不同熱處理條件下橡膠木表面顏色變化分析

蔣匯川 岳大然 陸全濟 李家寧

不同熱處理條件下橡膠木表面顏色變化分析

蔣匯川1岳大然2陸全濟1李家寧1

（1. 中國熱帶農業科學院橡膠研究所/農業農村部橡膠樹生物學與遺傳資源利用重點實驗室 海南海口 571101；2. 海南大學林學院/海南省熱帶珍稀名貴樹種工程研究中心 海南海口 570228）

采用芬蘭ThermoWood熱改性處理工藝，研究熱處理溫度和時間對10年生橡膠木表面顏色變化的影響。使用CIE***表色系統，分析不同溫度和時間條件下熱改性處理橡膠木的色度學參數變化。結果表明：在實驗范圍內，熱處理溫度和處理時間對橡膠木的色度學參數有顯著影響，熱處理溫度的影響比熱處理時間影響更大；隨著熱處理溫度的升高和時間的延長，橡膠木的明度值*不斷降低，從80.94降至37.45；與橡膠木素材相比，總色差值Δ*不斷增大，從17.96增大到44.35；與柚木素材相比，總色差值Δ*先減少后增大，在185℃-4 h處理條件下，總色差值Δ*最小（5.52），可以實現與柚木素材比較接近的顏色效果。

熱改性；橡膠木；工藝參數；顏色變化

木材顏色是木材表面視覺物理量的重要特征，直接影響木材產品的增值利用[1-2]。熱改性處理會改變木材的表面顏色，獲得類似熱帶闊葉材（如柚木）的顏色，使木材表面顏色變為深褐色，提升消費者的視覺感受，用于生產高檔實木地板和室內外裝修材料，提高木材產品的附加值。已有研究指出，熱改性處理過程中木材木質素的降解以及醛類和酚類物質的形成是導致顏色發生改變的主要原因[3-4]。但是，少有研究集中在熱改性木材的顏色調控方面，特別是熱改性處理工藝對生產類似柚木等特定木材顏色的調控研究。因此，本研究以柚木表面顏色為目標對象，通過改變熱處理溫度、時間等工藝參數，對熱改性處理橡膠木的色度學參數變化進行分析，以期為熱改性處理橡膠木工藝控制及顏色調控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試材 人工林橡膠樹木材（10年生），取自海南省儋州市中國熱帶農業科學院試驗場，試材從剛鋸解的新鮮板材（厚度25 mm）截取，60℃下烘干至含水率12%以下，雙面刨光后，制成名義尺寸為150 mm×50 mm×10 mm（××）（絕干密度545 kg/m3）的試件，備用。

1.1.2 儀器與設備 實驗型木材熱改性處理箱（0.3 m3），電熱鼓風干燥箱，木工刨床，愛色麗Ci60便攜式分光測色儀。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 參考以往文獻[5-6]以及實際生產情況，設定熱處理溫度為165、185、205℃，熱處理時間為2、4 h。具體試驗設計見表1。

表1 實驗安排表

式中，*為明度，*紅綠指數，*為黃藍指數。

1.2.3 紅外光譜分析 采用傅立葉紅外光譜儀（Thermo Niclet iS50）對熱改性處理橡膠木進行紅外吸收光譜分析，分析橡膠木在處理前后化學官能團的變化。

2 結果與分析

2.1 工藝參數對總色差（ΔE*）的影響

不同熱改性處理條件下，橡膠木的色度學參數（*、*、*、Δ*）測試結果見表2。

熱處理溫度和時間對橡膠木總色差的影響見圖1。從圖1可以看出，以柚木為參考，熱改性橡膠木總色差隨處理溫度和時間的增加先減少后增大。方差分析表明，處理溫度（<0.01）和時間（<0.1）對總色差有顯著影響（表3）。為達到與柚木相仿的顏色，在處理溫度為185℃時，總色差值最小。在185℃-2 h、185℃-4 h處理條件下，總色差值分別為6.43和5.52。

