胡極航　范文苗　李黎　郭洪武

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

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北美糖槭單板染色工藝的優(yōu)化1)

胡極航范文苗李黎郭洪武

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

摘要考查了染色溫度、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、促染劑用量、染色時(shí)間、固色劑用量、固色時(shí)間、V(單板)∶V(染液)7個(gè)因素對(duì)北美糖槭單板上染率和色差的影響，通過直觀和方差分析得出了影響單板上染率和色差的顯著因素及最佳染色工藝方案。在此基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)上染率和色差2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)判。結(jié)果表明：染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和染色溫度對(duì)上染率和色差影響顯著；基于模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判得出的最優(yōu)染色工藝參數(shù)為染色溫度50～55 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、促染劑用量40 g/L、染色時(shí)間3.0 h、固色劑用量15 g/L、固色時(shí)間75 min、V(單板)∶V(染液)=1∶40。

關(guān)鍵詞北美糖槭單板；活性艷藍(lán)X-BR；上染率；色差；最佳工藝參數(shù)；模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判

木材染色處理是木質(zhì)裝飾材料品種和應(yīng)用范圍擴(kuò)展的重要手段，低質(zhì)材通過仿染珍貴樹木的顏色和紋理使其視覺效果得以改善，從而提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-5]。但是，從木材染色技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀來看，木材染色專用染料尚未開發(fā)，目前主要采用紡織染色用的酸性染料、直接染料、陽離子染料、堿性染料，以及活性染料等[6]。其中酸性、直接、陽離子與堿性等染料的染色工藝較復(fù)雜，染色過程中通常需要使用大量助劑輔助染色，并且染料分子與纖維之間的相互作用力較弱，結(jié)合力不強(qiáng)，在一定條件下容易從纖維上發(fā)生解吸；同時(shí)因環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)保等問題，上述染料已不再使用或較少使用。而活性染料具有色澤鮮艷、色譜齊全、各項(xiàng)牢度高、實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)異性能，且它與纖維上的官能團(tuán)反應(yīng)后能以共價(jià)鍵的形式結(jié)合，大大提高了染料與纖維之間的結(jié)合力[6-7]。

筆者選用了綜合性能優(yōu)異的活性X型染料，開展了基于模糊數(shù)學(xué)的北美糖槭單板染色工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。采用7因素4水平的正交試驗(yàn)，考查了染色溫度、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、促染劑用量、染色時(shí)間、固色劑用量、固色時(shí)間、V(單板)∶V(染液)7個(gè)因素對(duì)上染率和色差的影響，通過直觀和方差分析得出了影響單板上染率和色差的主要因素。在此基礎(chǔ)上，利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)判法對(duì)上染率和色差2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)判。

1材料與方法

1.1材料

北美糖槭(Acer saccharum)單板：北美進(jìn)口糖槭木材刨切而成，氣干密度0.433g·cm-3，含水率8%～12%。規(guī)格為100.0(長(zhǎng))mm×100.0(寬)mm×0.5mm(厚)，每組20個(gè)。

染料：活性艷藍(lán)X-BR，購(gòu)自北京市廣春染料廠，其分子結(jié)構(gòu)式如下：

藥品：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2溶液；Na2SiO3·9H2O、NaCl(促染劑)、Na2CO3(固色劑)購(gòu)自北京易秀博谷生物科技有限公司，均為分析純；蒸餾水實(shí)驗(yàn)室自制。

器材：HHS-8S電子恒溫不銹鋼水浴鍋，上海南陽儀器有限公司制造；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；CM-2300d分光測(cè)色計(jì)，柯尼卡美能達(dá)(中國(guó))投資有限公司SE營(yíng)業(yè)本部。

1.2方法

1.2.1單板漂白

所有試件在相同條件下進(jìn)行漂白實(shí)驗(yàn)，漂白處理后再進(jìn)行染色實(shí)驗(yàn)，每組40個(gè)試件。配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2溶液，加入5g/L的Na2SiO3·9H2O晶體作為緩沖溶劑，用玻璃棒攪拌均勻。將單板置于燒杯中，將燒杯放置在恒溫水浴鍋中，V(單板)∶V(過氧化氫液)=1∶20，升溫至60 ℃。保持70min后取出單板，用蒸餾水沖去單板表面殘液，直至徹底清洗干凈，氣干至含水率為8%。

1.2.2單板染色

將北美糖槭單板染色工藝的主要參數(shù)，即染色溫度、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、促染劑用量、染色時(shí)間、固色劑用量、固色時(shí)間和V(單板)∶V(染液)選用L32(49)正交表進(jìn)行染色試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1　單板染色的正交試驗(yàn)因素水平

