热处理对赛黑桦色空间分布与光泽度的影响*

刘明利 刘明菊 李春风 刘彦龙 徐梓朝

自古以来人们将木材广泛地应用于家具制作和室内装饰。材色是木材表面视觉性质中最为重要的物理特征，而且直接与木制品以及室内环境的质量评定密切相关。影响木材颜色的主要因素是木质素，因为木质素中含有许多如苯环、羰基、乙烯基和松柏醛基等发色基团，还有与羰基、羧基及以醚键结合的助色基团[1]。在热处理过程中，木材中生成更多酚类物质，使木材颜色加深[2]。材色作为评价木材质量的重要指标[3]，在一定程度上决定了木材的商业价值。采用缺氧高温改性处理木材，其材色可随热处理时间和热处理温度而改变，从而可以模仿珍贵木材，获得既经济又美观的木制品[4-9]。

赛黑桦又称辽东桦，是一种密度高、干缩变异较大和力学强度大的重硬木材[10]。笔者采用缺氧高温改性处理技术对赛黑桦木进行改性处理，以改善木材颜色指标，进而实现其产品品种的多样化。

1 试验设备与材料

设备：缺氧高温改性处理窑：0.4 m3，星楠干燥设备有限公司；色差测定仪：CR-410，柯尼卡美能达有限公司；光泽度测定仪：MG-268Plus，柯尼卡美能达有限公司；立式窜动磨光机：MM2617。

试材：赛黑桦（Betula schmidtii），含水率8%～12%；规格尺寸：3 000 mm×350 mm×30 mm；数量：18根。

2 试验方法

2.1 试件热处理

参考前人的研究经验[3,4]及研究团队利用缺氧高温改性处理窑处理木材的经验[11,12]，确定以热处理温度为180、195 ℃ 和 210 ℃，热处理时间40、100 min和 160 min作为处理条件，进行9组实验。从室温开始升温，升温速率为5 ℃/10 min。在温度升到试验设定值（180、195 ℃和210 ℃）后，保持相应时间（分别为40、100 min和160 min）。缺氧高温改性处理过程持续喷入水蒸汽，保证炭化窑内氧气含量控制在3%～5%。降温采取先用105 ℃水蒸汽汽蒸将温度降至120 ℃，再自然降温至40 ℃后出窑。

2.2 色空间及色差测定

热处理后，在每根试样的径切面上分别标定3个测色点。为避免木材表面灰尘，以及热处理后抽提物渗出影响木材颜色测定，测定前均将每根试样的两个径切面刨去0.5 mm厚度，然后用CR-410测色仪测定颜色参数：明度L*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*，计算色差ΔE*。

2.3 光泽度测定

采用MG-268Plus光泽度测定仪，参照国家标准GB 4893.6—1985《家具表面漆膜光泽度测定方法》，测量试材径切面的光泽度。光线的入射方向选择平行于纹理和垂直于纹理两个方向，其光泽度测量值分别记作GZL（%）和GZT（%）。测点选择与木材材色测量方法一致，即在每根试样的径切面上分别标定3个测点，每个点测2次，取平均值作为最终数据。

3 结果与讨论

3.1 处理工艺对赛黑桦L*、a*、b*色空间分布的影响

从表1可以看出，随着热处理温度的升高，赛黑桦的L*、a*、b*降低,ΔE*增大；从图1～4 可见，在195 ℃和210 ℃热处理温度下，随着热处理时间增加，ΔL*、Δa*、Δb*和ΔE*变化幅度较小，表明达到一定温度的条件下，赛黑桦的色空间分布趋于稳定；而180 ℃热处理温度下，随着热处理时间增加，赛黑桦的ΔL*和ΔE*增大，而Δa*和Δb*先增加后降低。

表1 热处理赛黑桦木色空间参数Tab.1 Color space parameter of heat-treated Betula schmidtii

图1 明度差ΔL*变化图Fig.1 The change of ΔL＊

图2 红绿轴色品指数差Δa*变化图Fig.2 The change of Δa*

图3 黄蓝轴色品指数差Δb*变化图Fig.3 The change of Δb*

图4 总色差ΔE*变化图Fig.4 The change of ΔE＊

图5为正交试验9组热处理赛黑桦的照相图。1、2、3窑明度接近；4、5、6窑明度接近，但较前3窑明显加深；第7、8、9窑明度进一步加深。说明改性处理材明度主要受处理温度的影响，处理温度越高明度值越小，色差增大。主要是因为随热处理温度的升高，热稳定性较差的纤维素及半纤维素降解，在木材内部发生氧化聚合等反应；另外，木材中的化学组分在高温下急剧氧化，导致“深色化”（吸收光谱向长波长方向移动）和“浓色化”（吸收光谱强度增大）的变色效果。

