全 文 ：第 36 卷 第 3 期
2014 年 5 月
北 京 林 业 大 学 学 报
JOUＲNAL OF BEIJING FOＲESTＲY UNIVEＲSITY
Vol． 36，No． 3
May，2014
DOI:10． 13332 / j． cnki． jbfu． 2014． 03． 020
青杨生材纵向染色性能的研究
吴晓凤 于志明 张 扬
(北京林业大学材料科学与技术学院)
摘要:为了研究立式减压染色法对青杨生材染色效果的影响，采用活性红 X-3B对青杨生材进行减压染色。采用单
因素试验法，探讨染色参数对染色材上染面积的影响。结果表明:染色材的上染面积随真空度和染液浓度的增加
呈递增趋势;随真空时间的增加呈先增大后减小的趋势;随染色时间的增加呈先迅速增加后逐渐降低并趋于平缓
的趋势;在同一染色条件下，同一染色材内，上染面积随染色材高度的增加呈先减小后增大的趋势。
关键词:真空染色;木材染色;活性染料;上染面积
中图分类号:S792. 113 文献标志码:A 文章编号:1000--1522(2014)03--0125--05
WU Xiao-feng;YU Zhi-ming;ZHANG Yang． Dyeing property of xylem utilizing the axil direction of
freshly-felled Populus cathayana． Journal of Beijing Forestry University (2014)36(3)125--129［Ch，11
ref．］College of Materials Science and Technology，Beijing Forestry University，100083，P． Ｒ． China．
In order to investigate the influence of vertical vacuum dyeing method on the green wood of Populus
cathayana，reactive red X-3B was adopted to dye the green wood of P． cathayana by the design of single
factor experiment in this study． The results showed that the dyeing area increased gradually with the rise
of vacuum degree and dye concentration． The dyeing area experienced an increase first and then
decreased along with the rise of vacuum time． With the rise of dyeing time，the dyeing area increased
quickly，then decreased gradually and reached balance． Under the same dyeing process and same wood，
with the rise of wood height，the dyeing area generally decreased first and then increased．
Key words vacuum dyeing;wood dyeing;reactive dyes;dyeing area
收稿日期:2013--09--05 修回日期:2013--12--05
基金项目:北京市专利转化项目(200624520)。
第一作者:吴晓凤。主要研究方向:木质复合材料与胶黏剂。Email:wxfwinnie@ gmail． com 地址:100083 北京市清华东路 35 号北京林
业大学材料科学与技术学院。
责任作者:于志明，博士，教授。主要研究方向:木质复合材料。Email:yuzhiming@ bjfu． edu． cn 地址:同上。
本刊网址:http:journal． bjfu． edu． cn
木材染色是改善木材视觉特性，提高劣质材
附加值，减少珍贵木材资源消耗的重要途径［1］。
由于木材染色技术能满足人们对木材颜色多样性
和资源充分利用的需求，以劣质材染色模拟珍贵
材已 成 为 一 种 发 展 趋 势［2
--3］。青 杨 (Populus
cathayana)是我国北方速生树种之一，其适应性
广、生长周期短，因而被广泛运用于家具、装饰、装
修行业。青杨木材色浅、纹理不明、光泽晦暗，在
贮存、加工和使用过程中易变色和污染，使其在家
具、建筑等行业中的应用受限。青杨木材材质疏
松、密度较低，具有优良的渗透性，这为青杨木材
染色模拟珍贵材提供了可能。
目前国内外大多采用真空加压处理工艺对原木
段或锯材进行染色处理［4
--6］。将木材浸渍于染液
中，使得木材内部不能形成压力梯度;同时主要利用
木材的横向通道，而木材内可供染液渗透的横向通
道极少，使得木材厚度越大染液越难渗透，导致木材
染色不均匀，染液渗透深度小［7］。本文采用自制真
空染色系统，染色过程中青杨木材不用浸泡于染液
中，通过对木材抽真空，排除木材内的水分和空气，
使木材内形成较大的压力差，为染液在木材内部的
