CN109333716B - 一种木材表面化学变色方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木材表面化学变色方法。该方法是先在木材表面涂敷氯化铜溶液，干燥后再向木材表面涂敷变色剂，再次干燥,完成木材的变色，制得成品。本发明具有优越的渗透性能，变色溶液与木材的结合强度更高，抗流失性更好，使得本发明制得产品呈现的色彩更加丰富、纹理更加清晰、层次感更强，而且变色的方法操作简单，加工过程更为环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种木材表面化学变色方法，属于木材制造领域。
背景技术
近年来，我国对于木材资源特别是天然珍贵木材的需求越来越大，但是我国本身的木材资源不断的减少，需要大量的从外进口，我国木材资源严重匮乏，尤其是天然珍贵硬阔叶材，为了尽量提高木材的经济附加值，大范围的使用木材单板来进行木制品的表面装饰成为了发展的主要的趋势。木材有着非常好的力学性能和装饰性，在使用过程中，对木材的表面修饰是在木材使用过程中的一个必不可少的过程。传统的木材涂饰方式大都为油漆添加染料涂饰，降低了木材纹理清晰度，木材本身颜色失真，天然纹理也被覆盖，颜色过于一致，木材的天然性也大大的降低。随着环保呼声的日益高涨，在不使用染料的前提下，通过物理、化学的方法诱发木材变色，使其获得均匀美观而且自然的颜色，保留木材原有的自然纹理，是木材颜色优化研究的一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种木材表面化学变色方法。本发明具有优越的渗透性能，变色溶液与木材的结合强度更高，抗流失性更好，本发明制得产品呈现的色彩不仅更加丰富、纹理更加清晰、层次感更强，而且变色的方法操作简单，加工过程更为环保。
本发明的技术方案：一种木材表面化学变色方法，该方法是先在木材表面涂敷氯化铜溶液，干燥后再向木材表面涂敷变色剂，再次干燥,完成木材的变色，制得成品。
上述的木材表面化学变色方法，所述的变色剂按重量份包括变色物质5-30份、固色剂1-5份、表面活性剂10-100份和水800-970份；所述的变色物质为含铁离子、亚铁离子、铬离子或锰离子的金属盐溶液。
前述的木材表面化学变色方法，所述的金属盐溶液是氯化铁。
前述的木材表面化学变色方法，所述的氯化铜溶液的质量百分浓度为1％-5％。
前述的木材表面化学变色方法，所述氯化铜溶液的质量百分浓度为2％。
前述的木材表面化学变色方法，所述的固色剂包括紫外线吸收剂，所述紫外线吸收剂为氧苯酮、水杨酸苯酯、2-(2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基)苯并三氮唑、2，4-二羟基二苯甲酮或2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮。所述表面活性剂为聚氧乙烯20油醚、烷基酚聚氧乙烯醚、烷基磺酸钠或十二醇硫酸钠。
前述的木材表面化学变色方法，所述固色剂还包括阳离子型季铵盐,所述阳离子型季铵盐与紫外线吸收剂以1：1进行配比，所述阳离子型季铵盐为氯化十六烷基吡啶或溴化十六烷基吡啶。
前述的木材表面化学变色方法，所述紫外线吸收剂为水杨酸苯酯；所述阳离子型季铵盐为氯化十六烷基吡啶；所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚。
前述的木材表面化学变色方法，所述的干燥方法是在真空式干燥箱内干燥。
前述的木材表面化学变色方法，在向木材单板涂覆氯化铜溶液前，先将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至100-185℃，且保持蒸气压力处于不饱和状态。
