落叶松高温高压脱脂后的颜色和涂饰性能

齐华春 ，朱 志 ，刘一星 ，程万里

（1.北华大学 林学院，吉林 吉林 132013；2.吉林森工 红石中密度纤维板厂，吉林桦甸 132405；3.东北林业大学 材料学院 , 黑龙江 哈尔滨 150040）

落叶松高温高压脱脂后的颜色和涂饰性能

齐华春1，朱 志2，刘一星3，程万里3

（1.北华大学 林学院，吉林 吉林 132013；2.吉林森工 红石中密度纤维板厂，吉林桦甸 132405；3.东北林业大学 材料学院 , 黑龙江 哈尔滨 150040）

以东北落叶松为试材，经不同温度（120、140、160、180 ℃）及处理时间（10、20、30、40 min），真空度为-0.1 MPa，高温高压脱脂干燥处理后，对其颜色和涂饰性能进行测试。旨在探讨高温高压脱脂处理对落叶松木材的颜色和涂饰性能的影响。试验测定了处理前后木材的色度指数及涂饰前后的漆膜性能。色度指数测定结果表明，高温高压脱脂处理后的木材各项色度指数变化较小，基本保持了木材原有颜色的特点。在涂饰性能方面，高温高压脱脂处理后的木材优于高温常压处理后的木材。

落叶松木材；高温高压；脱脂；颜色；涂饰性能

落叶松现有脱脂方法很多，从脱脂效果及效率来看，常规干燥方法只能脱出木材表面的树脂，板材使用中仍有树脂渗出；高温干燥法[1-3]由于处理的时间较长，会使木材失去本身所特有的颜色；高频干燥[4]虽脱脂效果较好，但设备的投入高，不利于节省能源；溶剂萃取法[5-6]的费用也较高，而且此方法对溶剂的要求也高，不能适合生产的需要；化学法[3,7-8]脱脂由于使用了化学药剂，会使板材的力学强度下降并易于老化，而且处理剂对设备具有腐蚀性，废液难以处理，给环境带来危害，不利于环保；综合法[9]脱脂工艺复杂，干燥周期长，脱脂成本较高。以上众多脱脂方法虽然都能取得一定的脱脂效果，但是都在某些方面存在着一定的局限性，尚不能很好地满足工业化生产的要求。

本研究的前期研究是采用一种新的高温高压蒸汽―真空脱脂相结合的方法，对东北落叶松木材进行脱脂干燥，高温高压蒸汽处理木材，使木材内部温度快速的升高[10]，木材内部存在的树脂被汽化，然后再利用真空的负压作用将木材内部的树脂排出。本研究的前期研究结果表明，此脱脂方法可以快速的使其达到脱脂的效果，且为无污染的非化学处理方法。但经高温脱脂干燥处理后的落叶松木材，常会发生复杂的化学变化，而化学反应是木材颜色产生变化的主要原因，良好的木材颜色是评价木材质量并决定其商品价值的一个重要指标；透明涂饰是木制品表面装饰的一个重要方法，是木制品使用价值的重要体现；漆膜质量是木制品耐久性的重要体。因此，对高温高压处理后的落叶松木材颜色的各项指标参数及涂饰性能的测定，对落叶松的后期利用具有非常重要的意义。

本研究选用高温高压脱脂干燥处理后的落叶松木材，对其L*a*b*色度指数及漆膜性能（漆膜光泽度、漆膜附着力）进行测定，考察分析该处理对木材颜色和涂饰性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

手持式分光光度计，型号：NF333，产地日本。

白度颜色测定仪（YQ-Z-48A型）、光泽度仪（KGZ-ΙA 型）、猪鬃漆刷、100号和120号木砂纸和水砂纸、圆规、双面刀片、钢尺（精确至1 mm）、氧化锌橡皮膏等。

1.2 试验材料

本研究的前期研究是选用无节子的试件，在1 500 mm试件上截取100 mm长的试件一块，用于确定最初试件的初含水率，调整试件至本试验所需要的含水率，然后进行脱脂干燥试验。将选好的试件放入新型的多功能、全自动控制木材高温蒸汽干燥设备，按照设定的介质条件，分别进行高温高压真空脱脂干燥实验。处理后的试样放在阴凉通风处，两个星期后，测定试样的树脂含量，前期所测得的脱脂率为63%。