渗透提供动力。为了进一步明确立式减压染色工艺
对染色效果的影响，本文采用单因素试验，对刚伐的
青杨小径材染色工艺的影响因子进行了深入分析和
研究，为染色工艺优化选择提供理论依据，为染色材
的工业化生产提供科学依据。
北 京 林 业 大 学 学 报 第 36 卷
1 材料与方法
1. 1 材料与仪器
1)试材:青杨木材，北京通州区。染料:活性红
X-3B，上海桃浦染料厂。
2)仪器:电子天平(FA2204)、恒温恒湿箱
(TEＲCHY MHGB-120CAUB)、自制木材真空染色系
统(专利号:201320137128. 3，见图 1)。
1．染槽;2、7、11．胶管;3、9、10．球阀;4．下集液槽;5．木材;6．上集
液槽;8．废液收集室;12．真空泵。
图 1 自制木材真空染色系统
Fig． 1 Schematic plot of wood vacuum dyeing apparatus
1. 2 染色材的制备
1)圆木段制作:将青杨生材加工成长 310 mm、
直径 103 mm的圆木段(试件端面加工如图 2，试件
两端各加工一小台阶，小台阶高 5 mm、直径 90
mm)。在进行每一个试验前，以心边材含量和质量
统一的原则选取试件，确保同一因素各个水平所用
试件基本一致。每次试验重复 2 次，一共 36 根试
件，试件初含水率为 100% ～120%。
图 2 试件端面示意图
Fig． 2 Schematic plot of test sample
2)圆木染色:在预试验基础上，染液温度为
30 ℃，真空度、真空时间、染色时间、染液浓度(质量
分数)按表 1 进行试验。
表 1 试验因素及水平
Tab． 1 Design of experiment and factors
试验因素
试验水平
1 2 3 4 5
真空度 /MPa 0. 01 0. 03 0. 05 0. 07 0. 09
真空时间 /min 0 5 15 30 60
染色时间 /min 5 15 30 45 60
染液浓度 /% 0. 5 1 1. 5
开启真空泵后，当真空罐内真空度达到设定真
空度时，不开启 3 号阀门，按真空时间对真空罐保
压，达到设定时间后再开启 3 号阀门。装配试件时，
将试件一端与下卡盘卡住，另一端与上卡盘卡住，木
材两端分别压住上下卡盘的密封圈，促使染色过程
中染液沿木材内部渗透和扩散(上下卡盘的密封圈
与木材接触的位置见图 2)。以试材与真空染色系
统的下集液槽接触的面为底部，与上集液槽接触的
面为顶部，对气干 1 个月后的染色材按图 3 截取试
样。每个试件取 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J 10 个点
锯为 11 块，每个试件取 9 个染色圆盘(直径 103
mm)。图 3 中 2 块有阴影的染色圆盘在染色过程中
端面会与染液直接接触，因此舍弃不计算染色面积。
将染色圆盘置于恒温恒湿箱内干至含水率为 6% ～
8%，待测。
3)染色原理:将试件装配到真空系统上，染槽
内注满染液，2 号胶管伸入染槽底部，关闭 3 和 9
号阀门，确认整个系统完全密封后启动真空泵。
按设定真空度，对木材抽真空。抽真空过程中，先
抽掉木材顶部的空气和水分，再逐步向下抽木材
内的空气和水分，木材顶部和底部会产生很大的
压力梯度。开启 3 号阀门，染液在巨大的负压作
用下顺着木材向上移动，使得木材染色。从木材
内部排出的染液到达木材顶部后，进入上集液槽。
染液在上集液槽内蓄积到一定高度后，由 7 号管
排出真空罐，进入残液收集室。达到设定的染色
时间后，关闭真空泵，卸压，开启 9 号阀门，排除
废液。
1. 3 上染面积的测定
将每个染色圆盘靠近试材底部的横截面(即 A、
B、C、D、E、F、G、H、I 点所在横截面)上染色部分纸
与未染色部分之间的交界线用笔勾勒出来，把交界
线复制到裁剪好的硫酸纸圆片上(圆片直径 d = 100
mm)。染液不能通过密封圈外的木材，仅靠后期染
料分子的扩散染色，因此以染色圆盘的中心为中心，
在半径 50 mm 范围内测量上染面积。按交界线将
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第 3 期 吴晓凤等:青杨生材纵向染色性能的研究
图 3 试件取样示意图
Fig． 3 Sampling plot of test sample
染色部分和未染色部分剪切下来，用质量法称量染
色部分纸与整张纸的质量，分别记为 M染色部分纸和
M整张纸，得出上染面积 = M染色部分纸 /M整张纸 × 100%。
采用上染面积评估染色工艺对染色效果的影响。
2 结果与分析
2. 1 真空度对木材上染面积的影响
在真空时间 15 min、染色时间 60 min、染液浓度
1%的情况下，真空度对上染面积的影响见表 2。
从表 2 可以看出:随真空度的增加，上染面积持
续增长。在真空度为 0. 09 MPa时，上染面积达到最
大，平均为 87. 69%。对木材抽真空可以排出木材
内的空气和水分，有助于减少液体渗透进木材内部
的阻力，使染料更容易渗透进木材内部［8］。青杨试
材的初含水率为 100% ～ 120%，内部含有大量水
分。真空度越大，从木材中排出的空气和水分越多，
排出的速度越快，染液进入木材内部的阻力越小，进