与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明改进了木材变色的方法以及木材变色方法中的成分，分次与木材单板进行反应，诱导木材单板进行变色，经过两次处理，木材的颜色更加丰富，得到的颜色种类更多，呈现的颜色自然漂亮、纹理更加清晰、层次感更强，而且木材单板变色的方法操作简单，加工过程更为环保，并具有很好的抗菌抗蛀虫能力。本发明采用两种化学溶液分次涂敷的方法，可以诱导木材发生化学反应，从而得到更多的颜色，丰富了木材的颜色多样性。通过含有铁离子、亚铁离子、铬离子或锰离子的金属盐溶液作为变色剂的主要变色成分对木材单板进行二次变色，形成更加丰富的颜色。而且相比市场上常用的如偶氮类染料，毒性更小，对木材的渗透性更强，着色材层次感强，无需加热即可反应。同时，铜离子有很好的杀菌抗菌能力，变色后的单板抗菌能力、抗虫蛀能力有了很好的改善。综上所述，本发明为优化木材颜色提供了新思路和新方法，对提高木材品质和木材的科学加工与高效利用具有重要的意义和实用价值。
(2)本发明利用铁离子、亚铁离子、铬离子或锰离子诱导木材单板中的木素分子、单宁分子变色，木素分子中含有甲氧基、羟基和羰基，这些功能基可作为铁离子、铬离子或锰离子的吸附位点与其发色络合，形成不同的颜色；单宁分子内有多个邻位酚羟基，可作为多基配体与一个中心金属离子络合，形成环状螯合物，在络合的同时发生氧化还原反应，例如铜离子与单宁反应形成了单宁铜或者单宁酸铜。单宁自身氧化成醌而颜色加深。依靠木材化学变色，铁离子、亚铁离子、铬离子或锰离子与木材单板中的分子形成稳定化学键，与木材单板中木材分子的结合强度更高，抗流失性更强。木材化学变色剂中的原料成分包含紫外线吸收剂，木板单板变色后的颜色稳定性和耐光性也有了大幅度的提高，而且木材化学变色剂在使用过程中无需加热，制做方式简单，木材化学变色的反应快，处理工艺较为简单。
(3)本发明的固色剂原料成分中包括紫外线吸收剂，木板变色后的颜色稳定性和耐光性也有了大幅度的提高。
(4)作为进一步的优选，在向木材单板涂覆氯化铜溶液前，喷加热蒸气对木材进行加热，且保持蒸气压力处于不饱和状态；该工序可以有效地抽提出木材内的部分空气和部分内含物，打通变色剂的渗透渠道，提高变色剂的变色效果和渗透率，以及变色剂在木材上的附着度。
(5)经本发明制得的变色木材，并按常规检测标准对变色部分进行项目检测，木材单板中变色渗入深度达到5～10mm，较传统的油漆添加染料修饰的表层作色方法更加具有的渗透率，而且大幅度的减少甲醛的使用，更为的环保。对木材单板的变色层进行耐磨性检测，较传统油漆表层作色方法相比，耐性系数提升了2倍以上。利用化学力显微镜技术对金属离子与木材分子中形成的化学键进行成像显示，木材化学变色剂中金属离子与木材分子中形成的化学键的键能远远大于传统方法中使用染色剂对木材进行染色剂形成色素分子与木材分子之间的范德华力和氢键，而且其化学键的排列方式和组合更具有规则性和连续性，因此木材单板上的变色层结合牢度强，抗流失性更好。
附图说明：
图1：本发明制得的变色木材与常规方法制得的染色木材的对比图A；
图2：本发明制得的变色木材与常规方法制得的染色木材的细菌菌落的光学显微镜成像对比图；
图3：本发明制得的变色木材涂覆氯化铜溶液或变色剂的效果对比图。
图4：蒸气压力饱和状态下的相应的蒸气温度数据图A；
图5：蒸气压力饱和状态下的相应的蒸气温度数据图B；
图6：本发明制得的变色木材在不同蒸汽压力和温度下的颜色层渗透率；
图7：本发明制得的变色木材和常规方法制得的染色木材的化学力显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：一种木材表面化学变色方法：
按下述质量份比例分别在不同容器中加入氯化铜溶液和变色剂的原料，混合搅拌均匀；
氯化铜溶液