本部分研究试验材料为经高温高压蒸汽-真空脱脂干燥处理（温度为120、140、160、180 ℃，处理时间为 10、20、30、40 min，真空度为 -0.1 MPa）后的木材与素材相同部位的落叶松木材，含水率约为 11%，将其加工成尺寸为 1 200 mm (L) × 150 mm (W) × 20 mm (T)的试件，作为颜色测定试验材料，分别用其测量色度指数，共检测64块试件。将测试颜色后的落叶松木材，加工成尺寸为 160 mm (L) × 150 mm (W) × 18 mm (T)的试件，作为涂饰性能测定试验材料，共检测40块，每个漆种10块。

硝 基 外 用 清 漆（exterior Nitrocellulose varnish）：Q01-1型，天津市油漆厂生产，信那水。

醇酸树脂清漆（Alkyd varnish）：Ⅱ类，天津市油漆厂生产，醇酸稀料。

聚酯漆（双组分）：天津市油漆厂生产。

聚氨酯清漆（单组分）（Polyurethane varnish）：天津市油漆厂生产。

1.3 试验方法

1.3.1 颜色测定

将处理前的落叶松板材砂去0.2 mm表层，分别在心材和边材找出9个测试点，标上记号，用手持式分光光度计测其各项色度指数，然后将板材放入高温高压蒸汽处理设备进行高温高压蒸汽处理，再将其放在阴凉通风处，使含水率达到平衡，含水率约为11%左右。再砂去0.3 mm表层，找到处理前板材的9个测试点，再用手持式分光光度计进行测量各项色度指数，计算各项色度指数变化的数值，取其平均值。

本试验颜色计算采用国际照明委员会推荐的CΙE（1976）（L*a*b*）标准色度学系统。测试中，记录L*、a*、b*，分别由公式(1)计算总体色差△E*的值，再由公式(2)、(3)分别计算出色调角Ag*和饱和度C*。

△ E* =[(△ L*)2+(△ a*)2+(△ b*)2]1/2； （1）

Ag*=arctan(b*/a*)×180/π； （2）

C*=[(a*)2+(b*)2]1/2。 （3）

式(1)～（3）中 △E*为总体色差；L*为明度；a*为红绿色品指数；b*为黄蓝色品指数；Ag*为色调角；C*为饱和度。

1.3.2 涂饰性能测定：

参照国标GB4893.6—85方法进行测定：将涂饰后的试样表面擦净，每块试样选取3个实验区域，其中一个区域在试样的中心，另外两个可在任意位置选择。将光泽度仪的测头放在实验区域上，使木纹方向顺着测头内光线的入射和反射方向，然后将所测得的三点光泽的读数取其平均值作为试验数据。

1.3.3 漆膜附着力测定

按照国标GB4893.4—85 规定的方法，首先用电子天平称量涂饰后的试材质量。在试样上任意取3个实验区域，3个实验区域中心相距大于65 mm，实验区域中心距试样边缘不小于40 mm。将刀片装入刀片夹紧器，使刀刃露出模板的距离为0.3±0.02 mm。将刀刃沿着模板割槽，也就是在实验区域的漆膜表面切割出二组相互成直角的格状割痕，每组割痕都包括11条长为35 mm，间距为2 mm的平行割痕。所有切口应穿透漆膜至试材表面。割痕方向与木纹方向近似为45 °角。然后用漆刷轻轻掸去漆膜浮屑，将氧化锌橡皮膏用手按压，使之粘贴在实验区域上，顺着对角线方向猛揭一次。然后用漆刷掸去表面漆膜浮屑，用电子天平称出其质量，和涂饰前的试材质量相比较，计算质量损失率。

2 结果与分析

图1（a）、（b）、（c）、（d）分别为经高温高压蒸汽-真空脱脂干燥处理后的落叶松木材的明度L*、饱和度C*、色调角Ag*、色差△E*随处理温度和时间变化的曲线图。

图1 落叶松木材表面色度学参数随处理温度和时间的变化Fig. 1 Larix surface color parameters changes with temperature and time

