木材材色处理是木材改性的重要内容。木材改性的目的是通过各种物理、化学处理,使木材的缺点得到不同程度的改进,使优点能进一步加强,更适合于应用。将能改进木材材质和性能的各种处理方法统称为木材改性。广义的木材改性还包含在营林技术方面,加强森林抚育,提高林木材质等。在林产工业范围内的木材改性大致可包括以下九方面内容:
1)材色处理;
2)尺寸稳定处理;
3)可塑化(软化)处理;
4)增强处理;
5)塑合木(WPC);
6)防腐、防虫处理;
7)阻燃处理;
8)防风化处理;
9)木材塑料化等。现就目前应用较广泛又急待解决的材色、阻燃、尺寸稳定等问题分专题作介绍,以求对我国木材改性事业能起推动作用。
1 木材的材色
色彩是决定木材印象的重要因子,也是家具和室内装饰设计中最生动、最活跃的因子。不同的树种有着不同的颜色。有洁白如雪的云杉、泡桐,有漆黑如墨的乌木,有红似鲜血的厚皮香、非洲紫檀等。不同的材色可构成风格不同的环境氛围。木材系天然的生物材料,由于早晚材、心边材材色各异,且受生物、光、热、酶、酸、碱等外界因素的影响,会产生各种变色,因而在材色处理方面就包含有防变色、漂白、着色等丰富的内容。
1.1 木材的显色理论
木材的颜色决定于木材组成分对可见光中不同波长光波的吸收和反射性能,可见光的波长大致为400~780nm,由短至长一一对应由紫(P)、蓝(B)、绿(G)、黄(Y)到红(R)的不同颜色(见表1)。
云杉、泡桐等所以显白色是因该类木材对可见光的各种波长全部反射;乌木显黑色为全部吸收,而无反射;大多数木材显示橙黄色是因580~600nm波长的光被反射,而其它波长的光全部被吸收的缘故。
木材化学组成分中纤维素、半纤维素在正常情况下都是以单键联结的饱和有机化合物,对可见光各种波长无吸收,而全部反射,故不具有颜色特性;而木素和抽提物都有共轭双键,在可见光波长区内有吸收峰,随着吸收和反射光谱的不同,而显示出不同的材色。
将在可见光区能产生吸收峰的不饱和基团称为发色基,有乙烯基,羰基,苯基和醌基。当另一些基团加入到某种化合物之中后,能使这种化合物颜色加深的基团称助色基,有羟基,醚基,羧基和胺基等。木材发色基存在于木素和抽提物中。如木材中木素结构单元中的松柏醛基就由羰基、乙烯基和苯基三个发色基组成。对木材中的抽提物而言,针叶材可统称为树脂,阔叶材抽提物主要成分为单宁,两者都为酚类化合物,都含有苯基类发色基。在可见光下均具有吸收峰,均能使木材产生颜色显示。紫外光比可见光具更短的波长和更高的能量,可见光下未呈现颜色反应的木材,在紫外光作用下可能呈现颜色的变化,这就是光变色,光变色的防止是木材材色处理的重要内容。
测色可分视觉法和物理法。前者是根据视觉和标准色样板相比较,得出色相、明度和彩度值。后者是普遍使用的方法,可用测色色度计和色彩计直读,研究用的测色法是用分光光度计的分光测定法。不同的表示法可以相互转换。
1.3 木材的材色值
在孟塞尔系中,木材色相H分布在9R-2.5Y间,除少数木材外几乎都在YR色域内,以5YR-10Y为最广泛。明度V分布在3.2~8.5之间,主要集中在5~8之间,针叶材明度一般在6.5以上。彩度分布为2.5~6之间,以3.5~5为多。因多数木材的色相均聚集在以橙色为中心,从红至黄的暖色为基调的较窄范围内,因而使材色处理增添了漂白和染色的需求。
2 木材的变色及防止
木材的变色可以是多种原因所引起,如由霉菌、变色菌和腐朽菌所引起的生物变色;由铁、酶、酸和碱等引起的化学变色;由热、光等引起的物理变色。光变色是诸多变色中常见的变色。
2.1 木材的光变色
木材光变色主要是由于紫外光作用下,使木材化学构造发生变化,产生了发色基和助色基,改变了木材对可见光的吸收和反射性能而形成的。木材的光变色根据树种而异,有敏感的,也有不敏感的。变色的形式有变深的,有变浅的,也有深浅交替变化的。
2.2 光变色的防止方法
1)紫外光的遮挡 据统计有60%的木材光变色起源于紫外光的作用,可采用2.4--二羟基二苯甲酮这类紫外光吸收剂的甲苯或酒精溶液,对木材表面涂刷,能取得明显效果。,这类物质吸收紫外光后能改变化学构造,将吸收的能量转变成热能,释放热量后又恢复原状,利用其还原性可反复起作用。美国将添加紫外光吸收剂的塑料薄膜或塑料网覆盖于成材和木制品表面,防橡木变色很有成效,并已商品化生产。
2)光吸收构造的变性 用30%氨基脲(CH₅ON₃)的水溶液对木材表层涂布,可使木材中的羰基、酚羟基、乙烯基等发色基变成光不吸收的缩氨基脲。该方法对抑制落叶松、云杉、铁杉等木材的初期变色特别有效,对樱桃木、胶木等也有明显效果。
3)氧气的隔绝和游离基的捕捉 紫外光通常仅能深入到木材表面0.75mm处,用2、4、6-三甲基酚等防氧剂的有机溶剂作材面处理,具有隔绝氧和捕捉游离基的作用。
4)着色物质的分解 利用27%浓度4000分子量的聚乙烯乙二醇酒精溶液作表面处理,在吸收光后产生自由基,能破坏木材中的发色基或变色前驱物,对抑制云杉等浅色材的光变色有良好效果。
5)变色前驱物的去除 可采用热水、苯醇等溶剂将木材中变色前驱物抽提出来。