全 文 ：收稿日期:2007-09-05
作者简介:高建民,副教授,主要研究木材干燥,
联系电话:010-62337960。
摘 要:三角枫是一种易变色的木材,干燥过程中的变色不易预防;若能使三角枫干燥后得到更为理
想的颜色,则可获得更为广泛的应用。通过对三角枫在不同干燥工艺条件下变色过程的研究以及红外光
谱与扫描电镜分析,得出了三角枫干燥过程中的最佳诱发变色条件和诱发变色机理。研究结果表明,三角
枫在干燥过程中的诱发变色是可行的。三角枫干燥过程的诱发变色机理为:①高温、高湿加速了三角枫中
多元酚类物质以及无色花色素与单宁等的氧化反应,使三角枫发生红色变色;②三角枫经饱和蒸汽处理,
羟基-OH经氧化转化为羰基-C=O、羧基-COOH、酯基和酮基等,使三角枫发生变色。
关键词:三角枫;干燥过程;诱发变色
中图分类号:TS652 文献标识码:A 文章编号:1727—3080(2007)06—0284—06
三角枫在干燥条件下的诱发变色过程
高建民,张璧光
(北京林业大学 材料科学与技术学院,北京100083)
1 引言
木材的颜色是木材表面性质和品质评价指标
之一,也是木材应用价值评价指标之一;多年来,为
了获得木材美观的颜色和更高的应用价值,国内外
的工程技术人员在木材表面颜色方面进行了广泛
的研究与实践,如 “木材染色”、“木制品表面装
饰”以及“木材和人造板表面装饰”等(于志明,
1999)。
木材是一种易变色的材料,受外界环境和加工
工艺条件的影响会发生变色。通常认为变色是木材
腐朽的前期表现,是木材加工过程中的一种缺陷。
实际上,木材的变色是一个非常复杂的物理化学过
程。由于导致木材变色的因子不同,木材变色的种
类及其对使用的影响也各不相同。某些物理和化学
变色并不影响木材的物理力学性能和使用性能。东
北的枫桦在高温干燥条件下其颜色与樱桃木的颜
色比较接近。如果我们能在不使用染料和化学助
剂、不使木材腐朽变质的前提下,利用木材的天然
化学结构与抽提物的化学成分,在一定条件下将木
材的变色引导到颜色的优化上来,这对木材的科学
加工与高效利用具有重要意义。“木材诱发变色”
就是通过物理或化学的方法,诱发木材化学物质
(主要指木材中的抽提物)的结构变化以及调整发
色体中发色基团与助色基团的结合方式,来实现木
材颜色的均匀化和美观优化的(高建民,2004)。
目前,国内外在木材诱发变色方面的研究报导
极少。东北林业大学李坚、刘一星等(1998)就东北
红豆杉、臭松和水曲柳等 8个树种进行了“加热处
理对不同树种材色的影响”的研究,认为加热温度
和加热时间对木材材色的变化具有一定的影响,其
中加热温度的作用更为明显。日本的森田慎一、山
角达也等(1987)对日本柳杉和佛吉尼亚栎等树种
进行了高压蒸汽着色方面的研究;日本的松山将壮
等(1985)在木材的变色与调色方面也进行了一定
的研究。美国的CharierB(1995)研究了栎木的变
色机理。瑞典的 M.Sshlstedt-Persson(2003)研究
了松树和云杉的汁液与热抽提物的颜色反应,认为
实木的颜色变化是由于树脂和抽提物的结构发生
变化而引起的。新西兰的M.McCurdy等(2003)研
究了辐射松边材单板在不同干燥基准下的颜色变
化,结果表明温度和时间是高温干燥过程中控制变
色的主要因素。韩国的H.Yeo(2003)研究了温度
和含水率对枫木单板干燥过程中颜色的影响。这些
干 燥 技 术 与 设 备
DryingTechnology&Equipment 2007年第5卷第6期284· ·
研究结果为木材诱发变色的研究提供了技术支持。
面临我国优质木材资源日益减少,充分利用有限的
木材资源、预防产生加工缺陷和提高木材的品质已
变得越来越重要。木材诱发变色是实现模拟珍贵木
材的一项实用技术,对提高木材的品质和高效利用
木材资源具有重要理论意义和实用价值。
三角枫(L.formosanaHance),属金缕梅科枫香
属,为南方天然速生树种,木材结构细,颜色乳白,
有光泽,纹理美观。但由于存在易变色和易腐朽等
固有的缺陷,至今未能充分利用。因为三角枫在相
对湿度达到50%时便已开始变色,所以在干燥过程
中预防三角枫变色较为困难;若能使三角枫的颜色
在干燥过程变得更为理想,将使三角枫获得更为广
