魏新莉,向仕龍
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魏新莉,向仕龍
(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410004)
以我國種植的栓皮櫟軟木和葡萄牙產(chǎn)栓皮櫧軟木為試材,在熱處理目標(biāo)溫度分別為180、200、220 ℃,熱處理時間分別為1、2、3 h的高溫?zé)崽幚項l件下,對軟木經(jīng)熱處理后其材色變化的影響規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明:高溫?zé)崽幚砗筌浤绢伾兩?。隨著熱處理溫度的升高,軟木試材的明度減小。在相同的熱處理溫度下,軟木試材隨著熱處理時間延長,明度減小,色差增大;熱處理溫度對試材明度和色差的影響遠(yuǎn)大于熱處理時間的影響。
軟木;熱處理; 材色;色差
軟木,也稱栓皮,來自闊葉樹栓皮櫧Quercus suher 或者栓皮櫟Q.variabilis的樹皮,中國常見的是栓皮櫟,其中心分布區(qū)域為秦巴山區(qū)。軟木是一種質(zhì)輕而富有彈性、滲透性低、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性優(yōu)良的獨特材料[1],廣泛用于室內(nèi)裝飾材料。
近年來,國外尤其歐洲一些國家在利用熱處理技術(shù)改性木材方面進行了廣泛的研究,這種高溫?zé)崽幚砉に囃ㄟ^木材組分受熱后自發(fā)進行化學(xué)反應(yīng),來達(dá)到改善木材的吸濕性、尺寸穩(wěn)定性、材色和耐腐性能的作用[2-3]。而材色是反映木材表面視覺特性的重要物理量之一,是評價木材質(zhì)量并決定其使用價值的一個重要因素[4],對于廣泛用于室內(nèi)裝飾材料的軟木非常重要。本文利用熱處理技術(shù)對國產(chǎn)軟木和葡萄牙產(chǎn)軟木進行處理,研究熱處理過程中材色的變化規(guī)律,以完善軟木的性能,提高軟木制品的裝飾作用和產(chǎn)品價值。
軟木:采自中國甘肅的栓皮櫟樹皮、葡萄牙的栓皮櫧樹皮,含水率為6%~8%,將坯料加工成規(guī)格為60 mm×60 mm×10 mm的試材。
1.2.1 熱處理試驗
實驗室熱處理試驗在自制高溫碳化罐內(nèi)進行,碳化罐內(nèi)溫度控制由導(dǎo)熱油提供,碳化罐外接蒸汽發(fā)生器。實驗室試驗進行的是處理溫度分別為180℃(熱處理時試材內(nèi)部所達(dá)到的最高溫度)、200 ℃、220 ℃的3組工藝試驗,試驗方案安排如表1。試驗的其他工藝過程及參數(shù)相同,即:從室溫開始緩慢升至試材內(nèi)部130 ℃的升溫過程為干燥階段;從130 ℃開始,以10 (℃/ h)的速度升溫至熱處理溫度的升溫階段;一定時間和處理溫度的熱處理階段;最后轉(zhuǎn)入降溫調(diào)濕階段。待試材含水率升至3%左右冷卻出罐。每組試驗的試材從待用的試材中隨機挑選,試材數(shù)為3塊。
表1 實驗方案安排Table 1 Arrangements for experiments
1.2.2 材色測量
軟木經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?,立即稱重,將其與素材一同放入調(diào)溫調(diào)濕箱進行平衡處理,使之與大氣環(huán)境相平衡。為減少試材表面粗糙度對材色測定的影響,待平衡處理結(jié)束后,用砂光機砂去試材約0.3 mm厚的表層,從試材表面隨機選取4個能代表試材整體材色的測試點。
用TC-PIIG全自動測色色差計定量測量試材的顏色,測試過程中,試材的顏色主要記錄L*,a*,b*和△E這4個值。取每組試材12個數(shù)據(jù)值的加權(quán)平均值作為其材色測量值。采用CIEL*a*b*(1976) 表色系統(tǒng)表色,處理前后材色色度學(xué)變化用CIEL*a*b*公式計算。
熱處理后的試材材色,隨著熱處理溫度的升高和時間的延長,試材的明度朝著變暗的趨勢發(fā)展,色度的變化表現(xiàn)出從素材的黃褐色到220 ℃的黑褐色逐漸過渡的變化過程。
將素材與經(jīng)過實驗室熱處理后的試材進行色度學(xué)特征比較,得到明度差△L*、色品指數(shù)差△a*和△b*,統(tǒng)計結(jié)果如表2和表3所示。
表2 不同工藝條件的國產(chǎn)軟木處理試材材色參數(shù)值Table 2 Color parameters of Chinese cork under different treatment conditions
表3 不同工藝條件的葡萄牙產(chǎn)軟木處理試材材色參數(shù)值Table 3 Color parameters of Portuguese cork under different treatment conditions
由表2和表3可見,表征其材色的L* a* b*色空間參數(shù)中,試材熱處理后明度L*值均為1~2之間,屬于低明度。與素材相比,處理后試材的明度隨處理溫度的升高,時間的延長呈降低的趨勢(△L*均為負(fù)值),國產(chǎn)軟木降低幅度在21.56%~59.11%;葡萄牙產(chǎn)軟木降低幅度在19. 78%~71.56%。當(dāng)處理時間相同時,隨處理溫度的升高,熱處理前后試材明度差的絕對值增大。國產(chǎn)軟木各溫度下熱處理1 h后明度差的絕對值由0.59增大到1.22,熱處理2 h后則由0.52增大到1.33,熱處理3 h后則由0.48增大到1.25;葡萄牙產(chǎn)軟木各溫度下熱處理1 h后明度差的絕對值由0.45增大到1.41,熱處理2 h后則由0.88增大到1.21,熱處理3 h后則由0.76增大到1.61。當(dāng)處理溫度相同時,隨時間的延長,熱處理前后明度差的絕對值變化不大:在180~220 ℃范圍內(nèi),各溫度下熱處理1、2和3 h的試材的明度差絕對值的變化范圍,國產(chǎn)軟木在0.07~0.19,葡萄牙產(chǎn)軟木在0~0.43,表明熱處理溫度對試材明度的影響遠(yuǎn)大于熱處理時間的影響。
