林业科学  2006, Vol. 42 Issue (3): 29-34   PDF    
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周宇, 王金林, 李春生.
Zhou Yu, Wang Jinlin, Li Chunsheng.
I-214杨染色单板光变色规律的研究
Studies on the Lightfastness of Dyed Veneer of I-214 Poplar
林业科学, 2006, 42(3): 29-34.
Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(3): 29-34.

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收稿日期:2004-10-26

作者相关文章

周宇
王金林
李春生

I-214杨染色单板光变色规律的研究
周宇, 王金林, 李春生     
中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091
摘要: 以染料弱酸深蓝5R和活性艳红X-3B染色的I-214杨素材和漂白板为试材,选用氙光作照射光源,考察不同染料、不同工艺条件下染色单板在110 h光照过程中试材表面材色指数,即明度指数(L*),色度指数(a*b*)和变色度(ΔE*ab)的变化。结果表明:染色单板在110 h氙光照射过程中变色明显,b*值提高显著;ΔE*ab在光照初期大,后期平缓直到不变;同一品种染料,高浓度染液中染色单板比低浓度染液的光照变色大,浸染时间长短对染色单板光照变色影响不明显,先漂白再染色的单板材色均匀,光照变色平缓;不同品种染料的染色单板光照变色规律有差异。
关键词: I-214杨    染色单板    氙光    光变色    
Studies on the Lightfastness of Dyed Veneer of I-214 Poplar
Zhou Yu, Wang Jinlin, Li Chunsheng     
Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091
Abstract: The color change of veneers dyed by solution of Acid Blue 5R and Reactive Red X-3B after Xenon-lamp attenuation tests(110 h) is evident. During it had been being irradiated the color index (lightness L*, the chromaticity coordinates a* and b*) had a large change, especial the change of b* is increasing rapidly, the change of the color difference (ΔE*ab) in the early period is far more than that in the middle and later period. The color change degree of veneers dyed by solution of higher concentration is larger than that of lower dye solution, the color change degree of bleached veneers dyed by solution is more than veneers dyed directly. The relation of the color change degree and dyeing time is not evident. It is difference that the law of color change veneers dyed by different dyes with Xenon-lamp attenuation.
Key words: I-214 poplar    dyed veneer    Xenon-lamp attenuation    lightfastness    

染色木材的光变色与木材本身一样是一个复杂的光化学反应过程(Morgan et al., 1968),而且影响因素更多,包括木材组分、木材浸提物成分和含量、木材染色处理方法、使用环境等。木材组分和浸提物成分及含量是由树种和树木生长的立地条件决定的(Browing,1963; 刘一星,1993),木材使用的环境条件如光照强度等是影响木材颜色变化的重要因素(葛明裕等,1985;李坚,1994陆文达,1993平林靖彦,1989)。曾有学者使用防变色剂处理木材后再染色来改善木材的光变色性能(井泽利运治,1986Kaneko et al., 1995张云岭等,2001峯村神哉,2002),也有学者探讨壳聚糖处理木材后再染色来提高木材的耐光性(段新芳等,2003),以及不同的染色处理方法改变木材的颜色与木材的变色规律(周宇等, 2003; 2005), 但就木材染色工艺对染色单板耐光性影响的研究较少。本文通过对I-214杨(Populus×euramericana cv. ‘I-214’)单板在不同品种染料、不同工艺条件下染色,以及漂白后再染色获得的染色单板,放入衰减仪内经过设定环境条件下的氙光照射衰减110 h,考察染色I-214杨素板和漂白板随着光照时间的延长表面变色与染色条件之间的关系,进而探讨染色处理方法对板材表面变色影响的规律性。

1 材料与方法 1.1 材料与仪器 1.1.1 材料

试材材种为I-214杨,刨切成0.7 cm的单板,自然干燥至含水率18%,裁制成100 cm×65 cm×0.7 cm的试件;漂白剂为H2O2,染料品种为弱酸深蓝5R和活性艳红X-3B,均为国产市场销售染料;助剂若干。

1.1.2 设备及仪器

X25F氙衰减仪(スガ试验机株式会社,日本国),MSC- P多光源分光测色计(スガ试验机株式会社,日本国)。

1.2 方法

部分单板经漂白处理(略),下称漂白板。用染料弱酸深蓝5R和活性艳红X-3B配制浓度(染料与染液的质量百分比)为0.005%和0.05%的染液,材液积比1:10,在温度90 ℃、时间1、2、3、5和8 h的条件下浸染素板和漂白板试件,染色后单板水洗去掉表面浮色,实验室内遮光自然干燥。选每个条件下1片单板待试,共40片,置于氙衰减仪(Xenon Fade Meter, X25F,Japan)内的试样架上,进行110 h氙光照射试验,条件为照度42 W·m-2, 温度50 ℃,相对湿度60%。以CIE(1976) L*a*b*表色系统进行表色,于照射0、2、5、10、20、40、70和110 h时用多光源分光测色计(Multi Spectro Colour Meter MSC-P,Japan)测定表面材色L*a*b*值。

