基于松香改性的圆竹视觉性能

苏 娜 费本华 周 慧 唐 彤 王晓欢 方长华 张淑琴

(1 国际竹藤中心 北京 100102；2 齐鲁工业大学 济南 999077；3 中国林业科学研究院 北京 100091)

竹材是一种天然的建筑和家居装饰材料，广泛应用于大众的日常生活。圆竹作为装饰材，其具有中空有节的美学形态，与各种天然材料相辅相成，形成了传统的东方风格。视觉特性是影响装饰美学的重要因素，木竹材的视觉特性主要包括颜色、光泽和条纹，其通过影响用户的心理和生理感受来影响装饰空间的功能特性。例如，颜色所传达的信息对空间功能的心理情绪或氛围至关重要。对于竹材来说，新鲜的圆竹一般呈现绿色，而干燥后的竹材一般呈现黄色，前者营造了一种自然和平静的状态，后者营造了阳光、友好和柔和的环境。此外，光泽度也影响空间的冷暖感，高光泽度易产生僵硬和冰冷的印象。表面纹理和竹节在一定程度上呈现出自然韵律感。但竹材作为一种天然生物质材料，其表面色泽具有不均匀性，且在使用的过程中易变色暗沉等。因此，当竹材作为家居装饰或建筑材时，表面一般会涂饰涂料或油漆等作为防护剂，其表面视觉特性也会随工艺的变化而发生变化，本研究以常用的涂料添加剂天然松香作为圆竹表面防护剂，研究不同工艺对松香改性后圆竹材表面视觉特性的影响。

松香是一种取自于松树活力木的天然树脂，在常温下是一种淡黄色透明固体，具有防水抗菌的作用，因此常被用于涂料或防水剂添加剂，能够提高竹材的防水性能和表面色泽。近年来，松香及其衍生物已被用于改性纳米复合材料、木材材料、人造板和包装材料。Dahlen 等报道，仅3%的松香即可显著提高木材的耐水性。Dong 等采用松香对速生杨木进行真空压力浸渍处理，结果表明，处理后木材密度从0.34 g/cm3提高到0.44 g/cm3，抗膨胀率达到36%。在我们之前的研究中，松香处理作为竹材疏水的方法，处理后竹材具有良好的疏水性，可提高竹材的尺寸稳定性。此外，对竹材微观形貌研究也表明，松香在圆形竹竿表面形成了一层透明膜。由于松香以淡黄色透明固体的形式存在，竹材松香处理可能会改变竹竿的视觉特征。然而，到目前为止还没有对此进行过研究。

视觉特征可以用物理量和心理量来描述。前者可以用颜色、光泽和纹理等物理参数来描述，而后者则由人类视觉诱发的心理评估组成。目前，颜色和光泽度的测量分别使用色度计和光泽度计来获得定量数据。视觉定量心理参数可通过眼动跟踪试验获得。眼动技术常用于人机交互研究、心理探索、网页设计、平面设计评价等领域，它基于人的视线的直观性、自然性和双向性特点。眼动跟踪的基本工作原理是利用图像处理技术，通过跟踪相机聚焦眼球，连续记录摄像机内的红外光线和瞳孔反射的变化。通过分析眼动特征的轨迹，如扫视、注视时间和瞳孔切换，明确视觉系统对不同物体的反应行为。近年来，该技术逐渐应用于家具和建筑设计领域。

本文研究了天然松香改性对竹竿表面视觉效果的影响，定量测定了松香改性前后竹竿表面的色泽和光泽；同时采用眼动跟踪技术评价用户对竹竿表面视觉特征的偏好。研究采用定量指标与感性偏好分析相结合的方法对竹竿视觉效果进行评价，以提高评价的科学性和系统性。此外，为了阐明颜色变化的机理，还对竹竿表面微观形态和化学基团进行了研究。