2.2 工藝參數對明度（L*）的影響

明度作為木材的一個基本顏色參數，在木材的許多應用中通常被認為是最重要的參數之一。橡膠木的明度值隨處理溫度和處理時間的變化情況見圖2，熱改性處理后的橡膠木表面的明度值*相對處理前明顯減少，相比柚木基準色，在熱處理溫度185℃時，橡膠木與柚木的明度值*最為接近。在185℃-2 h、185℃-4 h處理條件下，明度指數值分別為54.42和46.59。方差分析表明，處理溫度和時間對明度影響極顯著（<0.01）（表3）。

表2 熱處理橡膠木色度學參數測試結果

注：括號內數值為標準差。

圖1 工藝參數對總色差ΔE*的影響

圖2 工藝參數對明度L*的影響

表3 方差分析結果

注：***表示<0.01水平下顯著；**表示<0.05水平下顯著；*表示<0.1水平下顯著。

2.3 工藝參數對紅綠指數（a*）、黃藍指數（b*）的影響

各工藝參數對熱改性處理橡膠木的紅綠指數和黃藍指數的影響見圖3。從圖3可知，以柚木為參考色，熱改性處理后的橡膠木紅綠指數差隨處理溫度的升高先增大后降低，黃藍指數差隨溫度的升高而不斷降低。在實驗范圍內，相比柚木基準色，熱改性處理橡膠木的紅綠指數值均增大，相比基準色要偏向紅色；在處理溫度為205℃-4 h時，熱改性處理橡膠木的紅綠指數值（*）與柚木最為接近，紅綠指數值為8.04。在處理溫度185℃-4 h時，熱改性處理橡膠木的黃藍指數值（*）與柚木最為接近，黃藍指數值為20.04。

2.4 不同熱處理條件下橡膠木的紅外光譜分析

在高溫熱改性處理條件下，橡膠木的化學成分會發生一定的變化，從而導致木材表面顏色的變化。橡膠木在不同熱改性處理條件下的紅外光譜圖（4 000～400 cm–1）見圖4。從圖4可以看出，熱改性處理橡膠木在4 000～400 cm–1范圍內吸收峰的位移變化不大，但吸收峰強度有著明顯的變化。

圖3 工藝參數對紅綠指數a*、黃藍指數b*的影響

在3 415 cm–1處有明顯的吸收峰，這歸屬于纖維素的羥基（-OH）吸收峰，隨著熱處理溫度的升高，其吸收峰強度明顯減弱。2 930 cm–1吸收峰歸屬于甲基或亞甲基（C-H）的伸縮振動。木材中各化學組分功能基團的紅外吸收峰主要分布在2 000～800 cm–1指紋區內，熱改性處理后木材功能基團的變化也主要集中在指紋區。因此，主要針對指紋區的紅外光譜進行分析。

在1 738 cm–1處有明顯的吸收峰，這主要是歸屬于半纖維素的木聚糖乙酰基（-CH3C=O）上的非共軛羰基（C=O）伸縮振動峰。隨著處理溫度的升高，橡膠木半纖維素發生脫乙酰化反應，其吸收峰強度逐漸減弱。

圖4 不同熱處理條件下橡膠木的紅外光譜圖

1 646 cm–1附近的吸收峰歸屬于木質素共軛羰基（C=O）的伸縮振動和吸附水，熱處理后此處的吸收峰強度明顯降低或者明顯向低波數偏移。在185℃-4 h和205℃-4 h條件下，此吸收峰消失，說明熱處理明顯減少了木材羰基（C=O）的含量，從而降低了木材的吸濕性。

1 600 cm–1附近的吸收峰歸屬于木質素中的苯環碳骨架振動，1 507 cm–1附近的吸收峰歸屬于木質素芳香族（C=C）骨架振動。隨著熱處理溫度的升高，這2個吸收峰分別從1 599.78、1 507.04 cm–1逐漸遷移至1 605.24、1 510.59 cm–1，這可能是木質素脂肪族側鏈斷裂、木質素結構中-O-4斷裂和紫丁香基團上的甲氧基大量脫落造成的。

