hp e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n df o rl i v i n g , w o o d e nd e c o r a t e ds t r u c t u r a lm a t e r i a lw i l l b eo n eo fw o o dc o m p o s i t er e s e a r c hd i r e , c t i o n si ns e v e r a ld e c a d e s h o w e v e r , i nal o n g p e r i o d0 1 1 1 c o u n t r yn o to n l yw i l lf a c et h ee m b a r r a s s m e n to fs h o r to ft i m b e rp r o v i d e d ，b u t a l s ow i l lb ec o n f r o n t e dw i t hp r o b l e mo fc o n s t r u c t i o n a lm a t c hd u et os e r i o u sl a c ko f b i g - d i a m e t e r - c l a s sa n dp r e c i o u s ，n a t u r a lt i m b e r a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp l a n t a t i o nw o o ds p e c i e si nc h i n a , p o p l a rh a sb e e nw i d e l y u s e di nw o o db a s e dp a n e l si n d u s t r y m a n yp r o b l e m so c c u rd u r i n gp r o c e s s i n ga n du t i l i z i n g d u et op o p l a r sc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t i e sa n dd e f e c t s ，w h i c ha f f f ；e c ti t sv a l u ei nu s e s i n c e p o p l a rh a su n c l e a rg r a i n ，m o n o t o n o u sc o l o ra n dl a r g ep a r t so f w e th e a r t w o o d ，i t sa n i m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h ed o l l a rv a l u eo fp o p l a rw o o dr e s o u r c e sb ya p p l y i n gi m i t a t i o n t e c h n o l o g yt op r o d u c ed e c o r a t i v ev e n e e r ss i m i l a rt on a t u r a lr a r ew o o ds p e c i e s i tw a st h ef i r s tt i m ea m o n gd o m e s t i cr e s e a r c h e st h a ts m a l ld i a m e t e rl o go fp o p u l u s t o m e n t o s ad y e dw i t hs t u m p a g ed y e i n gm e t h o dw a ss t u d i e d a c i dg o l dy e l l o wga n db a s i c t u r q u o i s eb bt o i t so p t i m u md y e i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d ；t h em a t e r i a lo f t r a n s p i r a t i o nw a sm e a s u r e do nt h et r i a lp 甜o d ；w ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f e a c hf a c t o ro n t r a n s p i r a t i o n ，t h er e l a t i o n sb e t w e e nt r a n s p i r a t i o na n dt h eh e i g h