1.2.3上染率測(cè)定

采用TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)分別測(cè)試染色后殘液與空白對(duì)照組染液在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度。用式(1)計(jì)算上染率。

Ct=((A0-At)/A0)×100%。

(1)

式中：Ct為上染率(%)；A0、At分別為空白對(duì)照組染液和染色后殘液的最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度。

1.2.4色差測(cè)定

采用CM-2300d全自動(dòng)色差計(jì)測(cè)定顏色，利用CIEL*a*b*表色系統(tǒng)表征試件的顏色參數(shù)，利用色差(ΔE*)表征木材單板的染色效果。通常來說，ΔE*越大，表明單板顏色改變?cè)酱?，試件著色量越多，染色效果越好。測(cè)定時(shí)，每個(gè)試樣測(cè)定8個(gè)點(diǎn)，每組測(cè)定5個(gè)試樣，取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

ΔE*的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ΔE*為試件表面總的顏色變化，即總色差；L*為明度，數(shù)值從0(黑色)到100(白色)；a*為紅綠色品指數(shù)，正值表示趨向紅色，負(fù)值表示趨向綠色；b*為黃藍(lán)色品指數(shù)，正值表示趨向黃色，負(fù)值表示趨向藍(lán)色。ΔL*、Δa*和Δb*分別為處理前后L*、a*和b*差值。

2結(jié)果與分析

2.1單板上染率

2.1.1上染率極差分析

表2為單板上染率影響因素的極差分析。當(dāng)染色溫度升高時(shí)，上染率呈增大趨勢(shì)，且在60～65 ℃范圍內(nèi)達(dá)到最高。根據(jù)擴(kuò)散原理，染色溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散的速度也就越快[7]?；钚云G藍(lán)X-BR的最佳上染溫度是20～60 ℃，因此正交試驗(yàn)結(jié)果與活性艷藍(lán)X-BR染料的性能基本吻合。

表2　單板上染率影響因素的極差分析

隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，上染率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，上染率最大。在染色過程中，隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，單位體積內(nèi)染料分子的聚集度升高，染料分子之間的相互作用力大于染料與木材纖維之間的作用力，上染率也隨之下降。因此，當(dāng)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，上染率最佳。

隨著促染劑NaCl用量的增加，上染率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。一定量的電解質(zhì)在染色過程初期有助于減弱纖維表面與溶液中染料陰離子間負(fù)電荷的斥力，促進(jìn)了染料與纖維的結(jié)合；但電解質(zhì)使用量增加，染料的聚集度也隨之增加，甚至使染料沉淀，反而使上染率降低[8]。當(dāng)電解質(zhì)繼續(xù)增加時(shí)，溶液中的Na+數(shù)量增加，能夠提高染液中活性染料的活度，進(jìn)而使上染率增加。當(dāng)NaCl用量為50g/L時(shí)，上染率達(dá)到最佳。

隨著染色時(shí)間的增加，上染率呈上升趨勢(shì)。在染色過程中，隨著時(shí)間的增加，一方面，活性染料分子通過木材的軸向管胞和徑向紋孔向木材內(nèi)部充分滲透；另一方面，染料分子能夠與木材纖維充分結(jié)合[9]。當(dāng)染色時(shí)間為3.0h時(shí)，上染率最佳。

隨著固色劑Na2CO3用量的增加，上染率總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)?；钚匀玖戏肿优c木材纖維素在中性介質(zhì)中，只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的吸附和滲透；活性染料分子在堿性介質(zhì)中能與木材的纖維素發(fā)生親核取代反應(yīng)，形成共價(jià)鍵；而碳酸鈉在固色過程中，正好提供反應(yīng)所需要的堿性環(huán)境[10]。此外，Na+能夠提高染液中活性染料的活度，因此適當(dāng)?shù)腘a2CO3用量可以提高上染率，但是過量的Na+會(huì)導(dǎo)致染料聚集度增加，甚至沉淀，致使上染率下降。當(dāng)Na2CO3用量為15g/L時(shí)，上染率最佳。

隨著固色時(shí)間的增加，上染率呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)。隨著固色時(shí)間的延長(zhǎng)，染液中活性染料分子會(huì)產(chǎn)生一定量的水解，從而導(dǎo)致上染率降低[11]。但總體上看，固色時(shí)間越長(zhǎng)，染液中的活性染料分子與木材纖維素的反應(yīng)就越充分，繼而上染率提高。當(dāng)固色時(shí)間為75min時(shí)，上染率最佳。

隨著V(單板)∶V(染液)的增加，上染率呈下降的趨勢(shì)。V(單板)∶V(染液)小，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，單板得色較深；但V(單板)∶V(染液)太小又會(huì)影響勻染性。當(dāng)V(單板)∶V(染液)=1∶15時(shí)，上染率最佳。

