蘇 娜 費(fèi)本華 周 慧 唐 彤 王曉歡 方長華 張淑琴

(1 國際竹藤中心 北京 100102；2 齊魯工業(yè)大學(xué) 濟(jì)南 999077；3 中國林業(yè)科學(xué)研究院 北京 100091)

竹材是一種天然的建筑和家居裝飾材料，廣泛應(yīng)用于大眾的日常生活。圓竹作為裝飾材，其具有中空有節(jié)的美學(xué)形態(tài)，與各種天然材料相輔相成，形成了傳統(tǒng)的東方風(fēng)格。視覺特性是影響裝飾美學(xué)的重要因素，木竹材的視覺特性主要包括顏色、光澤和條紋，其通過影響用戶的心理和生理感受來影響裝飾空間的功能特性。例如，顏色所傳達(dá)的信息對空間功能的心理情緒或氛圍至關(guān)重要。對于竹材來說，新鮮的圓竹一般呈現(xiàn)綠色，而干燥后的竹材一般呈現(xiàn)黃色，前者營造了一種自然和平靜的狀態(tài)，后者營造了陽光、友好和柔和的環(huán)境。此外，光澤度也影響空間的冷暖感，高光澤度易產(chǎn)生僵硬和冰冷的印象。表面紋理和竹節(jié)在一定程度上呈現(xiàn)出自然韻律感。但竹材作為一種天然生物質(zhì)材料，其表面色澤具有不均勻性，且在使用的過程中易變色暗沉等。因此，當(dāng)竹材作為家居裝飾或建筑材時(shí)，表面一般會涂飾涂料或油漆等作為防護(hù)劑，其表面視覺特性也會隨工藝的變化而發(fā)生變化，本研究以常用的涂料添加劑天然松香作為圓竹表面防護(hù)劑，研究不同工藝對松香改性后圓竹材表面視覺特性的影響。

松香是一種取自于松樹活力木的天然樹脂，在常溫下是一種淡黃色透明固體，具有防水抗菌的作用，因此常被用于涂料或防水劑添加劑，能夠提高竹材的防水性能和表面色澤。近年來，松香及其衍生物已被用于改性納米復(fù)合材料、木材材料、人造板和包裝材料。Dahlen 等報(bào)道，僅3%的松香即可顯著提高木材的耐水性。Dong 等采用松香對速生楊木進(jìn)行真空壓力浸漬處理，結(jié)果表明，處理后木材密度從0.34 g/cm3提高到0.44 g/cm3，抗膨脹率達(dá)到36%。在我們之前的研究中，松香處理作為竹材疏水的方法，處理后竹材具有良好的疏水性，可提高竹材的尺寸穩(wěn)定性。此外，對竹材微觀形貌研究也表明，松香在圓形竹竿表面形成了一層透明膜。由于松香以淡黃色透明固體的形式存在，竹材松香處理可能會改變竹竿的視覺特征。然而，到目前為止還沒有對此進(jìn)行過研究。

視覺特征可以用物理量和心理量來描述。前者可以用顏色、光澤和紋理等物理參數(shù)來描述，而后者則由人類視覺誘發(fā)的心理評估組成。目前，顏色和光澤度的測量分別使用色度計(jì)和光澤度計(jì)來獲得定量數(shù)據(jù)。視覺定量心理參數(shù)可通過眼動跟蹤試驗(yàn)獲得。眼動技術(shù)常用于人機(jī)交互研究、心理探索、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、平面設(shè)計(jì)評價(jià)等領(lǐng)域，它基于人的視線的直觀性、自然性和雙向性特點(diǎn)。眼動跟蹤的基本工作原理是利用圖像處理技術(shù)，通過跟蹤相機(jī)聚焦眼球，連續(xù)記錄攝像機(jī)內(nèi)的紅外光線和瞳孔反射的變化。通過分析眼動特征的軌跡，如掃視、注視時(shí)間和瞳孔切換，明確視覺系統(tǒng)對不同物體的反應(yīng)行為。近年來，該技術(shù)逐漸應(yīng)用于家具和建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