本试验前期脱脂试验过程中，可以明显观察到木材经过高温高压处理后，其颜色会发生不同程度的变深，试验材与未处理材的颜色存在一定的色差。本试验进一步证实了这一点。由图1可以看出，处理后落叶松木材明度L*随处理温度的提高和处理时间的延长呈减小趋势；饱和度C*随处理时间的延长呈增大趋势；色调角Ag*随处理时间的延长逐渐减小，表示木材的颜色由偏黄色向偏红色方向转变，木材视觉上颜色略微变深，有从黄白色向黄褐色转变的趋势，这与试验中实际观察的情况相吻合；色差△E*随温度的升高和处理时间的延长呈上升趋势。热处理过程是一个逐步而缓慢的过程，如果时间过短或温度过低，试验材与素材几乎没有色差。在试验过程中如果延长处理时间或升高温度，将会增加试验材色差。处理温度和处理时间对处理后木材的颜色有很大的影响[11]。本试验木材在高温高压蒸汽处理过程中，随处理时间的增加，试件颜色略由黄色向红色方向发展的趋势，明度向深色方向发展，综合以上因素可以得出，热处理过程中试材的颜色随时间增加偏向于红色和深色方向。热处理过程中最敏感的木材颜色参数是明度，随处理温度升高和处理时间延长降低的比较明显。由试验得出，木材的明度L*下降范围为1.93～19.06%，红绿色品指数a*下降范围9.18～7.91%，黄蓝色品指数b*下降范围29.68～25.20%，色调角Ag*下降范围1.25～8.94%，饱和度C*上升的范围1.54～12.04%。由以上数据可见，虽然处理后落叶松表面色度学参数产生了一定程度的变化，这与高温常压处理后木材的颜色明显变深变暗[12-17]的情况相比，高温高压蒸汽处理木材各项色度学指数的变化要小得多，基本保持了木材原有颜色的特点。导致木材颜色变化的原因可能是由于木材成分中的木质素大分子及一些抽提物（黄酮类、酚类、单宁类）中的发色基团（如羰基、C=C双键、苯环）和助色基团[18]（如羟基、羧基）在高温下被氧化，从而导致颜色变深和变浓，高温高压蒸汽处理加速了多元酚类物质及无色花色素和单宁等水溶性变色原物质的扩散和氧化反应。木材中的纤维素和半纤维素本身的分子结构不存在发色基团，也不能吸收可见光，但其经高温高压处理后，其热解的产物中可能含有发色基团，将可能导致落叶松木材颜色的变化。半纤维素、纤维素、木素在 180 ～ 300 ℃、240 ～ 400 ℃、280 ～ 550 ℃的温度下可发生剧烈热解[19]，但是在低于180 ℃的情况下，也会发生一定程度的降解。由此可看出，木材在高温高压蒸汽处理过程中会发生一些化学变化，导致木材颜色有所变化，但变化不是很明显。

运用SPSS软件对明度、饱和度、色调角、色差的试验结果进行双因素重复试验方差分析（影响因素为温度和时间），对落叶松进行高温高压处理，处理温度及处理时间对明度、饱和度、色调角、色差均有显著影响。

表1、表2分别为经高温高压蒸汽-真空脱脂干燥处理落叶松木材与素材的漆膜光泽度及漆膜质量损失率的情况。

表1 高温高压蒸汽脱脂干燥处理后落叶松木材与素材的漆膜光泽度Table 1 Lacquer film glossiness of Larix wood and original material after treated with high temperature high pressure steam degreasing and drying

由表1可以看出，随着处理时间的延长和处理温度的提高，落叶松木材的漆膜表面光泽度略呈下降的趋势，处理后木材经涂饰硝基清漆后，其光泽度降低了3.39%～30.30%；经处理后木材，涂饰醇酸清漆后，其光泽度略呈下降趋势，下降范围为1.90%～8.55%；处理后木材经涂饰聚氨酯漆后，其漆膜光泽度下降范围为2.83%～19.58%；处理后木材经涂饰聚酯漆后，漆膜光泽度下降范围为0.82%～7.79%。由以上研究发现，经高温高压处理后的落叶松木材经不同的油漆涂饰后，其漆膜光泽度的变化也不同，虽整体处于下降的趋势，但和以往高温常压干燥的研究相比，下降的幅度都比较小。

