基于水影画技法的白枫装饰薄木耐光性及润湿性研究

庞 瑶 ，杨玮娣 ，刘 毅 ，郭洪武 ，任学勇

（1.北京林业大学 a.木质材料科学与应用教育部重点实验室；b.木材科学与工程北京市重点实验室；c. 林业生物质材料与能源教育部工程研究中心，北京 100083； 2.北京工业大学 艺术设计学院，北京 100024）

天然珍贵木材经旋切或刨切制成的薄木以其优美的颜色、纹理而备受人们青睐，被广泛应用于人造板、家具部件等表面饰面。但是，随着天然珍贵木材供应的日益紧缺，如何提升人工林速生木材的利用价值成为木材科学领域研究的重要课题[1-2]。人工林木材材色单调，纹理不清晰，材质松软，密度较低，不宜直接用于家具、家居装饰[3-4]。因此，出现了以普通树种木材为基材，经染色、胶合而成的重组装饰薄木。这类人造薄木丰富了木质装饰材料的品种，满足了人们的个性化需求，提高了人工林木材的装饰性和经济价值[5-6]。近年来，随着家具家居行业的快速发展，装饰材料也在不断推陈出新，其中，水影画装饰薄木便是一种独特新颖的创新形式。水影画作为中国传统的绘画艺术形式，利用了水和油脂类颜料分离的原理进行高技巧作画。水影画装饰薄木的制备主要包括画液配制、颜料调配、水中绘画及薄木拓印等步骤，基于水影画技法绘制的图案艳丽独特[7]。水影画装饰薄木的产生不仅是对传统艺术的传承与发扬，也是对材料的创新设计。良好的装饰效果是由薄木表面性能决定的，因此，为分析此种装饰薄木的表面性能，本研究采用阔叶材白枫制备水影画薄木，开展水影画装饰薄木的表面耐光性及润湿性研究，为今后深入探究水影画装饰薄木性能及改进生产工艺或者对材料进行二次加工提供了理论依据，具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

（1）实验材料

木 材：白枫Acer saccharum，气干密度为0.433 g/cm3，含水率12%，购买于北京东坝建材城。试样规格为130 mm×42 mm×0.5 mm。

颜 料：采购于山东临沂，其中红色颜料主要成分为朱砂，分子式为HgS；蓝色颜料主要成分为石青，分子式为2CuCO3·Cu(OH)2；黄色颜料主要成分为栀子黄色素，含藏红花素和藏花酸，其化学结构式如图1所示。

（2）设 备

主要有氙灯老化试验机（Alpha+，德国）、测配色系统（PX，日本）、接触角测定设备（OCA20，德国Dataphysics）。

1.2 试验方法

1.2.1 水影画装饰薄木试样的制备

根据传统水影画绘制步骤，用方形容器盛装绘制水影画所需的画液，分别用吸管选取适量红色、黄色、蓝色颜料点滴于画液上，使用笔刷将颜料均匀铺开，然后将薄木材料铺着于水面上，轻按进行拓印，即可将颜料转印于薄木上。拓印后的薄木材料在避光室内自然条件下风干后进行剪裁，制成规格为130 mm×42 mm×0.5 mm的试样。

图1 藏红花素（a）和藏花酸（b）化学结构式Fig.1 Chemical structures of the crocin (a) and crocetin (b)

1.2.2 耐光性实验

将试样置于氙光老化试验机中进行光辐射试验， 分 别 于 0、l、2、5、10、20、40、60、80、100 h光辐射后，用计算机测配色仪测定光辐射前后的颜色参数L*（明度）、a*（红绿色品指数）和b*（黄蓝色品指数），测色仪光源为D65，观测角为10°。对每块试样均取5个点进行测试，取平均值为试样测量值。根据CIE(1976)L*a*b*色空间的色差公式计算光辐射前后的材色差和总色差值(ΔE*)，即为不同光辐射时间的变色度。材色差和总色差的计算方法如下：

式中：ΔL*、Δa(b)*、ΔE*分别为明度指数变化值、色品指数变化值、总色差值；L0*、a0*和b0*为试样的初始明度指数、色品指数；Lt*、at*和bt*为经过t时间光辐射后试样的明度指数、色品指数。

1.2.3 表面接触角的测定

测试前先将蒸馏水抽入注射器中，排除气泡后将注射器装入接触角测定仪，将试样置于载物台上，调节高度，并调节焦距及试样位置使成像清晰。每次测试所用蒸馏水液滴大小为3 μL，在试样上随机取6个点，分别测定不同液体滴在试样上的初始接触角，计算6个测试点的接触角平均值。