本文研究了天然松香改性對竹竿表面視覺效果的影響，定量測定了松香改性前后竹竿表面的色澤和光澤；同時(shí)采用眼動跟蹤技術(shù)評價(jià)用戶對竹竿表面視覺特征的偏好。研究采用定量指標(biāo)與感性偏好分析相結(jié)合的方法對竹竿視覺效果進(jìn)行評價(jià)，以提高評價(jià)的科學(xué)性和系統(tǒng)性。此外，為了闡明顏色變化的機(jī)理，還對竹竿表面微觀形態(tài)和化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用紅竹(Phyllostachys iridencensC.Y.Yao and S.Y.Chen) 購于杭州所氏竹業(yè)有限公司(經(jīng)在130 ℃高溫蒸汽罐中1 h 干燥處理)。選用離地1.5～4.0 m 的節(jié)間材，選取表面無節(jié)、無疤痕且顏色均一的竹段。實(shí)驗(yàn)所用松香購于深圳吉田化工有限公司，為特級松香，產(chǎn)品編碼AT01(微黃色透明固體)。實(shí)驗(yàn)用乙醇為工業(yè)乙醇，購于北京冬陽化工有限公司。配置質(zhì)量比(松香∶乙醇) 為20%的松香-乙醇溶液，待用。

1.2 設(shè)備和儀器

可控溫加壓浸漬灌，內(nèi)置箱體為0.6 m×0.18 m×0.18 m (長×寬×高)，型號:J-130，山東諸城機(jī)械有限公司；光澤度儀，型號WGG 60，上海精密科學(xué)儀器有限公司；SP60 色差儀，型號CC-6834，德國畢克化學(xué)儀器事業(yè)部；場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)，型號XL30，荷蘭皇家飛利浦公司；傅里葉紅外光譜儀，型號Nexus 670，美國賽默飛世爾科技公司；眼動追蹤儀，型號Tobii X120，瑞士拓比技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.3 方法

1.3.1 松香浸漬處理

浸漬前將試件置于干燥箱中，在103 ℃條件下烘至絕干，然后將其放入浸漬灌中，抽真空(-0.06 MPa) 0.5 h，然后吸入20%的松香-乙醇溶液，加壓至1.0 MPa，升溫至設(shè)定溫度(25、40、50、60、70、80 ℃)，并保溫保壓1.5 h，取出試材在室溫下冷卻至表面松香薄膜固化。對照組和每個(gè)溫度處理組均為8 個(gè)重復(fù)樣。

圖1 松香浸漬圓竹流程Fig.1 Schematic illustration of rosin impregnation of round bamboo culms

1.3.2 表面顏色和光澤度測試

表面顏色測試參照CIEL*a*b色彩空間標(biāo)準(zhǔn)，使用SP60 色差儀測定對照組和不同溫度處理后的圓竹表面顏色，每個(gè)試件取6 個(gè)點(diǎn)。CIEL*a*b系統(tǒng)由3 個(gè)垂直的軸來描述顏色，其中L*軸表示亮度，a*軸表示紅—綠因子，b*軸表示黃—藍(lán)因子。整體顏色變化 (ΔE*) 由公式 (1)確定:

式(1) 中，Δa*、Δb*和ΔL*表示松香處理組和對照組之間的a*、b*和L*變化。

光澤度測試:根據(jù)ISO (2014) 進(jìn)行表面光澤度測試。用光澤儀對松香處理前后竹竿表面的6 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行光澤度測定。入射光線角度為60°，結(jié)果基于100 的鏡面光澤度值。

1.3.3 表面形貌觀察和化學(xué)物質(zhì)測試

采用場發(fā)射電子顯微鏡表征松香改性前后竹材表面微觀形貌，并觀察松香在竹材表面成膜情況，采用閾值分割法利用FIJI/Image J 軟件對電鏡圖像進(jìn)行處理。

采用傅里葉紅外光譜儀對不同溫度下松香、未處理竹材以及不同溫度下松香處理竹材的表面物質(zhì)進(jìn)行測試，并分析其官能團(tuán)變化。分別率為4 cm-1，掃描次數(shù)為64 次，掃面波段為4 000～500 cm-1。