入木材内部的染料增多。因试材并未浸泡在染液
中，对木材抽真空后，木材底部和顶部之间会产生压
力差。真空度越大，木材内部形成的压力差就越大，
促使染液从试材底部流向试材顶部的动力越大，染
料渗透速度越快，进入木材内部的染料越多，上染面
积越大［8］。在同一真空度下，随染色材高度的增
加，上染面积基本呈先减小后增大的趋势。这是因
为染色过程中试材底部会与染液长时间接触，距试
材底部越近，通过染料分子的数量越多，有利于木材
对染料的吸附，上染面积越大。由于木材真空染色
系统的限制，从木材内部排出的水分、抽提物和染液
在上集液槽内蓄积到一定高度才能排出，这些蓄积
液体的染液浓度大于木材内部，在这种浓度梯度下
染液又开始逆向扩散，导致靠近木材顶部的位置吸
附的染料增多，上染面积较大。
表 2 真空度对上染面积的影响
Tab． 2 Effects of vacuum degree on dyeing area %
真空度 /
MPa
位置
A B C D E F G H I
平均值
0. 01 76. 77 71. 47 71. 28 68. 39 68. 19 64. 92 63. 66 63. 38 61. 40 67. 72
0. 03 86. 06 80. 11 80. 06 78. 53 78. 45 76. 34 76. 50 76. 50 78. 72 79. 03
0. 05 86. 01 78. 84 77. 93 77. 88 76. 31 73. 42 77. 08 82. 01 82. 68 79. 13
0. 07 86. 79 86. 49 86. 07 83. 95 83. 64 82. 38 78. 53 81. 45 85. 67 83. 89
0. 09 89. 70 88. 55 88. 49 88. 20 88. 02 87. 29 87. 07 84. 06 87. 84 87. 69
2. 2 真空时间对木材上染面积的影响
在真空度 0. 09 MPa、染色时间 60 min、染液浓度
1%的情况下，真空时间对上染面积的影响见表 3。
从表 3 可以看出:1)随真空时间的延长，上染
面积呈先迅速增大后逐渐减小的趋势。在真空时间
15 min时，上染面积达到最大，为 86. 29%。抽真空
时间 0 ～ 15 min，上染面积增加 9. 92%;继续延长抽
真空时间，当抽真空时间 15 ～ 60 min，上染面积逐渐
降低。真空时间越长，抽真空的程度越高，从木材内
部排出的空气和水分越多，进入木材内部的染料越
多，上染面积增大。真空时间继续延长，从木材内排
出的水分越多，排至上集液槽的水分很难排到真空
罐外，使得木材内部形成的压力梯度减小，导致进入
木材内部的染料减少。其次，随着真空时间的延长，
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北 京 林 业 大 学 学 报 第 36 卷
排出的水分大量蒸发，使真空罐内温度逐渐降
低［7］，导致木材内的水分部分结冰，阻碍了染液在
木材内部的渗透，使得上染面积逐渐下降。2)同一
真空时间，随染色材高度的增加，上染面积基本呈先
减小后增大的趋势。3)在试件同一高度，随真空时
间增加，上染面积先增大后减小，在真空时间 15 min
时最大。由于真空时间越长，从木材内部排出的空
气和水分越多，染料的渗透和扩散性越好;但真空时
间过长，由于水分在上集液槽内停滞，减小了将染液
吸至木材顶部的负压，减少了进入木材内部的染料，
导致上染面积减小。
2. 3 染色时间对木材上染面积的影响
在真空度 0. 09 MPa、真空时间 15 min、染液浓度
1%的情况下，染色时间对上染面积的影响见表 4。
表 3 真空时间对上染面积的影响
Tab． 3 Effects of vacuum time on dyeing area %
真空
时间 /min
位置
A B C D E F G H I
平均值
0 82. 08 81. 93 77. 56 75. 08 71. 94 71. 32 75. 14 75. 36 76. 87 76. 37
5 86. 45 82. 54 76. 26 74. 02 71. 51 72. 04 73. 03 73. 91 77. 86 76. 40
15 93. 52 85. 66 86. 36 79. 91 82. 89 85. 64 85. 78 88. 16 88. 65 86. 29
30 85. 93 83. 45 83. 01 80. 37 82. 07 77. 95 79. 60 81. 21 81. 99 81. 73
60 85. 79 80. 77 80. 43 79. 99 79. 97 79. 97 79. 98 80. 46 80. 57 80. 88
表 4 染色时间对上染面积的影响
Tab． 4 Effects of dyeing time on dyeing area %
染色
时间 /min
位置
A B C D E F G H I
平均值
15 78. 33 74. 78 72. 72 70. 09 69. 17 62. 85 65. 44 65. 18 77. 45 70. 67
30 83. 42 81. 82 75. 36 72. 58 67. 16 71. 41 75. 86 76. 50 80. 25 76. 04
