預(yù)處理提高木材染色滲透性的研究

桑雨蒙，張瑞萍

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇南通 226019)

0 前言

木材染色是改善木材視覺特性的一種重要方法，通過染色可以改良低質(zhì)材色及仿制名貴木材[1]，使木材紋理更加美觀，是提高木材產(chǎn)品附加值、滿足人們對(duì)木材色彩需求的重要途徑[2]。 目前用于木材染色的染料有酸性染料、活性染料、直接染料和金屬絡(luò)合染料[3]，由于木材紋孔膜內(nèi)孔隙的半徑太小以及存在大量抽提物，導(dǎo)致木材染色滲透性差[4－5]。 目前主要是通過對(duì)木材進(jìn)行化學(xué)和物理方法處理，來減少木材的抽提物含量，提高染料分子在木材中的滲透性[6－7]，從而改善木材的染色效果。

本文以楊木為研究對(duì)象，采用耐曬牢度好、滲透性差的直接絡(luò)合染料進(jìn)行染色，以木材橫縱截面的顯微鏡照片評(píng)價(jià)滲透性，采用單一因素法研究了預(yù)處理劑濃度、時(shí)間、溫度等對(duì)楊木直接染料染色效果的影響，優(yōu)化確定預(yù)處理工藝，為提高楊木的染色效果提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

材料:楊木，尺寸為長寬厚為60 mm×45 mm×1 mm(江蘇彩旭木業(yè))。

藥品:直接絡(luò)合染料BRR(工業(yè)級(jí)，虹光化學(xué)工業(yè)股份有限公司)、滲透劑JFC(工業(yè)級(jí)，南通金仕達(dá)高精實(shí)業(yè)股份有限公司)、燒堿、30%過氧化氫、硅酸鈉、純堿、元明粉(分析純，南通默克化學(xué)試劑與儀器有限公司)。

儀器:HH－S 恒溫水浴鍋(浙江省余姚市檢測儀器廠)，EL 303 電子天平(梅特勒－托利多儀器上海有限公司)，ECOdyerXC－F1高溫高壓染色機(jī)(廈門瑞比精密機(jī)械有限公司)，Datacolor 650 測色配色儀[德塔顏色商貿(mào)(上海)有限公司]，101AB－1 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(江蘇省海門市恒瑞通用儀器廠)，WSB－3A 智能式數(shù)字白度儀(上海精密儀器儀表有限公司)，DVM 5000 HD 光學(xué)顯微鏡(德國徠卡儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 NaOH 處理方法

將木材試樣放入濃度為100 g/L~250 g/L 的NaOH 溶液中，在30 ℃~90 ℃處理30 min~90 min，然后沸水洗滌三次至中性，放入恒溫烘箱60 ℃烘干。

1.2.2 H2O2處理方法

將木材試樣放入濃度為2 g/L~8 g/L 的硅酸鈉穩(wěn)定劑和濃度為30 g/L~90 g/L 的30%過氧化氫的燒杯中，加入10 g/L 滲透劑JFC，并用10%碳酸鈉調(diào)節(jié)溶液pH 值為10－11，在60 ℃~90 ℃處理0.5 h~3 h，然后沸水洗滌三次至中性，放入恒溫烘箱60 ℃烘干。

1.2.3 直接染料染色方法

直接染料濃度1 %(o.w.f)，元明粉30 g/L，在浴比1 ∶100 下染色，染色溫度為80 ℃，染色時(shí)間120 min，染色后水洗烘干。

1.3 測試方法

1.3.1 白度測試

采用WSB－3A 智能式數(shù)字白度儀測定織物白度值，每塊木材測四次，取平均值。

1.3.2 染色木材顏色特征值測定

用Datacolor 650 測色配色儀，在D65 10°光源下測試織物的表面深度K/S，每塊木材測四次，取平均值。

1.3.3 滲透性測試

將染色后木材從中間截?cái)?，分別將橫向截面和縱向截面放入顯微鏡下觀察染料對(duì)木材內(nèi)部的滲透性。

2 結(jié)果與討論

2.1 NaOH 處理提高木材染色滲透性的單因素分析

2.1.1 NaOH 處理濃度對(duì)木材染色滲透性的影響

固定處理溫度30 ℃、時(shí)間30 min、浴比50 ∶1，改變NaOH 預(yù)處理濃度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S值，如下圖2、圖3。

