高溫熱處理對低齡桉樹木材顏色變化的影響

盧翠香，蔣匯川，劉媛，周維，陸敏，陳健波

高溫熱處理對低齡桉樹木材顏色變化的影響

盧翠香，蔣匯川，劉媛，周維，陸敏，陳健波

(廣西林業科學研究院 國家林業和草原局中南速生材繁育實驗室 廣西優良用材林資源培育重點實驗室，廣西南寧 530002)

以低齡桉樹木材為研究對象，過熱蒸汽為傳熱介質，在處理溫度170、190、210℃，恒溫時間2、3、4 h，升溫速度10、15、20℃·h的條件下對其進行高溫熱處理，研究桉樹木材在不同熱處理條件下的顏色變化。結果表明，隨著處理溫度升高、恒溫時間延長、升溫速度減慢，處理材的明度值降低，紅綠指數提高，色相值和色差值有不同程度降低，黃藍指數和色飽和度有不同程度的變化。處理溫度對木材顏色指標有顯著影響，3個因素對木材顏色影響程度依次為：處理溫度>恒溫時間>升溫速度。

熱處理；低齡桉樹木材；顏色變化

我國森林資源匱乏，實施天然林保護工程后，人工林速生材的開發利用成為緩解木材供需矛盾的重要途徑。桉樹()是全球生長最快的闊葉樹種之一，是我國南方發展速生豐產林的戰略樹種。桉樹木材用途廣，可用于制漿造紙、板材制造、家具建筑等。但桉樹木材存在易開裂變形，滲透性差且材色淺，色差大等問題，使其在應用領域受到限制。木材顏色是評價木材表面視覺特性的一個重要物理性質，也是木制品加工增值的重要影響因子。同時，材色既是決定消費者印象和產品生產與設計中的重要因素。顏色淺的木材給人明快、活潑的感覺，而顏色深的木材給人典雅、深沉和高貴的精神感受。對于木材產品，特別是室內外家具、建筑用材的外觀特性來說，材色既要美觀、均勻，又要能夠保證它的裝飾效果和使用功能。

高溫熱處理是以水蒸汽、惰性氣體或空氣、熱油或水等為傳熱介質在160 ~ 250℃高溫條件下對木材進行改性處理，在改善木材尺寸穩定性、耐腐性的同時，改變木材表面顏色，賦予木材紅木或深色名貴木材的特征，提高產品附加值，并且降低木材色差，使外觀顏色趨于統一。曹永建等對尾葉桉()進行高溫熱改性處理，發現處理時間的延長和處理溫度的升高，木材色差和色相差逐漸增大，色飽和度差值逐漸減小，處理溫度和時間均對木材顏色變化有顯著影響。丁濤等探索白蠟木材色的調節機理，發現導致處理材色度指標發生變化的原因是熱處理使木素中的羰基等發色基團數量發生變化。孫祥龍等研究發現明度變化是造成樟子松()木材顏色差異的最重要因素，隨著處理溫度的升高和時間的延長，木材發色團的比重增大，對可見光的吸收增強，最終導致木材顏色變深，明度降低。

本試驗采用過熱蒸汽介質熱處理方法，對低齡桉樹板材進行高溫熱處理，探討熱處理工藝對木材顏色的影響，以期獲得優化的熱處理工藝參數，為低齡桉樹木材有效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采用7年生的尾巨桉(×)木材，原木檢尺徑>16 cm，鋸解成規格為800 mm × 25 mm(厚)×自然寬的弦切板。板材先進行常規窯干干燥至含水率為12%左右。

1.2 方法

熱處理方法參照文獻[10-11]進行，每個處理選取5塊處理材，加工成規格為15 cm × 40 cm × 2.5 cm樣品，共45塊。樣品放入恒溫恒濕箱(溫度20℃，相對濕度65%)調節至平衡含水率。在達到平衡含水率的板材的上中下3個部位的無缺陷處取3個點，分別標記1、2、3。根據國際照明委員會CIE(1976)標準色度學理論，利用愛麗舍全自動測色色差計測量每一塊樣木的顏色值，，，飽和度色差，并記錄，如圖1所示。

圖1 材色測定

2 結果與分析

2.1 木材顏色變化

由圖2可知，經熱處理后的木材顏色加深，從淺黃白色向深褐色轉變；同時素材的心邊材材色差異較大，熱處理后桉樹木材心邊材色差減小，材色更均勻。

圖2 熱處理木材及素材的顏色對照

2.2 明度值L＊

素材的明度均值為79.79(表1)，隨著處理溫度的升高和恒溫時間的增加，熱處理材的明度值有不同程度降低。隨著升溫速度的加快，熱處理材的明度值呈增加趨勢。發生這一變化的原因可能是隨著處理溫度的升高，木材的半纖維素發生較劇烈的分解，纖維素和木質素在產生的甲酸、乙酸等酸性物質催化下也發生部分熱解，加之有機物質的揮發等原因，導致木材的明度降低。