1.3.4 眼動追蹤

實(shí)驗(yàn)對象:在校大學(xué)生，年齡為20～30 歲，身體健康，視力或矯正視力在1.0 以上，受試人數(shù)為50 人，其中男性25 人，女性25 人。

眼動測試:在確認(rèn)受試者完全理解實(shí)驗(yàn)要求后，正式開始實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)主要研究不同受試者對不同溫度下松香處理的圓竹材表面的視覺性能(光澤度、顏色和紋理) 評價(jià)，在每組試樣中隨機(jī)選取1 根圓竹作為被觀察樣，所有試樣隨機(jī)排列成一排，并放置在距離視線600 mm 處，每個(gè)受試者觀察時(shí)間為60 s。眼動指標(biāo)為每個(gè)試樣接收的總注視時(shí)間、注視次數(shù)和平均注視時(shí)間，同時(shí)繪制受試者視線熱區(qū)圖。

主觀評價(jià):每個(gè)受試者在眼動測試后立即對所有試樣進(jìn)行主觀評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)包括顏色舒適度、光澤度舒適度、紋理偏好和紋理密度舒適度。其中顏色舒適度和紋理密度舒適度分別為不適、一般和舒適；光澤度舒適度分為暗淡、適中和刺眼；紋理偏好為純色和紋理，并計(jì)算每個(gè)等級的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面顏色和光澤

圓竹表面色度值和光澤度值如表1 所示。在25 ℃下，L*、a*和b*值變化不大，說明室溫松香處理對竹竿顏色沒有明顯影響。L*值隨溫度的升高而降低，表明隨著處理溫度的升高，圓竹表面亮度降低。a*值隨溫度升高先減小后緩慢增大，b*值隨溫度升高逐漸減小，這些顯示了顏色從綠—黃區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變成紅—藍(lán)區(qū)域。馮等人在研究毛竹的濕熱處理時(shí)發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。最后，ΔE*的變化表明溫度的升高會增加色差。竹子中與顏色有關(guān)的化學(xué)成分主要來自木質(zhì)素和提取物，因?yàn)槟举|(zhì)素和提取物的結(jié)構(gòu)中含有大量的芳香化合物、顯色基團(tuán)和助色基團(tuán)。在本研究中，由于處理溫度不夠高，木質(zhì)素和提取物的結(jié)構(gòu)可能保持不變。顏色的變化可能與松香中羧基的加成反應(yīng)或松香本身的氧化變色有關(guān)。松香含有共軛雙鍵和羧基，在高溫下容易發(fā)生加成反應(yīng)，特別是氧化和變色。

表1 松香改性前后圓竹表面色度值和光澤度值Tab.1 Change in color and gloss of bamboo culm after rosin treatment with different temperature

此外，光澤度值表明，在室溫(25 ℃) 下松香處理的圓竹光澤度相比于對照組降低了3.2，40 和50 ℃下處理材的光澤度增加，尤其是50 ℃，光澤達(dá)到最高值19.6，高于對照組122.7%；當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，竹子表面出現(xiàn)棕色條紋，光澤度逐漸下降，80 ℃時(shí)光澤值僅為6.8?？梢?，對松香浸漬體系進(jìn)行適度的加熱(40 和50 ℃) 有助于圓竹表面光澤度的提高，但當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，光澤度逐漸減弱，與條紋密度變化趨勢一致(圖2)。

圖2 對照組和不同溫度下處理的圓竹Fig.2 Effect of rosin treatment with different temperature on the color and gloss of bamboo culm

2.2 表面微觀形貌

不同溫度下松香改性前后的圓竹表面微觀形貌如圖3 所示。由圖3a 可見，經(jīng)40 和50 ℃松香處理的圓竹表面光滑且有光澤，而60～80 ℃處理的圓竹表面出現(xiàn)明顯的棕色豎條紋。棕色條紋呈現(xiàn)向內(nèi)凹陷的狀態(tài)，說明條紋的形成是由于在松香浸漬處理過程中圓竹表面表皮層脫落形成，并且隨著溫度的升高，圓竹表皮層脫落量增加。圖3b 利用SEM 觀察了圓竹表面微觀形貌。其中，對照組表皮層有輕微撕裂現(xiàn)象，室溫下處理的圓竹表面有顆粒狀凸起，相反在40 ℃下處理的圓竹材表面存在不規(guī)則凹陷，這是由于松香在固化流平過程中產(chǎn)生的縮孔現(xiàn)象，當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)，圓竹表面相對光滑。