由圖2 可知，經(jīng)NaOH 預(yù)處理后，直接染料對(duì)木材的橫向和縱向滲透性提高，且隨著處理濃度的增加，染色滲透性改善效果呈遞增趨勢(shì)，在濃度為200 g/L 時(shí)染料滲透性最好。 這是因?yàn)橐环矫?，NaOH 與木材中的水溶性抽提物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易溶于水的化合物，從而增大其溶解度；另一方面，NaOH 與木材中不溶性抽提物，如油脂、蠟狀物質(zhì)也可以發(fā)生皂化反應(yīng)，而生成溶于水的化合物；此外，NaOH 與含氮化合物中蛋白質(zhì)分子的酰胺鍵發(fā)生水解反應(yīng)形成簡單的氨基酸；NaOH 還會(huì)將果膠物質(zhì)與纖維素分子之間的酯鍵水解成羧基，并轉(zhuǎn)變成為鈉鹽，同時(shí)也可能發(fā)生分子鏈的斷裂，從而提高了它在水中的溶解度[8]。 所以，隨著NaOH 濃度的提高，能夠充分溶解木材內(nèi)部抽提物，進(jìn)一步打通木材內(nèi)部孔道，從而提高木材染色滲透性。

由圖3 可知，木材的直接染料染色色深值隨預(yù)處理中NaOH 濃度增加而增加，這是因?yàn)镹aOH 預(yù)處理能夠使得木材內(nèi)部孔隙變大，無定形區(qū)增加[9]，從而染料能夠更容易吸附在木材表面及內(nèi)部；NaOH 處理木材的白度基本不變。 因此，綜合考慮滲透性和色深值，選用處理濃度200 g/L。

2.1.2 NaOH 處理時(shí)間對(duì)木材染色滲透性的影響

固定處理溫度30 ℃、濃度200 g/L、浴比50 ∶1，改變NaOH 的處理時(shí)間，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖4、圖5。

由圖4 可知，當(dāng)NaOH 處理30 min 時(shí)，木材的橫向和縱向滲透性最好。 這是因?yàn)槟静某樘嵛餄鈮A在30 min 時(shí)能夠反應(yīng)完全，生成溶于水的化合物。

由圖5 可知，與未處理相比，隨著堿處理時(shí)間的增加，白度基本不變，木材染色色深值增加。

2.1.3 NaOH 處理溫度對(duì)木材染色滲透性的影響

固定處理時(shí)間30 min、濃度200 g/L、浴比50 ∶1，改變NaOH 的處理溫度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖6、圖7。

由圖6 可知，隨著溫度的升高，直接染料對(duì)木材的橫向和縱向滲透性提高，在70 ℃時(shí)滲透效果最好，這是因?yàn)闇囟鹊纳?，NaOH 與木材中水溶性抽提物的化學(xué)反應(yīng)速度加快，生成物的溶解度也隨溫度升高而增大；而抽提物中不溶于水的油脂、蠟狀物質(zhì)只有在溫度高的NaOH 溶液中才能發(fā)生皂化而溶解，溫度升高，皂化速度加快；果膠物質(zhì)與纖維素分子間形成的酯鍵，也只有在較高的溫度NaOH 處理中才能徹底水解去除[10]，當(dāng)溫度升至70 ℃后，繼續(xù)升溫，滲透性效果改善不大。

由圖7 可知，隨著溫度的增加，木材白度稍下降，木材染色的色深值增加。

綜上，堿預(yù)處理使木材的白度稍下降，色深值增加，木材染色的滲透性提高，優(yōu)化的木材NaOH預(yù)處理工藝參數(shù)為:NaOH 的質(zhì)量濃度200 g/L 、處理時(shí)間30 min、浴比50 ∶1、處理溫度70 ℃。