据有关资料显示，红木类木材的色空间分布特征：L*为26～47，a*为1～17，b*为1～21，呈暗红褐色[13]。在该试验中，当热处理温度为180、195 ℃和210 ℃时，热处理后的赛黑桦的L*、a*、b*均在红木类色空间参数范围内，因此可以达到仿珍贵木材的效果。

图5 热处理赛黑桦的颜色Fig.5 Surface color of heat-treated Betula schmidtii

3.2 处理工艺对赛黑桦光泽度的影响

从表2中可见，随着热处理温度的增加，赛黑桦的GZT和GZL降低。GZL变化范围在9.89%～18.01%；GZT变化范围在3.73%～6.33%。由表2可知，赛黑桦热处理材经表面打磨处理后，GZL（S）与GZT（S）均有大幅度的提高，说明木材表面细胞腔的反射率与木材的镜面光泽度呈正相关，且GZL（S）均大于GZT（S）。这是由于木材组织构造上存在各向异性，木材纹理与细胞的长轴方向平行。当光线顺纹理射入时，一部分光沿细胞长轴方向从细胞内折射，一部分沿细胞外壁折射；当光线垂直纹理射入时，由于细胞内径远远小于其长度方向，所以光线会受到细胞内壁的阻挡[14]。

由表2 可以看出，ΔGZT、ΔGZL、ΔGZL（S）和ΔGZT（S）基本随着热处理温度的增加而增大，这是因为随着温度的升高，木材表面的孔隙变大，反射率减小，表明热处理温度可降低赛黑桦的光泽度。

表2 赛黑桦木光泽度指数检测结果Tab.2 Results of glossiness for heat-treatedBetula schmidtii

4 结论

通过不同高温热处理条件对赛黑桦木材材色和光泽度的影响，对比红木类木材材色与光泽度参数，得到以下结论：

1）经过热处理后，明度值L*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*降低，色差ΔE*增大，并且随着热处理温度的升高，变化率增大。

2）经过热处理后，赛黑桦木的GZL大于GZT。打磨后提高了光泽度。据资料查得红木类素材的GZL数值变化范围为5.77%～15.02%；GZT数值变化范围为4.07%～7.7%[13]。当热处理温度为195 ℃，热处理时间为100 min和160 min，赛黑桦木材的光泽度参数在红木类光泽度参数范围内。

3）在工业化生产过程中，可以通过改变热处理温度，控制木材材色；通过改变热处理时间，微调木材材色，从而使木材材色达到相对可控。

[1] Liu Yi-xing,Li Jian,Wang Jin-man,et al.The Effect of Heat Treatments on Different Species Wood Color[J].Journal of Northeast Forestry University,1994,5(4):73-78.

[2] 史蔷,吕建雄,鲍甫成,等.圆盘豆热处理材颜色变化及其变化机理[J].林业机械与木工设备,2012,40(5):24-28.

[3] 江京辉,吕建雄.高温热处理对木材颜色变化影响综述[J].世界林业研究,2012,25(1):40-43.

[4] 李家宁,李民,秦韶山,等.高温热改性对7种国产阔叶材心边材颜色的影响[J].木材加工机械,2012(4):1-5.

[5] 李晓文,李民,秦韶山,等.硼预处理对橡胶木热改性材颜色和力学性能的影响[J].热带农业科学,2011,31(9):65-68.

[6] 李贤军,蔡智勇,傅峰,等.高温热处理对松木颜色和润湿性的影响规律[J].中南林业科技大学学报,2011,31(8):178-182.

[7] 杨少春,王克奇,戴天虹,等.基于L*a*b*颜色空间对木材分类的研究[J].林业机械与木工设备,2007(10):28-30.

[8] 孙龙祥,赵有科,吕建雄,等.热处理温度与时间对樟子松木材颜色的影响[J].木材工业,2014,28(6):16-19.

[9] 邓邵平,陈寒娴,林金春,等.高温热处理人工林杉木木材的材色和涂饰性能[J].福建农林大学学报,2010,39(5):484-489.

[10] 孙耀星,戚继忠,杨庚,等.赛黑桦的构造特征和物理力学性质[J].林业科学,2012,48(2):180-186.

[11] 刘明利,李春风,刘彦龙,等.缺氧高温处理材胶合性能[J].林产工业,2015,42(9):14-16,31.

[12] 刘彦龙,唐朝发,刘明利,等.硬杂木缺氧高温处理仿功能红木工艺:中国,CN201310552023.9[P].2014-02-19.

[13] 张杰.拉丁美洲红木类木材识别特征量化的研究[D].南京:南京林业大学,2013.

[14] 陈潇俐,潘彪.红木类木材表面材色和光泽度的分布特征[J].林业科技开发,2006,20(2):29-32.