預處理提高木材染色滲透性的研究

桑雨蒙，張瑞萍

(南通大學紡織服裝學院，江蘇南通 226019)

0 前言

木材染色是改善木材視覺特性的一種重要方法，通過染色可以改良低質材色及仿制名貴木材[1]，使木材紋理更加美觀，是提高木材產品附加值、滿足人們對木材色彩需求的重要途徑[2]。 目前用于木材染色的染料有酸性染料、活性染料、直接染料和金屬絡合染料[3]，由于木材紋孔膜內孔隙的半徑太小以及存在大量抽提物，導致木材染色滲透性差[4－5]。 目前主要是通過對木材進行化學和物理方法處理，來減少木材的抽提物含量，提高染料分子在木材中的滲透性[6－7]，從而改善木材的染色效果。

本文以楊木為研究對象，采用耐曬牢度好、滲透性差的直接絡合染料進行染色，以木材橫縱截面的顯微鏡照片評價滲透性，采用單一因素法研究了預處理劑濃度、時間、溫度等對楊木直接染料染色效果的影響，優化確定預處理工藝，為提高楊木的染色效果提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

材料:楊木，尺寸為長寬厚為60 mm×45 mm×1 mm(江蘇彩旭木業)。

藥品:直接絡合染料BRR(工業級，虹光化學工業股份有限公司)、滲透劑JFC(工業級，南通金仕達高精實業股份有限公司)、燒堿、30%過氧化氫、硅酸鈉、純堿、元明粉(分析純，南通默克化學試劑與儀器有限公司)。

儀器:HH－S 恒溫水浴鍋(浙江省余姚市檢測儀器廠)，EL 303 電子天平(梅特勒－托利多儀器上海有限公司)，ECOdyerXC－F1高溫高壓染色機(廈門瑞比精密機械有限公司)，Datacolor 650 測色配色儀[德塔顏色商貿(上海)有限公司]，101AB－1 電熱恒溫鼓風干燥箱(江蘇省海門市恒瑞通用儀器廠)，WSB－3A 智能式數字白度儀(上海精密儀器儀表有限公司)，DVM 5000 HD 光學顯微鏡(德國徠卡儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 NaOH 處理方法

將木材試樣放入濃度為100 g/L~250 g/L 的NaOH 溶液中，在30 ℃~90 ℃處理30 min~90 min，然后沸水洗滌三次至中性，放入恒溫烘箱60 ℃烘干。

1.2.2 H2O2處理方法

將木材試樣放入濃度為2 g/L~8 g/L 的硅酸鈉穩定劑和濃度為30 g/L~90 g/L 的30%過氧化氫的燒杯中，加入10 g/L 滲透劑JFC，并用10%碳酸鈉調節溶液pH 值為10－11，在60 ℃~90 ℃處理0.5 h~3 h，然后沸水洗滌三次至中性，放入恒溫烘箱60 ℃烘干。

1.2.3 直接染料染色方法

直接染料濃度1 %(o.w.f)，元明粉30 g/L，在浴比1 ∶100 下染色，染色溫度為80 ℃，染色時間120 min，染色后水洗烘干。

1.3 測試方法

1.3.1 白度測試

采用WSB－3A 智能式數字白度儀測定織物白度值，每塊木材測四次，取平均值。

1.3.2 染色木材顏色特征值測定

用Datacolor 650 測色配色儀，在D65 10°光源下測試織物的表面深度K/S，每塊木材測四次，取平均值。

1.3.3 滲透性測試

將染色后木材從中間截斷，分別將橫向截面和縱向截面放入顯微鏡下觀察染料對木材內部的滲透性。

2 結果與討論

2.1 NaOH 處理提高木材染色滲透性的單因素分析

2.1.1 NaOH 處理濃度對木材染色滲透性的影響

固定處理溫度30 ℃、時間30 min、浴比50 ∶1，改變NaOH 預處理濃度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S值，如下圖2、圖3。

由圖2 可知，經NaOH 預處理后，直接染料對木材的橫向和縱向滲透性提高，且隨著處理濃度的增加，染色滲透性改善效果呈遞增趨勢，在濃度為200 g/L 時染料滲透性最好。 這是因為一方面，NaOH 與木材中的水溶性抽提物發生化學反應，生成易溶于水的化合物，從而增大其溶解度；另一方面，NaOH 與木材中不溶性抽提物，如油脂、蠟狀物質也可以發生皂化反應，而生成溶于水的化合物；此外，NaOH 與含氮化合物中蛋白質分子的酰胺鍵發生水解反應形成簡單的氨基酸；NaOH 還會將果膠物質與纖維素分子之間的酯鍵水解成羧基，并轉變成為鈉鹽，同時也可能發生分子鏈的斷裂，從而提高了它在水中的溶解度[8]。 所以，隨著NaOH 濃度的提高，能夠充分溶解木材內部抽提物，進一步打通木材內部孔道，從而提高木材染色滲透性。