to f t h ed y er i s e 、d y eu p t a k e 、 c h r o m a t i s mw e r es t u d i e d ，a n dt w od y e s t u f f s p e n e t r a t i o nd i s c i p l i n ei nw o o d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、u s i n gd y e s t u f fs u c ha sa c i dg o l dy e l l o wg t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：t h eb e s td y e c o n c e n t r a t i o nw a s0 3 ，t h em o s ts u i t a b l et r e a t i n gt i m ew a s4d a y s ，a n dt h eb e s t s u r f a c e - a c t i v ea g e n tc o n c e n t r a t i o nw a s0 0 5 ，t h eb e s tp hw a s5 2 2 、b yb a s i ct u r q u o i s eb bd y e i n g ，t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：t h eb e s tc o n c e n t r a t i o nw a s o 2 ， t h em o s ts u i t a b l et r e a t i n gt i m ew a s6d a y s ，a n dt h eb e s tc o n c e n t r a t i o nw a so 0 3 t h e b e s tp hs h o u l db e t w e e n4 2a n d5 2 3 、w h i l eu s i n gt w ok i n d so fd y e s t u f f sd y er e s p e c t i v e l y , e a c hi n f l u e n c ef a c t o rt ot h e t r a n s p i r a t i o ni sd i f f e r e n t 4 、u n i t a r yl i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o ds h o w st h a tt h et r a n s p i r a t i o nh a v ed i s t i n c tc o r r e l a t i v i t y 、析t l lt h eh e i g h to ft h e d y er i s e 、d y eu p t a k e 、c h r o m a t i s m 5 、t h em a t e r i a le x i s t sac o m m o np h e n o m e n o no nt h er a d i u s ：t h ed y e i n ge f f e c t i v e n e s so f s a p w o o dw a so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h a to fh e a r t w o o d ；i nt h es a m ea n n u a lr i n g , t h e d y e i n ge f f e c t i v e n e s so fe a r l y w o o dw a sb e t t e rt h a nt h a to fl a t e t w o o d ，t h ed y e i n gd e p t h b e c o m eg r a d u a l l ys h a l l o wf i o me a r l y w o o dt ol a t e t w o o d ，t h ec o l o ro ft h ea n n u a lr i n g si s t h ed e e p e s t 6 、u s i n gd y e s t u f fs u c ha sa c i dg o l dy e l l o wq ，t h ec h r o m a t i s md e c r e a s eg r a d u a l l yw i t h t h ei n c r e a s eo fd y e i n gh e i g h t , b o t ht h ea 事a n db d e c r e a s eg r a d u a l l yt o