孔繁旭 邵海龍 王艷偉 葉家豪 金文杰 余慧來(lái) 何雪洪

摘要[目的]研究實(shí)木地暖地板用木材經(jīng)不同工藝熱處理后的顏色變化規(guī)律，改善熱處理后基材顏色較深問(wèn)題。[方法]以3種樹(shù)種櫟木（Quercus mongolica Fisch.ex Turcz.）、樺木（Betula alnoides Buch.-Ham.ex D.Don）和柚木（Tectona grandis Linn.f.）為研究對(duì)象，采用常壓濕空氣為傳熱介質(zhì)，以溫度120～200 ℃、時(shí)間2～6 h的處理?xiàng)l件對(duì)其進(jìn)行熱處理，通過(guò)色飽和度差（ΔC*）、色相差（ΔH*）、總體色差（ΔE*）等指標(biāo)對(duì)熱處理后木材顏色變化進(jìn)行表征。[結(jié)果]木材材性對(duì)ΔC*影響較大，不同木材的ΔC*變化規(guī)律有較大差異。隨著熱處理溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，櫟木、柚木ΔC*減小，顏色趨于暗淡;樺木在140～180 ℃的溫度范圍內(nèi)ΔC*增大，顏色較熱處理前更鮮明。3種木材的ΔH*和ΔE*均呈增加趨勢(shì)，但ΔE*變化規(guī)律較ΔH*更明顯，可通過(guò)工藝參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確調(diào)控。[結(jié)論]櫟木色相變化的臨界溫度為180 ℃，樺木、柚木的臨界溫度為160 ℃。

關(guān)鍵詞熱處理;木材顏色;色相差;實(shí)木地暖地板

中圖分類(lèi)號(hào)S?781.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）18-0191-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.052

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Color Changes of Three Wood Pieces of Solid Wood Floor for Heating System after Heat Treatment

KONG Fan-xu，SHAO Hai-long，WANG Yan-wei et al

（Treessun Flooring Co. Ltd.，Huzhou，Zhejiang 313009）

Abstract[Objective]To study the color change laws of solid wood floor materials for heating system after different heat treatments， and improve the problem of darker color of the wood substrate after heat treatment.[Method]Taking three tree species of Quercus mongolica Fisch. ex Turcz.， Betula alnoides Buch.-Ham. ex D. Don and Tectona grandis Linn. f. as the research object， the atmospheric-pressure humid air was used as the heat transfer medium， and the heat treatment was carried out under the conditions of 120-200 ℃ for 2-6 h. The color saturation difference （ΔC*）， hue difference （ΔH*）， and overall color difference （ΔE*） were used to characterize the color changes of wood materials after heat treatment. [Result]Wood materiality had a great influence on ΔC*， and the variation law of different wood materials was quite different： as the heat treatment temperature increased and the time prolonged， ΔC* of Q. mongolica and T. grandis decreased， and their color tended to be dim， while ΔC* of B. alnoides increased at 140-180 ℃， its color got more vivid than that before the heat treatment. ΔH* and ΔE* of three species of wood materials all showed an increasing trend， but the variation of ΔE* was more obvious than that of ΔH*， which could be accurately regulated by process parameters. [Conclusion]The critical temperature for the hue change of Q. mongolica was 180 ℃， and the critical temperature of T. grandis and B. alnoides was 160 ℃.

Key wordsHeat treatment;Wood color;Hue difference;Solid wood floor for heating system

近年來(lái)，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的環(huán)保、舒適條件的要求越來(lái)越高，實(shí)木地暖地板的需求量不斷提升，市場(chǎng)份額逐漸增加[1-2]。然而，地采暖環(huán)境下溫濕度變化較大，木材干縮濕脹特性加劇，在實(shí)木地板使用過(guò)程中常會(huì)發(fā)生變形、翹曲和開(kāi)裂等[3]。熱處理可以有效改善該問(wèn)題，木材經(jīng)熱處理后組分中游離羥基數(shù)目減少，尺寸穩(wěn)定性明顯提高[4-5]。但是，經(jīng)不同條件熱處理后木材的顏色差異較大[6-7]。熱處理溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，熱處理木材顏色較深，對(duì)地板涂裝后觀感等有一定的影響，需要合理控制熱處理工藝，使得其顏色滿足市場(chǎng)需求，否則可能會(huì)對(duì)地板生產(chǎn)企業(yè)造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失。

