3种药剂浸渍处理木材的物理及化学特性研究

3种药剂浸渍处理木材的物理及化学特性研究

木材颜色不仅是木材表面视觉变量的一个重要特征，也是木材加工和附加值的一个重要影响因素。木材颜色不仅是决定消费者印象最重要的因素，也是木材生产和应用设计中最生动、最活跃的因素。为解决木材色差等问题,木材领域的专家学者和木材加工企业致力于木材颜色调控技术的研究,如木材变色的防治、木材漂白和木材着色技术。自从我国启动天然林保护工程和速生丰产用材林计划以来,人工林木材已逐步成为木材加工原材料的主力。桉树和松树是南方主要的人工林树种,在我国南方有大面积的种植,经过多年的栽培,早已成为南方的主要用材林,目前多数是作为人造板、造纸等使用,而作为原材使用的较少。近年来,有许多专家利用木材改性技术对人工林木材进行增值利用处理,其中木材热处理技术主要利用木材在高温(200℃左右)下发生分解这一原理对木材进行改性,具有改善木材尺寸稳定性和提高木材色泽的效果,得到了广泛的推广应用。但是经高温长时间热处理后的木材,力学强度会有较大的改变,限制了热处理材的应用范围。因此,本文探讨在降低处理温度和减少处理时间的条件下,采用短周期木材热处理技术对人工林木材进行改性,以期提升木材颜色指标,从而实现产品品种的多样化,并可以通过短周期热处理改变木材的颜色来模仿珍贵木材,提高人工林木材的附加值,对加快中国人工速生林的利用具有现实意义。1试验材料和方法1.1sonina试材试验所用马尾松(Pinusmassoniana)木材产自广东省广州市,试材规格为320mm×25mm×25mm(长度×宽度×厚度)。1.2测试设备自制小型木材热处理装置,真空加压浸渍处理设备,汉谱便携式色差计,型号为HPG-2132。1.3测试方法1.3.1真空加压浸渍处理将所有试件分成4组,每组120根。将其中1组标记为素材,不作任何处理,其余3组木材每组各自分为4个小组,称重;分别用浓度为0,0.5%,1.0%和1.5%的氯化锌溶液(A)、磷酸二氢铵溶液(B)和磷酸溶液(C)3种药剂进行真空加压浸渍处理。本文中这3种药剂分别用A、B、C符号表示,药剂浓度由小到大表示为0、1、2、3,各处理工艺组合用“温度-药剂及浓度”来表示,如150-A1表示0.5%的A药剂浸渍处理后在150℃条件下热处理的木材试样,其它组合依此类推。1.3.2热处理时间的确定当处理材干燥至含水率约为12%时,将试材在热处理箱内整齐放好,关闭箱门,迅速升温至100℃,抽真空至0.08MPa,再缓慢升温到130℃干燥到绝干,期间加入适量氮气,使热处理期间箱内压力维持在2MPa左右,然后迅速升温到热处理目标温度,并在处理过程中适当喷蒸。本文的目标温度为150℃、160℃和170℃,最高温度下保温时间(简称热处理时间)为1h。处理完成后关闭加热装置,待热处理箱冷至40℃左右时出料。1.3.3木材颜色参数的录明度将干燥好的马尾松板材表面刨光,测量木材样品热处理前后的颜色变化值。颜色测定方法采用国际发光照明委员会(CIE,1976)L*a*b*标准色度系统,利用色差计定量测试木材表面的颜色值。每组随机取5个试样进行测试,计算结果取平均值。主要记录明度L*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*和色饱和度C*。为评价热处理条件对木材各颜色参数的影响效果,引入变化率作为评价指标[15。计算公式为:α=(a*1-a*)/a*×100%β=(b*1-b*)/b*×100%γ=(L*1-L*)/L*×100%C*=C*1-C*△E*=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2式中L*,a*,b*,C*和L*1,a*1,b*1,C*1分别为处理前后测得木材样品的明度值、红绿轴色品指数值、黄蓝轴色品指数值和色饱和度值;α为红绿轴色品指数变化率(%);β为黄蓝轴色品指数变化率(%);γ为明度变化率(%);△C*为色饱和度差值,正值表示比对照样鲜明,负值表示比对照样暗深;△E*为色差值,数值越大表示被测物与对照样颜色差别越大。2加速热处理试验对试验结果进行方差分析,结果见表1。