為了更加直觀地比較表面形態(tài)，對對照組、25、40 和50 ℃的電鏡圖片進(jìn)行了閾值分割，如圖3c 所示，在閾值圖像中，黑色代表竹子表面的輪廓，而白色代表另一種物質(zhì)的輪廓，在這里是松香。對照組圓竹表皮層破損輪廓明顯，在25、40 和50 ℃，白點(diǎn)是松香形成的顆粒固化在圓竹表面。對比可見，隨著溫度的升高，松香顆粒的數(shù)量和粒度均減小。這可能與松香在不同溫度下的溶解度有關(guān)，在室溫下，松香-乙醇溶液系統(tǒng)中的粒徑比其在40 和50℃下更大，對體系進(jìn)行加熱可以有效降低松香的粒徑，有利于松香在竹材表面流平并成膜。然而，當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，竹子表皮受到不同程度的損傷。這可能是溫度、乙醇和松香協(xié)同作用的結(jié)果。60 ℃處理的圓竹材表面存在少而大的凹陷，而70 和80 ℃下凹陷更加的聚集(如圖3c)。

圖3 不同溫度處理的圓竹表面微觀形貌Fig.3 Surface micro-morphology of round bamboo treated with different temperature

除此之外，光澤度的變化機(jī)理也可以從表面微觀形貌圖中得出。在25～50 ℃條件下，光澤度主要是由松香在表面上的分布決定的，松香薄膜的連續(xù)性和松香顆粒的大小對光澤度有一定的影響，50 ℃下松香薄膜較為連續(xù)，表面粗糙度較小，光澤度較高。在60～80 ℃條件下，竹竿的光澤不僅與松香膜的連續(xù)性有關(guān)，而且還與表皮層的破壞和脫落有關(guān)。竹子的表皮層由長細(xì)胞、栓子細(xì)胞、硅質(zhì)細(xì)胞和氣孔組成。長細(xì)胞占大部分，沿著顆粒平行排列，而栓塞細(xì)胞和硅質(zhì)細(xì)胞較短，插入長細(xì)胞行列之間。表皮層排列緊密沒有間隙，只有氣孔點(diǎn)綴。但皮下及表皮層下皮層結(jié)構(gòu)疏松。根據(jù)光學(xué)的基本原理，竹子對入射光的反射程度越高，其光澤度就越高。對于疏松或粗糙的表面，入射光會在竹子表面形成多次反射，增加吸收的可能性，產(chǎn)生低光澤度值。在60～80 ℃條件下，松香處理后圓竹由于表皮層脫落暴露了松散的皮下層結(jié)構(gòu)而降低了圓竹表面的光澤度。同樣，對于對照組，表皮層的撕裂也會產(chǎn)生降低表面光澤度。