筆者以我國(guó)南北方3種常見(jiàn)的實(shí)木地暖地板用珍貴樹(shù)種（櫟木、樺木和柚木）為研究對(duì)象，采用常壓濕空氣為介質(zhì)，分別對(duì)3種木材實(shí)施不同溫度、時(shí)間條件的熱處理工藝，探究3種木材經(jīng)不同條件熱處理后顏色的變化規(guī)律，以改善熱處理后基材顏色較深等問(wèn)題，旨在為3種木材熱處理后的顏色控制提供借鑒。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

櫟木（Quercus mongolica Fisch.ex Turcz.），產(chǎn)自遼寧;樺木（Betula alnoides Buch.-Ham.ex D.Don），產(chǎn)自廣西;柚木（Tectona grandis Linn.f.），產(chǎn)自廣西。3種木材規(guī)格（長(zhǎng)×寬×厚）均為930 mm×133 mm×20 mm，含水率8%～10%，無(wú)開(kāi)裂、翹曲、蟲(chóng)眼、變色等可見(jiàn)缺陷。

1.2儀器與設(shè)備

TECH-HM型木材熱處理設(shè)備，由杭州太克干燥設(shè)備有限公司制造;CR-400型色彩色差儀，由日本柯尼卡美能達(dá)有限公司生產(chǎn)。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1

熱處理工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)采用全因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取熱處理溫度和時(shí)間作為熱處理工藝控制參數(shù)。其中，熱處理溫度分別為120、140、160、180、200 ℃，熱處理時(shí)間分別為2、4、6 h，共計(jì)15組熱處理工藝。

1.3.2熱處理工藝試驗(yàn)。15組試驗(yàn)在不同熱處理?xiàng)l件下的工藝控制過(guò)程如圖1所示，每組試驗(yàn)共處理100塊試材，熱處理完成后在固定位置共選取10塊試材進(jìn)行顏色測(cè)量。每組熱處理試驗(yàn)實(shí)施的具體流程如下：①熱處理設(shè)備內(nèi)部溫度以約6.5 ℃/h的升溫速率緩慢升至80 ℃（經(jīng)測(cè)量，該試驗(yàn)條件下以平均室溫為30 ℃左右為熱處理設(shè)備的初始溫度狀態(tài)）;②保溫2.5 h對(duì)鋸材充分預(yù)熱;③以約6 ℃/h的升溫速率升溫，直至達(dá)到不同熱處理工藝條件下的設(shè)定溫度（120、140、160、180、200 ℃）;④保溫不同熱處理工藝條件下設(shè)定的熱處理時(shí)長(zhǎng)（2、4、6 h）;⑤以約6 ℃/h的降溫速率將溫度降至室溫。

1.3.3顏色測(cè)量及計(jì)算。使用CR-400型電腦色彩色差儀，通過(guò)國(guó)際照明委員會(huì)推薦L*、a*和b*（1976年）標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)對(duì)顏色進(jìn)行表征[8]。該模型在三維顏色空間的各個(gè)坐標(biāo)軸上都具有視覺(jué)和顏色心理感知的等距性，并細(xì)分了明度指數(shù)和色品指數(shù)的級(jí)差，具有較高的色差分辨力，更適合較小色差情況下的顏色測(cè)量和比較。因此，該色度學(xué)系統(tǒng)在木材、地板、紡織物等顏色較為單一的材質(zhì)的顏色分析上得到了廣泛應(yīng)用[9]。其中，L*表征明度，a*和b*分別用來(lái)表示紅綠軸和黃藍(lán)軸的色品指數(shù)。