2 结果与分析

2.1 耐光性分析

通过光辐射实验，白枫未处理试样及其颜料着色后试样的材色指数L*、a*、b*初始值的测定结果（平均值）如表1所示。

表1 白枫薄木试样的材色指数Table 1 Colour index of the wood veneer

木材的颜色主要来源于其组分中的木质素和抽提物，它们含有大量的发色基团和助色基团，这些基团以复杂的形式结合构成发色体系，并通过选择性地吸收、散射、反射特定波长区域的可见光，从而使木材呈现不同的颜色[8]。由表1可知，未处理试样和不同颜色的薄木试样的材色指数各不相同。由于白枫属于浅黄色木材，其明度L*较高。3种经不同颜料着色的试样中黄色试样的明度指数L*最高，其次是红色试样，蓝色试样的明度指数最低。黄色和蓝色试样色品指数a*、b*差异较大，而红色试样的色品指数a*、b*数值较为接近，其原因可能是由于红色颜料成分中的朱砂不仅具有鲜艳的红色，且带有由亮黄到蓝红色的色调。

未处理的白枫薄木试样和经颜料着色的试样分别经光辐射1、2、5、10、20、40、60、80、100 h后，其明度指数L*、红绿色品指数a*、黄蓝色品指数b*和总色差ΔE*的变化情况如图2～图5所示。

由图2可知，未处理试样和经红色、黄色、蓝色颜料着色的薄木试样的明度指数L*随着光辐射时间的延长，均呈下降趋势。在光辐射初期（0～20 h），明度指数L*下降速率大，中后期（20 h后）趋于缓慢。未处理试样和黄色试样的明度数值L*较为接近，但最终未处理试样的明度变化比黄色试样大。4种试样经光辐射100 h后，其明度指数L*变化情况为：未处理试样（ΔL*=6.70）＞蓝色试样（ΔL*=5.48）＞黄色试样（ΔL*=5.18）＞红色试样（ΔL*=4.14）。

图2 试样明度L*随光辐射时间的变化Fig.2 The relationship between lighteness(L*) of the samples and lighting time

图3 色品指数a*随光辐射时间的变化Fig.3 The relationship between chroma index(a*) and lighting time

图4 色品指数b*随光辐射时间的变化Fig.4 The relationship between chroma index(b*) and lighting time

由图3和图4可知，试样的色品指数a*和b*随光辐射时间的延长，基本呈平缓状态，没有发生明显的变化。具体而言，未处理试样的色品指数a*和b*在光照初期皆有上升变化的趋势，中后期趋于平缓状态。红色试样和蓝色试样的红绿色品指数a*没有明显变化，而黄蓝色品指数b*在光照初期呈上升趋势，中后期变化趋于缓慢，表明红色和蓝色试样发生了黄化。黄色试样的色品指数a*和b*随着光辐射时间的延长，皆有轻微的上升趋势变化。

结合明度指数和色品指数的分析，经光辐射后，试样的明度和色度均发生了变化，未处理试样的颜色变化明显大于其它3种颜色试样。未处理木材光变色的类型主要属于化学变色，由于木素的光氧化反应而导致了木材变色[9-10]。木材中木素是一种强的光吸收剂，在光照下易发生降解，使颜色发生改变，因此其在木材组分中的耐光性最弱。光辐射过程中，在具有不同能量的不同波长光的激发下，木材表面化学基团和化学键能级处于激发态，木质素碳骨架侧链的羰基或共轭双键首先吸收光能，这些不饱和键氧化生成自由基，并进一步反应氧化，生成醌类发色物质或降解劣化成水溶性小分子，从而使得木材变色[11]。