o ，b u tt h e v a l u ei n c r e a s eg r a d u a l l y ；t h ed y e i n gh e i g h ti sg e n e r a l l ya b o v e3 m 7 、b yb a s i ct u r q u o i s eb bd y e i n g , t h ec h r o m a t i s md e c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo f d y e i n gh e i g h t ，b u tt h e v a l u ei n c r e a s eg r a d u a l l y ，a n db o t ht h ea a n db i n c r e a s e g r a d u a l l yt o o ，b u tt h ed y e i n gh e i g h ti sg e n e r a l l ya r o u n d2 m k e yw o r d ：p o p u l u st o m e n t o s a ；s t u m p a g e ；d y e i n g ；t r a n s p i r a t i o n ；p e n e t r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰垦盛些盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彦锦幺2 签字日期： 如cg 年6 月2 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦盎些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇堡盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 陈钏幺1 导师签名： 签字日期：2 彩年占月zb签字日期：9 胂矿年月2 日 毫自杨立木染色技术研究 1 前言 1 1 我国木材资源现状及存在的问题 我逞属予严重缺林少豺的凰家，森转覆盖率低，木材资源耀对缺乏。现有森转瑟积约l 。7 5 亿公顷，森林覆盖率仅为1 8 2 l ，只相当于世界森林覆盖率的6 1 3 ；森林蓄积量1 2 4 5 6 亿m 3 ， 仅占世界4 ，林本蓄积不足世界总餐的3 ；全国入均占有森林面积榴当于世界入均占有量的 2 1 3 ，人均森林蓄积量只有世界人均蓄积燕的1 8 ，人均森林蓄积9 4 2 1 搬3 ，不到世赛平均水平 的1 6 。木材资源严重不足，结构性短缺呈加剧趋势。随着经济的发展，人民生活水平的提高， 木材的消费在增长，资源的供应在下降，木材供需矛盾十分尖锐。特搦楚随着地球气候的变暖， 入们对生态环境的像护日益重携，国家实施了“天然保护”工程，控剃木材采伐量，这种矛戚日濒 加剧。现在人们可以获得的木材资源，尤其是大径级的原木供应更为紧张，但每年木材消费总量 帮缀大，约为3 亿o ，两我国本材实际可供给量只有1 5 钇矗。不仅葱董不足，结构性矛盾更 显突出。大径级材、硬阔叶材，尤其是珍贵阔叶材严重匮乏。为此，国家不得不拿出有限的外汇 用于进口木材和各种林产晶。同时我囡和世界上许多国家都加强了对速生材、小径材、间伐材、 低劣材等的开发积利用。鬻翦我匿人王林面积达0 5 3 亿公诿，居世赛首位。人工林虽然速生丰产， 但人工林木材特别是大量培育的人工林杨木和杉术等与天然林木材相比，密度低，材质松软，材 质不均，物理力学性能较差，花纹不明显和材色单调等天然缺陷等，一般难以赢接作为装饰材料 使用。巍对市场国际纯的激烈竞争，我匡木奉| 资源必须进行战昭转移，开发亮薪技术，综合高效 地利用本材资源制造出优良的木材产晶。因而人工林资源的合理、有效利用是急需解决的问题。 l 。2 杨树木材特征和加工利用 杨树是我国特有的优矮乡士树种，分布瑟积广。木材具光泽，生长轮略明显，宽两均匀。睾 环孔材歪教孔材。管孔镜下明显，早材管孔耩大丽多。 杨木用途广泛，低等级材、小径术和枝桠材可以用于中密度纤维板和刨花板等碎料人造板的 聋产，粥作制浆造纸原料，毁及包装、火柴、一次筷子等性畿要求不高的产品。但是，麸我国的 木材资源和有效利用来看，成材原木用于锯材和单板类人造板的生产。 杨树木材的固有特性和材质缺陷，给胶合板、细木工板和单板层积材等单板类人造板的生产 工艺带来许多匿难。木材物理力学性质与单板的旋甥条件蠢霞量有蓿密切豹关系l l 】，采孀软阔唾 树材的旋切条件能获得较好的旋切效果，但是存在旋切易起毛，出板率较低等闯题；由于杨木不 同部位的含水率差异悬殊且分布不均，如1 - 6 9 杨“湿心材”含水率高达2 4 5 ，边部含水率低 至8 0 嘲，焉常霜的单板千燥梳子燥造成含水率不均，琴l 超干燥应办两翘麓不平。