泛的应用(高建民,2004)。
2 试材和实验条件
2.1 试材条件
试材取自广东罗定市扶合镇和广西贺洲,采伐
后制成长 1m左右、直径 30～35cm的木段,两端用
石蜡密封,运至北京林业大学,储存于冰柜中备用。
三角枫材性测试参照国家标准《木材物理力学
试材锯解及试样切取方法》GB1929-80规定进行,
测试结果见表1。
2.2 实验条件
实验过程在北京林业大学木材干燥实验室进
行,主要实验设备有:101C-1B型电热鼓风干燥箱、
302A型调温调湿箱、TC-PⅡG全自动测色色差计、
电子天平、日立 S-520扫描电子显微镜、伯乐
FTS-20型红外光谱仪以及高温汽蒸实验装置等。
其中高温汽蒸实验装置是自行设计和制作的,试验
装置如图1所示。
3 实验过程与分析
3.1 三角枫在不同干燥条件下的诱发变色过程
三角枫变色机理表明,三角枫在干燥过程中的
变色主要是由于水溶性变色原物质(主要指多元酚
类物质以及无色花色素和单宁等)在一定温湿度条
件下氧化反应所引起的(高建民,2004)。因此,可
采用调节温度和湿度的方法以提高变色原物质的
活性,促使变色原物质在木材内部及表面发生氧化
反应,以实现木材颜色的优化。在试验过程中要注
意观测木材的变色效果,以确定诱发变色的条件。
迅速将三角枫制成规格为 200mm×40mm×
20mm的试件,放入恒温的冰柜中保存备用。将制备
好的试件进行称重,选择一面为测试面,标出三个
测点并测定三个点的平均色差(△E)值,然后将试
件放入实验设备内,每小时测平均色差(△E)和重
量1次,当连续2次测量中其平均色差(△E)和重
量无变化时,即终止实验过程。根据实验数据绘制
平均色差(△E)曲线,观察三角枫颜色的变化。
3.1.1 三角枫在不同温度条件下的诱发变色过程
观察实验过程发现,三角枫从80℃开始变色
比较明显,随着温度的升高,色差值增大,变色加
剧,而且变色不均匀。实验结果见图2。
3.1.2 三角枫在不同温湿度条件下的诱发变色过程
实验结果如图3、4、5所示。
观察实验过程,当温度不变、湿度增大时,色差
值变化较大,变色加剧,颜色较均匀。实验发现,在
三角枫的变色过程中湿度的作用大于温度。由于在
调温调湿箱中高温、高湿的条件不易获得,故拟用
表1 三角枫基本材性测定结果
三角枫(广东)
三角枫(广西)
2
2
60
60
0.563
0.546
0.652
0.638
全干缩系数
弦向
0.393
0.365
径向
0.166
0.183
体积
0.546
0.538
2.367
1.995
树种 试验次数 试件数量 差异干缩
基本密度
g/cm3
气干密度
g/cm3
高建民等. 三角枫在干燥条件下的诱发变色过程第6期 285· ·
饱和蒸汽对三角枫进行变色实验。
3.2 三角枫在高温汽蒸预处理条件下的诱发变色
过程
在常规蒸汽干燥过程中,预热处理的温度一般
为60～80℃,相对湿度最高可达100%。因此,三角
枫干燥过程的诱发变色可以在干燥的预热处理阶
段进行,即在常规干燥预热处理阶段,采用饱和蒸
汽对三角枫木材进行诱发变色处理。
3.2.1 实验过程
首先向浴锅中加入自来水,保持水位距隔网
50mm,将水加热至99℃时,把制备好的试材放置在
浴锅的隔网上,盖上浴盖。试验中水温控制在96～
99℃,以确保浴锅上部为高温蒸汽。每小时测视觉
物理参数一次,当连续2次测量的平均色差(△E)
无变化时,终止实验过程。三角枫在高温汽蒸条件
下诱发变色过程的总体色差随时间的变化如图 6
所示。
3.2.2 实验过程分析
观察实验过程,三角枫变色均匀,木材表面深
红色,内部浅红色。
从实验分析可以判明:
⑴三角枫诱发变色条件为高温、高湿;
⑵湿度对三角枫变色的诱发能力大于温度;
⑶ 饱和蒸汽对三角枫变色具有最佳的诱发效
果。
3.3 三角枫诱发变色视觉物理参数分析
3.3.1 视觉物理参数
实验过程采用1976年国际照明委员会CIE(L,
a,b)标准色度学表征系统对三角枫诱发变色的颜色
变化进行精确定量表征。主要视觉物理参数为L、a、
b和Ag。
L—明度,完全白的物体视为 100,完全黑的物
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体视为0;
a—红绿色度,正值越大表示颜色越偏向红色,