2.2 H2O2處理提高木材染色滲透性的單因素分析

2.2.1 穩(wěn)定劑(硅酸鈉)濃度對(duì)木材染色滲透性的影響

固定H2O2的質(zhì)量濃度50 g/L 、滲透劑10 g/L、pH 值10－11、處理溫度90 ℃、處理時(shí)間1 h、浴比50 ∶1，改變穩(wěn)定劑的預(yù)處理濃度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖8、圖9。

由圖8 可知，H2O2預(yù)處理中，硅酸鈉在H2O2漂白中起穩(wěn)定劑的作用，減少H2O2的無效分解。 在穩(wěn)定劑濃度4 g/L 時(shí)，直接染料對(duì)木材的橫向和縱向滲透性均較好。 H2O2對(duì)還原性抽提物具有氧化分解能力和木質(zhì)素的降解能力；而且H2O2漂白時(shí)加入的硅酸鈉和碳酸鈉維持漂液為堿性，木材的部分抽提物可與這些堿劑發(fā)生反應(yīng)，生成溶于水的化合物，提高了抽提物的溶解度。 但當(dāng)硅酸鈉加入量過多時(shí)會(huì)使硅酸鹽沉積在木材纖維的表面上，從而影響滲透的效果[11]。

由圖9 可知，隨穩(wěn)定劑濃度增加，H2O2預(yù)處理木材的白度和染色色深值均較未處理增加，綜合滲透性考慮，選用穩(wěn)定劑濃度4 g/L。

2.2.2 H2O2濃度對(duì)木材染色滲透性的影響

固定滲透劑10 g/L、pH 10－11、溫度90 ℃、時(shí)間1 h、浴比50 ∶1，根據(jù)2.3.1 漂白與穩(wěn)定劑濃度比例(H2O2的質(zhì)量濃度50 g/L 時(shí)，穩(wěn)定劑濃度為4 g/L)，改變H2O2的預(yù)處理濃度的同時(shí)改變穩(wěn)定劑濃度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖10、圖11。

圖1 直接染料染色工藝流程

圖2 不同濃度NaOH 預(yù)處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖3 NaOH 濃度對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

圖4 不同時(shí)間NaOH 預(yù)處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖5 NaOH 處理時(shí)間對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

圖6 不同溫度NaOH 預(yù)處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖7 NaOH 處理溫度對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

圖8 不同穩(wěn)定劑濃度H2O2處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖9 穩(wěn)定劑濃度對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

圖10 不同濃度H2O2木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖11 H2O2濃度對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

由圖10 可知，隨著H2O2濃度的增加，直接染料對(duì)木材的橫向及縱向滲透性提高，在H2O2濃度90 g/L 時(shí)染料滲透性最好，這是因?yàn)镠2O2濃度升高，對(duì)還原性抽提物的氧化能力加強(qiáng)，所以木材滲透性得到了改善；

由圖11 可知，后，隨H2O2濃度增加，預(yù)處理木材的白度和染色色深值均增加，特別是白度較未處理增加明顯，這是因?yàn)镠2O2對(duì)木材中的天然色素的漂白作用。 因此，綜合考慮滲透性和色深值，選用H2O2濃度90 g/L。

2.2.3 H2O2處理時(shí)間對(duì)木材染色滲透性的影響

固定H2O2的質(zhì)量濃度90 g/L 、穩(wěn)定劑的質(zhì)量濃度7.2 g/L、處理溫度90 ℃、浴比50 ∶1，改變處理時(shí)間，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖12、圖13。

圖12 不同時(shí)間H2O2處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖13 H2O2處理時(shí)間對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

由圖12 可知，直接染料對(duì)木材染色滲透性隨漂白時(shí)間延長而提高，處理2 h 時(shí)染料對(duì)橫縱向的滲透性最好，這是因?yàn)镠2O2和堿劑對(duì)抽提物的降解需要一定時(shí)間，才能溶解抽提物和降解木質(zhì)素，減小流體傳輸阻力，逐漸打通流體傳質(zhì)通道[12]。

由圖13 可知，隨著H2O2處理時(shí)間的增加，木材的白度和染色色深值均提高，這是因?yàn)樘幚頃r(shí)間增加，漂白更充分。 綜合考慮，選用H2O2處理時(shí)間2 h。