L*a*b*色空间是国际照明协会在1976年制定的目前最流行的物体颜色测定表示方法之一,应用广泛,在此色空间,L*表示明度,a*b*表示色饱和度,色差ΔE*ab表示颜色变异的程度(吴玉章等,2005),本文是变色褪色试验,故称为变色度(David et al., 2001),由下式计算

式中:ΔL*,Δa*, Δb*为光照前后L*, a*b*的差值。依据此式计算光照过程中的ΔE*ab

2 结果与分析

110 h氙光照射过程中,在染色温度90 ℃、浸染时间1、2、3、5和8 h以及染液浓度0. 005%和0.05%条件下弱酸深蓝5R染液中染色素板与漂白板,L*a*-b*的变化情况见图 12,ΔE*ab的计算值见图 3;同样条件下活性艳红X-3B染液中染色素板与漂白板,L*a*-b*的变化情况见图 45,ΔE*ab的计算值见图 6

图 1 氙光照射下90 ℃弱酸深蓝5R染液中染色素板与漂白板表面L*值的变化 Fig. 1 The changes of L* of veneers and bleached veneers dyed by Acid Blue 5R at 90 ℃ by Xenon-lamp irradiation A、B、C、D、E、F、G、H、I与J分别表示浓度0.005%和0.05%的染液染色1、2、3、5和8 h染色单板材色在衰减过程中的变化。下同。 A、B、C、D、E、F、G、H、I and J show the color change of dyed veneers with 0.005% and 0.05% concentration dye solution for dyeing 1、2、3、5 and 8 h. The same below.
图 2 氙光照射下90 ℃弱酸深蓝5R染液中染色素板与漂白板表面口a*-b*值的变化 Fig. 2 The changes of a*-b* of veneers and bleached veneers dyed by Acid Blue 5R at 90 ℃ by Xenon-lamp irradiation 箭头方向为a*b*值随光照时间的延长而变化的方向。图 5同。 The arrowhead show the change of value of a* and b*. The same in Fig. 5.
图 3 氙光照射下90 ℃弱酸深蓝5R染液中染色素板与漂白板表面ΔE*ab值的变化 Fig. 3 Thc changes of ΔE*ab of veneers and bleached veneers dyed by Acid Blue 5R at 90 ℃ by Xenon-lamp irradiation
图 4 氙光照射下90 ℃活性艳红X-3B染液中染色素板与漂白板表面L*值的变化 Fig. 4 The changes of L* of veneers and bleached veneers dyed by Reactive Red X-3B at 90 ℃ by Xenon-lamp irradiation
图 5 氙光照射下90 ℃活性艳红K-3B染液中染色素板与漂白板表面a*-b*值的变化 Fig. 5 The changes of a*-b* of veneers and bleached veneers dyed by Reactive Red X-3B at 90 ℃ by Xenon-lamp irradiation
图 6 氙光照射下90 ℃活性艳红X-3B染液中染色素板与漂白板表面ΔE*ab值的变化 Fig. 6 The changes of ΔE*ab of veneers and bleached veneers dyed by Reactive Red X-3B at 90 ℃ by Xenon-lamp irradiation
2.1 光照时间与染色单板材色衰减的关系 2.1.1 染料弱酸深蓝5R染色单板氙光照射试验

图 12可以看出,染色温度90 ℃,浓度0.005%与0.05%的弱酸深蓝5R染液中浸染1、2、3、5和8 h的染色素板与漂白板,在氙光照射过程中表面材色指数L*值上升,a*值先减小后增大,b*值增大,说明表面材色由蓝红色相区域穿过黄绿色相区域,回到黄红色相区域,在黄绿色相区域内变化趋缓,而高浓度染液的染色单板从蓝红色相区域穿过无色彩区域(a轴与b轴的交点附近)到达黄绿色相区域,再回到黄红色相区域,在黄绿色相区域内变化趋缓。图 3显示, 在光照衰减过程中,ΔE*ab值在前期(0~40 h)的变色较大,中期(40~70 h)趋于平缓,后期(70~110 h)接近稳定。