由圖3 可知，木材的直接染料染色色深值隨預處理中NaOH 濃度增加而增加，這是因為NaOH 預處理能夠使得木材內部孔隙變大，無定形區增加[9]，從而染料能夠更容易吸附在木材表面及內部；NaOH 處理木材的白度基本不變。 因此，綜合考慮滲透性和色深值，選用處理濃度200 g/L。

2.1.2 NaOH 處理時間對木材染色滲透性的影響

固定處理溫度30 ℃、濃度200 g/L、浴比50 ∶1，改變NaOH 的處理時間，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖4、圖5。

由圖4 可知，當NaOH 處理30 min 時，木材的橫向和縱向滲透性最好。 這是因為木材抽提物濃堿在30 min 時能夠反應完全，生成溶于水的化合物。

由圖5 可知，與未處理相比，隨著堿處理時間的增加，白度基本不變，木材染色色深值增加。

2.1.3 NaOH 處理溫度對木材染色滲透性的影響

固定處理時間30 min、濃度200 g/L、浴比50 ∶1，改變NaOH 的處理溫度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖6、圖7。

由圖6 可知，隨著溫度的升高，直接染料對木材的橫向和縱向滲透性提高，在70 ℃時滲透效果最好，這是因為溫度的升高，NaOH 與木材中水溶性抽提物的化學反應速度加快，生成物的溶解度也隨溫度升高而增大；而抽提物中不溶于水的油脂、蠟狀物質只有在溫度高的NaOH 溶液中才能發生皂化而溶解，溫度升高，皂化速度加快；果膠物質與纖維素分子間形成的酯鍵，也只有在較高的溫度NaOH 處理中才能徹底水解去除[10]，當溫度升至70 ℃后，繼續升溫，滲透性效果改善不大。

由圖7 可知，隨著溫度的增加，木材白度稍下降，木材染色的色深值增加。

綜上，堿預處理使木材的白度稍下降，色深值增加，木材染色的滲透性提高，優化的木材NaOH預處理工藝參數為:NaOH 的質量濃度200 g/L 、處理時間30 min、浴比50 ∶1、處理溫度70 ℃。

2.2 H2O2處理提高木材染色滲透性的單因素分析

2.2.1 穩定劑(硅酸鈉)濃度對木材染色滲透性的影響

固定H2O2的質量濃度50 g/L 、滲透劑10 g/L、pH 值10－11、處理溫度90 ℃、處理時間1 h、浴比50 ∶1，改變穩定劑的預處理濃度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖8、圖9。

由圖8 可知，H2O2預處理中，硅酸鈉在H2O2漂白中起穩定劑的作用，減少H2O2的無效分解。 在穩定劑濃度4 g/L 時，直接染料對木材的橫向和縱向滲透性均較好。 H2O2對還原性抽提物具有氧化分解能力和木質素的降解能力；而且H2O2漂白時加入的硅酸鈉和碳酸鈉維持漂液為堿性，木材的部分抽提物可與這些堿劑發生反應，生成溶于水的化合物，提高了抽提物的溶解度。 但當硅酸鈉加入量過多時會使硅酸鹽沉積在木材纖維的表面上，從而影響滲透的效果[11]。

由圖9 可知，隨穩定劑濃度增加，H2O2預處理木材的白度和染色色深值均較未處理增加，綜合滲透性考慮，選用穩定劑濃度4 g/L。

2.2.2 H2O2濃度對木材染色滲透性的影響

固定滲透劑10 g/L、pH 10－11、溫度90 ℃、時間1 h、浴比50 ∶1，根據2.3.1 漂白與穩定劑濃度比例(H2O2的質量濃度50 g/L 時，穩定劑濃度為4 g/L)，改變H2O2的預處理濃度的同時改變穩定劑濃度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖10、圖11。

圖1 直接染料染色工藝流程

圖2 不同濃度NaOH 預處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖3 NaOH 濃度對木材白度和染色K/S 值的影響

圖4 不同時間NaOH 預處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖5 NaOH 處理時間對木材白度和染色K/S 值的影響

圖6 不同溫度NaOH 預處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖7 NaOH 處理溫度對木材白度和染色K/S 值的影響

圖8 不同穩定劑濃度H2O2處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖9 穩定劑濃度對木材白度和染色K/S 值的影響

圖10 不同濃度H2O2木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖11 H2O2濃度對木材白度和染色K/S 值的影響

由圖10 可知，隨著H2O2濃度的增加，直接染料對木材的橫向及縱向滲透性提高，在H2O2濃度90 g/L 時染料滲透性最好，這是因為H2O2濃度升高，對還原性抽提物的氧化能力加強，所以木材滲透性得到了改善；