对于不同颜色的颜料，光变色的程度不同与颜料所含成分密切相关。红色颜料所含成分朱砂在长期光照作用下容易变暗或变黑，这种转变主要是HgS在两种晶体间的转变。朱砂有两种变体：一种是红色六角晶系结晶体α-HgS，另一种是黑色单斜晶系结晶体β-HgS。颜料晶体结构发生变化一般会引起颜料性能的变化，在光照和低能量条件下，α-HgS转变成β-HgS[12]。因此随着光照时间的延长，红色朱砂颜料会产生变暗甚至变黑现象。但有学者通过对壁画上的朱砂颜料进行研究，认为氯和光是引起朱砂颜色变化的原因，氯是光氧化反应的催化剂，在长期光照下，氯与HgS发生反应生成氯化物，从而使朱砂颜色发生改变[13]。石青是一种碱性铜碳酸盐矿物，也叫蓝铜矿，晶体类型为单斜晶系。石青颜料的变色或褪色原因，主要也是由于晶体结构的改变。石青颗粒不稳定，2CuCO3·Cu(OH)2在低热状态下通过水化作用容易转变为孔雀石CuCO3·Cu(OH)2[14]，在较高温状态下颜色易发生改变[15]，高温时分解得到黑色的氧化铜CuO，从而使得颜色变暗变黑。黄色颜料中的成分栀子黄与矿物颜料不同，其属于脂肪族天然色素，色素成分含藏红花素和藏花酸，变色机理主要以光催化氧化、水解重排为主。栀子黄天然色素分子结构中存在长链共轭双键，长链烯烃中的π键容易受到光照、氧化等破坏而褪色，这一结构不仅赋予了天然色素以颜色，也影响着光照下其色泽的稳定性[16]。

图5 试样的总色差ΔE*随光辐射时间的变化及变色速率Fig.5 The relationship between total chromatism(ΔE*) of the samples and lighting time

图5为试样的总色差ΔE*随光辐射时间的变化情况和变化速率。由图6（a）可知，试样的总色差ΔE*随着光辐射时间的延长均呈上升趋势，试样发生了显著的光变色。光变色的程度大小为：未处理试样＞蓝色试样＞红色试样＞黄色试样。经颜料着色的试样耐光性均强于未处理试样，表明了颜料的附着在一定程度上抑制了木材的光变色。颜料着色的试样中黄色试样的耐光性最好，主要是由于天然栀子黄色素相对于矿物颜料稳定性较好，栀子黄色素中的藏红花素和藏花酸分子结构含较为稳定的长碳链结构，具有良好的抗氧化活性[17]。此外，有研究表明栀子黄色素中含有化学成分多酚类，可以起到抗氧化作用[18]，因此栀子黄的耐光性相对较强。由图5（b）可知，在光照初期（0～20 h）总色差ΔE*变化速率大，表明试样在光辐射初期就发生了严重的变褪色；光照中后期，总色差ΔE*的变化速率减小，变色程度逐渐趋于平缓。分析该现象的原因，主要是由于光照初期吸收的光能使木材抽提物分子中的不饱和基团激发，发生了光氧化和光降解反应导致发色体系产生改变和破坏[19]，同时，光照也使颜料晶体发生了改变，所以在木材组分和颜料成分的双重作用下，试样在初期光变色严重。但是，由于光的穿透能力是有限的，薄木的变色通常发生在材料表层[20]。当试样表面的颜料成分发生了变化，形成了另一种相对稳定的晶体或结构后，木材的变褪色进入了下一阶段，这一阶段主要是木材的劣化，试样的光变色速率减小，变化过程缓慢。

此外，本实验还选取了杨木薄木制备了水影画装饰薄木，其试样的总色差ΔE*随光辐射时间的变化情况如图6所示。由图6可知，杨木与白枫薄木的总色差ΔE*变化大小不一样，但是其变化趋势是一致的，总色差ΔE*同样随着光辐射时间的延长均呈上升趋势，试样发生了显著的光变色。树种的不同，可能会影响其水影画装饰薄木的光变色程度，但是其变色机制是一致的。

图6 杨木试样的总色差ΔE*随光辐射时间的变化Fig.6 The relationship between total chromatism(ΔE*) of the poplar samples and lighting time

2.2 表面润湿性分析

液体在固体表面上的润湿程度可以用接触角（θ）定量描述[21]。当θ=0°时，为完全润湿状态；当0°＜θ＜90°时，为润湿状态；当90°＜θ＜180°时，为不润湿状态；当θ=180°时，为完全不润湿状态。接触角越小，表面润湿性越好[22]。

