热处理木材的材色变化研究概述

成真　刘迎涛

摘要

通过对近年来热处理木材材色变化的研究，总结出了热处理引发木材材色变化的机理，阐述了热处理过程中处理设备和处理条件、处理温度和时间、木材内部抽提物等因素对木材颜色变化的影响，分析了热处理带来的木材材色变化对木制品加工和物理性能检测的意义，最后提出了木材热处理后关于颜色变化研究存在的一些问题和材色研究的发展趋势。

关键词 热处理；木材材色；材色变化；温度

中图分类号 S781.7 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-174-03

Review on the Color Change of Heattreated Wood

CHENG Zhen， LIU Yingtao

（Key Laboratory of Biobased Material Science and Technology of Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract The recent researches on the color change of heattreated wood were reviewed. In this paper the causes of the wood color change during heat treatment were revealed and the main factors leading to the color change were analyzed， including the equipment， conditions， temperature， time and wood extractives. The color change of heattreated wood also contributes to wood machining and discovering physical properties of wood. It also brings the problems of the researches on the color change after heat treatment and the trend of development on color change in this paper.

Key words Heat treatment； Color of wood； Color change； Temperature

熱处理是一种能有效改善木材理化性能的方法。在水蒸气、空气、惰性气体、热油等传热介质中，对木材进行160～250 ℃条件下的处理，从而降低木材的吸湿性，提高其生物耐久性和尺寸稳定性，能有效地提高木材品质。20世纪90年代以来，随着优质木材资源的减少，世界范围内开始探索如何高效地利用木材资源，芬兰、法国、荷兰、德国等木材工业发达的欧洲国家，木材热处理生产技术得到了迅速的发展，并被投入到成熟的工业化应用是出现了Thermowood，Retification，Le Bois Perdure，PLATO process，Oil Treated 5种代表性且在实际生产中得到应用的工艺方法[1]。

芬兰的Thermowood热处理木材工艺是在处理环境中充入水蒸气，将含氧量控制在3%～5%以下，温度控制在180～250 ℃，分为升温阶段、热处理阶段和冷却平衡阶段。法国的Retification热处理工艺则是将木材置于氮气处理室中，将木材缓慢加热到210～240 ℃，通过超高温、无氧环境下的热处理，使木材的吸湿性明显降低，提高了它的尺寸稳定性[2]。法国的Le Bois Perdure热处理方法则是将生材在空气介质下加热到220～240 ℃，利用生材本身在加热过程中挥发出的水蒸气作为蒸汽介质，从而达到热处理的目的。荷兰的PLATO process采用的处理工艺与一般方法有所不同，传热介质为水、蒸汽，处理过程包括预处理和再干燥2个阶段：先将生材或气干材在160～190 ℃的温度环境下进行处理，使木材含水率渐渐达到较低水平（约10%），再将预干燥过的产品再次加热至170～190 ℃，从而得到所需含水率的干燥木材。德国的Oil Treated木材热处理则是在热油（植物原油）介质中进行的，将木材浸置于装有植物原油的特殊处理罐中，加热温度为180～220 ℃，热油能完全阻隔氧气，它的热传递效率也比空气高，用这种方法处理后的木材耐久性好，力学强度降低小[3]。

热处理不仅能改变木材的物理性质，还能导致木材发生颜色上的变化，热处理后的木材颜色变深，通常变为浅褐色或深褐色，总体明度降低，颜色均匀柔和，视觉舒适，颜色稳定[4]。日常生活经验表明，产品颜色是决定消费者印象的重要因素。颜色浅的木材通常给人一种明快、活泼的感觉，而颜色深的木材往往能给人一种典雅、深沉和高贵的精神感受。该文通过对近年来热处理木材颜色变化研究的总结，阐述了木材热处理导致木材颜色变化的机理、影响因素以及研究热处理木材材色变化的意义。采用CIE（1976）L*a*b*均匀色空间系统来衡量木材颜色的变化（L*为明度指数、a*为红绿轴色品指数、b*为黄蓝轴色品指数、明度差为△L*、总体色差为△E*、色饱和度为C*、色相为H*）。

1 热处理木材颜色变化的机理

木材的颜色变化是由一系列复杂的物理和化学过程所导致的，根本原因是木材中基本发色基团和助色基团的增加和减少。其中一方面是由于木材本身具有显色作用的木质素或抽提物（如色素、单宁和树脂等）在高温下发生了变化，导致木材变色；另一方面则是木材中的组分，如纤维素、半纤维素、木质素等在加热过程中产生的降解产物含有发色基团或助色基团，也能引起木材颜色的变化。

1.1 木材抽提物变色机理

木材在较低温度下加热时，木材内部的水分缓缓向外移动，酚类、黄酮类化合物等水溶性抽提物也会随着木材内的水分移动而聚集在木材表面，促使木材表面颜色变化；随着热处理温度的进一步升高，木材中的酚类化合物形成的有色物质在高温下受空气氧化也能发生变色[5]。瑞典的SshlstedtPersson M研究了松树和云杉的汁液和热抽提物的颜色反应，认为木材中的树脂和抽提物的结构变化是引起木材颜色变化的原因[6]。高建民等[7]探讨了三角枫在加热干燥过程中的变色机理，认为在一定的温度和湿度条件下，三角枫中的多元酚物质以及色素和单宁发生氧化反应，导致其中的苯环、酚羟基等发色团和助色团发生变化，使三角枫变色。