1 材料与方法

1.1 材料

实验所用红竹(Phyllostachys iridencensC.Y.Yao and S.Y.Chen) 购于杭州所氏竹业有限公司(经在130 ℃高温蒸汽罐中1 h 干燥处理)。选用离地1.5～4.0 m 的节间材，选取表面无节、无疤痕且颜色均一的竹段。实验所用松香购于深圳吉田化工有限公司，为特级松香，产品编码AT01(微黄色透明固体)。实验用乙醇为工业乙醇，购于北京冬阳化工有限公司。配置质量比(松香∶乙醇) 为20%的松香-乙醇溶液，待用。

1.2 设备和仪器

可控温加压浸渍灌，内置箱体为0.6 m×0.18 m×0.18 m (长×宽×高)，型号:J-130，山东诸城机械有限公司；光泽度仪，型号WGG 60，上海精密科学仪器有限公司；SP60 色差仪，型号CC-6834，德国毕克化学仪器事业部；场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)，型号XL30，荷兰皇家飞利浦公司；傅里叶红外光谱仪，型号Nexus 670，美国赛默飞世尔科技公司；眼动追踪仪，型号Tobii X120，瑞士拓比技术有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 松香浸渍处理

浸渍前将试件置于干燥箱中，在103 ℃条件下烘至绝干，然后将其放入浸渍灌中，抽真空(-0.06 MPa) 0.5 h，然后吸入20%的松香-乙醇溶液，加压至1.0 MPa，升温至设定温度(25、40、50、60、70、80 ℃)，并保温保压1.5 h，取出试材在室温下冷却至表面松香薄膜固化。对照组和每个温度处理组均为8 个重复样。

图1 松香浸渍圆竹流程Fig.1 Schematic illustration of rosin impregnation of round bamboo culms

1.3.2 表面颜色和光泽度测试

表面颜色测试参照CIEL*a*b色彩空间标准，使用SP60 色差仪测定对照组和不同温度处理后的圆竹表面颜色，每个试件取6 个点。CIEL*a*b系统由3 个垂直的轴来描述颜色，其中L*轴表示亮度，a*轴表示红—绿因子，b*轴表示黄—蓝因子。整体颜色变化 (ΔE*) 由公式 (1)确定:

式(1) 中，Δa*、Δb*和ΔL*表示松香处理组和对照组之间的a*、b*和L*变化。

光泽度测试:根据ISO (2014) 进行表面光泽度测试。用光泽仪对松香处理前后竹竿表面的6 个点进行光泽度测定。入射光线角度为60°，结果基于100 的镜面光泽度值。

1.3.3 表面形貌观察和化学物质测试

采用场发射电子显微镜表征松香改性前后竹材表面微观形貌，并观察松香在竹材表面成膜情况，采用阈值分割法利用FIJI/Image J 软件对电镜图像进行处理。

采用傅里叶红外光谱仪对不同温度下松香、未处理竹材以及不同温度下松香处理竹材的表面物质进行测试，并分析其官能团变化。分别率为4 cm-1，扫描次数为64 次，扫面波段为4 000～500 cm-1。

1.3.4 眼动追踪

实验对象:在校大学生，年龄为20～30 岁，身体健康，视力或矫正视力在1.0 以上，受试人数为50 人，其中男性25 人，女性25 人。

眼动测试:在确认受试者完全理解实验要求后，正式开始实验。本实验主要研究不同受试者对不同温度下松香处理的圆竹材表面的视觉性能(光泽度、颜色和纹理) 评价，在每组试样中随机选取1 根圆竹作为被观察样，所有试样随机排列成一排，并放置在距离视线600 mm 处，每个受试者观察时间为60 s。眼动指标为每个试样接收的总注视时间、注视次数和平均注视时间，同时绘制受试者视线热区图。

主观评价:每个受试者在眼动测试后立即对所有试样进行主观评价，评价指标包括颜色舒适度、光泽度舒适度、纹理偏好和纹理密度舒适度。其中颜色舒适度和纹理密度舒适度分别为不适、一般和舒适；光泽度舒适度分为暗淡、适中和刺眼；纹理偏好为纯色和纹理，并计算每个等级的比例。