為降低在熱處理后樹(shù)脂和其他抽提物從木材表面溢出對(duì)顏色等測(cè)量造成的影響，在測(cè)量前對(duì)熱處理木材進(jìn)行了刨光處理。每組熱處理試驗(yàn)在固定位置選取10塊試材，其顏色測(cè)量方法如下：隨機(jī)固定取6個(gè)測(cè)色點(diǎn)，在熱處理前后分別測(cè)定該點(diǎn)的L*、a*和b*值，每個(gè)處理?xiàng)l件的顏色值均為此處理?xiàng)l件下選取的10塊試材顏色值的平均值。利用L*、a*和b*的測(cè)量值，根據(jù)表色系統(tǒng)公式，分別求得明度差（ΔL*）、色品指數(shù)差（Δa*、 Δb*）、色飽和度差（ΔC*）、色相差（ΔH*）和總體色差（ΔE*），并將后三者作為對(duì)熱處理木材顏色變化分析和討論的主要指標(biāo)[10]。其中，ΔC*，正值表示

熱處理之后的顏色比之前鮮明，負(fù)值表示暗深;ΔH*數(shù)值越大

表示熱處理后的顏色較之前色相變化越大;ΔE*數(shù)值越大表示熱處理后的顏色與之前差別越大。ΔC*、ΔH*、ΔE*的計(jì)算公式如下：

ΔC*=[（a*）2+（b*）2]1/2-[（a0*）2+（b0*）2]1/2（1）

式中，a*為木材熱處理后的紅綠軸色品指數(shù);b*為木材熱處理后的黃藍(lán)軸色品指數(shù);a0*為木材熱處理前的紅綠軸色品指數(shù);b0*為木材熱處理前的黃藍(lán)軸色品?指數(shù)。

ΔE*=[（ΔL*）2+（Δa*）2+（Δb*）2]1/2（2）

式中，ΔL*為木材熱處理前后明度指數(shù)差;Δa*為木材熱處理前后紅綠色品指數(shù)差;Δb*為木材熱處理前后黃藍(lán)色品指?數(shù)差。

ΔH*=[（ΔE*）2+（ΔL*）2+（ΔC*）2]1/2（3）

式中，ΔE*為木材熱處理前后總體色差;ΔL*為木材熱處理前后明度指數(shù)差;ΔC*為木材熱處理前后色飽和度差。

2結(jié)果與分析

2.1熱處理后ΔC*的變化

3種木材在不同熱處理?xiàng)l件下ΔC*的變化如圖2所示，其變化規(guī)律有較大差異。①櫟木。當(dāng)溫度≤160 ℃、較短時(shí)間（2、4 h）的熱處理?xiàng)l件下，ΔC*沒(méi)有明顯變化;熱處理時(shí)間2 h、任意溫度熱處理后的ΔC*未見(jiàn)明顯變化，這表明短時(shí)高溫處理對(duì)櫟木表面顏色飽和度的影響較小。熱處理溫度180 ℃、時(shí)間6 h（T180-6），ΔC*值迅速降至-3.16，由此推測(cè)180 ℃是櫟木顏色飽和度變化的臨界溫度;當(dāng)溫度升至200 ℃時(shí)，ΔC*值進(jìn)一步降低，但其降低幅度減小。ΔC*?T200-6<ΔC*?T180-6，推測(cè)原因?yàn)闄的竟?jié)子、心邊材等材性差異致使木材表面顏色初始值存在一定差異，從而經(jīng)熱處理后ΔC*變化不具有明顯的規(guī)律性;②樺木。當(dāng)熱處理溫度升高時(shí)，其ΔC*呈增加趨勢(shì)，最大值為4.75（T200-2）;這與櫟木ΔC*變化規(guī)律相反，說(shuō)明熱處理過(guò)程中木材的材性對(duì)ΔC*的變化規(guī)律影響較大。然而，除T200-2外，T200-4（T200-6）ΔC*值較180 ℃條件有降低趨勢(shì)。當(dāng)溫度升高至一定值時(shí)，ΔC*值會(huì)減小。因而，根據(jù)樺木熱處理后ΔC*變化規(guī)律來(lái)控制其熱處理?xiàng)l件，可使其顏色變得鮮明。③柚木。ΔC*值皆為負(fù)值，且隨著溫度的升高，其值呈波動(dòng)式降低趨勢(shì)。