1.2 半纤维素变色机理

半纤维素是木材细胞壁中的无定形物质，支链多，不稳定，在高温（一般在150 ℃以上）作用下容易发生分解，生成醋酸以及酚类化合物，酚类化合物中往往带有发色基团。随着处理温度的进一步升高，木材中的多糖组分易发生水解反应，加热前后对比发现，其红外光谱图中1 740 cm-1处的吸收峰显著降低，这表明加热后木材组分中羰基的含量降低，生成的羧基含量增加[8]。

1.3 纤维素和木质素变色机理

醋酸环境对纤维素和木质素的分解或结构变化可以起到促进催化的作用，促使这一过程循环发生，产生的发色物质不断增多，从而导致了木材宏观颜色上的变化。同时，木材中的木质素在180 ℃以上时发生降解，β醚键发生均裂，生成自由基[9]。而自由基的性质极不稳定，非常容易与相邻分子相互作用，产生链传递和终止反应，生成相对稳定的过氧化物，最后过氧化物在高温下分解为有色化合物，使木材变色[7]。Mitsui[10]研究了针叶材和阔叶材经过热处理后在相同光照条件下的变色情况，发现针叶材比阔叶材的变色程度大，但差异不明显，这是木质素含量的不同导致的。

2 热处理中影响木材材色变化的因素

2.1 处理设备和处理条件对木材材色的影响

木材热处理的设备多种多样，采用的处理设备不同，得到的木材颜色的变化也不尽相同。以对水曲柳热处理为例，李涛等[11]在185 ℃工艺条件下，将水曲柳置于小型实验室用干燥窑和生产型热处理窑中分别进行处理，得到的材色L*，a*，b*，ΔE*数据显示，在2种试验中，明度指数L*存在差异，分别为53.69和51.06，而色度指数a*，b*上没有明显的差异，ΔE*为2.67，属于人眼感觉稍明显的范围。Thermowood 热处理工艺采用水蒸气为处理介质，处理后的木材，颜色呈褐色至深褐色，木材降解产物主要是乙酸、甲酸、少量的酚类化合物，处理材的质量主要取决于处理温度[12]。而经过热油工艺处理的木材，低温条件处理下的木材颜色会变成浅褐色，高温条件处理下的木材颜色为深褐色，2种处理条件下的木材颜色区别明显，处理后的木材具有油烟味[3]。对日本柳杉等树种进行的高压蒸汽处理研究表明木材材色的变化程度与处理时间和压力有显著的关系，延长处理时间和升高压力都可以获得较大的色差[13]。

2.2 温度和时间对木材材色的影响

木材在高温加热处理时，随着处理温度的升高，木材中的木素和半纤维素发生降解，分解出新的化学组分参与化学变色反应，而且随着处理时间的增长，反应的程度不同也会导致颜色变化不同。以热处理扭叶松（Pinus contorta）木材为例，在高温热空气处理木材时，控制反应室中氧气浓度小于 2%。当高温热处理时间相同，处理温度为180、200和220 ℃ 时，L*值分别下降了7.93、13.02和23.13；当高温热处理温度恒定，热处理时间为1、2和3 h时，L*值分别下降了12.21、16.50和2465[14]。可见随着热处理温度的升高和时间的延长，L*值逐渐降低，△L*的绝对值随着温度和时间的增加而增加，木材颜色偏黑；在同一处理温度下，a*值和b*值起初都有所增加，随着时间的延长都有所下降，变化的趋势基本相同[15]。将巨桉木在140、170、200、230 ℃下进行热处理，处理时间分别为3、5、7 h，Zanuncio[16]记录了这不同温度和时间下L*、a*、b*数值的变化，发现L*值从140 ℃开始下降，a*值在140 ℃处理5 h后才开始下降，b*、C*和H*从170 ℃才开始变化，通过数据得出温度对木材材色的影响大于时间对它的影响，对加热处理条件最敏感的材色参数是明度指数L*。

2.3 抽提物等化学成分对木材材色的影响

在热处理过程中，木材中的抽提物（如色素、单宁和树脂等）也参与了木材颜色变化的反应[17]。表现在同种木材的心、边材在相同热处理条件下颜色变化的差异和不同树种在同种热处理条件下的颜色差异。唐荣强[18]在对杉木心边材进行高温热处理时发现，热处理条件相同时，杉木的心材和边材会表现出不同的颜色差异，而杉木边材的酸溶木质素含量高于心材，心边材中木质素含量和抽提物含量的差异导致了颜色的不同。曹燕燕[19]发现在热处理枫桦时，边材的ΔE*较心材的增长幅度大；随着温度的逐渐升高和时间的延长，处理材的L*值和心材部分b*值持续降低，而边材部分的b*值逐渐增大，a*值也逐渐增大。发生这种变化是因为枫桦中的抽提物含量较高，其中大部分是黄酮类和多酚类物质，它们的酚羟基或取代基在加热过程中被氧化，原有的发色体系结构发生了变化，导致枫桦颜色加深。

除了以上这些主要因素以外，处理过程中的空气介质和湿度等条件也会影响木材的颜色变化。如王洁瑛[20]在对杉木压缩木热压高温处理时发现，在处理温度和时间相同的情况下，对在空气介质中和真空中热处理后的试材相比，前种方法处理后的试材明度更小，色差更大，說明了氧气在这一反应过程中发挥了作用。

3 热处理木材材色变化的发展前景

3.1 仿名贵材材色成为可能

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