2 结果与分析

2.1 表面颜色和光泽

圆竹表面色度值和光泽度值如表1 所示。在25 ℃下，L*、a*和b*值变化不大，说明室温松香处理对竹竿颜色没有明显影响。L*值随温度的升高而降低，表明随着处理温度的升高，圆竹表面亮度降低。a*值随温度升高先减小后缓慢增大，b*值随温度升高逐渐减小，这些显示了颜色从绿—黄区域逐渐转变成红—蓝区域。冯等人在研究毛竹的湿热处理时发现了类似的现象。最后，ΔE*的变化表明温度的升高会增加色差。竹子中与颜色有关的化学成分主要来自木质素和提取物，因为木质素和提取物的结构中含有大量的芳香化合物、显色基团和助色基团。在本研究中，由于处理温度不够高，木质素和提取物的结构可能保持不变。颜色的变化可能与松香中羧基的加成反应或松香本身的氧化变色有关。松香含有共轭双键和羧基，在高温下容易发生加成反应，特别是氧化和变色。

表1 松香改性前后圆竹表面色度值和光泽度值Tab.1 Change in color and gloss of bamboo culm after rosin treatment with different temperature

此外，光泽度值表明，在室温(25 ℃) 下松香处理的圆竹光泽度相比于对照组降低了3.2，40 和50 ℃下处理材的光泽度增加，尤其是50 ℃，光泽达到最高值19.6，高于对照组122.7%；当温度高于60 ℃时，竹子表面出现棕色条纹，光泽度逐渐下降，80 ℃时光泽值仅为6.8。可见，对松香浸渍体系进行适度的加热(40 和50 ℃) 有助于圆竹表面光泽度的提高，但当温度高于60 ℃时，光泽度逐渐减弱，与条纹密度变化趋势一致(图2)。

图2 对照组和不同温度下处理的圆竹Fig.2 Effect of rosin treatment with different temperature on the color and gloss of bamboo culm

2.2 表面微观形貌

不同温度下松香改性前后的圆竹表面微观形貌如图3 所示。由图3a 可见，经40 和50 ℃松香处理的圆竹表面光滑且有光泽，而60～80 ℃处理的圆竹表面出现明显的棕色竖条纹。棕色条纹呈现向内凹陷的状态，说明条纹的形成是由于在松香浸渍处理过程中圆竹表面表皮层脱落形成，并且随着温度的升高，圆竹表皮层脱落量增加。图3b 利用SEM 观察了圆竹表面微观形貌。其中，对照组表皮层有轻微撕裂现象，室温下处理的圆竹表面有颗粒状凸起，相反在40 ℃下处理的圆竹材表面存在不规则凹陷，这是由于松香在固化流平过程中产生的缩孔现象，当温度为50 ℃时，圆竹表面相对光滑。

为了更加直观地比较表面形态，对对照组、25、40 和50 ℃的电镜图片进行了阈值分割，如图3c 所示，在阈值图像中，黑色代表竹子表面的轮廓，而白色代表另一种物质的轮廓，在这里是松香。对照组圆竹表皮层破损轮廓明显，在25、40 和50 ℃，白点是松香形成的颗粒固化在圆竹表面。对比可见，随着温度的升高，松香颗粒的数量和粒度均减小。这可能与松香在不同温度下的溶解度有关，在室温下，松香-乙醇溶液系统中的粒径比其在40 和50℃下更大，对体系进行加热可以有效降低松香的粒径，有利于松香在竹材表面流平并成膜。然而，当温度达到60 ℃时，竹子表皮受到不同程度的损伤。这可能是温度、乙醇和松香协同作用的结果。60 ℃处理的圆竹材表面存在少而大的凹陷，而70 和80 ℃下凹陷更加的聚集(如图3c)。

图3 不同温度处理的圆竹表面微观形貌Fig.3 Surface micro-morphology of round bamboo treated with different temperature