由表1還可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優方案的確定需要區分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為>>，因素從主到次的順序為處理溫度、恒溫時間、升溫速度。因此，保持明度值最優的工藝為ABC，即處理溫度為170℃，恒溫時間為2 h，升溫速度為10℃·h。

由表2可知，處理溫度、恒溫時間和升溫速度對熱處理材的明度值影響極顯著。三因素對木材明度值影響程度依次為：處理溫度>恒溫時間>升溫速度。因此，通過控制處理溫度、恒溫時間和升溫速度能較好的控制所生產的熱處理材的明度值。

表1 熱處理材及素材明度值測試結果及極差分析

表2 熱處理材明度值方差分析

注：**表示差異在0.01水平上顯著。

2.3 紅綠指數a＊

由表3可知，素材的紅綠指數均值為7.44，經高溫熱處理后，桉樹木材的紅綠指數均有不同程度的提高。工藝4(190℃，2 h，15℃·h)的紅綠指數值最大，比素材提高了72.31%。隨著處理溫度的升高和恒溫時間的增加，熱處理材的紅綠指數均呈先增加后降低趨勢。隨著升溫速度的加快，熱處理材的紅綠指數均呈先減小后增加。

紅綠指數正值越大表示越偏向紅色，紅色彰顯喜慶、高貴，為人們喜愛。因此，紅綠指數指標數值大則優。由表3可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優方案的確定需要區分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為>>，因素從主到次的順序為處理溫度、恒溫時間、升溫速度。因此，提高紅綠指數的最優工藝為ACB，即處理溫度為190℃，恒溫時間為3 h，升溫速度為10℃·h。

方差分析表明(表4)，處理溫度對熱處理材的紅綠指數的影響極顯著，升溫速度對其影響顯著，恒溫時間對其影響不顯著。三因素對木材紅綠指數影響程度依次為：處理溫度>升溫速度>恒溫時間。

表3 熱處理材及素材紅綠指數測試結果及極差分析

表4 熱處理材紅綠指數方差分析

注：**和*分別表示<0.01、<0.05，下同。

2.4 黃藍指數b＊

由表5可知，素材的黃藍指數均值為21.52，經高溫熱處理后，除工藝4、工藝5和工藝6外，其余工藝熱處理材的黃藍指數均有不同程度的降低。工藝9(210℃，4 h，15℃·h)的黃藍指數值最小，比素材降低了31.51%。隨著處理溫度的升高，處理材黃藍指數值先增加后降低；隨著恒溫時間增加，處理材黃藍指數值逐漸降低；隨升溫速度的加快，處理材黃藍指數值先降低后增加。

黃藍指數正值越大表示越偏向黃色，黃色彰顯喜慶、高貴，為人們所喜愛。由表5可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優方案的確定需要區分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為>>R，因素從主到次的順序為處理溫度、恒溫時間、升溫速度。因此，提高黃藍指數的最優工藝為ABC，即處理溫度為190℃，恒溫時間為2 h，升溫速度為20℃·h。

處理溫度、恒溫時間和升溫速度對熱處理材的黃藍指數的影響極顯著(表6)。三因素對木材黃藍指數影響程度依次為：處理溫度>恒溫時間>升溫速度。

表5 熱處理材及素材黃藍指數測試結果及極差分析

表6 熱處理材黃藍指數方差分析

2.5 色相DH＊

素材的色相值均值為15.68(表7)，經高溫熱處理后，桉樹木材的色相值均有不同程度的降低。工藝3(170℃，4 h，20℃·h)的色相值下降最大，比素材下降了42.47%。隨著處理溫度的升高、恒溫時間增加，熱處理材的色相值先增加后降低。隨著升溫速度的加快，處理材的色相值先降低后增加趨勢。A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優方案的確定需要區分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為>>，因素從主到次的順序為處理溫度、升溫速度、恒溫時間。

方差分析表明(表8)，處理溫度對熱處理材的色相值的影響極顯著；升溫速度對其影響顯著；恒溫時間對其影響不顯著。三因素對木材色相值影響程度依次為：處理溫度>升溫速度>恒溫時間。

2.6 色飽和度C＊

由表9可知，素材的色飽和度均值為22.93，經高溫熱處理后，桉樹木材的色飽和度均有不同程度的變化。工藝9(210℃，4 h，15℃·h)的色飽和度最低，比素材降低了22.76%。隨著處理溫度的升高, 熱處理材的色飽和度呈先增加后減少趨勢；隨著恒溫時間的增加，處理材色飽和度呈逐漸降低趨勢；隨著升溫速度的加快，處理材色飽和度呈先減少后增加趨勢。A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優方案的確定需要區分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為>>，因素從主到次的順序為處理溫度、恒溫時間、升溫速度。因此，提高色飽和度的最優方案為ABC，即處理溫度為190℃，恒溫時間為2 h，升溫速度為10℃·h?？梢猿浞掷脽崽幚砉に噷︻伾挠绊?，根據木制品需要，改變其美學特征，即選擇合適的工藝，對一些淺色的木材進行熱處理，使其顏色的凝重高貴，可以用便宜的木材來取代貴重和高級的木質材料，從而提高其附加值。