从表1可知,加速热处理试验中,药剂名称、药剂浓度和处理温度对△C*、γ、α、β和△E*的影响均比较显著。2.1种药剂对马尾松木材热处理效果的影响木材经热处理后,色泽变暗,纹理更加清晰,明度下降。有文献报道指出,热处理材的颜色较素材颜色变暗是由于随着热处理温度的上升,木材的半纤维素发生较剧烈的分解,纤维素和木质素在产生的甲酸、乙酸等酸性物质催化下也发生部分热解,加之有机物质的挥发等原因,导致木材的明度显著下降。在热处理过程中,发色基团与助色基团在某种化合物中以一定的形式结合,此时,其吸收光谱会从紫外光区延伸到整个可见光区,从而使颜色加深。处理材γ的变化见图1。从图1可知,马尾松木材经热处理后较处理前明度值L*明显变小,相应地γ的下降幅度在逐渐加大,采用的3种药剂A、B、C对处理材的明度均随着药剂处理浓度的增大而加剧,随着热处理温度的升高,处理材的明度下降幅度明显增大。与未添加药剂的热处理材色泽相比,药剂A的处理材在150-A1处理材的色泽达到了170-0工艺组合处理材的色泽明度,γ比未加药剂的150-0工艺组合约下降了15%,150-A3则比170-0工艺处理材的γ下降了约12%。对于药剂B和药剂C,变化规律与药剂A类同,在160-B3、170-B3、160-C3处理材的色泽比170-0处理材的γ下降了30%,处理材的γ下降显著。因此,3种药剂对木材的热处理过程有催化加速反应的作用,表现为可在低温处理下达到较高温度处理材的色泽效果。随着处理温度的升高和药剂浓度的增大,处理材的γ下降幅度明显增大。2.2药剂对木材值的影响木材经浸渍药剂加速热处理后,在不同温度下α的变化如图2所示。经170-B3、160-C3工艺组合处理后的试材色泽指标的α值最小,其中170-B3工艺组合处理后的α为-65.16%,160-C3处理材的α为-59.36%。从药剂C在不同温度下的α值可知,150～170℃范围,药剂处理浓度从1.0%增至1.5%时处理材α的变化减缓。从处理材总体的α值来看,药剂A和B对α的影响随着浓度变化的规律不明显,药剂C处理材的α下降幅度随药剂浓度的升高而增加。与未浸渍催化药剂的处理材相比,3种催化药剂复合加热处理可以降低a*值,表明处理材表面的颜色变化向红绿轴的中心轴方向靠拢。药剂对黄蓝轴色品指数变化率β影响结果见图3。从图中可见,药剂对β的影响类似于对α的影响,药剂B和C随着处理浓度的增加,β下降幅度增大的规律较明显。相比150℃与160℃之间β值的差异,在160℃与170℃时3种药剂复合处理试材的β变化差异减小。但药剂在较低浓度如A1、B1、C1条件下,β下降幅度随着温度升高而加大的规律明显。但3种药剂对热处理木材β影响显著。处理材的b*值均比未加药剂的处理材小。2.3药剂热处理材与药剂a/c的关系由图4可知,未加药剂的热处理与对照材的色饱和度差值△C*较高。在150℃、160℃时,△C*为正值,当加了0.5%的药剂A再经150℃的热处理后,可达到170℃未加药剂处理材的色泽效果;而经B药剂处理后,色饱和度更大,效果更加明显;药剂C处理材的△C*与药剂A相关不大。从总体的药剂热处理材的效果分析可知,随着热处理温度的升高和处理药剂浓度的增大,△C*值逐渐增大。工艺间数值差异性较大,规律明显。2.4对取样颜色差别越木材经药剂浸渍再进行热处理后,木材的色差增大,结果如图5所示。在相同热处理温度下,随着热处理温度的升高,△E*值也增大,△E*值越大表示被测物和对照样颜色差别越大;在150℃时,随着药剂浓度的增加,药剂A、B、C的△E*变化斜率越大,但是药剂A和C的0.5%和1.0%浓度处理材的△E*变化减缓,且在160℃和170℃之间的差异比150℃与160℃之间的差异小。这种现象表明药剂A、B、C对热处理材的色差影响非常显著,即3种药剂可以使木材发生化学变化,表现为反应速度加快,反应类型增多,反应产物数量和种类增多,导致处理材颜色变化比同等温度未加药剂的处理材更明显。3热处理材与高温处理材的对比采用主要成分为氯化锌、磷酸二氢铵和磷酸溶液的3种药剂先对马尾松木材浸渍处理,再进行短周期加热处理,由于药剂对木材的热处理表面颜色有加速变暗的作用,因此,本文提出的方法,可以在低温处理