除此之外，光泽度的变化机理也可以从表面微观形貌图中得出。在25～50 ℃条件下，光泽度主要是由松香在表面上的分布决定的，松香薄膜的连续性和松香颗粒的大小对光泽度有一定的影响，50 ℃下松香薄膜较为连续，表面粗糙度较小，光泽度较高。在60～80 ℃条件下，竹竿的光泽不仅与松香膜的连续性有关，而且还与表皮层的破坏和脱落有关。竹子的表皮层由长细胞、栓子细胞、硅质细胞和气孔组成。长细胞占大部分，沿着颗粒平行排列，而栓塞细胞和硅质细胞较短，插入长细胞行列之间。表皮层排列紧密没有间隙，只有气孔点缀。但皮下及表皮层下皮层结构疏松。根据光学的基本原理，竹子对入射光的反射程度越高，其光泽度就越高。对于疏松或粗糙的表面，入射光会在竹子表面形成多次反射，增加吸收的可能性，产生低光泽度值。在60～80 ℃条件下，松香处理后圆竹由于表皮层脱落暴露了松散的皮下层结构而降低了圆竹表面的光泽度。同样，对于对照组，表皮层的撕裂也会产生降低表面光泽度。

2.3 傅里叶红外光谱

不同温度处理下圆竹表面物质和松香的红外光谱分别如图4a 和4b 所示。图4a 圆竹表面物质峰谱在3 400、2 950、1 730、1 517 以及1 458 cm-1等处显示出竹材特征峰，由于样本经过处理，吸收峰会发生一定的位移。3 400 cm-1对应木质素、纤维素和半纤维素等物质中羟基的O-H 伸缩振动和甲基、亚甲基中的C-H 伸缩振动；2 925 cm-1所表现的吸收峰应该是一种重合的叠加峰。1 800～600 cm-1区域为竹材红外图谱的指纹区，其中1 730 cm-1的峰值对应C＝O 伸缩振动，1 517 cm-1和1 458 cm-1的峰值对应C-H 伸缩振动。与对照组相比，不同温度下松香处理材的特征峰谱几乎没有变化，这说明竹材表面物质基本没有发生变化。图4b 显示了不同温度下松香的红外峰谱，其中1 694 cm-1和1 276 cm-1处的峰值对应于C ＝O伸缩振动，属于羧基中的羰基。羧基是显色基团，易被氧化从而发生变色。与不同温度下的松香相比，1 694 cm-1和1 276 cm-1处的峰值强度随温度的升高而减小。这意味着羰基的伸缩振动减弱，这可能是由于松香的羧基在热作用下被氧化所致。具体地，在室温下(25 ℃) 和40 ℃时，2 处峰值变化不明显，而当温度继续上升到50 ℃，2 个峰值的宽度逐渐增加，强度逐渐降低。不同温度下羧基吸收峰强度的减弱规律与竹材表面颜色变化规律一致。综合原值表面物质峰谱和松香峰谱变化趋势可见，圆竹表面变色是由于松香在加热的条件下氧化变色引起，而不是竹子本身物质的变化。

2.4 眼动追踪分析

图5 显示了不同温度处理前后圆竹材在眼动追踪的实验中获得的总注视时间、注视次数和平均注视时间。总注视时间代表观察期内每个圆竹被受试者注视的总时间，注视次数代表其被受试者注视的次数，平均注视时间是指受试者在其上单次视觉停留时间。注视时间和注视次数反映了受试者对圆竹的关注程度，平均注视时间被用来衡量信息提取的难度，其数值越大，说明圆竹表面细节越复杂。

由图5 可知，松香处理后的圆竹材获得的总注视时间均高于对照组，这表明经松香处理后的圆竹获得了更多的关注。其中，经60 ℃松香处理的圆竹所获得的注视时间最高，结合表面颜色和纹理分析，这可能与其表面出现的棕色条纹有关，棕色条纹相比于纯色表面具有更多的信息，易引起关注。相关研究也曾表明，木材表面的节子会给人一种简单自然的感觉。类似地，竹材表面的棕色条纹也具有一定的装饰作用，给人一种回归自然的感觉。此外，条纹的密度也可能会影响其受关注程度。比较60、70 和80 ℃处理的圆竹注视时间可见，其随着条纹密度的增大而减小。此外，这也与其表面光泽度有一定的关系。50 ℃处理的圆竹获得的关注时间最少，这可能与其表面具有较高的光泽度有关，高光泽度已被证明会使受试者产生眩晕。

图5 圆竹获得的总注视时间、注视次数和平均注视时间Fig.5 The total gaze time，gaze numbers and average gaze time of bamboo culms

