兩種方法染色處理速生楊木單板1)

那 斌 王志鵬 孫丹丹 王志強(qiáng) 盧曉寧

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

兩種方法染色處理速生楊木單板1)

那 斌 王志鵬 孫丹丹 王志強(qiáng) 盧曉寧

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

采用熱浸法和冷壓法對(duì)速生楊木單板進(jìn)行染色處理，利用紫外可見分光光度計(jì)研究染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色時(shí)間、染色溫度及助劑等因素對(duì)速生楊木單板染色效果的影響。結(jié)果表明:兩種方式對(duì)速生楊木單板進(jìn)行染色處理都取得了較好的上染率，而熱浸法的染色效果較冷壓法要好。

速生楊木單板;染色;上染率;熱浸法;冷壓法

隨著天然優(yōu)質(zhì)木材日趨減少，利用國內(nèi)豐富的速生楊木資源進(jìn)行改性處理以替代珍貴木材的使用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)速生楊木單板進(jìn)行染色處理以模仿珍貴木材材色，同時(shí)提高其整體的強(qiáng)度性能，這樣既緩解了珍貴木材急缺的現(xiàn)狀，滿足市場(chǎng)的需求，又可以提高楊木產(chǎn)品的附加值。

木材是一種不均質(zhì)的毛細(xì)孔材料，木纖維中含有豐富的親水性基團(tuán)，如羥基(—OH)、羧基(—COOH)等。染料隨水溶液通過木材毛細(xì)管通道，透過木細(xì)胞壁擴(kuò)散后，沉降在纖維表面上，使得木材染色[1]。本研究采用熱浸法和冷壓法兩種方法對(duì)速生楊木單板進(jìn)行染色處理，將4種酸性染料混合進(jìn)行染色。這是因?yàn)橐环矫嫠嵝匀玖鲜且活惡兴嵝曰鶊F(tuán)如磺酸鈉(RSO3Na)的水溶性染料，通常在酸性水溶液中染色，其染色功能基于在酸性介質(zhì)中易電離形成帶負(fù)電荷的磺酸基(RSO-3)與帶正電荷的被染物相吸引，而木纖維浸泡在酸性溶液中，帶正電荷的氫離子很快擴(kuò)散到木纖維內(nèi)，中和了顯負(fù)電性的(—COOH)基團(tuán)，使整個(gè)木纖維帶正電荷。因此，帶負(fù)電荷的磺酸基與帶正電荷的木纖維在親合力的作用下相吻合，其色牢度由親合力的大小來決定[2];而另一方面由于染料對(duì)木材的選擇性吸附不同，選擇性吸附強(qiáng)的染料在木材表面的孔的入口處附近染色，而選擇性吸附弱的染料滲透到木材內(nèi)部染色，因而產(chǎn)生色層分離譜的色差效果。可以利用這種吸附強(qiáng)弱不同，進(jìn)行不同染料多色染色，增強(qiáng)染色效果。滲透性好的染料可浸潤到木材內(nèi)部與晚材部分，而滲透性差的染料只能滲透到木材表面和早材部分，使染色材鋸切后會(huì)形成不同種顏色圖案[3]。因此實(shí)驗(yàn)采用不同的染料混合，以達(dá)到增強(qiáng)染色效果的目的。研究表明可以通過測(cè)定木材的上染率來評(píng)定木材的染色效果[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試件:速生楊木旋切單板，取自江蘇徐州豐縣。單板選取的是速生楊木單板的邊材無缺陷部分。并將速生楊木單板制成規(guī)格:80mm×60mm×1.5mm共18塊試件。試件通過前期處理的含水率為32％。

染料:酸性大紅GR、嫩黃G、酸性黑ATT和酸性橙Ⅱ4種粉末染料，其中酸性大紅GR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％，其它3種的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都為100％。

助劑:均染劑元明粉(Na2SO4·10H2O)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

AF1004型電子分析天平;101A-2B型電熱鼓風(fēng)干燥箱;HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋;TU-1810紫外分光光度計(jì);常用玻璃器皿。

1.3 試驗(yàn)方法

將4種酸性染料混合采用熱浸法和冷壓法對(duì)速生楊木單板進(jìn)行染色，并通過設(shè)定正交試驗(yàn)來確實(shí)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色時(shí)間、染色溫度和助劑等因素對(duì)速生楊木單板上染率的影響。

1.3.1 熱浸法

染色前，先對(duì)單板進(jìn)行前期處理，即將單板浸入水中4h，取出后氣干到含水率32％。將酸性大紅GR、酸性嫩黃G、酸性黑ATT和酸性橙Ⅱ4種染料混合，其中m(酸性橙Ⅱ)∶m(酸性黑ATT)∶m(酸性嫩黃G)∶m(酸性大紅GR)=14∶5∶4∶2，分別配置成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液。(配置原染液時(shí)，1g染料加100mL水配置的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％)[4]。設(shè)定浴比為10。

