热处理及注蜡对紫光檀颜色和吸水性能的影响

杨 航

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

紫光檀(Dalbergiamelanoxylon)又称东非黑黄檀、黑檀，是豆科黄檀属木材，国标黑酸枝木，主要产自非洲东部。其木材加工后，色泽、触感似犀牛角，又称犀牛角紫檀。紫光檀密度高达1.3 g/cm3，材质坚硬、滑润，切面打磨后形成的包浆非常亮丽，是制作红木家具和工艺品的良好材料。

紫光檀密度大、内含物多，干燥困难，制作的家具及木制品容易出现变形、开裂、离缝等现象，而木材的材性对家具的设计及制造非常重要[1-2]。常规干燥是获得木材优质材性的重要方法，对于红木等抽提物含量高、渗透性较差的木材，一些特殊干燥方式不仅能够获得理想的干燥质量还能提高效率[3-7]。其中高频真空干燥已经在深色名贵硬木的干燥上展开应用[8-9]，但一些木材需要进行特殊的改性处理才能获得更加稳定的性能[10-11]，满足家具结构设计及生产工艺的要求[12-13]。

热处理和注蜡处理是环境友好的木材改性处理方法，能够有效地改善木材稳定性。本文以紫光檀为试件，对其进行热处理及热处理+注蜡联合处理，研究处理方式对木材颜色及吸水性能的影响，为紫光檀家具及工艺品质量提升进行改性实践探索。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

紫光檀方才，规格为300 mm(L)×25 mm(T)×25 mm(R)，由福建仙游德古家具有限公司提供，初含水率约为12 %，气干密度为1.31 g/cm3。

1.2 试验设备

蒸汽热处理箱：星楠器械制造有限公司生产；恒温恒湿箱(DF-HWJS-100)：南京德孚试验设备有限公司生产；恒温鼓风干燥箱(DHG-9643BS-III)：上海新苗医疗器械制造有限公司生产；电子天平(FA2004，精度0.01 g)：上海精密仪器有限公司生产；数显游标卡尺(精度0.01 g)：日本三丰公司生产；至尊电子秤(HY-809B)；颜色检测仪器(RM200-PT01，潘通色彩仪器)。

1.3 试验方法

1.3.1 蒸汽热处理及注蜡处理

热处理及注蜡处理条件见表1。热处理前将所有试件烘干至绝干，并测量其弦径向尺寸，然后按照表1工艺进行热处理及注蜡处理。热处理为蒸汽介质保护，处理过程分为升温、保温、冷却三个阶段。100 ℃前，升温速度为20 ℃/h；超过100 ℃后，升温速度为15 ℃/h，升温至130 ℃，保温30 min；然后直接升温至所需试验温度，开始计时并按表1维持热处理条件，热处理结束后停止加热，待温度降至50 ℃后取出试件，再次测量其重量和尺寸。

表1 热处理及注蜡处理条件

热处理后将150 ℃及180 ℃ 3 h处理材再进行注蜡处理，处理条件见表1，注蜡温度为120 ℃，时间为48 h。

1.3.2 失重率

热处理将导致木材质量损失，重量减少，其失重率按公式(1)计算。

ML=100%×(Mo-Mh)/Mo

(1)

式中：ML为失重率(%)；Mo为试件绝干质量(g)；Mh为试件热处理后质量(g)。

1.3.3 颜色变化

利用色差仪测量热处理及注蜡处理前后木材中5个检测点的颜色值L、a、b，总色差ΔE按公式(2)计算。

(2)

1.3.4 吸水性

木材的吸水性是反映其尺寸稳定性的重要参数，本研究利用吸水增重率来表征其吸水性及尺寸稳定性。吸水增重率按公式(3)计算。将热处理及注蜡处理后试件加工成20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)，烘至绝干后称重，然后沉入蒸馏水中进行吸水，每隔24 h测量重量，利用8天吸水率评价其吸水性能。