除了在80 ℃处理的圆竹注视次数小于对照外，注视次数与总注视时间表现出相似的趋势。80 ℃ 处理的圆竹获得的注视次数小于对照组(对80 ℃处理材注视时间也只是略高于控制)，这表明在80 ℃下松香处理的圆竹没有获得更好的视觉效果。

对平均注视时间而言，处理后的圆竹平均注视时间均高于对照组，且与温度呈正比例关系。其中60～80 ℃处理的圆竹平均注视时间高于25～50 ℃的，这可能是由于较高温度下棕色条纹的出现增加了竹材表面的复杂性，复杂的表面需要更多时间来观察和理解。

视线热区图直观显示了受试者对不同圆竹的关注程度，如图6 所示。热区图中不同颜色代表着视线聚集程度，强度等级为红—橙—黄—绿，绿色代表较低的注视频率和较短的注视时间，红色代表较高的注视频率和较长的注视时间。从热区图中可以直观地观察到，注视点集中区域分布在60 和40 ℃处理的圆竹上，而70 和80 ℃处理的圆竹上的视线较少。综合考虑颜色、光泽和纹理3 个因素，颜色较浅、光泽度适中和条纹稀疏的圆竹更加受到关注；相反，深色、高光泽以及密集条纹会使得关注度降低。

图6 圆竹眼动追踪实验视线热区图Fig.6 The heat map of bamboo culms in eye tracking test

图7 展示了受试者对圆竹颜色、光泽和表面纹理的主观评价结果。结果表明:1) 在颜色舒适度方面，常温处理的圆竹材几乎没有变化，40和50 ℃处理的圆竹颜色舒适度明显增加，而随着温度的增加，颜色舒适度呈现降低的程度，80 ℃处理的圆竹颜色舒适性明显低于对照组。2) 在光泽度舒适性方面，25、50 和80 ℃处理后圆竹的光泽度舒适性低于对照组。其中，受试者认为25 和80 ℃ 处理的圆竹光泽偏暗淡，而50 ℃处理的是刺眼的。这些可能是在50 和80 ℃松香处理的圆竹获得较少关注的原因。3) 在纹理偏好方面，73%的受试者偏好纯色表面，27%偏好纹理表面，说明纯色表面的圆竹受到更加广泛的喜爱，但纹理表面也有小众群体的关注。4) 在纹理密度方面，舒适度随着纹理密度的增加而减弱。从主观评价结果可以推断，60 和70 ℃处理的圆竹获得总注视时间和注视频率的增加可能是由于其纹理吸引更多的注意，并需要更多的时间来观察。但这并不能代表受试者更偏好纹理表面，这可以由表面纹理偏好结果得知。

图7 受试者对竹竿表面颜色、光泽度和纹理偏好的主观舒适度评价结果Fig.7 Subjective comfort evaluation results of color，gloss and texture preference of testees on bamboo culm surface

3 结论

利用定量研究结合感性眼动追踪实验分析了天然树脂松香在不同温度下浸渍圆竹的视觉特性。研究结果表明，对浸渍体系进行适当的加热(40～50 ℃范围内) 有助于松香在圆竹表面流平，从而形成较为连续的薄膜，进而改善圆竹表面光泽度；而当温度高于60 ℃时，圆竹表皮层在松香、乙醇和热的协同作用下部分破损或脱落而形成条纹，并且随着温度的升高而变得密集；表皮层的脱落使圆竹表面平整度降低，不利于松香的流平和成膜。此外，致密的表皮层下的皮下层结构松散，这两方面均会降低表面光泽度。对于颜色而言，当温度高于50 ℃时，圆竹表面颜色发生明显的变化，从黄—绿空间向红—蓝空间转变。颜色变化主要是由于松香受热氧化而发生变色。此外，经过松香改性的圆竹获得了更多的关注，适当提高光泽度有助于增加圆竹的吸引力，完整的纯色圆竹表面受到更多的青睐，总的来说40～60 ℃是一个较合适的浸渍温度范围，在该范围内松香处理后的圆竹受众面较广，但经不同温度范围松香处理对圆竹表面会产生不同的视觉效果。