2.2.4 H2O2處理溫度對(duì)木材染色滲透性的影響

固定H2O2的質(zhì)量濃度90 g/L 、穩(wěn)定劑的質(zhì)量濃度7.2 g/L、處理時(shí)間2 h、浴比50 ∶1，改變處理溫度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖14、圖15。

圖14 不同溫度H2O2木材染色后的處理橫向及縱向的顯微鏡圖

圖15 H2O2處理溫度對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

由圖14 可知，隨著H2O2處理溫度的增加，直接染料對(duì)木材橫向和縱向滲透性增加，在漂白溫度90 ℃時(shí)染料滲透性最好。 這是因?yàn)闇囟仍礁撸杷徕c和純堿水解能力越大，產(chǎn)生更多的OH－離子[12]，另外，OH－離子與木材抽提物的反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，反應(yīng)更徹底，有利于提高木材的染色滲透性能。

由圖15 可知，隨著H2O2處理溫度的增加，木材的白度和染色色深值均增加，因此，綜合滲透和色深，選擇處理溫度90 ℃。

綜上，H2O2預(yù)處理能明顯提高木材白度和色深值，但色深值的提高沒有堿預(yù)處理明顯，染色滲透性的改善也不如堿預(yù)處理，對(duì)木材優(yōu)化的H2O2漂白預(yù)處理工藝參數(shù)為:H2O2的質(zhì)量濃度90 g/L 、穩(wěn)定劑的質(zhì)量濃度7.2 g/L、處理溫度90 ℃、浴比50 ∶1、處理時(shí)間2 h。

對(duì)比NaOH 和H2O2對(duì)木材的預(yù)處理效果，NaOH、H2O2在改善木材滲透性的同時(shí)，NaOH 對(duì)木材色深值改善更明顯，H2O2對(duì)木材顏色的艷度改善更明顯；綜合二者的優(yōu)勢(shì)，選擇H2O2與NaOH 對(duì)木材進(jìn)行復(fù)合處理。

2.3 NaOH－ H2O2復(fù)合處理對(duì)木材染色滲透性的分析

采用1.3.1 染色工藝與配方，將兩種預(yù)處理優(yōu)化工藝復(fù)合，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評(píng)價(jià)透染程度，并測試木材預(yù)處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖16、圖17。

圖16 不同預(yù)處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖17 不同預(yù)處理對(duì)木材白度和染色K/S 值的影響

由圖16、17 可知，復(fù)合預(yù)處理對(duì)木材的橫向及縱向滲透性比單一預(yù)處理效果更好。 這是因?yàn)樵趶?fù)合預(yù)處理中，充分發(fā)揮了H2O2和NaOH 對(duì)木材孔隙中抽提物的氧化分解和溶解能力，打通木材內(nèi)部紋孔結(jié)構(gòu)，提高木材滲透性。 而NaOH－ H2O2復(fù)合處理后滲透性效果最好，這是因?yàn)镠2O2－ NaOH復(fù)合處理，即染色前進(jìn)行高濃度堿處理，堿處理后如果木材內(nèi)部去堿不凈會(huì)影響后續(xù)直接染料的染色PH 環(huán)境，從而影響染色效果。

3 結(jié)論

(1)NaOH 預(yù)處理木材的優(yōu)化工藝參數(shù)為:NaOH 的質(zhì)量濃度200 g/L 、處理時(shí)間30 min、浴比50 ∶1、處理溫度70 ℃；NaOH 預(yù)處理提高木材染色滲透性的同時(shí)，使染色木材的色深值明顯提高。

(2)H2O2預(yù)處理木材的優(yōu)化工藝參數(shù)為:H2O2的質(zhì)量濃度90 g/L 、穩(wěn)定劑的質(zhì)量濃度7.2 g/L、處理溫度90 ℃、浴比50 ∶1、處理時(shí)間2 h； H2O2預(yù)處理提高木材染色滲透性的同時(shí)，使染色木材的鮮艷度獲得提高，但色深值的提高不如堿預(yù)處理明顯。

(3)NaOH － H2O2復(fù)合預(yù)處理能夠在提高木材染色滲透性的同時(shí)，增加木材染色色深值及鮮艷度。