試驗(yàn)選取了染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色時(shí)間、染色溫度和助劑4個(gè)影響因素。各因素水平見表1。

染色工藝試驗(yàn)過程流程:前期處理→加入助劑并配置染液→測(cè)定空白溶液吸光度(A0)→試件進(jìn)行染色→取出試件并沖洗?測(cè)定殘液吸光度(A1)→按R=(A0-A1)/A0計(jì)算上染率。

表1 熱浸法試驗(yàn)因素與水平

1.3.2 冷壓法

染色前，先將楊木單板放入水浴鍋中恒溫(90℃)抽提2h，取出后氣干到含水率為32％。染色時(shí)先將單板加熱，使單板中的空氣和水分受熱膨脹而運(yùn)動(dòng)加劇，然后將熱單板浸漬到室溫染液中，單板內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，染料溶液能夠順利滲透到內(nèi)部，從而使單板染色[3]。其中混合溶液的配比和熱浸法中一樣。

試驗(yàn)采用了加熱溫度、加熱時(shí)間、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)這3個(gè)影響因素。各因素水平見表2。

表2 冷壓法試驗(yàn)因素與水平

染色工藝試驗(yàn)過程流程:前期處理90℃水中抽提2h→氣干24h至含水率32％→配置染液并測(cè)定空白溶液吸光度(A0)→試件加熱并進(jìn)行染色→10min后取出試件并沖洗→測(cè)定殘液吸光度(A1)→按R=(A0-A1)/A0計(jì)算上染率。

試驗(yàn)的研究方法是先設(shè)定L9(34)染色正交試驗(yàn)，然后利用紫外分光光度計(jì)來測(cè)定每次試驗(yàn)中試件的上染率。利用正交方差分析的方法研究染色工藝參數(shù)對(duì)上染率的影響，從而得出最佳的染色方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱浸法效果

染料的上染率與工藝因子的方差和極差分析見表3。可以看出，各因素對(duì)染色的上染率影響顯著性排列為:染色時(shí)間＞助劑＞染色溫度＞質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第二因素染色時(shí)間的極差最大，其次是第四因素助劑和第三因素染色溫度，第一因素染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，說明影響最小。從平均值來看，第一因素的第一水平最好，第二因素的第二水平最好，第三因素的第一水平最好，第四因素的第一水平最好。因此最佳的染色因素水平是:染色質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5％，染色時(shí)間為2h，染色溫度為70℃，且不加助劑。染色效果見表4。

表3 熱浸法工藝因子水平的結(jié)果

染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)上染率的影響:由表4可知，染色質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)上染率的影響幅度變化不大，說明染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不顯著。

染色時(shí)間對(duì)上染率的影響:隨著時(shí)間的增加，上染率上升，當(dāng)染色時(shí)間為2h，上染率最大.當(dāng)時(shí)間繼續(xù)增加，上染率反而下降。從極差分析來看，染色時(shí)間對(duì)上染率的影響最大。這是因?yàn)樗偕鷹钅締伟迕芏缺容^小且厚度較薄，其內(nèi)部的空隙大，染液很快就能滲透進(jìn)入材內(nèi)部進(jìn)行染色。當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間，染色效果最好，隨后，時(shí)間的增加和染液的蒸發(fā)，降低了染色效果，影響了上染率。

表4 熱浸法效果

染色溫度對(duì)上染率的影響:隨著溫度的上升，上染率上升很快，因?yàn)樘岣邷囟仁谷玖戏肿拥玫礁蟮哪芰浚朔靵隽Γ黾恿藛伟灏l(fā)生碰撞形成分子間范德華力的機(jī)會(huì)。同時(shí)，提高溫度可顯著降低染料的聚集程度，增加染料分子的擴(kuò)散性能。但溫度也不能過高，過高的溫度使吸附在單板上的染料分子能量增加太大，加劇染料與單板的解吸，上染率反而會(huì)降低。所以70℃為比較適宜的溫度[3]。

助劑對(duì)上染率的影響:助劑元明粉的加入降低上染率，由此可知助劑抑制楊木單板的染色。

由上述分析可知，熱浸法對(duì)速生楊木單板進(jìn)行染色的整體效果比較好，其中染色時(shí)間和染色溫度對(duì)上染率的影響較顯著，而染色質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)上染率的影響較小，助劑的加入則抑制上染率。同時(shí)酸性染料有利于速生楊木單板的染色。染色優(yōu)化工藝是:染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5％，染色時(shí)間2h，染色溫度70℃且不加助劑。

2.2 冷壓法效果

染料的上染率與工藝因子的方差和極差分析見表5。可知，各因素對(duì)上染率的影響顯著性排列:加熱時(shí)間＞染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞加熱溫度。第二因素加熱時(shí)間極差最大，其次是第三因素染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，第一因素最小。從平均值看，第一因素的第一水平最好，第二因素的第三水平最好，第三因素的第三水平最好。所以最佳工藝:加熱溫度100℃，加熱時(shí)間30min，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5％。染色效果見表6。