2.2熱處理對(duì)ΔH*的影響

從圖3可以看出，3種木材ΔH*的變化規(guī)律大致相同，即ΔH*值皆隨熱處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，這意味著熱處理后木材色相與未處理前的差異變大，顏色逐漸變深。木質(zhì)素的相對(duì)含量提高是木材顏色加深的主要原因，木材熱處理后木質(zhì)素含量增加可能是由于木材在高溫高濕條件下，熱穩(wěn)定性較差的半纖維素及纖維素發(fā)生降解或部分重組所致[11]。此外，熱處理后醌類(lèi)結(jié)構(gòu)及其他共軛結(jié)構(gòu)等共同作用，也會(huì)使木材顏色加深。具體表現(xiàn)如下：櫟木，當(dāng)熱處理溫度<180 ℃時(shí)，ΔH*值隨著處理溫度的升高而波動(dòng)增加，熱處理時(shí)間對(duì)ΔH*的影響并不明顯，3個(gè)時(shí)間因素水平上ΔH*值未有明顯變化;當(dāng)熱處理溫度≥180 ℃時(shí)，ΔH*值明顯增大，且ΔH*?6 h>ΔH*?4 h>ΔH*?2 h，溫度升至200 ℃時(shí)ΔH*值從大到小依次為ΔH*?6 h、ΔH*?4 h、ΔH*?2 h，因此確定櫟木色相變化的臨界溫度為180 ℃。樺木、柚木也有相同的變化趨勢(shì)，但色相變化的臨界溫度為160 ℃。

2.3熱處理對(duì)ΔE*的影響

從圖4可以看出，ΔE*隨著熱處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，熱處理材顏色逐步加深。以櫟木為例，2、4和6 h，ΔE*分別由0.93?（120 ℃）增大到18.29（200 ℃），從1.04（120 ℃）增大到?26.43（200 ℃），從2.16（120 ℃）增大到29.90（200 ℃）。與ΔH*相比，ΔE*變化表現(xiàn)出更強(qiáng)的規(guī)律性，3種木材的ΔE*值在不同處理時(shí)間隨處理溫度的變化經(jīng)擬合后的回歸方程如表1所示?；貧w分析表明，在該試驗(yàn)條件下除柚木6 h條件外，R2值均高于0.95，ΔE*與熱處理溫度具有極強(qiáng)的相關(guān)性，可通過(guò)工藝參數(shù)準(zhǔn)確調(diào)控。張倩等[12]對(duì)熱處理后的落葉松、紅橡和紅胡桃3種木材的熱處理溫度與ΔE*進(jìn)行回歸分析，同樣發(fā)現(xiàn)二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

3結(jié)論

熱處理可改變木材的色飽和度、色相及色差，但若要控制其顏色變化，必須根據(jù)不同木材的材性差異來(lái)探究其適宜的熱處理工藝。該研究結(jié)果表明，3種木材經(jīng)熱處理后ΔC*的變化規(guī)律有較大差異。與櫟木、柚木相比，樺木在160～?200 ℃的溫度范圍內(nèi)部分ΔC*值為正值，最大值為4.75，其顏色較熱處理前更鮮明;180 ℃是櫟木ΔC*變化的臨界點(diǎn)，樺木、柚木未有該臨界表現(xiàn)。對(duì)熱處理后木材總體色差（ΔE*）與色相差（ΔH*）而言，隨著熱處理溫度的升高和熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，3種木材這2個(gè)指標(biāo)均呈增加趨勢(shì)，但ΔE*與ΔH*相比變化規(guī)律更為明顯。在一定的熱處理時(shí)間下，可通過(guò)熱處理溫度對(duì)ΔE*進(jìn)行回歸分析，除柚木熱處理工藝設(shè)定

為6 h外，回歸方程R2值均高于0.95。另外，根據(jù)ΔH*的變化規(guī)律可知，櫟木色相變化的臨界溫度為180 ℃，而樺木、柚木的臨界溫度為160 ℃。

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