由極差分析判定各因素對(duì)上染率影響的主次順序?yàn)槿疽嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色溫度、V(單板)∶V(染液)、固色時(shí)間、染色時(shí)間、固色劑用量、促染劑用量。上染率最優(yōu)方案為染色溫度60～65 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、促染劑用量50g/L、染色時(shí)間3.0h、固色劑用量15g/L、固色時(shí)間75min、V(單板)∶V(染液)=1∶15。

2.1.2上染率方差分析

由表3可以看出，在水平α=0.1下，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和染色溫度對(duì)活性艷藍(lán)X-BR上染北美糖槭單板的上染率的影響最為顯著，其他因素影響不顯著。方差分析結(jié)果與直觀分析結(jié)果一致。

表3　單板上染率影響因素的方差分析

注：F0.01(3,10)=6.55；*表示影響顯著。

2.2單板色差

2.2.1色差極差分析

表4為單板色差影響因素的極差分析。由極差分析可判定各因素影響色差的主次順序?yàn)槿疽嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色溫度、染色時(shí)間、V(單板)∶V(染液)、固色劑用量、促染劑用量與固色時(shí)間。得出色差最優(yōu)方案為染色溫度50～55 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、促染劑用量40g/L、染色時(shí)間3.0h、固色劑用量15g/L、固色時(shí)間75min、V(單板)∶V(染液)=1∶40。

表4　單板色差影響因素的極差分析

2.2.2色差方差分析

由表5可以看出，在水平α=0.05下，染色溫度、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)色差的影響十分顯著，染色時(shí)間、V(單板)∶V(染液)對(duì)色差的影響較為顯著，其他因素對(duì)色差的影響不顯著；在水平α=0.01下，染色溫度、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)色差的影響非常顯著，其他因素對(duì)色差的影響不顯著。

表5　單板色差影響因素的方差分析

注：F0.05(3,10)=3.71，F(xiàn)0.01(3,10)=6.55；*表示影響顯著，** 表示影響非常顯著。

2.3基于模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判優(yōu)選染色工藝參數(shù)

在單板染色工藝優(yōu)化時(shí)，既要考慮上染率的大小(染料利用率直接影響加工成本)，也要考慮色差大小(直接反映木材的染色效果)；因此，以上染率和色差為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判方法對(duì)活性染料X-BR染色北美糖槭單板工藝參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)判和優(yōu)化。

2.3.1評(píng)判與優(yōu)化矩陣的建立

根據(jù)正交試驗(yàn)測(cè)得不同染色條件下試件的上染率和色差，計(jì)算各因素同一水平對(duì)應(yīng)的上染率和色差的平均值(見表2、表4)。由于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為有量綱的數(shù)據(jù)，要將有量綱的數(shù)據(jù)變換成評(píng)語登記的隸屬度，稱為指標(biāo)值的模糊化。實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊化需進(jìn)行2步：①滿足遞增性的條件變換，按模糊數(shù)學(xué)理論擇大為優(yōu)的原則，上染率和色差值均是越大越優(yōu)，因此無需做遞增性變換；②需要對(duì)普通數(shù)集中的元素進(jìn)行加權(quán)平均處理，從而將指標(biāo)值映射到[0,1]區(qū)間內(nèi)，使各水平均值模糊化。

以染色溫度因素為例，首先計(jì)算染色溫度4個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的上染率均值，分別為k1=0.043 5、k2=0.077 3、k3=0.081 5、k4=0.101 6，將k1—k4加權(quán)平均處理，即

k1+k2+k3+k4=0.303 9;

r11=k1/0.303 9=0.143 2；

r12=k2/0.303 9=0.254 5；

r13=k3/0.303 9=0.268 1；

r14=k4/0.303 9=0.334 2。

假設(shè)7個(gè)因素關(guān)于上染率和色差2個(gè)指標(biāo)的總評(píng)語分別用模糊矩陣R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7表示，則r11—r14構(gòu)成了模糊矩陣R1的第一行；按照上述步驟，對(duì)染色溫度因素4個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的色差均值進(jìn)行模糊化變換，其結(jié)果組成矩陣R1的第二行。同理，可求出其他6個(gè)因素的模糊矩陣。7個(gè)因素關(guān)于上染率和色差2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊矩陣表示如下：

2.3.2權(quán)重向量的確定

權(quán)重是指評(píng)價(jià)因素的地位和重要程度，綜合評(píng)判的關(guān)鍵在于對(duì)各個(gè)評(píng)判指標(biāo)權(quán)重向量的確定。權(quán)重向量確定的方法有很多，本研究采用專家調(diào)查法確定上染率和色差2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量。實(shí)際染色工藝過程中，上染率和色差對(duì)染色效果及染料利用率起著至關(guān)重要的作用，但本研究的主要目標(biāo)是色差。因此，將上染率和色差2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量選為0.2和0.8。