表5 冷壓法工藝因子水平的結(jié)果

表6 冷壓法效果

加熱溫度對(duì)上染率的影響:當(dāng)溫度達(dá)到100℃后，上染率隨著溫度的升高而降低。這是因?yàn)闂钅締伟寮訜幔蛊鋬?nèi)部的水分和空氣運(yùn)動(dòng)加劇，又因?yàn)樵嚰鼙。约訜嵋欢螘r(shí)間后單板的內(nèi)外部受熱均勻，當(dāng)試件溫度達(dá)到一致后，迅速放入常溫染液中，其內(nèi)部的水分和空氣受膨脹排出單板內(nèi)部，產(chǎn)生的負(fù)壓很多，加速了染液的滲透。但是，溫度升高到一定程度后，染料的水解速度加快，上染率反而下降[5]。

加熱時(shí)間對(duì)上染率的影響:隨著加熱時(shí)間的增加，上染率上升。加熱時(shí)間越大，單板溫度越高，促使單板內(nèi)部水分和空氣向外遷移，遇冷后收縮，單板內(nèi)部壓力降低，內(nèi)外壓力差變大，有利于染液吸收，從而上染率上升。

染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)上染率的影響:隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大上染率呈上升趨勢(shì)。因?yàn)槿疽嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，染液中染料分子的數(shù)量增多，沖破單板內(nèi)部的庫倫力和與纖維的碰撞機(jī)率也增大了，由于試驗(yàn)選用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，所以不會(huì)出現(xiàn)飽和的狀態(tài)。但是當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)變的很大時(shí)，染料分子在水溶液中隨條件不同會(huì)發(fā)生不同程度的聚集，染料的聚集體難以在單板中流動(dòng)和擴(kuò)散，造成細(xì)胞壁的部分紋孔阻塞，從而影響其上染率[6]。

由上述分析可知，加熱時(shí)間對(duì)染色上染率影響最大，其次是染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，加熱溫度對(duì)上染率的影響較小，當(dāng)溫度達(dá)到120℃后，上染率基本保持不變。所以本試驗(yàn)的最佳優(yōu)化工藝條件是:加熱溫度100℃，加熱時(shí)間30分鐘，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5％。

采用冷壓法對(duì)楊木單板染色的工藝較簡(jiǎn)單，操作方面，但是冷壓法的染色效果比熱浸法差。

3 結(jié)束語

采用熱浸法和冷壓法兩種方法對(duì)速生楊木單板進(jìn)行染色處理，都取得了較好的上染率，并獲得了最佳染色工藝;熱浸法的染色效果較冷壓法要好，而冷壓法的工藝更為簡(jiǎn)單。

[1] 張偉，許俊，岳孔，等.速生楊木板材的染色工藝試驗(yàn)[J].林業(yè)科技開發(fā)，2008，22(5):84-86.

[2] 顧麗莉，蔣麗紅，趙榆林，等.酸性染料對(duì)木材進(jìn)行染色實(shí)驗(yàn)研究[J].染料工業(yè)，2001，38(1):40-41，27.

[3] 李紅.毛白楊木材染色技術(shù)研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué)，2005.

[4] 陳玉和，陸仁書，方桂珍.木材水溶性染料的染色技術(shù)[J].木材工業(yè)，1999，13(2):27-30.

[5] 張洋，安霞，周兆斌，等.速生楊木染色效果的色差分析[J].林業(yè)科技開發(fā)，2007，21(1):25-27.

[6] 張明龍，程良松，李年存.意大利楊和楸木染色試驗(yàn)研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2006，34(6):22-24.

Dyeing Treatment of Veneer from Fast-Growing Poplar by Heat-Infusing and Cold-Pressing

/Na Bin，Wang Zhipeng，Sun Dandan，Wang Zhiqiang，Lu Xiaoning(College of Wood Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-41～43

Veneer from fast-growing poplar;Dyeing;Rate of dye uptake;Heat-infusing;Cold-pressing

TS190.2

1)江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009529)、國家自然科學(xué)基金(31070502)。

那斌，男，1971年10生，南京林業(yè)大學(xué)木材工業(yè)學(xué)院，副教授。

2010年12月6日。

責(zé)任編輯:戴芳天。

This paper deals with the dyeing treatment of the veneer from fast-growing poplar using heat-infusing and cold-pressing methods.The influences of dye-liquor concentration，dyeing time，dyeing temperature and auxiliaries on the effect of dyeing are studied using ultraviolet-visible spectrophotometer.Both of the two methods show an increased rate of dye uptake，and the effect of heat-infusing is better than that of cold-pressing.