实验分别测量了未经光照老化的试样及老化试样的表面初始接触角，其平均值大小如图7所示。

图7 未老化及老化试样的初始接触角Fig.7 The initial contact angles of the samples

由图7可知，未经光照老化的试样的初始接触角大小为：黄色试样（105.7°）＞蓝色试样（100.6°）＞未处理试样（97.9°）＞红色试样（94.2°），经光照老化后试样的初始接触角大小为：黄色试样（99.25°）＞未处理试样（97.9°）＞红色试样（96.7°）＞蓝色试样（95.68°），其数值差异并不大。未老化及老化后的未处理试样的初始接触角基本一致；未老化的黄色和蓝色试样的接触角高于老化后的接触角；而红色试样则相反，老化后的试样接触角大于未老化的。在未经光照老化的条件下，颜料着色试样的初始接触角大小相对于未处理试样均有不同的改变，说明颜料附着于薄木表面对表面润湿性有影响。光照老化后，除了未处理试样，颜料着色试样与未老化试样对比，其初始接触角也发生了不同程度的改变，表明光照对颜料着色试样的表面润湿性也有影响，并且这种影响主要是由于颜料变化引起的。

通过对比4组试样的初始接触角可知，在未经老化和老化后的条件下，未经颜料处理试样的初始接触角没有改变；红色试样的接触角最小，未老化和老化后的试样与未处理试样分别相差3.7°、1.2°，变化差异不大；黄色试样的接触角均大于其它试样的接触角。因此，在这4种试样中，黄色试样的表面润湿性最差，其主要原因与黄色颜料成分的分子组成结构相关。藏红花素和藏花酸皆含有长碳链结构，藏花酸碳链的末端为2个羧基基团，其水溶性较差。藏红花素碳链的末端含龙胆二糖糖苷，糖苷的多少与水溶性相关，糖苷数目越多，水溶性则越好，因此藏花酸的水溶性相对于藏红花素较差。但在整个色素成分中，长碳链结构占主导地位，糖苷占少量，整体而言，栀子黄色素的水溶性较差，具有一定的疏水性，因此采用黄色颜料着色的试样其润湿性较差。

在未老化条件下，蓝色试样的初始接触角大于未处理试样，猜测产生该种情况的原因主要是由于颜料粒子存在的表面电荷引起的，表面电荷可通过吸附空气中的化合物，以中和或降低其表面自由能，表面自由能越低，接触角越大，因此蓝色试样的初始接触角比未处理试样大。经过光照老化后，蓝色试样的初始接触角减小，且低于未处理试样。蓝色颜料的成分2CuCO3·Cu(OH)2经光照后部分失水转化成CuO，而CuO又可与空气中的水分及CO2反应转化成碱式碳酸铜，使得其具有一定的吸湿性。因此，老化后的蓝色试样的表面润湿性相对于未老化试样较好。

材料表面润湿性受多种因素影响，表面粗糙度也是其中一个影响因素[23]。对于红色颜料着色试样，其初始接触角均低于未处理试样，老化后的红色试样的接触角与未老化的试样相比增加2.5°，变化差异不大。红色颜料中的HgS既不溶于水也不与水反应，据此猜测影响红色试样表面润湿性的原因可能是由于颜料附着后改变了原本材料的表面粗糙度，从而导致水在材料表面的接触角的差异。

3 结 论

本研究结合了传统水影画技法与普通薄木制备了新型的装饰薄木，通过对白枫装饰薄木表面耐光性及润湿性的分析，得出以下主要结论：

（1）白枫水影画装饰薄木受光辐射后易发生变色，是木素及颜料褪变色共同作用的结果，主要表现为明度指数L*减小，总色差ΔE*增大。不同颜料着色试样的光变色程度不同，变色程度大小为：未处理试样＞蓝色试样＞红色试样＞黄色试样。颜料附着于白枫薄木表面，使得光变色减弱，其中黄色试样的耐光性最好，未处理试样的耐光性最差。

（2）颜料附着于白枫薄木表面及光照老化后，对材料表面的润湿性有着不同程度的影响。未老化及老化后的黄色试样的初始接触角最大，表明黄色颜料着色试样的表面润湿性较差。

此外，通过绘制实践也可证明，水影画装饰薄木具有可行性。与染色薄木相比，水影画采用的是颜料而非染料，而对于颜料染色薄木少有人研究。在本试验条件中，仅对于单一颜色颜料而言，但水影画装饰薄木的表面装饰画是由多种颜料颜色组合形成的，不同的颜料混合后，其性能可能会有所改变，所以这一方面还有待深入探索。因此，为了提高水影画装饰薄木的稳定性及使用寿命，使其获得更好的使用价值，在今后的研究中，还可更进一步地进行性能研究，改进颜料、工艺以及优化选择薄木材料等。

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