熱處理和植物油蠟浸潤對落葉松顏色均一性和耐候穩(wěn)定性的影響

人工林興安落葉松（Larix gmelinii）：采自黑龍江鶴崗地區(qū)，25年生。弦切板初始尺寸為4 000 mm（L）×200 mm（T）×45 mm（R）。板材在實驗室內(nèi)半封閉條件下經(jīng)過近1年的氣干與平衡處理，初始含水率為20%±2%。心、邊材的氣干密度分別為0.71、0.64 g/cm³。

自制植物油蠟混合溶液^[12]，由3種油和2種蠟組成。大豆油、桐油、亞麻油質(zhì)量比為9∶3∶1，蜂蠟、棕櫚蠟質(zhì)量比為1∶1。蜂蠟和棕櫚蠟僅占油蠟混合溶液的0.5%?；旌先芤赫w呈淡黃色，質(zhì)地均勻。

恒溫恒濕試驗箱、木材熱改性專用試驗箱、可控溫專用容器箱。

經(jīng)過16組熱處理和聯(lián)合處理后的心、邊材試樣的顏色變化，如圖1所示。

圖1  熱處理和聯(lián)合處理落葉松表面顏色

Fig.1  Surface color of larch samples with thermal treatment and joint processing

隨著熱處理溫度的升高和時間的延長，兩組木材顏色逐漸變暗變紅，但心材表面顏色的變暗程度比邊材略明顯。主要原因是在熱處理過程中，羰基先減少后增加并伴隨著共軛芳酮、醌類結(jié)構(gòu)和醚鍵的增多，導(dǎo)致熱處理后木材顏色向深褐色轉(zhuǎn)變^[15]。由于邊材與心材的化學(xué)組成并無明顯差別，心材則因半纖維素、木質(zhì)素及抽提物含量較多，存在更多的酚羥基、羰基、雙鍵等發(fā)色與助色基團，從而呈現(xiàn)出比邊材更深的顏色^[16]。

相比熱處理材，浸潤處理后的落葉松表面顏色更加飽滿。試樣在200 ℃油浴環(huán)境下熱解產(chǎn)物持續(xù)揮發(fā)，植物油蠟分子滲透填充到細胞腔內(nèi)，在同等處理條件下邊材比心材吸收更多的植物油蠟^[17-18]。

聯(lián)合處理落葉松試件色度學(xué)參數(shù)如圖2所示，在幾乎所有的熱處理工藝下，心材試樣的L*、b*均低于邊材，a*高于邊材；從圖2f中也可以看出，在相同的熱處理條件下，大部分聯(lián)合處理后的心材與邊材之間的色差整體大于對照未浸潤試樣。

圖2熱處理與植物油蠟聯(lián)合處理落葉松樣品色度學(xué)參數(shù)

Fig.2Colorimetric parameters of larch samples with thermal treatment and plant oil wax infiltration

已有研究中發(fā)現(xiàn)，ΔE=3可以定義為人類對顏色色差的感知極限（即當色差值＜3時，人眼無法分辨顏色差異）^[19]。表2顯示了落葉松不同工藝處理后心材與邊材之間的顏色差異。

表2  熱處理與植物油蠟浸潤聯(lián)合處理落葉松心邊材色差

Tab.2  Color difference of larch samples with thermal treatment and plant oil wax infiltration

表2中對角線上ΔE表示經(jīng)相同工藝熱處理（identical thermal treatment，ITT）后心材和邊材之間的差異（加粗方框）。在熱處理組別中，僅在180 ℃+2 h處理時，心材與邊材色差為2.70，可以實現(xiàn)落葉松顏色的均一性。對心材與邊材分別施以不同熱處理條件以達到顏色均一這一方法，被稱為顏色均一化熱處理（homogeneous thermal treatment，HTT）。表中HTT（S-H）表示邊材與心材色差的最小值（簡化H₁，加粗顯示）；HTT（H-S）表示心材與邊材色差的最小值（簡化H₂，斜體顯示）。

觀察心邊材色差的變化率發(fā)現(xiàn)，在HTT處理下落葉松心邊材色差值要比ITT處理工藝小50%～80%，最高達86%；而植物油蠟浸潤處理后，HTT工藝下的心邊材色差比ITT工藝小更多，最高為91%。以ΔE=3為界限，聯(lián)合處理工藝下得到12組材色均一化處理方案組合，具體見表3。

整體來看，無論是熱處理還是聯(lián)合處理，HTT的所有組別與ITT相比，心邊材兩組樣本之間的顏色差異性均明顯降低。采用植物油蠟對落葉松進行浸潤處理，發(fā)現(xiàn)了更多減小心邊材色差的工藝組合。因此，使用HTT與植物油蠟浸潤聯(lián)合處理工藝，可以獲得心邊材材色均一的落葉松板材。

聯(lián)合處理心邊材的FTIR光譜分析見圖3。

圖3  植物油蠟及其浸潤處理后心邊材的FTIR光譜

Fig.3  FTIR spectrum of plant oil wax and infiltrated heartwood and sapwood

植物油蠟富含以碳碳雙鍵?乙烯基為代表的發(fā)色基團（3 008 cm^-1處的碳碳雙鍵的C?H伸縮振動）與以碳氧單鍵?酯基為代表的助色基團（1 159 cm^-1處指紋區(qū)的C?O?C中的C?O伸縮振動基團)，以及酯的FTIR光譜的特征頻帶（1 743 cm^-1處的振動帶）。3 333.38～3 335.16 cm^-1處為羥基O?H的吸收峰。

在高溫作用下，木材內(nèi)的纖維素分子鏈間的每一對游離羥基脫除1分子水，形成醚鍵，使纖維素非結(jié)晶區(qū)和半纖維素的游離羥基數(shù)量顯著減少^[20]。1 743 cm^-1處的乙?；汪然系聂驶–=O）伸縮振動峰也較為強烈。

由圖3a可知，溫度對植物油蠟的化學(xué)組分未產(chǎn)生影響，只會加快油蠟分子的運動。觀察可知在2 923、2 854、1 743 cm^-1處都出現(xiàn)了相同的特征峰，說明植物油蠟分子滲入到木材內(nèi)部，且與木材組分緊密結(jié)合，其中生色基團和助色基團與落葉松木質(zhì)素中的碳水化合物和樹脂中的蒎烯結(jié)合，形成特定的結(jié)構(gòu)^[21]，改變了試材對可見光的吸收，使木材表面呈現(xiàn)出發(fā)紅、且較為飽和的視覺效果。

在十個周期內(nèi)，落葉松木材在室外放置中隨著時間的延長以及室外環(huán)境的變化而產(chǎn)生的裂紋等級，見表4。180 ℃+8 h熱處理條件下的落葉松試樣的裂紋變化情況，見圖4。

  

  

圖4十個周期內(nèi)落葉松裂紋情況

Fig.4Surface cracking condition of larch during ten cycles

圖4顯示，在十個周期內(nèi)，熱處理落葉松樣品表面裂紋數(shù)量明顯多于聯(lián)合處理的樣品。熱處理落葉松樣品在第八個周期達到最高開裂等級L5，而聯(lián)合處理落葉松樣品前六個周期內(nèi)開裂等級穩(wěn)定在L1級，在第七周期內(nèi)達到最高，為L2級。由于植物油蠟填充在落葉松內(nèi)部，減少了水分子的移動且有效阻礙了光降解，從而減緩了木材的開裂現(xiàn)象。