在单板胶合方 顽，杨木的密度较低，干燥含水率不易控制，p h 值和缓冲容量较高，因而胶合工艺常需要采用 二次预压工艺，且对胶合带来不良影响p j 。因此为了实现杨木资源的充分有效利用，既要培育优 良的舞系耱改进栽培技术，提供优覆良材，又要缀合木零季性质研究实用的翔工技术，还要剩耀现 代科学技术研究提出杨木高附加值利用的新技术、新产品，而木材颜色加工处理是制造仿真材料 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 的关键技术之一。 1 3 国内外木材染色技术研究与发展 1 3 1 木材染色方法的分类 纵观国内外研究成果，木材染色的方法按照木材的处理形态可以分为立木染色、实木染色、 单板染色和碎料染色等；按照染料的浸注方式可以分为常压浸注、减压浸注和加压浸注等：根据 染色要求、染色条件、染色原料将木材染色分为表面染色和深层染色，热处理染色和冷处理染色， 天然染料和合成染料染色。染色木材用途和染色方式的不同，决定了木材染色工艺的多样性。 1 3 2 国内木材染色研究现状 在我国，木材染色的历史悠久，如福建漆器的着色、苏州红木家具生产，都有丰富的经验， 只不过大部分的染色都是把染料涂刷在木材的表面，并没有渗透到木材的内部，也没有进行其理 论研究【训。2 0 世纪8 0 年代中期我国广东等南方沿海城市也曾大量使用人造薄木贴面胶合板进 行室内装修，但是人造薄木还是主要还是从日本、香港等地购买那时虽已有不少人进行人造薄 木的研究，但是由于生产工艺的问题导致人造薄木的外观质量不理想，因而未形成工业化生产【5 】。 直到2 0 世纪8 0 年代末，我国才开始对木材染色进行探索。 ( 1 ) 木材染色方法的研究 1 9 8 9 年陈云英等1 6 1 对加拿大杨、椴木和柳桉单板染色方法进行了探索。陈玉和和陆仁书教授 等【7 】通过对木材上染率和色差的观测和分析，用酸性大红g r 染料对0 5 m m 厚泡桐漂白单板进行 了染色试验。1 9 9 7 年黄宗骥掣8 】开始以速生杨木单板为基材，经干燥、漂白、染色等工艺处理后， 生产仿花梨木单板。于志明等例以纺织工业用酸性染料对毛白杨和泡桐等阔叶树材单板进行染色， 发现可以将几种染料混合配制复合染料，木材染色前的处理方法影响其染色效果，染色单板的变 形程度亦有较大差异；染料浓度、染色时间和温度等对染色效果有较大的影响，不同树种的单板 宜采用不同的工艺。陈玉和等【l o l 介绍了木材水溶性染料染色液的组成，详细阐述了木材深度染色 和表层着色的工艺参数，讨论了影响木材染色效果的主要因素，并就我国木材染色工业的发展提 出了建议。随后，对泡桐单板的材色变化规律、单板染色及影响因子、仿红木利用等方面进行了 富有成效的研究。陈桂华等【l l j 对美洲黑杨单板的染色工艺进行了初步研究，探讨了染液温度、浓 度、p h 值、染色时间对染透率和表面效果的影响，及助剂对染色单板耐水性、耐光性的影响， 提出了较佳的杨木单板染色工艺参数顾丽莉等1 1 2 】采用酸性染料对低质木单板进行染色对比试 验，提出酸性染料对川滇桤木、滇杨、西南桦木等低质阔叶树材有较好的易染性，并对影响染色 工艺的因素进行了初步探讨。 纵观国内在木材染色方法方面的研究，主要还是集中在单板的染色上，而立木染色方法几乎 没有涉及。因立木染色能赋予小径木一定的特征，而且还可以得到其自身所不存在的特征，使小 径木成为与众不同的材料，也为人工林小径木的利用开辟了一条新路，所以今后在立木染色方面 应该引起研究者的重视，同时也应该是今后木材染色发展的一个重要方向。 2 毛白杨立木染色技术研究 ( 2 ) 染料水溶液渗透性研究 木材渗透性是木材的重要物理特性之一，木材加工和利用的许多方面都与其有密切的联系， 尤其在木材染色、防腐、滞火处理、阻燃处理等加工过程中，均需要木材渗透性方面的理论。对 于染料在木材中的渗透及染料分子与木材的结合机理研究不多。赵广杰等l l 列通过恒定压力差作用 下，染料水溶液在木材中的渗入流量和溢出流量随时间的变化关系，研究了木材中染料水溶液的 渗透过程，讨论了染料分子在木材组织中的染着机构。研究表明，当试验材料平均直径为1 5 c m 时，染料水溶液在木材中渗透的极限压力梯度为2 1 8k p a m 当试验材料直径一致时，染料水溶 液的溢流时间和材长之间呈正线性相关；在渗透最初阶段，渗入流量的积分值和溢出流量的积分 值两者趋于一致，这对应着染料水溶液在木材中的染着饱和状态。在各个减压渗透阶段中渗入流 量随时间的延长而减少，是由于染料分子沿细胞壁呈三角形染着吸附，使有效流动面积愈来愈小 所致。陈玉和等【如l 介绍了木材水溶性染料染色液的组成和染色工艺，详细阐述了木材深度染色和 表层着色的工艺参数，提出了木材染色效果除受染色液组成及染色工艺参数的影响外，还与被染 木材的含水率、树种、木材的化学组成及组织构造密切相关 ( 3 ) 木材用染料及其染色性能的研究 综合近几年的研究成果，木材用主要着色剂一般分为：水性着色剂、油性着色剂、醇性着色 剂、颜料着色剂、化学药品着色剂。