2.1.2 染料活性艳红X-3B染色单板的氙光照射试验

图 45可以看出,染色温度90 ℃,0.005%浓度的活性艳红X-3B染液中浸染1、2、3、5和8 h的染色素板与漂白板,在光照衰减过程中L*略降,a*先减小后增大,b*增大;而0.05%浓度的染液中染色的素板与漂白板,L*增大,a*减小,b*增大,可见材色从浅红色相区域向黄浅红色相区域发展。图 6显示,在光照衰减过程中,ΔE*ab值在前期(0~40 h)的变色较大,中期(40~70 h)趋于平缓,后期(70~110 h)接近稳定。

2.2 染色工艺条件与染色单板材色衰减的关系 2.2.1 染料弱酸深蓝5R染色单板氙光照射试验

1) 染液浓度对染色单板材色衰减的影响 图 12显示,染色温度90 ℃,浓度0.005%和0.05%的弱酸深蓝5R染液中浸染单板,同一时间下染色的单板随着光照时间的延长,低浓度染液的染色单板L*值在高明度区域平缓增大,而高浓度染液的染色单板在低明度区域迅速增大,尤其光照前期更明显。低浓度和高浓度染液的染色单板a*值先减小后增大,b*值增大,变化趋势一致,但前者快于后者。这是因为在其他条件相同的情况下,单板染色时染液浓度的高低,决定了进入木材内部染料量的多少(基太村洋子等,1982),高浓度染液中浸染单板时染料的上染量高,染色单板的材色指数受基材材色的影响较小,受染料的耐光性能影响较大(Zhou et al., 2005a; 2005b;2005c),此时的光照引起L*a*-b*值的变化主要反映的是染料分子在光化学反应过程中的变色程度(Fumio et al., 1996a; 1996b);反之,低浓度染液中染色时染料的上染量低,L*a*-b*值受基材的材色影响大,图示a*-b*值集中在黄绿色相区域。这就说明染液浓度的高低影响染料在单板上的染着量,从而制约染色单板光变色是以单板为主还是以染料为主,即低浓度染液染色单板的变色以单板变色为主,高浓度染液染色单板的变色以染料变色为主,推测是由于染料分子发生光氧化还原反应,生成芳伯胺和含氮杂环化合物(Roger,1984Giles et al., 1963Gregor, 19661967;David et al., 2001),使材色从带红光的蓝色向带红光的黄色转变。由图 3可以看出,同一光照时间下,低浓度染液染色素板ΔE*ab比高浓度染液染色的素板小,变化趋势是一致的,也说明低浓度染液染色的素板以单板变色为主,而高浓度染液染色以染料变色为主。低浓度染液染色的漂白板ΔE*ab变化与高浓度染液染色的漂白板很相近。低浓度染液染色的素板在70~110 h时段ΔE*ab变化趋于平缓,高浓度染液染色的素板光照至110 h时ΔE*ab呈增加的趋势。无论染液的浓度高低,其染色的漂白板光照至110 h时ΔE*ab仍呈增加的趋势。

2) 浸染时间对染色单板材色衰减的影响 图 12显示,染色温度90 ℃,1、2、3、5和8 h下的同一浓度弱酸深蓝5R染液染色的单板随着光照时间的延长,L*a*-b*值的变化趋势是一致的。同一光照时间下,不同浸染时间的染色单板L*a*-b*值表现不规律。由图 3也可以看出,不同浸染时间染色的素板与漂白板,ΔE*ab的变化趋势是一致的。在同一光照时间下,不同浸染时间染色素板的ΔE*ab比染色漂白板要明显,可见浸染时间对素板的染色比对漂白后再染色的单板影响要大。

3) 漂白处理对染色单板材色衰减的影响 图 12中,染色温度90 ℃,浓度0.005%和0.05%的弱酸深蓝5R染液中的浸染单板,随着光照时间的延长,低浓度同一时间下染色素板L*值在高明度区域平缓增大,a*-b*值从浅黄区域向黄绿区域变化,而染色漂白板L*值在较低明度区域增大较快,a*-b*值从浅蓝区域向黄绿区域变化;高浓度同一时间下染色素板L*值在低明度区域迅速增大,而染色漂白板L*值在低明度区域增大不及前者,a*-b*值都是从浅蓝区域向黄绿区域变化。可见漂白板染色时易得色,尤其是低浓度染液中染色更是如此。图 3可以看出,在同一光照时间下,弱酸深蓝5R染液染色素板的ΔE*ab值变化比染色漂白板要明显,因为漂白后再染色的单板得色高,单板表面材色趋于一致。