45 83. 89 82. 18 81. 89 82. 16 80. 47 78. 60 78. 15 77. 53 79. 76 80. 52
60 92. 91 87. 44 87. 18 86. 27 86. 03 85. 31 84. 51 84. 60 85. 24 86. 61
75 92. 09 88. 63 86. 49 85. 28 84. 51 84. 16 83. 22 86. 36 88. 44 86. 57
从表 4 可以看出:1)随染色时间的延长，上染
面积逐步增大。在染色时间为 60 min 时，上染面
积达到最大，为 86. 61%。染色时间 15 ～ 60 min，
上染面积增加了 15. 94%;随染色时间继续延长，
上染面积逐渐减小并趋于平衡。染料在木材内部
扩散和渗透需要一定的时间，染色时间过短，进入
木材内部的染料量较少;随染色时间延长，进入木
材内部的染料增多，木纤维能充分吸收染料，上染
面积逐渐增大［9］。当染色时间超过 60 min 时，其
上染面积开始渐渐减小并趋于平衡。这是由于随
染色时间延长，木材内部的浓度差逐渐减小，染料
扩散速率减小。同时由于染料分子的三角形染着
吸附原则，染液有效流动面积愈来愈小，随染色时
间延长进入木材内部的染料分子逐渐减少并趋于
平衡［10］。2)同一染色时间，随试材高度的增大，
上染面积基本呈先减小后增大的趋势。在试件同
一高度，随染色时间增加，上染面积先增大后逐渐
减小趋于平衡，在染色时间 60 min 时，上染面积
最大。
2. 4 染液浓度对木材上染面积的影响
在真空度 0. 09 MPa、真空时间 15 min、染色时间
60 min下，染液浓度对上染面积的影响见表 5。
表 5 染液浓度对上染面积的影响
Tab． 5 Effects of dye concentration on dyeing area %
染液
浓度
上染面积
A B C D E F G H I
平均值
0. 50 85. 01 79. 67 77. 69 77. 93 78. 84 79. 03 79. 74 81. 19 83. 35 80. 27
1. 00 86. 91 85. 44 82. 63 82. 57 82. 06 81. 96 75. 95 74. 16 77. 30 81. 00
1. 50 89. 40 85. 93 85. 34 80. 27 75. 62 73. 22 78. 11 78. 97 83. 25 81. 13
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第 3 期 吴晓凤等:青杨生材纵向染色性能的研究
从表 5 可以看出:随染液浓度的增加，上染面积
呈增大趋势。同一染液浓度下，随试材高度的增加，
上染面积呈先减小后增大的趋势。当染液浓度提高
时，染液中染料分子数量增加，冲破分子间库仑力，
与木材纤维表面碰撞接触的几率增加，进入木材内
部的染料数量增加，上染面积增大［11］。由于染液浓
度从 1%提高到 1. 5%，上染面积增幅不大，因此从
节约成本的角度考虑，选择染液浓度 1%为最优。
染色材的染色效果如图 4 所示。虽然试材的半
径方向上没有达到 100%上染，但最大上染面积能
达到 87. 79%;且在试材高度方向上，可达到 100%
上染。对于染色圆盘上出现的未上染圆环部分，将
继续研究。整体而言，立式减压染色法有助于活性
染料对青杨生材染色。
该染色圆盘从所有被测试上染面积的圆盘中随机选取。中性笔
勾勒出呈同心圆环的部分为未染色部分，其余部分均为上染
部分。
图 4 染色材示意图
Fig． 4 Diagram of dyed wood
3 结 论
1)采用立式减压染色法对青杨小径材生材染
色可制得染透率高的染色材，较优染色工艺条件为
真空度 0. 09 MPa、抽真空时间 15 min、染色时间 60
min、染液浓度 1%。
2)随真空度的增加，染色材上染面积呈增大趋
势;真空度 0. 01 ～ 0. 09 MPa，上染面积增加了
19. 97%。随真空时间的增加，染色材上染面积呈先
增大后缓慢减小的趋势;抽真空时间为 15 min 时，
上染面积达到最大值;抽真空时间 0 ～ 15 min，上染
面积增加了 9. 92%;继续延长真空时间，上染面积
呈缓慢减小的趋势。随染色时间的增加，染色材上
染面积呈先迅速增大后逐渐减小趋于平缓的趋势;
染色时间 60 min 时，上染面积达到最大值;染色时
间 15 ～ 60 min，上染面积增加了 15. 94%;随染色时
间继续延长，上染面积变化不大。随染液浓度的增
加，染色材上染面积呈增大趋势;染液浓度从 1. 0%
提高到 1. 5%，上染面积增幅不大;从节约成本的角
度考虑，选择染液浓度 1%为最优。
3)以试材与下集液槽接触的面为底部，试材与
上集液槽接触的面为顶部，在试材高度方向上，随着
高度的增加，其上染面积基本呈先减小后增大的
趋势。
参 考 文 献
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( 责任编辑 李文军)
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