2.3 傅里葉紅外光譜

不同溫度處理下圓竹表面物質(zhì)和松香的紅外光譜分別如圖4a 和4b 所示。圖4a 圓竹表面物質(zhì)峰譜在3 400、2 950、1 730、1 517 以及1 458 cm-1等處顯示出竹材特征峰，由于樣本經(jīng)過處理，吸收峰會發(fā)生一定的位移。3 400 cm-1對應(yīng)木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等物質(zhì)中羥基的O-H 伸縮振動和甲基、亞甲基中的C-H 伸縮振動；2 925 cm-1所表現(xiàn)的吸收峰應(yīng)該是一種重合的疊加峰。1 800～600 cm-1區(qū)域?yàn)橹癫募t外圖譜的指紋區(qū)，其中1 730 cm-1的峰值對應(yīng)C＝O 伸縮振動，1 517 cm-1和1 458 cm-1的峰值對應(yīng)C-H 伸縮振動。與對照組相比，不同溫度下松香處理材的特征峰譜幾乎沒有變化，這說明竹材表面物質(zhì)基本沒有發(fā)生變化。圖4b 顯示了不同溫度下松香的紅外峰譜，其中1 694 cm-1和1 276 cm-1處的峰值對應(yīng)于C ＝O伸縮振動，屬于羧基中的羰基。羧基是顯色基團(tuán)，易被氧化從而發(fā)生變色。與不同溫度下的松香相比，1 694 cm-1和1 276 cm-1處的峰值強(qiáng)度隨溫度的升高而減小。這意味著羰基的伸縮振動減弱，這可能是由于松香的羧基在熱作用下被氧化所致。具體地，在室溫下(25 ℃) 和40 ℃時(shí)，2 處峰值變化不明顯，而當(dāng)溫度繼續(xù)上升到50 ℃，2 個(gè)峰值的寬度逐漸增加，強(qiáng)度逐漸降低。不同溫度下羧基吸收峰強(qiáng)度的減弱規(guī)律與竹材表面顏色變化規(guī)律一致。綜合原值表面物質(zhì)峰譜和松香峰譜變化趨勢可見，圓竹表面變色是由于松香在加熱的條件下氧化變色引起，而不是竹子本身物質(zhì)的變化。

2.4 眼動追蹤分析

圖5 顯示了不同溫度處理前后圓竹材在眼動追蹤的實(shí)驗(yàn)中獲得的總注視時(shí)間、注視次數(shù)和平均注視時(shí)間?？傋⒁晻r(shí)間代表觀察期內(nèi)每個(gè)圓竹被受試者注視的總時(shí)間，注視次數(shù)代表其被受試者注視的次數(shù)，平均注視時(shí)間是指受試者在其上單次視覺停留時(shí)間。注視時(shí)間和注視次數(shù)反映了受試者對圓竹的關(guān)注程度，平均注視時(shí)間被用來衡量信息提取的難度，其數(shù)值越大，說明圓竹表面細(xì)節(jié)越復(fù)雜。

由圖5 可知，松香處理后的圓竹材獲得的總注視時(shí)間均高于對照組，這表明經(jīng)松香處理后的圓竹獲得了更多的關(guān)注。其中，經(jīng)60 ℃松香處理的圓竹所獲得的注視時(shí)間最高，結(jié)合表面顏色和紋理分析，這可能與其表面出現(xiàn)的棕色條紋有關(guān)，棕色條紋相比于純色表面具有更多的信息，易引起關(guān)注。相關(guān)研究也曾表明，木材表面的節(jié)子會給人一種簡單自然的感覺。類似地，竹材表面的棕色條紋也具有一定的裝飾作用，給人一種回歸自然的感覺。此外，條紋的密度也可能會影響其受關(guān)注程度。比較60、70 和80 ℃處理的圓竹注視時(shí)間可見，其隨著條紋密度的增大而減小。此外，這也與其表面光澤度有一定的關(guān)系。50 ℃處理的圓竹獲得的關(guān)注時(shí)間最少，這可能與其表面具有較高的光澤度有關(guān)，高光澤度已被證明會使受試者產(chǎn)生眩暈。

圖5 圓竹獲得的總注視時(shí)間、注視次數(shù)和平均注視時(shí)間Fig.5 The total gaze time，gaze numbers and average gaze time of bamboo culms

除了在80 ℃處理的圓竹注視次數(shù)小于對照外，注視次數(shù)與總注視時(shí)間表現(xiàn)出相似的趨勢。80 ℃ 處理的圓竹獲得的注視次數(shù)小于對照組(對80 ℃處理材注視時(shí)間也只是略高于控制)，這表明在80 ℃下松香處理的圓竹沒有獲得更好的視覺效果。

對平均注視時(shí)間而言，處理后的圓竹平均注視時(shí)間均高于對照組，且與溫度呈正比例關(guān)系。其中60～80 ℃處理的圓竹平均注視時(shí)間高于25～50 ℃的，這可能是由于較高溫度下棕色條紋的出現(xiàn)增加了竹材表面的復(fù)雜性，復(fù)雜的表面需要更多時(shí)間來觀察和理解。