MC=100%×(M1-Mo)/Mo

(3)

式中：MC为吸水率(%)；M1为试件吸水后质量(g)；Mo为试件绝干质量(g)。

2 试验结果与分析

2.1 热处理对紫光檀失重率的影响

图1是热处理温度和时间对紫光檀木材失重率的影响。由图1可知，温度和时间是影响木材失重率的主要因素，失重率随温度的升高和时间的延长而增加。但不同温度条件下处理时间对失重率的影响不同。150 ℃时，热处理5 h的增重率是1 h的2倍，而180 ℃时则是1.2倍。表明高温条件下，处理时间对失重率的影响变弱，温度是主要影响因素。此外，在相同处理时间内，短时间内处理温度对木材的失重率影响大，其中1 h内，180 ℃处理木材的失重率是150 ℃的1.9倍，短时间内处理温度对失重率影响显著。

图1 温度和时间对紫光檀失重率的影响

2.2 热处理及注蜡处理对紫光檀颜色变化的影响

表2是热处理后木材颜色变化统计。L，A，B分别表示物体颜色的色度值(颜色的色空间坐标)。ΔL正值表明颜色明度比标准偏亮，负值明度偏暗；ΔA正值表明颜色比标准偏红，负值颜色偏绿；ΔB正值表明颜色比标准偏黄，负值颜色偏蓝。ΔE是总色差，表明颜色总体变化值。由表2可知，热处理后紫光檀的ΔL均为负值，表明处理后明度变暗。但随处理时间的延长，其明度变暗程度减小。ΔA和ΔB的变化规律不明显。总体色差ΔE的变化规律与ΔL类似，总色差随热处理时间的延长而变小，温度越高其变化越小。这个现象不同于以往研究，主要是因为紫光檀自身颜色过暗，热处理后其颜色变化与其他树种不同。由于紫光檀颜色过暗，注蜡处理后木材的颜色参数变化不明显，本研究只分析热处理对木材颜色的影响。

表2 热处理前后木材颜色变化参数

2.3 热处理及注蜡处理对紫光檀吸水性的影响

紫光檀热处理后吸水增重率随温度和时间的变化如图2所示。由图2可知，吸水增重率随温度的升高及处理时间的延长而降低。150 ℃时，热处理5 h比1 h降低30%，180 ℃时则降低了59%；180 ℃/5 h热处理比150 ℃/5 h降低了46%，表明热处理温度比时间对吸水增重率影响明显。紫光檀木材经热处理后木材的吸水能力变弱，表明热处理能够有效改善木材的吸水和吸湿性，有利于提高木材的尺寸稳定性[14-16]。

图2 热处理及注蜡处理对紫光檀吸水增重率的影响

石蜡为优良的憎水剂，能够有效地阻止水分渗透入木材。由图2可知，热处理注蜡后其吸水增重率分别为热处理5 h试件的26%(150 ℃)和32%(180 ℃)，木材经注蜡后其吸水增重率明显下降，表明注蜡处理能够有效抑制木材吸水，进而防止其产生变形，有效提高木材的尺寸稳定性。

3 结论

(1)温度与时间是木材失重率的重要影响因素。低温时处理时间对失重率影响显著，短时间内处理温度对木材的失重率影响大。

(2)热处理对紫光檀明度和总色差影响明显。热处理后木材的明度变暗，总色差变大。但明度和总色差随处理时间的增加而减弱，处理温度越高，色差及明度变化越小。注蜡处理后紫光檀颜色参数变化不明显。

(3)热处理能够降低木材的吸水性，进而提高尺寸稳定性。木材吸水率随温度的升高及处理时间的延长而减小。热处理温度比时间对吸水增重率的影响显著。注蜡处理后的吸水率是单独5 h热处理的26%～32%，明显降低了木材的吸水性，能够有效减小木材因水分变化而引起的变形等问题。