染料为水性着色剂。用于木材染色的染料可分为酸性染料、 碱性染料、直接染料和金属配合物染料【1 4 1 。刘亚兰等【1 5 1 根据木材着色形式将木材着色剂分为基底 着色、木纹着色、涂膜着色3 种。基底着色又有水性、油性、有机溶剂型之分，染料即为水性着色剂。 胡淑宜等1 1 6 】通过不同染料对福建常见的5 种木材木粉、抽提木粉、纤维素、木素木粉的染色， 研究了木材主要化学成分的染色及其对木材纹理的影响。结果表明，由于木材纹理产生决定于木 材组织结构的差异，而不同的组织结构显示其化学组分差异，由于同一染料对木材主要化学组分 ( 纤维素、半纤维素、木素等) 的染色性不同，从而染色深化了木材的纹理，不同染料对木材 纹理深化程度不同。林金国纠17 1 又用酸性橙、直接蓝、碱性绿对福建5 种重要木竹材细胞染色性 能进行了研究。结果表明，3 种染料对内部中空的不含内含物的细胞腔不染色，对具有内含物的 细胞腔可浅度染色，酸性橙、碱性绿对细胞的纹孔膜浅度染色，直接蓝对细胞的纹孔膜不染色， 酸性橙、碱性绿对厚些的轴向管胞、木纤维、导管分子、纤维细胞的染色效果好于薄壁的轴向薄 壁细胞、射线薄壁细胞、基本薄壁细胞。直接蓝对木材的射线薄壁细胞不染，对轴向薄壁细胞的 染色优于轴向管胞和木纤维。酸性橙、碱性绿对晚材管胞和晚材木纤维的染色程度大于早材管胞 和早材木纤维，而直接蓝则恰恰相反。段新芳等【l 叼采用酸性染料桔黄i i 加热浸染，研究了毛白杨 木材主要组分与酸性染料的相互作用。研究表明，纤维素和半纤维素不能上染，木质素染色性能 良好：分析表明，3 者均未与染料反应生成新的官能团。染色木材的缺点是耐光性降低。日本王 桦( b e m l am a x i m o w i z i a n ) 染色单板置于室内，1 3 0 0 d 后有8 种染料染成的单板色差降至l o 以下。 对具有鸟眼花纹的槭木单板进行染色，酸性染料的染色均一性较直接染料效果好，色彩鲜明，还 具有优良的染色性和耐光性。当用碳弧灯对其照射1 0h 后发现，色差降至3 以下的染料，直接 染料1 6 种中有5 种，酸性染料1 6 种中有4 种。染色木材光变色主要发生在紫外线波长区域，染 色时加入紫外线吸收剂则耐光性提高，混入聚氨酯涂料进行涂刷效果良好，但用水溶液染料直接 涂刷效果欠佳1 1 9 2 0 1 。 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 1 3 3 国外木材染色研究现状 ( 1 ) 木材染色方法的研究 日本在染色方法上的成果最多，饭田生穗 2 1 , 2 2 】利用树液流动注入法对立木进行染色引起木材 学界的兴趣和关注。采用这种方法，不仅染色速度快，而且经过染色的木材，能看清细胞组织等 微细结构的染色状态，在保持颜色足够鲜明程度方面，与减压、加压渗透法有根本的不同但这 种方法仅适用于边材含量大的小径材，对于大径材的染色则不实用。大川勇等i 矧研究了木材在染 液中浸渍的自然吸收染色法以及促进渗透的煮染法。酒井温子等1 2 4 j 利用渗透性不同的两种或多种 染料组合到一起对木材进行多色染色，渗透性好的浸润到木材内部的晚材，而渗透性差的只渗透 到木材表面及早材，干燥、刨切后会形成两种或多种颜色图案。添野丰【2 5 】开展了木材表面均一染 色、花纹染色、突出木射线染色和多色染色等技术体系的研究并研制出了浸泡技术和装置。平林 靖彦1 2 6 采用添加活性剂，进行等离子体处理等染色前处理，对于改善界面润湿性，提高酸性染料 和直接染料的染色均匀性和发色性进行了研究。在日本众多的专利【2 7 】中提出采用分散碱性染料复 合盐，通过微分散方法，只溶解染料的复合盐得到分散碱性染料复合盐进行染色，用这种方法着 色后颜色鲜艳，几乎没有缺陷；同时中山弘明【2 8 1 提出用含阴离子染液使其渗透扩散到单板中去， 再用含有阳离子活性剂的缓染剂涂敷在单板表面，并用加热处理的方法生产单板；饭岛帮夫1 2 9 l 在染色方法中还提出以热带材为试材，采用先预处理，再染色的方法，可以使材料内部染色。日 本学者也曾提出以被染木材的抽提液为溶剂进行染色，这样染色的效果良好，颜色稳定，耐光性 也好。 ( 2 ) 染料水溶液渗透性研究 日本武井升1 3 0 】用木材的吸光系数( k ) 与散射系数( s ) 之比作为染料吸收速度方程的主要 参数，并用测色仪对理论进行验证。 ( 3 ) 木材用染料及其染色性能的研究 1 9 6 4 年大川勇等用直接染料、酸性染料、碱性染料对木材染色。1 9 7 8 年松田健一对漂白后 的木材用分散染料等进行染色。1 9 7 1 年基太村洋子【3 1 】先后对木材的不同成分一纤维素、半纤维 素和木素的染色性能进行了试验，发现直接染料对纤维素染色性良好，酸性染料不佳；直接染料 对半纤维素染色性较好，酸性染料不佳；直接染料对木质素染色困难，酸性染料和碱性染料较好。 