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热处理温度对不同树种木材材色影响
张倩,吕蕾,杨亮庆等
要：以热处理木材生产企业常用3 种树种为研究对象,通过研究热处理温度对宏观材色、基本材色指数和色差的影响,分析树种对热处理温度反应存在的差异以及内在相关性.结果表明：相同处理条件下,不同树种材色变化存在显著差异,明度受处理温度影响规律性最为明显,是对热处理温度最为敏感的材色参数,对色差的影响系数较高.
关键词：热处理温度；色差；木材材色；明度
中图分类号：S 781. 7 文献标识码： A
木材材色是影响消费者对木制品印象最直观的要素,同时还是人工林培育、木材改性与利用等的一个重要指标,对木材加工利用具有重要意义[ 1 ].热处理是改良木材效果显著、环保性能最好的一种物理方法,能够显著改变木材颜色,使木材颜色变深,通常变为浅褐色或深褐色,总体明度降低,颜色均匀柔和,视觉舒适,颜色稳定,能给人一种典雅、深沉和高贵的精神感受[ 2 - 3 ].因此该处理方法得到了相关学者、生产企业和公益组织的关注,大量科研和实践工作由此开展,内容涉及到处理工艺参数[ 4 - 5 ]、对木材各项性能影响[ 6 - 9 ]以及影响机理[ 10 - 12 ]等方面,研究成果显著,丰富了木材热处理研究领域,推动了该项技术快速发展.尽管如此,由于该项领域研究起步较晚,各项研究还有待进一步完善,尤其在热处理木材材色视觉特性评价方面还有待进一步完善.本文选用热处理木材生产企业常用的3 种树种为研究对象,从热处理温度对材色变化影响差异入手,研究了热处理对材色美学特性的影响,通过基本材色指数和色差对热处理温度及材色影响进行分析,并就明度和色差对材色影响以及其相关性进行了研究.
1 材料与方法
1. 1 试验材料及设备
试材树种为兴安落叶松（Larix gmelinii）、红胡桃（JUGLANS NIGRA）和红橡（QUERCUS RUBRA）刨光材,规格分别为120 mm×20 mm×2 000 mm、250 mm×20 mm×1500 mm 和200 mm×20 mm×1 500 mm,平均含水率为10.3%.
设备为开原圣意达木材干燥设备有限公司生产的热处理窑；材色测量设备为NF-333 型便携式分光光度计.
1. 2 试验方法
1. 2. 1 测色区域选择
试件的测试区域要求无节子、无裂纹,材质优良,表面清洁,纹理通直且材色较为均匀一致；为保证测试精度,要求测试区域需要避开垫条位置,每块试件选取5 个测试点,每窑每树种取5 块试件用于材色测试；另取15 块试件做配板.
1. 2. 2 热处理工艺设定
考虑到试验目的之一是对比分析不同树种在相同热处理条件下的材色变化差异,故此对3 种树种同窑进行处理,处理温度设定为140、160、180、200℃,处理时间均为6 h.
1. 2. 3 测试测量
对测试区域分别进行标记（图1A）,装窑前和处理完成后分别对标记区域材色指数按顺序进行测量,采用CIE(1976) L* a* b*均匀色空间系统来衡量木材颜色的变化.
2 结果与分析
2. 1 热处理温度对宏观材色的影响通过热处理赋予木材最优的表面视觉特征是提高木材价值的重要途径,因此有必要对不同处理温度下材色变化进行对照分析.图1 中“B、C、D”分别为红胡桃、兴安落叶松和红橡3 树种处理前后材色变化情况,每图中自左至右分别为对照材及140、160、180 及200℃处理材.
就本文涉及到的3 种树种而言,给人的视觉特性差别较为明显,其中,兴安落叶松材色较浅,红胡桃材色偏暗红,红橡材色介于两者之间偏向于深色.热处理后材色均向深色发展,且处理温度越高材色变化越明显；其中,红胡桃和红橡在140℃和160℃时变化程度较小,低于落叶松,而在180℃和200℃时同兴安落叶松变化程度较为一致,材色均明显变暗,说明处理温度对木材的影响程度因树种而异,不同树种对热处理条件的反映也不尽相同.从视觉效果来看,对比各温度处理试件,160℃处理的兴安落叶松呈油,色泽最为美观；红橡和红胡桃由于本身材色较深,热处理对显著提升材色美观性而言意义不大.由此看来,通过热处理方式改良木材材色价值需因树种而异,也说明材色指标可作为评价热处理效果指标的意义.
2. 2 处理温度对材色基本参数的影响
为研究温度条件对热处理木材材色基本参数的影响差异,本研究将每组试验中处理后与处理前材色基本参数的比值做为评价依据（表1）,该值反映了不同温度条件下木材材色3 个基本参数的变化情况.其中,明度（L）受处理温度影响规律性最为明显,是对热处理温度最敏感的材色参数[ 14 ],随热处理温度升高呈下降趋势,两者间具有显著的线性相关性.针对落叶松、红橡和红胡桃3 个树种测得的明度和处理温度间线性相关性决定系数R2 分别达到0.992 5、0.994 6和0.927 4,相比明度指标,b* 值与热处理温度间的相关性则受树种影响较为明显.如落叶松和红橡木处理后与处理前b* 的比值与热处理温度间仍存在显著线性相关性,同明度（L）的比值受处理温度影响趋势相一致,决定系数R2 分别达到0.960 6和0.857 1；但140℃和160℃时,b*值均高于对照材,落叶松材更为明显,从图1 的宏观材色的变化中也反映了这一点；在180℃和200℃时b*值均低于对照材,说明随着温度升高,材色首先偏向发展.而红胡桃的b*值与热处理温度间则不存在线性关系,b*值随着热处理温度的升高先增大,到200℃时下降,且b*值始终低于对照材.从本研究中涉及到的三种树种来看,处理后落叶松a*值均明显高于对照材,说明处理落叶松材色向红色发展；红橡除140℃处理时的a*值低于对照材外,其余条件时的a*值也均高于对照材；而红胡桃则呈现出相反的变化趋势,处理后a*值均明显低于对照材.此外a* 值与热处理温度间不存在相关性,且3 种树种呈现出不同的变化趋势,是3 个材色基本指标中最难以反映处理温度影响的指标.