2.2.2 染料活性艳红X-3B染色单板的氙光照射试验

1) 染液浓度对染色单板材色衰减的影响 图 45显示,染色温度90 ℃,浓度0.005%和0.05%的活性艳红X- 3B染液中浸染单板,同一时间下染色的单板随着光照时间的延长,低浓度染液染色的素板L*值光照初期在高明度区域迅速增大,中后期趋于平缓,而高浓度染液染色的素板光照初期在较低明度区域迅速增大,中后期趋于平缓,二者a*减小,b*值增大,变化趋势一致,且b*增大更快。低浓度染液染色漂白板的L*值光照初期在高明度区域下降,光照中后期降低平缓,而高浓度染液染色漂白板光照初期在较低明度区域增大,光照中后期趋于平缓,二者a*减小,b*值增大,变化趋势一致,但低浓度的变化相对不规律。同2. 2. 1所述,由于染料分子发生光氧化还原反应,生成芳伯胺和含氮杂环化合物(Roger,1984Giles et al., 1963Gregor, 19661967),a*-b*值集中在黄浅红色相区域。由图 6可以看出,同一光照时间下的低浓度染液比高浓度染液染色素板的ΔE*ab小,但变化趋势是一致的。在70~110 h时段低浓度染液染色素板的ΔE*ab变化呈降低的趋势,而高浓度染液染色素板光照至110 h时ΔE*ab平缓增加。同一光照时间下低浓度染液染色漂白板的ΔE*ab变化与高浓度染液染色漂白板很相近,且变化趋于平缓。

2) 浸染时间对染色单板材色衰减的影响 图 45显示,染色温度90 ℃,1、2、3、5和8 h下的同一浓度活性艳红X-3B染液染色的单板随着光照时间的延长,L*a*-b*值的变化趋势是一致的。同一光照时间下,不同浸染时间染色单板的L*a*-b*值变化不规律。由图 6可以看出,不同浸染时间染色素板与漂白板,ΔE*ab的变化趋势是一致的,染色的素板在同一光照时间下变色度比染色的漂白板要明显,可见浸染时间对漂白后再染色的单板影响低于对素板的影响。

3) 漂白处理对染色单板材色衰减的影响 图 45可知,染色温度90 ℃,浓度0.005 %和0.05%的活性艳红X-3B染液中浸染单板,随着光照时间的延长,同一时间下低浓度染液染色素板L*值在高明度区域下降,而染色漂白板在较低明度区域增大,染色素板a*-b*值变化显示材色从红浅黄区域向黄浅红区域变化,而染色漂白板显示材色从浅红浅黄区域向黄浅红区域变化;同一时间下高浓度染液染色素板L*值在低明度区域增大,而染色漂白板L*值在低明度区域增大不及前者,a*-b*值变化显示材色从红-浅黄区域向黄浅红区域变化时染色漂白板比染色素板快,可见漂白板染色时易得色,高浓度染液中染色单板比低浓度染液中表现更明显,染色漂白板在衰减过程中变色以染料变色为主。图 6可以看出,在同一光照时间下,活性艳红X-3B染液中浸染素板Δ E*ab值变化比漂白板要明显,因为漂白后再染色的单板得色高,单板表面材色趋于一致。

2.3 染料品种与染色单板材色衰减的关系

染料本身的耐光性对染色单板衰减的影响较大,从2. 1与2. 2的讨论中得出,染色温度90 ℃,浓度0.005%和0. 05%,1、2、3、5和8 h下的弱酸深蓝5R与活性艳红X-3B染液中浸染素板和漂白板的光照衰减规律是有区别的,从材色指数L*a*-b*的变化看,弱酸深蓝5R染液中染色单板L*值在光照初期增大,中后期平缓,活性艳红X-3B染液中染色单板在光照初期略增大而后平缓,在2个染液中染色单板的a*-b*值均在初期变化大,中后期平缓,但二者变色方向不同。从ΔE*ab的变化看,弱酸深蓝5R和活性艳红X-3B的低浓度染液同一时间下染色素板,前者在光照110 h平缓增加,后者在0~70 h与前者一致,70~110 h平缓下降;高浓度染液同一时间下染色的素板ΔE*ab变化规律接近;2个染料染色的漂白板ΔE*ab变化,活性艳红X-3 B染液中染色的单板在光照后期更趋于平缓。

3 结论与讨论

染色单板在110 h氙光照射过程中变色明显,色度指数b*值提高显著。变色度Δ E*ab在光照初期大,中后期平缓直到不变。同一品种染料,高浓度染液中染色单板比低浓度染液中染色单板的光照变色大,染色时间长短对染色单板光照变色影响不明显,单板漂白后再染色材色均匀,光照变色平缓;不同品种染料的染色单板光照变色规律有差异。

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