这一结果对于木材染色的进一步研究具有重要的意义。1 9 9 0 年饭田生穗等对5 8 种阔叶材和3 种 针叶材进行染色试验，使用2 1 种直接染料、酸性染料、碱性染料和活性染料。 1 3 4 木材染色技术发展趋势 木材染色是一个交叉学科技术，它应用了木材科学、染料化学、光学、颜色学科等方面的知 识因而，其加工工程比较复杂。国内外在染色工艺和染料选择及配制方面研究的成果较多。我 国木材染色技术的研究尚处于探索和初步发展阶段，具有很大的发展前景。结合木材染色工艺和 许多木材染色研究工作者的分析，认为今后木材染色应从以下几个方面发展： ( 1 ) 立木染色技术的深入研究。日本在立木染色技术研究与应用方面获得了成功，但是我国 仅有赵广杰等做过一定的研究迄今未能在生产中得到应用，还有许多工作要做。 4 毛白杨立木染色技术研究 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 染料在木材中的渗透性。虽然国内外对木材的渗透性做过了大量的研究，并且取得了较 多的成果，但是对于染料在木材中的渗透机理的研究较少。渗透性是影响木材染色的重 要因素，关系到染色的深度和均匀性。因此，如何改善染料在木材中的渗透性，还需今 后进一步研究，并且要把“木材一染料一溶剂”作为一个系统进行研究。 环保问题。木材染色应注重环保；木材染色属于化学加工范畴，其加工过程会产生许多 的废水和废液，因而，必须同时研究废水和废液的处理技术或者研究环保型的染色技术。 染色树种。今后应该开展人工速生林主要用材树种的染色工艺研究，特别是人工林小径 材的染色工艺研究。 染色木材性能的研究。经过染色后的木材应该能够满足不同用途的需要，使其在使用过 程中保持良好的性能。 利用先进的技术和现代化的手段进行木材染色，如利用计算机进行木材染色中的配色、 拼花和控制管理 1 4 染料的发展及常用种类 染料是具有特殊颜色的芳香烃类有机化合物，人类使用染料对物体进行染色、印花已有十分 悠久的历史。世界公认的最早使用染料染色是在公元前3 0 0 0 年的中国。在1 9 世纪中叶以前，人 们使用的染料都来源于自然界的植物、动物和矿物中，因此被称为天然染料( 天然色素) 。最常用 的可提取天然染料的植物有蓝草、茜草、红花、苏木、桅子、槐花、郁金、黄护、鼠李以及紫草 等。除了从植物中获取染料外，也有一些天然染料来自动物。1 8 5 6 年，合成染料之父一英国化学 家拍金( w h p e r k i n ) g t j 得了苯胺紫染料，可能为第一种合成染料。随后又出现了一系列合成的碱 性染料、酸性染料、蒽醌染料、直接染料、硫化染料一等。1 9 5 6 年，出现了反应性染料( 活性染 料) 由于其良好的使用性能而使传统的用于纤维素纤维染色的染料受到了强有力的挑战。活性 染料今天己成为纤维素纤维染色的主要染料，并逐渐应用于蛋白质纤维和聚酞胺纤维。现代工业 所用的染料除了苏木精等个别天然染料外，都是合成产品。 染料种类繁多，其物理和化学性质相差很大，虽然大部分染料可以用来对木材染色，但染色 效果差异很大，因此选择木材用染料是木材染色很重要的一步。染料一般要求具备如下的条件： 耐光性好，附着性好，光照不褪色。透明度高，使木纹更清晰地显现出来。染色性好，能 均匀染色，颜色不渗透到涂层中去，不影响表面涂饰。使用简单、方便。木材染色中常用的染 料有酸性染料、碱性染料、直接染料和活性染料。应根据工艺条件要求，选择合适的染料。 酸性染料是在酸性或中性介质中染色的染料，其作用原理是它与木纤维素的结合依靠它们分 子问的范德华力和氢键力。因该类染料含有大量的羧基、羟基或磺酸基，在溶液中呈解离状态， 且染色成分是阴离子，故称阴离子染料，包括偶氮染料、葸醌染料、吖嗪染料、三芳基甲烷染料 和硝基染料。酸性染料不发烟，耐光性和化学稳定性好，浸透性能优于其他染料，但染着性差。 酸性染料耐日光、水洗、熨烫，但不耐浓皂液。与木素结合力强，但与纤维素和半纤维素结合力 弱。如用适宜的助剂整理，纤维素的染色能力会大大提高。酸性染料具有色谱齐全、色泽鲜艳等 特点，其湿处理牢度和日晒牢度承受品种不同而差别较大，价格低，是木材工业中首选的染料。 碱性染料是阳性电荷色素和盐酸、草酸组成的盐，或与氯化锌组成的复盐，所以也称盐基染 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 料或阳离子染料，是使用最早的一类合成染料，由苯甲烷型、偶氮型、氧杂葸型等有机碱和酸形 成的盐，结构类型繁多，有偶氮型、葸醌型、二苯甲烷型、三苯甲烷型、二苯基萘基甲烷型、氧 杂蒽型等，其特点是色泽鲜艳，具较高染色能力，但日晒牢度和化学稳定性差，木材用碱性染料 耐光性和化学稳定性较差，常会因光照：涂料等而变色，最易发烟，渗透性一般：但染着性好， 染着能力较强。 