2.3.3綜合評(píng)判與工藝優(yōu)化

假設(shè)權(quán)重向量A=(0.2,0.8)，模糊矩陣B是綜合評(píng)判的結(jié)果，則B1={b1,b2,b3,b4}。

b1=(0.2∧0.125 0)∨(0.8∧0.241 5)=0.241 5；

b2=(0.2∧0.222 2)∨(0.8∧0.252 3)=0.252 3；

b3=(0.2∧0.234 0)∨(0.8∧0.253 7)=0.253 7；

b4=(0.2∧0.418 8)∨(0.8∧0.252 5)=0.252 5。

然后對(duì)b1—b4進(jìn)行加權(quán)平均處理，即可得到各染色溫度上染率和色差2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)判結(jié)果B1。

B1={0.241 5,0.252 3,0.253 7,0.252 5}。

選擇B1中最大的元素為最優(yōu)水平，因此最優(yōu)染色溫度為水平3，即染色溫度為50～55 ℃時(shí)，上染率和色差2個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為最優(yōu)。

同理可得染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、促染劑用量、染色時(shí)間、固色劑用量、固色時(shí)間及V(單板)∶V(染液)的最優(yōu)水平。

2.3.4多指標(biāo)綜合評(píng)判結(jié)果

通過對(duì)北美糖槭單板上染率和色差值進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判，可以得出北美糖槭單板的最優(yōu)染色工藝參數(shù)為染色溫度50～55 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、促染劑用量40g/L、染色時(shí)間3.0h、固色劑用量15g/L、固色時(shí)間75min、V(單板)∶V(染液)=1∶40。

3結(jié)論

活性艷藍(lán)X-BR上染北美糖槭單板，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和染色溫度對(duì)單板上染率和色差影響顯著。當(dāng)上染率作為唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)工藝參數(shù)為染色溫度60～65 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、促染劑用量50g/L、染色時(shí)間3.0h、固色劑用量15g/L、固色時(shí)間75min、V(單板)∶V(染液)=1∶15。當(dāng)色差作為唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)工藝參數(shù)為染色溫度50～55 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、促染劑用量40g/L、染色時(shí)間3.0h、固色劑用量15g/L、固色時(shí)間75min、V(單板)∶V(染液)=1∶40。

基于模糊數(shù)學(xué)綜合判定法的結(jié)果顯示，活性艷藍(lán)X-BR上染北美糖槭單板的最優(yōu)工藝參數(shù)為染色溫度50～55 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、促染劑用量40g/L、染色時(shí)間3.0h、固色劑用量15g/L、固色時(shí)間75min、V(單板)∶V(染液)=1∶40。采用此種恒溫浸染工藝，操作簡(jiǎn)單，能耗低，能夠獲得較好的表面色度，可保證木材單板的染色效果。

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第一作者簡(jiǎn)介：胡極航，女，1988年8月生，北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。E-mail：hujihang88@bjfu.edu.cn。 通信作者：郭洪武，北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，副教授。E-mail：ghw5052@163.com。

收稿日期：2016年1月15日。

分類號(hào)S781.7

OptimalDyeingProcessforMapleVeneer//

HuJihang,FanWenmiao,LiLi,GuoHongwu

(BeijingForestryUniversity,Beijing100083,P.R.China)//JournalofNortheastForestryUniversity，2016,44(8)：68-72.

Westudiedtheeffectsofdyeconcentration,dyeingtemperatureandtime,dyeingagent,fixingagentandtime,liquorratioonthedye-uptakeandcolordifferenceinanorthogonaldesign,andidentifiedthemajorfactorsaffectingthedye-uptakeandcolordifferencebyvisualmeansandanalysisofvariance.Wegottheoptimalprocessesofdye-uptakeandcolordifference.WeusedFuzzyComprehensiveEvaluation(FCE)toevaluatecomprehensivelythedye-uptakeandcolordifferenceandtodeterminetheoptimaldyeingparametersofmaple.Thedyeconcentrationanddyeingtemperaturehadthegreatesteffectonthedye-uptakeandcolordifference.TheoptimaldyeingprocessparametersofmapledeterminedbyFSEwerewiththetemperatureof50 ℃-55 ℃,thedyeconcentrationof3%,thedyeingagentof40g/L,thedyeingtimeof3h,thefixingagentof15g/L,thefixingtimeof75min,andthevolumeratioofveneeranddyeof1∶40.

KeywordsMaple veneer; Brilliant blue X-BR; Dye-uptake; Color difference; Optimal process parameters; Fuzzy synthetic evaluation

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204702)。

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