由表2可见，高温高压蒸汽处理后，随处理温度的升高和处理时间的延长，漆膜质量损失率呈上升趋势，这说明木材的漆膜附着力有所降低，其原因可能是高温高压处理过程中木材内一些成分降解生成的小分子物质以及抽出物等的渗出并聚集在木材的表面，从而使漆膜的附着力降低。可见，高温高压处理可使木材的漆膜附着力降低，影响漆膜的质量，因此高温高压蒸汽处理后木材的涂饰性能略低于素材。相比较而言，温度对漆膜附着力的影响更明显，处理后落叶松木材的漆膜质量损失率较素材的漆膜质量损失率增加了11.86%～117.65%。以往测定温度为160～220 ℃、时间为3 h和5 h的高温常压处理后试件漆膜的质量损失率较素材漆膜损失率增加了27.3%～209.3%[20]。本试验由于所用的处理时间较短，所测定的漆膜损失率虽然有所提高，但比高温常压长时间处理木材的漆膜损失率少很多，这说明高温高压蒸汽处理木材，好于以往高温常压处理后木材的涂饰性能。

表2 高温高压蒸汽脱脂干燥处理落叶松木材与素材漆膜质量损失率Table 2 Mass loss rate of lacquer film of Larix wood and original material after treated with high temperature high pressure steam degreasing and drying

3 结 论

经高温高压蒸汽-真空脱脂干燥处理后落叶松木材，对其颜色和涂饰性能进行测试，结果如下：

（1）随处理温度的提高和处理时间的延长，木材明度L*明显减小，饱和度C*呈增加趋势，色调角Ag*逐渐减小，色差△E*呈上升趋势。木材视觉上颜色略微变深，有从黄白色向黄褐色转变的趋势。与高温常压处理后木材的颜色明显变深变暗的情况相比，高温高压蒸汽处理木材各项色度学指数的变化要小得多，基本保持了木材原有颜色的特点。

（2）随着处理时间的延长和处理温度的提高，木材的漆膜表面光泽度有下降的趋势，漆膜质量损失率有一定的增加。与素材涂饰的结果相比，光泽度下降的范围为0.82%～19.58%。本试验由于所用的处理时间较短，所测定的漆膜损失率低于高温常压处理木材的漆膜损失率，这也说明高温高压蒸汽处理的木材，在涂饰性方面优于高温常压处理后的木材。

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Color and painting properties of degrease drying treated Larix under high temperature and pressure

QΙ Hua-chun1, ZHU Zhi2, LΙU Yi-xing3, CHENG Wan-li3
(1.Forestry College, Beihua University, Jilin 132013, Jilin, China; 2.Jilin Sengong, Hongshi Density Fibreboard Plant, Huadian 132405, Jilin, China; 3. Materials College, Northeast Forestry University, Harbin150040, Heilongjiang, China)

Specimens from Northeast Larix wood were treated with high temperature and high pressure under the temperature of 120, 140, 160 and 180 ℃ , and treated time of 10, 20, 30 and 40 min, and vacuum of -0.1 MPa to test the color and painting properties of treated wood. The color index before and after the woods treated and coating f i lm properties before and after the specimens painted were respectively determined. The results show that all the color indexes of the wood treated with high temperature and high pressure had little change, the wood specimens remained largely the original colors of wood characteristics. Ιn terms of painting properties, the performance of un-grease treated wood with high pressure and high temperature overmatched that of the wood specimens treated under high temperature and general pressure.

Larix wood; high temperature and high pressure; degreasing; color; painting properties

S791.22；S781.7

A

1673-923X(2013)12-0135-05

2013-05-15

国家自然科学基金资助项目（30871981）

齐华春（1971-），女，吉林吉林人，博士，讲师，主要从事木材科学与技术方面的研究

刘一星（1954-），男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士生导师，主要从事木材科学与技术方面的研究；E-mail∶yxl200488@sina.com

[本文编校：文凤鸣]