a*為紅綠軸色度指數(shù),正值越大顏色越偏向紅色,負(fù)值越大越偏向綠色;b*為黃藍(lán)軸色度指數(shù),正值越大顏色越偏向黃色,負(fù)值越大越偏向藍(lán)色[5]。如圖1、圖2所示,與熱處理前相比,熱處理后試材的紅綠軸色品指數(shù)a*隨處理溫度的升高,時間的延長呈不同程度的降低(△a*均為負(fù)值),表明紅色略減退;而黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*也隨處理溫度的升高,時間的延長表現(xiàn)為降低。而由于黃色屬于光譜中最亮的顏色,具有很高的明度,因此它與明度之間呈正相關(guān)的關(guān)系[6]。
試材熱處理前后色差△E變化分別在1.08~3.68 NBS和0.83~3.95 NBS之間,色差值在1.5~3.0 NBS時,人眼對該色差可察覺;色差值在3.0~6.0 NBS 時, 人眼對該色差可識別[7]。隨著熱處理溫度的升高, 軟木試材的色差值呈逐漸增加的趨勢。在180 ℃下,國產(chǎn)軟木和葡萄牙產(chǎn)軟木試材的色差值平均增加了1.25和1.10 NBS,200 ℃下,試材的色差值分別增加了2.43和2.25 NBS;220 ℃時,試材的色差值增加了3.58和3.22 NBS。色差△E*值呈增長趨勢,說明隨著溫度的增加,材色變化越大。
由圖1和圖2對比可見,國產(chǎn)軟木和葡萄牙產(chǎn)軟木在熱處理前后,色空間參數(shù)明度、色度指數(shù)和色差的變化趨勢基本一致,說明產(chǎn)地不同在熱處理后對材色的影響不大。
圖1 中國甘肅軟木L*a*b*色空間參數(shù)隨熱處理溫度的變化Fig. 1 L*a*b* color parameters of Chinese cork under different heat treatment temperature
圖2 葡萄牙軟木L*a*b*色空間參數(shù)隨熱處理溫度的變化Fig. 2 L*a*b* color parameters of Portuguese cork under different heat treatment temperature
軟木變色原因很大部分應(yīng)該是在熱處理的干燥段過程中,試材內(nèi)的水分外移,材料內(nèi)部所含的水溶性黃酮類化合物、酚類物質(zhì)隨之向表面移動[8]。另外,軟木中的酚類化合物形成的有色物質(zhì)和半纖維素水解形成的暗色物質(zhì)在高溫下受到空氣氧化,也會呈褐變色[9]。
(1)試材分別經(jīng)180、200和220 ℃熱處理1、2和3 h后,與熱處理前相比,試材的明度降低,色差增大,且隨處理溫度的升高和時間的延長呈明顯遞增的趨勢;熱處理后試材的紅綠軸色品指數(shù)a*和黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*有不同程度的降低,呈現(xiàn)出規(guī)律性。
(2)與原試材相比較,隨著實驗設(shè)定的熱處理的時間的增加,處理后的試材的顏色逐漸加深;并且隨著實驗設(shè)定的熱處理溫度的升高,處理后試材的顏色也會逐漸加深。說明熱處理的溫度的高低和熱處理時間的長短對熱處理后木材的顏色都有影響。
(3)產(chǎn)地不同在熱處理后對色空間參數(shù)明度、色度指數(shù)和色差的變化趨勢影響不大。熱處理溫度對試材明度和色差的影響遠(yuǎn)大于熱處理時間的影響。
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Effects of high temperature heat treatment on cork color
WEI Xin-li, XIANG Shi-long
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004,Hunan,China)
Chinese cork and the Portuguese cork were used as sample to make heat treatment. In order to find the influence laws of heat treatment on the cork color, the temperature rose to 180, 200, 220 ℃ and the time was kept for 1, 2 and 3 hours respectively. The results show as follows: The color of the treated cork changed obviously by the heat treatment. Under the same temperature, the color saturation became bigger and the color difference became more obvious with the increase of the keeping time. Lightness decreased with an increase of the keeping time. At the same time, the higher the temperature, the bigger the color difference was under the same time. The effects of heat treatment temperature were greater than heat-treated time on the cork lightness and color difference.
cork; heat treatment; cork color; color difference
S784;TQ336
A
1673-923X(2012)01-0066-04
2011-11-29
國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項 (200704020),國家林業(yè)科技成果推廣項目([2011]52),湖南省教育廳科研項目(07C800);中南林業(yè)科技大學(xué)青年基金項目(101-0430);中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點學(xué)科資助項目
魏新莉(1973—),女,新疆塔城人,講師,博士研究生,主要從事木材科學(xué)與技術(shù)研究;E-mail: weixl_3@163.com
向仕龍(1948—),男,湖南沅陵人,教授,主要從事木材科學(xué)技術(shù)研究;E-mail:xiangshilong@263.net
[本文編校:吳 毅]