氯化铜10g、水950g；
变色剂
氯化亚铁5g、水杨酸苯酯1g、
烷基酚聚氧乙烯醚10g、水950g。
利用上述的氯化铜溶液和变色剂对白橡木材质的木材单板进行木材化学变色，并按下述步骤进行：
1.将木材单板进行干燥处理，干燥至木材单板中的含水量为9％；
2.将氯化铜溶液用擦涂方式均匀地涂覆在干燥后的木材单板上，涂覆量为30g/m2，均匀涂覆后置于真空干燥箱内在55℃下，快速干燥25秒，制得半成品；
3.将变色剂用擦涂方式均匀地涂覆在半成品上,涂覆量为30g/m2,均匀涂覆后置于真空干燥箱内在55℃下，快速干燥25秒,完成木材变色，制得成品。
实施例2：一种木材表面化学变色方法：
按下述质量份比例分别在不同容器中加入氯化铜溶液和变色剂的原料，混合搅拌均匀；
氯化铜溶液
氯化铜20g、水980g；
变色剂
氯化铁10g、水杨酸苯酯1g、
氯化十六烷基吡啶1g、
烷基酚聚氧乙烯醚60g、水922g。
利用上述的氯化铜溶液和变色剂对白橡木材质的木材单板进行木材化学变色，并按下述步骤进行：
1.将木材单板进行干燥处理，干燥至木材单板中的含水量为9％；
2.将氯化铜溶液用擦涂方式均匀地涂覆在干燥后的木材单板上，涂覆量为35g/m2,均匀涂覆后置于真空干燥箱内在60℃下，快速干燥30秒，制得半成品；
3.将变色剂用擦涂方式均匀地涂覆在半成品上,涂覆量为35g/m2,均匀涂覆后置于真空干燥箱内在60℃下，快速干燥30秒,完成木材变色，制得成品。
实施例3：一种木材表面化学变色方法：
按下述质量份比例分别在不同容器中加入氯化铜溶液和变色剂的原料，混合搅拌均匀；
氯化铜溶液
氯化铜50g、水990g；
变色剂
氯化锰30g、2，4-二羟基二苯甲酮2.5g、
溴化十六烷基吡啶2.5g
烷基酚聚氧乙烯醚100g、水900g。
利用上述的氯化铜溶液和变色剂对白橡木材质的木材单板进行木材化学变色，并按下述步骤进行：
1.将木材单板进行干燥处理，干燥至木材单板中的含水量为9％；
2.将氯化铜溶液用擦涂方式均匀地涂覆在干燥后的木材单板上，涂覆量为35g/m2,均匀涂覆后置于真空干燥箱内在65℃下，快速干燥35秒，制得半成品；
3.将变色剂用擦涂方式均匀地涂覆在半成品上,涂覆量为35g/m2,均匀涂覆后置于真空干燥箱内在65℃下，快速干燥35秒,完成木材变色，制得成品。
取对照例1：选用市面销售按照常规方法制得的某公司的染色木材1。
实施例1、实施例2和实施例3中具体用于木材的诱导变色有效成分别为氯化亚铁、氯化铁和氯化锰，制得的木材单板表面变色部分的效果图与对照例1、对照例2的效果图如附图1-2所示。图1中实施例1、实施例2和实施例3和对照例1取相似的表面纹理的木材单板表面作为观察对象，从图1可以明显的看出，改进了木材变色的方法以及木材变色方法中的成分，分次与木材单板进行反应，诱导木材单板进行变色，变色之后的实施例1、实施例2和实施例3的木材单板与对照例1相比，经过两次处理，木材的颜色更加丰富，得到的颜色种类更多，呈现的颜色自然漂亮、纹理更加清晰、层次感更强，而且从图1和图2可以看出实施例2中的诱导木材单板的变色效果最佳。通过市面上常规的检测仪器对实施例1、实施例2、实施例3、对照例1中的木材单板进行有害气体检测，发现实施例1、实施例2、实施例3的木材单板由于未采用常规的染色剂和染色工艺甲醛更少，毒性更小。在对实施例1、实施例2、实施例3与对照例1进行常规的细菌菌落污染后，取实施例1、实施例2和对照例1进行光学显微镜观察，对变色层或染色层表面进行细菌菌落成像，其成像结果如附图2所示。对比实施例和对照例，可以明显的看出，通过本发明对木材进行多次化学变色，其保持了铜离子的杀菌抗菌能力，实施例中细菌菌落相对于对照例中的数量大幅下降，变色后的单板抗菌能力、抗虫蛀能力有了很好的改善。
实施例4：取实施例2的变色木材作为试件1.