視線熱區(qū)圖直觀顯示了受試者對不同圓竹的關(guān)注程度，如圖6 所示。熱區(qū)圖中不同顏色代表著視線聚集程度，強(qiáng)度等級為紅—橙—黃—綠，綠色代表較低的注視頻率和較短的注視時(shí)間，紅色代表較高的注視頻率和較長的注視時(shí)間。從熱區(qū)圖中可以直觀地觀察到，注視點(diǎn)集中區(qū)域分布在60 和40 ℃處理的圓竹上，而70 和80 ℃處理的圓竹上的視線較少。綜合考慮顏色、光澤和紋理3 個(gè)因素，顏色較淺、光澤度適中和條紋稀疏的圓竹更加受到關(guān)注；相反，深色、高光澤以及密集條紋會使得關(guān)注度降低。

圖6 圓竹眼動追蹤實(shí)驗(yàn)視線熱區(qū)圖Fig.6 The heat map of bamboo culms in eye tracking test

圖7 展示了受試者對圓竹顏色、光澤和表面紋理的主觀評價(jià)結(jié)果。結(jié)果表明:1) 在顏色舒適度方面，常溫處理的圓竹材幾乎沒有變化，40和50 ℃處理的圓竹顏色舒適度明顯增加，而隨著溫度的增加，顏色舒適度呈現(xiàn)降低的程度，80 ℃處理的圓竹顏色舒適性明顯低于對照組。2) 在光澤度舒適性方面，25、50 和80 ℃處理后圓竹的光澤度舒適性低于對照組。其中，受試者認(rèn)為25 和80 ℃ 處理的圓竹光澤偏暗淡，而50 ℃處理的是刺眼的。這些可能是在50 和80 ℃松香處理的圓竹獲得較少關(guān)注的原因。3) 在紋理偏好方面，73%的受試者偏好純色表面，27%偏好紋理表面，說明純色表面的圓竹受到更加廣泛的喜愛，但紋理表面也有小眾群體的關(guān)注。4) 在紋理密度方面，舒適度隨著紋理密度的增加而減弱。從主觀評價(jià)結(jié)果可以推斷，60 和70 ℃處理的圓竹獲得總注視時(shí)間和注視頻率的增加可能是由于其紋理吸引更多的注意，并需要更多的時(shí)間來觀察。但這并不能代表受試者更偏好紋理表面，這可以由表面紋理偏好結(jié)果得知。

圖7 受試者對竹竿表面顏色、光澤度和紋理偏好的主觀舒適度評價(jià)結(jié)果Fig.7 Subjective comfort evaluation results of color，gloss and texture preference of testees on bamboo culm surface

3 結(jié)論

利用定量研究結(jié)合感性眼動追蹤實(shí)驗(yàn)分析了天然樹脂松香在不同溫度下浸漬圓竹的視覺特性。研究結(jié)果表明，對浸漬體系進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜?40～50 ℃范圍內(nèi)) 有助于松香在圓竹表面流平，從而形成較為連續(xù)的薄膜，進(jìn)而改善圓竹表面光澤度；而當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，圓竹表皮層在松香、乙醇和熱的協(xié)同作用下部分破損或脫落而形成條紋，并且隨著溫度的升高而變得密集；表皮層的脫落使圓竹表面平整度降低，不利于松香的流平和成膜。此外，致密的表皮層下的皮下層結(jié)構(gòu)松散，這兩方面均會降低表面光澤度。對于顏色而言，當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，圓竹表面顏色發(fā)生明顯的變化，從黃—綠空間向紅—藍(lán)空間轉(zhuǎn)變。顏色變化主要是由于松香受熱氧化而發(fā)生變色。此外，經(jīng)過松香改性的圓竹獲得了更多的關(guān)注，適當(dāng)提高光澤度有助于增加圓竹的吸引力，完整的純色圓竹表面受到更多的青睞，總的來說40～60 ℃是一個(gè)較合適的浸漬溫度范圍，在該范圍內(nèi)松香處理后的圓竹受眾面較廣，但經(jīng)不同溫度范圍松香處理對圓竹表面會產(chǎn)生不同的視覺效果。