直接染料是一些不经特殊处理就能直接作用于木材上的染料，属阴离子染料，它与木纤维素 的结合与酸性染料一样，是依靠它们分子间的范德华力和氢键力，直接染料耐光性变异大，一般 耐光性差，茶色类耐光性较好，一般不会因光照而变色，其余颜色类耐光性较差：化学稳定性好， 大多数不会与涂料作用发生变色而影响木材表面涂饰效果，但少量除外。渗透性一般，染着性差。 该类染料包括大量的偶氮染料。 活性染料也称作反应性染料，分子中含有反应性活性基团，在染色过程中，染料的活性基团 与纤维分子形成共价键结合，使得染料和纤维形成一个整体。活性染料是由染料母体、活性基团 和连接这两部分的联接基组成。染料母体主要的偶氮型、葸醌型、酞菁型、金属络合型等，在与 纤维素纤维格蛋白质纤维作用的活性染料母体中含有水溶性基团，使其具有良好的水溶性，染料 结构中多含磺酸基，染色均匀。活性染料稳定性最差，受潮、热易分解。 综合以上分析，工业木材染料以酸性染料为主，碱性染料次之。常用的木材染料有酸性大红 3 r 、碱性绿、碱性品红、碱性桃红、酸性嫩黄2 g 、酸性橙i l 、碱性金黄、酸性金黄、酸性黑j 册、 直接橙、直接嫩黄2 g 等。 1 5 立木染色的原理和方法 1 5 1 立木染色原理 树木生长需要的水分与养料是靠树叶的蒸腾作用从土壤中向树干及其他各个器官输送的，即 树叶的蒸腾作用是立木所需水分与养料传导的驱动力。从树叶表面蒸发掉的水分，需要从根部吸 收来补充。由于树木根部供给的水分显得不足，为了确保水分迅速供应，在木材内就产生负压， 此负压是形成液体在树体内流动的驱动力。这种负压在一天内因时间、天气、季节、树木发育状 态不同而不同，大小在2 - - 。3 m p a 范围，每平方厘米面积吸收l k g 水约产生9 8 k p a 的负压。负压 越大树液的流动速度也就越快。单位时间内，柏树树液流速最大为3 0 - 、- 4 0 c m ，而柳树则为1 2 0 - 1 4 0 c m 。 树木存在许多能使空气流动的空隙，如胞腔、纹孔、穿孔以及微纤丝间隙等，这些是染液流 动的必要通道。纹孔是相邻两个细胞问的通道。对于活立木心材，其细胞壁上的纹孔是关闭的( 纹 孔结构中存在纹孔塞，它将通道堵塞) ，而边材是开放的，但是干燥后边材的开通状态会转变成 关闭状态，而且关闭的纹孔口，再重新吸水到饱和也不会重新开通。由于纹孔的开通与关闭，使 树木体内的渗透性相差很大，有时可达3 0 - - - 1 0 0 倍，纹孔开通，渗透性明显增大。 在树木中大小不一的液体渗透路径中，木材纹孔最小，但它是影响染液渗透速度的重要因素， 所以理想条件是在纹孔开通的条件下进行木材染色。因此，利用树液流动进行立木染色非常有益。 小径木的边材率高，渗透性好，适宜进行立木染色，且对提高小径木的利用价值也具有重要 6 毛白杨立木染色技术研究 意义。 1 5 2 立木染色的分类 所谓立木染色，是指将染液输入到树干中，利用活树树叶蒸腾作用产生的树液流动引发的天 然驱动力，使染液分散到树干木质部从而使木材染色的一种方法。 日本在立木染色技术研究与应用方面获得了成功，但我国仅有赵广杰教授做过一定的研究， 迄今未能在生产中得到应用，还有许多工作要做。 立木染色技术可以有效利用人工林小径木，近年来越来越受到人们的重视，也是今后木材染 色发展的一个重要方向 立木染色有两种方法，即穿孔染色法和断面浸注染色法。 ( 1 ) 穿孔染色法 穿孔染色法是在活树树干表面上钻取一些小洞，用管子将装在容器内的不同颜色的染液采用 一定的方式输入到树干内，利用树叶的蒸腾作用，使染液分散输送到木质部而将木材染成多种颜 色的染色方法。该方法对生长发育的立木染色，不论树木的尺寸大小都比较适宜此外还可以通 过向各个孔注入不同颜色的染料，可以把木材染成不同颜色，这是横断面浸注染色法难以实现的 方法。 在生长距地面高5 0 - - - l o o c m 的活立木处，用钻孔器开出直径为2 7 t u r n 的穿孔沟，直通髓心， 然后插入用来注入染液的管子，管子的另一端与盛有染液的容器相连，这就能将染液连续地注入 木材内。其中盛染料容器要靠近立木，而且要高出孔3 0 c m ，用一个架子承载容器。这样就可以 实现对立木的染色。 染色时间应选择在树木生长发育旺盛，树液流动快速的季节进行，一般在夏季较好。 树木直径在3 0 c m 以下为佳，大于3 0 c m 时，这种方法的有效性降低。为使材色均一，且染 色速度快，就要使穿孔的数目增加，一般要求1 6 个以上，穿孔面积率占木材断面积的6 2 7 以 上。 ( 2 ) 断面浸注染色法 断面浸注染色法是指将新将新采伐的具有一定活性的木材，基部浸入染色溶液中，靠木材毛 细管中有活性的树液流动带动染料分子沿树干上行而染色。 将树木从距离地面高5 0 c m 处截断后，浸在盛有染料水溶液的桶中，直立，充分利用树叶的 蒸腾作用和树液流动，向木质部渗入染液4 8 h ，即可制得染色材。 影响染色速度的因素有各种，如染料种类、染液浓度、树种、树叶量等等，染料与木材表面 的吸着力小的染色速度快，反之则速度慢：染料浓度高时( 最大限度只有2 ，大部分在0 3 - - - o 5 ) 可提高染色速度，一般阔叶材的染色速度要比针叶材高。