方差分析表明(表10)，處理溫度、恒溫時間和升溫速度對熱處理材的色飽和度的影響極顯著；三因素對木材色飽和度影響程度依次為：處理溫度>恒溫時間>升溫速度。

表7 熱處理材及素材色相值測試結果及極差分析

表8 熱處理材色相方差分析

表9 熱處理材及素材色飽和度測試結果及極差分析

表10 熱處理材色飽和度方差分析

2.7 色差△E

由表11可知，素材的色差值均值為32.16，經高溫熱處理后，低齡桉樹木材的色差均有不同程度的降低。工藝9(210℃，4 h，15℃·h)的色差下降最大，比素材降低了69.19%。隨著處理溫度的升高、恒溫時間增加，熱處理材的色差均呈降低趨勢；隨著升溫速度的加快，熱處理材的色差逐漸增加。經熱處理后，桉樹木材色差變小的原因可能為：(1)隔條與木材的接觸部位跟熱處理木材的表面有顏色差異，即熱處理過程中的隔條造成的木材表面的顏色不均勻；(2)熱處理過程中木材心邊材的熱處理程度不一致，邊材部分顏色加深，與心材顏色相近。

由表11還可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優方案的確定需要區分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為>>，因素從主到次的順序為處理溫度、恒溫時間、升溫速度。為使熱處理后桉樹木材的色差值變化率最小，則應選用的最佳工藝為：熱處理溫度為170℃，熱處理時間為2 h，升溫速度為20℃·h；色差值變化率最大的工藝為：熱處理溫度為 210℃，熱處理時間為4 h，升溫速度為10℃·h。

方差分析表明(表12)，處理溫度和恒溫時間對熱處理材的色差影響極顯著；升溫速度對其影響顯著。三因素對木材色差影響程度依次為：處理溫度>恒溫時間>升溫速度。

表11 熱處理材及素材色差值測試結果及極差分析

表12 熱處理材色差方差分析

3 結論

(1)經高溫熱處理后，桉樹木材的明度值均有不同程度降低，變幅范圍為35.90 ~ 63.97；桉樹木材的紅綠指數均有不同程度提高，變幅范圍為9.66 ~ 12.82；桉樹木材的黃藍指數大部分有不同程度降低，變幅范圍為14.74 ~ 22.34。

(2)隨著處理溫度的升高、恒溫時間的延長、升溫速度的減慢，熱處理材的明度值降低；熱處理材顏色偏向紅色，即紅綠指數提高。處理溫度和升溫速度對影響極顯著或顯著；恒溫時間對值值影響極顯著，對值影響不顯著。

(3)經高溫熱處理后，桉樹木材的色相值有不同程度降低，變幅范圍為9.02 ~ 12.06。處理溫度對熱處理材的色相值的影響極顯著；升溫速度對其影響顯著；恒溫時間對其影響不顯著。

(4)經高溫熱處理后，桉樹木材的色差值有不同程度降低，變幅范圍為9.91 ~ 34.14。處理溫度和恒溫時間對熱處理材的色差影響極顯著；升溫速度對其影響顯著。

(5)經高溫熱處理后，桉樹木材的色飽和度均有不同程度的變化，變幅范圍為17.71 ~ 25.79。熱處理溫度對熱處理材的色飽和度的影響極顯著；恒溫時間、升溫速度對其影響不顯著。

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Effects of High Temperature Heat-treatment on Color Variance in YoungTimber

LU Cuixiang, JIANG Huichuan, LIU Yuan, ZHOU Wei, LU Min, CHEN Jianbo

(,)

timber was heat treated to temperatures of 170℃,190℃ or 210℃for durations of 2 h, 3 h or 4 h, and subject to heating rates of 10℃·h, 15℃·hor 20℃·husing superheated steam as the heating medium. The color variance after different heat treatment conditions was then evaluated. The results showed that as、anddecrease,increases butanddid not show significant changes, compared to untreated wood. The treatment temperature had a significant effect on subsequent wood color, and the order of the three factors on wood color was as follows: treatment temperature > constant temperature time > heating rate.

dry heat treatment; eucalyptus wood; color variance

10.13987/j.cnki.askj.2021.02.002

S781.69

A

廣西優良用材林資源培育重點實驗室開放課題“熱改性桉木表面顏色調控工藝及機理研究”(2019-B-02-01)；中央財政林業科技推廣示范項目“桉樹人工林可持續經營技術集成示范推廣”(〔2019〕TG 21號)

盧翠香(1982— )，女，高級工程師，主要從事木材科學研究，E-mail：48002809@qq.com

陳健波(1964— )，男，教授級高級工程師，主要從事森林培育研究，E-mail：2283764019@qq.com