负值越大表示越偏向绿色;
b—黄蓝色度,正值越大表示颜色越偏向黄色,
负值越大表示越偏向蓝色。
Ag—色调角,Ag=arctan(b/a)。
三角枫在高温汽蒸条件下诱发变色趋势和效
果可以通过 CIE(L,a,b)标准色度学表征系统进行
定量描述。
3.3.2 试验结果与分析
根据三角枫在高温汽蒸条件下诱发变色过程
中视觉物理量参数(L,a,b)与色调角Ag的测试结
果,绘制出诱发变色过程中明度 L随时间变化的曲
线以及色调角 Ag分别随红绿色度 a和黄蓝色度 b
的变化趋势图,如图7、8所示。
分析试验过程可以看出:①诱发变色过程中明
度 L随时间的延长而降低,变化趋势明显,说明颜
色变化趋势是向深色方向发展;②红绿色度 a随时
间有增加趋势,说明诱发变色的颜色向红色方向发
展;黄蓝色度 b随时间有较大幅度减小,说明诱发
变色的颜色向深色方向发展;色调角Ag随着 a的
增大而明显减小,随着 b的增加而明显增大,说明
三角枫高温汽蒸条件下诱发变色总的趋势是向红
色和深色方向发展。
3.4 三角枫红外光谱对比分析
取不同条件下变色的三角枫试样,研磨成200
目木粉,经低温真空干燥后,进行红外光谱分析。结
果如图9、10所示。
由图可以看出,光谱中的吸收峰差异比较大,
变化范围在1000～1750cm-1;1005～1150cm-1醇羟
基-OH吸收峰减小,1740cm-1处的非共轭羟基-
OH吸收峰有一定的减小;而1700cm-1处的羰基-
C=O和羧基-COOH的吸收峰有比较明显的增大,
1220cm-1处酯基和酮基的吸收峰有一定的增大。因
此可以认定:①三角枫诱发变色后在可见光区光的
吸收峰发生了变化,即三角枫的颜色发生了变化;
② 三角枫在高温汽蒸条件下的诱发过程主要是羟
基-OH经氧化而转化为羰基-C=O、羧基-
COOH、酯基和酮基等。
3.5 三角枫变色的电镜观察
取不同条件变色的三角枫试样,切成 5mm×
5mm×2mm小试样,放在干燥器内干燥。将干燥好
的试样的观察面用手术刀片再次切削,对观察面作
表面镀膜处理,在扫描电子显微镜下观察,结果如
图11所示。
在图11中未发现菌丝,说明三角枫在诱发变
色过程中未受真菌感染。
4 结论
⑴ 从三角枫的诱发变色实验过程可以得出以
下几点结论:
高建民等. 三角枫在干燥条件下的诱发变色过程第6期 287· ·
①三角枫在干燥过程中的诱发变色是可行的,
变成了粉红色;
② 三角枫诱发变色条件为高温、高湿;湿度对
三角枫变色的诱发能力远远大于温度;饱和蒸汽对
三角枫变色具有最佳的诱发效果;
③三角枫在诱发变色过程中未受真菌感染。
⑵三角枫在干燥过程的诱发变色机理为:
①高温、高湿能加速三角枫中水溶性变色原物
质 (主要指多元酚类物质以及无色花色素和单宁
等)的氧化反应,使三角枫向红色方向变化;
②三角枫经饱和蒸汽处理,羟基-OH经氧化
转化为羰基-C=O、羧基-COOH、酯基和酮基等,
使三角枫发生色变。
⑶ 三角枫在干燥过程中诱发变色的技术路线
为:三角枫采伐后应迅速用饱和蒸汽进行诱发变色
处理,然后再进行干燥,这样可以获得均匀悦目的
深红色色泽。
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InducedDiscoloringProcessofBuergerMapleUnderDryingConditions
GAOJian-min,ZHANGBi-guang
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Abstract:BuergerMaple(L.formosanaHance)isakindofwoodthatiseasilydiscolored.Thisresearchtriestoobtain
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Keywords:Buergermaple;Dryingprocess;Induceddiscoloration
高建民等. 三角枫在干燥条件下的诱发变色过程第6期
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