如对日本柳杉和青冈栎树木，用 新胭脂虫、酸性品红作染料，浸泡2 4 h ，青冈栎染色高达7 2 8 o m 、日本柳杉可达2 6 4 6 m1 3 2 】。 1 9 9 0 年饭田生穗等 2 1 , 2 2 1 对5 8 种阔叶材和3 种针叶材进行了立木染色试验。该染色方法虽然 染色不均，但因为染料是沿着树液流通管道扩散的，染色效果独特，适合于特定场所的装饰，如： 室内装饰材和工艺品用材；北京林业大学的赵广杰教授在专利中也提到立木染色能够最终达到将 整个木材染成同一颜色和能够实现将同一木材染着成两种以上不同颜色。对于某些树种，立木染 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 色能够达到直径小于2 0 m m ，长度小于1 5 0 r a m 小径木材的全组织染着。 1 6 立木染色材特征 立木染色木材，与采用减压、加压渗透法的染色效果与染色状态有着根本的不同，能看清楚 细胞组织等微细结构的染色状态，还能保持足够的鲜艳度。对山茶树和山柳树的染色结果发现， 山茶树的早材为易染型，而山柳是晚材部分。 根据染料的种类，可以得到若干种不同的染色状态。但是柏、杉、黑松等针叶材，一般边材 全被染成同一类型，而阔叶材与此不同，它具有自身染色特性，每一种染色都不相同。例如水青 冈、山茶等，早材不被染色，只有晚材被染色，在横切面上，零散存在着呈同心圆状的染色形状， 而青冈栎在半径方向上，呈现细长针状斑点的染色型。赤杨除宽木射线组织以外，由于存在未被 染色的射线组织，明显地表现出特异的染色状态。 对立木染色材弦切面和径切面进行观察发现，纹理特别引人注目，而且出现了材料本身不存 在的新的染色木纹，对立木染色的青冈栎弦切面观察发现，其中染色部分与未染色部分相互交替， 看上去像径切面的染色木纹。从这个例子可见，每一树种都能获得很有特色的染色材。通过用蓝、 绿、红等色调，突出纹理，可获得多种类型的染色材。 因此，采用立木染色方法处理小径材，能赋予小径木一定特征，而且还可以得到其自身所不 存在的特征，使小径木成为与众不同的材料，也为人工林小径木的利用开辟了一条新路。 1 7 本研究的目的和意义 随着市场经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，人们越来越追求回归自然。木质材料 不仅具有美丽的颜色和丰富的花纹，能够给人以温暖的感觉，而且对人的情绪和身心健康也有很 重要的影响。因此，木材在人民生活中便起到了举足轻重的作用。 木材作为一种天然生物材料，是一种各向异性的材料。不同树种构造变异很大。其颜色、纹 理和结构各不相同，有些树种的木材带有天然、美观的颜色和纹理，如紫檀、柚木等木材。然而 这些珍贵的木材十分的昂贵，蓄量有限且生长周期长。随着人们环保意识及国家天然森林资源保 护措施的加强，对珍贵木材的需求与珍贵木材的匮乏的矛盾日益突出。当前栽种面积最广、木材 产量较高的速生材，生长快、成材早、用途广，已经成为木材加工业的主要材料；但其木材密度 低，材质松软，材色单调，又没有清晰的花纹，同时因各种原因而导致变色及材色不均影响了木 材美观和销售竞争力，所以不能直接用作装饰材料。 立木染色法一方面和其它木材染色方法一样是实现普通或低质木材模拟珍贵树种木材的有 效方法，特别是对速生人工林小径材，通过染色等技术加工，突出和强调木材所具有天然纹理的 自然美，掩饰木材的固有缺陷，修饰木材的表面性状，提高木材自身的表观价值，从而提高人工 林小径材的附加值。另一方面，立木法染色与其它染色方法相比首先在染色上能够实现立木小径 材的全组织整株染色；其二在染色工艺设备上具有简捷、易操作、不污染环境，并具有节能特点； 这是立木染色法研究的出发点和意义所在 8 毛白杨立木染色技术研究 2 1 引言 2 酸性染料染色工艺研究 杨树木材是一种毛细多孔有限膨胀胶体，由不同形状和大小、组织各异等永久管状单元( 大 毛细管) 和瞬时管状单元( 微毛细管) 相互串联起来一种复合毛细管系统。有以下三条串联毛细 管结构；细胞腔与纹孔串联管结构；细胞腔与非连续细胞瞬时毛细管串联结构；连续细胞壁瞬时 毛结构。这三条串联毛细管结构又相互并联起来，成为一个统一的并联串细管状体系，构成了木 材内流体的渗透路径p 引。 染料品种繁杂，数量众多。根据染色原理，为有利于染料分子向木材中浸透，本试验选择分 子量较小、水溶解度高、色牢度较好的酸性染料，采用断面浸注染色法对毛白杨小径材进行染色， 分析其染色情况。酸性染料是一类多为水溶性好的芳香族的磺酸基钠盐( r s 0 3 n a ) ，其染色功能是 靠在酸性介质中易电离形成带负电荷的磺酸基( r s 0 3 ) ，而木纤维浸泡在酸性溶液中，带正电荷 的氢离子很快扩散到木纤维内，中和了显负电性的( c o o - ) 基团，使整个木纤维带正电荷。因 此，带负电荷的磺酸基与带正电荷的木