由圖11 可知，后，隨H2O2濃度增加，預處理木材的白度和染色色深值均增加，特別是白度較未處理增加明顯，這是因為H2O2對木材中的天然色素的漂白作用。 因此，綜合考慮滲透性和色深值，選用H2O2濃度90 g/L。

2.2.3 H2O2處理時間對木材染色滲透性的影響

固定H2O2的質量濃度90 g/L 、穩定劑的質量濃度7.2 g/L、處理溫度90 ℃、浴比50 ∶1，改變處理時間，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖12、圖13。

圖12 不同時間H2O2處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖13 H2O2處理時間對木材白度和染色K/S 值的影響

由圖12 可知，直接染料對木材染色滲透性隨漂白時間延長而提高，處理2 h 時染料對橫縱向的滲透性最好，這是因為H2O2和堿劑對抽提物的降解需要一定時間，才能溶解抽提物和降解木質素，減小流體傳輸阻力，逐漸打通流體傳質通道[12]。

由圖13 可知，隨著H2O2處理時間的增加，木材的白度和染色色深值均提高，這是因為處理時間增加，漂白更充分。 綜合考慮，選用H2O2處理時間2 h。

2.2.4 H2O2處理溫度對木材染色滲透性的影響

固定H2O2的質量濃度90 g/L 、穩定劑的質量濃度7.2 g/L、處理時間2 h、浴比50 ∶1，改變處理溫度，采用1.3.1 染色工藝與配方，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖14、圖15。

圖14 不同溫度H2O2木材染色后的處理橫向及縱向的顯微鏡圖

圖15 H2O2處理溫度對木材白度和染色K/S 值的影響

由圖14 可知，隨著H2O2處理溫度的增加，直接染料對木材橫向和縱向滲透性增加，在漂白溫度90 ℃時染料滲透性最好。 這是因為溫度越高，硅酸鈉和純堿水解能力越大，產生更多的OH－離子[12]，另外，OH－離子與木材抽提物的反應速度隨溫度升高而加快，反應更徹底，有利于提高木材的染色滲透性能。

由圖15 可知，隨著H2O2處理溫度的增加，木材的白度和染色色深值均增加，因此，綜合滲透和色深，選擇處理溫度90 ℃。

綜上，H2O2預處理能明顯提高木材白度和色深值，但色深值的提高沒有堿預處理明顯，染色滲透性的改善也不如堿預處理，對木材優化的H2O2漂白預處理工藝參數為:H2O2的質量濃度90 g/L 、穩定劑的質量濃度7.2 g/L、處理溫度90 ℃、浴比50 ∶1、處理時間2 h。

對比NaOH 和H2O2對木材的預處理效果，NaOH、H2O2在改善木材滲透性的同時，NaOH 對木材色深值改善更明顯，H2O2對木材顏色的艷度改善更明顯；綜合二者的優勢，選擇H2O2與NaOH 對木材進行復合處理。

2.3 NaOH－ H2O2復合處理對木材染色滲透性的分析

采用1.3.1 染色工藝與配方，將兩種預處理優化工藝復合，通過顯微鏡觀察染色木材橫向及縱向截面，評價透染程度，并測試木材預處理后的白度和染色后K/S 值，如下圖16、圖17。

圖16 不同預處理木材染色后的橫向及縱向的顯微鏡圖

圖17 不同預處理對木材白度和染色K/S 值的影響

由圖16、17 可知，復合預處理對木材的橫向及縱向滲透性比單一預處理效果更好。 這是因為在復合預處理中，充分發揮了H2O2和NaOH 對木材孔隙中抽提物的氧化分解和溶解能力，打通木材內部紋孔結構，提高木材滲透性。 而NaOH－ H2O2復合處理后滲透性效果最好，這是因為H2O2－ NaOH復合處理，即染色前進行高濃度堿處理，堿處理后如果木材內部去堿不凈會影響后續直接染料的染色PH 環境，從而影響染色效果。

3 結論

(1)NaOH 預處理木材的優化工藝參數為:NaOH 的質量濃度200 g/L 、處理時間30 min、浴比50 ∶1、處理溫度70 ℃；NaOH 預處理提高木材染色滲透性的同時，使染色木材的色深值明顯提高。

(2)H2O2預處理木材的優化工藝參數為:H2O2的質量濃度90 g/L 、穩定劑的質量濃度7.2 g/L、處理溫度90 ℃、浴比50 ∶1、處理時間2 h； H2O2預處理提高木材染色滲透性的同時，使染色木材的鮮艷度獲得提高，但色深值的提高不如堿預處理明顯。

(3)NaOH － H2O2復合預處理能夠在提高木材染色滲透性的同時，增加木材染色色深值及鮮艷度。