3 討論與結論

本研究結果表明，熱處理溫度和時間對熱改性橡膠木的色度學參數有顯著影響，熱處理溫度的影響比熱處理時間影響更大，這與熱改性處理落葉松和桉木的研究結論相似[7-8]。經熱改性處理后，橡膠木的明度降低，顏色加深，這與文獻報道[9-11]的其它木材的研究結果一致。在熱處理溫度185℃、處理時間4 h條件下，橡膠木總色差值可以達到5.52，可以實現與柚木素材比較接近的顏色效果。

木材經熱改性處理后，其顏色的變化主要跟明度指數有關。橡膠木的明度*值降低說明在熱處理過程中木材產生了更多吸收可見光的成分[9]。熱改性處理木材的顏色發生改變，主要與木材的化學成分變化有關。傅里葉紅外光譜（FTIR）分析結果表明，熱處理橡膠木在4 000～400 cm–1范圍內吸收峰的位移變化不大，但吸收峰強度有著明顯的變化。木材在高溫熱處理過程中，首先是半纖維素的乙酰化反應，接著是乙酰化過程中釋放出來的有機酸（如乙酸）加劇了半纖維素的降解[10]；其次是纖維素和木質素降解。熱改性處理過程中，木材的纖維素發生脫水反應，引起親水性羥基的減少。現有研究表明，熱處理后含氧功能團（如羧基、乙酰基等）損失，碳含量增加，促使木材表面的顏色加深[12]。單、雙鍵數量的增加導致生成了更多的π電子共軛體系，使木材對于可見光的吸收大幅提升；因此，明度值降低，顏色更深，色差加大。另外，熱改性處理后木材成分的溶解、氧化及抽提物的分解，以及熱處理導致的質量損失[13]，也是其顏色變化的主要因素[14]。橡膠木在熱改性處理過程中發生了復雜的化學變化，僅通過傅立葉紅外光譜分析尚不能解析其變色機理，需要結合X射線光電子能譜（XPS）、紫外光譜（UV-Vis）、拉曼光譜（Raman）、氣-質聯用（GC-MS）等其它分析手段，對處理材料進行化學成分和結構分析，進而解析其變色機理。

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Color Change of Thermal Modified Rubber Wood under Different Process Conditions

JIANG Huichuan1YUE Daran2LU Quanji1LI Jianing1

(1. Rubber Research Institute, CATAS/Key Laboratory of Rubber Biology and Genetic Resource Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Haikou, Hainan 571101, China;2. College of Forestry, Hainan University/Engineering Research Center of Rare and Precious Tree Species in Hainan Province, Haikou, Hainan 570228, China)

The effect of thermal modification process parameters (temperature and duration) on the color change of rubber wood was evaluated by ThermoWood principle.The surface color of the rubber wood was determined using CIE***system before and after the thermal modification. The results indicated that the heat treatment temperature and time had significant effect on the colorimetric properties of the thermal modified rubber wood,the effect of heat treatment temperature was more significant.With the increasing of heat treatment temperature and duration, the lightness value (*) of treated rubber wood decreased continuously from 80.94 to 37.45, and the total color difference value (Δ*, compared to control rubber wood) increased continuously from 17.96 to 44.35. Compared with the control teak wood, the total color difference value (Δ*) increased firstly and then decreased with the increasing of heat treatment temperature and duration. The surface color of thermal treated rubber wood was closed to the teak at the process condition of heat treatment temperature 185℃ and heat treatment time 4 h.

thermal modification; rubber wood; process parameters; color change

S781.7

A

10.12008/j.issn.1009-2196.2022.10.018

2022-05-05；

2022-05-20

海南省科技項目(No.ZDYF2020100)；海南省熱帶珍稀名貴樹種工程研究中心開放基金項目（No.2019-1202）；海南省自然科學基金（No.322MS139）；中國熱帶農業科學院基本科研業務費專項資金項目(No.1630022018020)。

蔣匯川（1983—），男，博士，助理研究員，研究方向為木材構造與性質及功能性改良，E-mail：jianghc@126.com。

（責任編輯 林海妹）