正确认识热处理参数与材色基本指标间相关性及其影响机制,对于木材无损状态下的工艺制定及预测评价具有重要的现实意义.关于热处理与基本材色指标间相关性的问题,相关学者在不同树种、不同温度范围和处理时间等方面都进行了大量研究,涉及到俄罗斯樟子松、人工林杉木等多个树种,温度范围从140℃到230℃,研究结果表明,明度指标与处理温度相关性的结论与本研究具有一致性,但对a*、b*值与处理温度间相关性问题的结论并不尽一致.程大莉在热处理杉木时得出的结论是：a*、b*值的变化趋势相同；而邓邵平等则在人工林杉木研究中指出,a*、b*值变化趋势并不相同,均未表现出规律性[ 13 - 14 ].
2. 3 处理温度对色差的影响
试验结果显示,随着热处理温度的升高,3 种树种色差均呈现出增大趋势（表2）.根据色差程度鉴定标准,140℃时落叶松和红橡材色变化为“很大”,红胡桃仅为“明显”；自160℃开始,落叶松和红橡材色变化均为“截然不同”等级,而红胡桃仅在200℃时材色变化等级为“截然不同”.可见,树种不同,其材色对处理温度反应状况也不相同,色差变化受树种影响非常明显.如200℃时红橡色差最大,落叶松次之（色差值仅为红橡的74%）,红胡桃最小（色差值仅为红橡的48%）.在热处理各个温度条件下,3 种树种材色对温度的反应也不尽一致,如落叶松在整个温度升高过程中色差呈匀速增大趋势,而红橡和红胡桃的色差变化呈阶段性趋势：在140～180℃时呈较为均匀增大趋势,180～200℃时呈现出急剧增大趋势,这一现象可能与阔叶树材自身特性有关.
对热处理温度和色差进行线性回归分析发现,两者间存在良好的线性相关性,落叶松、红橡和红胡桃3 树种的R2值分别达到0.992 9、0.992 3和0.938 2,表明尽管不同树种对热处理条件的反映存在一定差异,但并不影响色差与热处理温度间的线性相关性,这就为特定的色差变化以及一定材色变化基础上的温度推导等问题的模拟计算奠定了基础,对实践中理想材色控制与预判具有重要的指导意义.与热处理温度和色差间的相关性一致,处理温度与明度间也存在着良好的线性相关性,是因为在色差计算中明度占比较大（表3）,3 个树种在各个温度条件下的明度值对色差的影响系数都达到了一个较高值.关于这一结论,孙龙祥等[ 15 ]在热处理樟子松引起材色变化的研究中指出,木材处理后色差增大主要是由木材明度变化导致；Bekhta 等[ 16 ]在水曲柳试材的研究中也曾得出相同的结论,研究指出,水曲柳材色变化的主要因素是明度值的变化,可以通过明度的变化来表现整体材色的变化趋势,从而分析判断木材处理效果.González-Pena 等[ 17 ]则将明度与色差用于与处理材的力学性能指标进行关联研究,结论是色差与各物理力学性能指标之间的决定系数高于明度的决定系数.
3 结论
3. 1 不同树种材色变化对热处理温度的反应程度存在着差异,其中红橡对处理温度反应最为明显；从视觉特性来看,兴安落叶松在160℃处理的材色最为美观,而热处理对红橡和红胡桃材色美学特性的影响并不显著.
3. 2 明度（L）受处理温度影响规律性最为明显,是对热处理温度最为敏感的材色参数,两者具有显著的线性相关性；色差分析表明,随着处理温度升高,红胡桃色差值明显低于落叶松和红橡,进一步反映了色差变化受树种影响非常明显的现象；明度对色差较高的影响系数表明,色差值主要取决于明度的变化,因此可以通过明度的变化来表征整体材色的变化趋势.
参考文献
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第1 作者简介：张倩（1988-）,女,硕士,研究实习员,研究方向：木材干燥.
通讯作者：杨亮庆（1981-）,男,博士,副研究员,研究方向：木材干燥及改性.
收稿日期：2017 - 01 - 04
（责任编辑： 潘启英）
The Effect of Heat Treatment Temperature on Wood Color of Different Species
ZHANG Qian
（Heilongjiang Institute of Wood Science, Harbin 150081）
Abstract Understanding different species reflect the situation on treatment temperature is important forprecise quality control process. By studying the effect of heat treatment temperature on wood color, basicmaterial and color rendering index of three species of timber, the effect of heat treatment temperature onwood color and the intrinsic correlation were analyzed. The results showed that under the same processconditions, color change of different tree species was significant differences；Regularity between brightnessand processing temperature is the most obvious, which is the most sensitive to the heat treatment temperatureand has a high impact on color change.
Key words Heat treatment Temperature; Color Value; Wood color; Lightness
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1、金属热处理期刊