试件2：改变实施例2中的制备方法，将氯化铜溶液用擦涂方式均匀地涂覆在木材单板上，涂覆量为35g/m2,均匀涂覆后采用置于真空干燥箱内在60℃下，快速干燥30秒，但不进行变色剂的涂覆，并制得半成品作为试件2。
试件3：改变实施例2中的制备方法，在涂覆变色剂之前不进行氯化铜溶液的涂覆，将变色剂直接用擦涂方式均匀地涂覆在木材单板上,涂覆量为35g/m2,均匀涂覆后采用置于真空干燥箱内在60℃下，快速干燥30秒，所制得的变色木材作为试件3。
对比试件1、试件2和试件3，所改变的条件为试件1为氯化铜溶液与变色剂均涂覆，试件2只涂覆了氯化铜铜溶液,试件3只涂覆了变色剂，最后形成的效果图如附图2所示。附图3中显示的试件1相对于试件2和试件3，其二次变色后的木材单板的颜色更加自然漂亮、纹理更加清晰、层次感更强，而使用单一使用氯化铜溶液或变色剂进行变色，其效果相对于二次变色后的木材呈现的效果越显不足。因此，对木材单板进行两次变色处理，木材的颜色更加丰富，得到的颜色种类更多，实用性较强。
实施例5：取实施例2的变色木材作为试件A。
试件B：取市面销售按照常规方法制得的染色木材作为试件B。
试件C：改变实施例2中的制备方法，在对木材进行干燥处理前，将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至125℃，且使处理罐内蒸汽压力保持在0.2MPa，使处理罐内蒸汽压力处于不饱和状态，参照附图4-5所示，保持5小时，处理后按照实施例2中剩余步骤进行，制得试件C。
试件D：改变实施例2中的制备方法，在对木材进行干燥处理前，将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至165℃，且使处理罐内蒸汽压力保持在0.2MPa，参照附图4-5所示，此时处理罐内的蒸汽压力处于不饱和状态，并按照实施例2中剩余步骤进行，制得试件D。
试件E：改变实施例2中的制备方法，在对木材进行干燥处理前，将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至125℃，且使处理罐内蒸汽压力保持饱和状态，参照附图4-5所示，此时处理罐内的蒸汽压力为0.23MPa，并按照实施例2中剩余步骤进行，制得试件E。
试件F：改变实施例2中的制备方法，在对木材进行干燥处理前，将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至165℃，且使处理罐内蒸汽压力保持饱和状态，参照附图4-5所示，此时处理罐内的蒸汽压力为0.71MPa，并按照实施例2中剩余步骤进行，制得试件F。
试件G：改变实施例2中的制备方法，在对木材进行干燥处理前，将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至180℃，且使处理罐内蒸汽压力保持饱和状态，参照附图4-5所示，此时处理罐内的蒸汽压力为1MPa，并按照实施例2中剩余步骤进行，制得试件F。
对试件A、B、C、D、E、F、G的染色层部位进行切剧处理，并测量其染色剂的染透率，测量结果如附图6所示。对比常规染色方法制得的试件B与按照本发明制得的试件A、C、D、E、F、G的木材染色层的厚度，可以明显的发现，本发明制得的木材单板中染色层的厚度大于常规方法制得的染色木材，因此，通过本发明诱导木材化学多次变色所呈现的颜色渗透率显著增强。
对比试件A，试件F、试件C、试件E、试件D和试件G在染色层的厚度上大于试件A的染色层厚度，并其按照相同的温度和变色方法进行木材化学染色，实际发现处理罐内蒸汽压力处于不饱和状态的颜色染透率明显好于处理罐内蒸汽压力处于饱和状态的颜色染透率，变色效果更好。由此可见，在木材单板干燥处理前，将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气进行加热处理，且保持蒸气压力处于不饱和状态；该工序可以有效地抽提出木材单板内的部分空气和部分内含物，打通渗透渠道，提高变色剂的变色效果和对木材单板的染透率。但温度在165℃的时候比125℃的木材颜色厚度量更浅，主要是因为木材在高温时会被碳化，其木材表面的木素分子、单宁分子在高温下脱水碳化，无法与木材变色剂中的铜离子进行络合反应，从而使得高温蒸汽下的木材染色层厚度变浅。
实施例6：除对实施例1、实施例2、实施例3、对照例1进行表面的颜色观察和木材变色层的渗透率测量之外，还对颜色层进行耐磨性进行检测。采用砂纸耐磨试验(SPAT)-将实施例1、实施例2、实施例3、对照例1分别用正方形(5厘米×5厘米)的砂纸片摩擦，以每分钟50次来回摆动砂纸，使木材单板的木材颜色层的厚度的受摩擦而损失，待颜色层摩擦殆尽后显示木材单板的本身颜色，以颜色层消除殆尽时的摩擦次数和摩擦时间来表示其渗透率，并测量颜色层的厚度，测得结果如表1所示。
表1
对比对照例和实施例的砂纸耐磨试验，依据本发明使木材化学变色，木材单板上的颜色层厚度达到2.9-3.5mm，摩擦时间和摩擦次数都较常规方法表层作色的木材大大提高，由此以颜色层消除殆尽时的摩擦次数和摩擦时间来表示其渗透率，本发明的有效的改善了木材颜色渗透率。本发明的金属盐溶液中的金属离子诱导木材单板中的木素分子、单宁分子变色，木素分子中含有甲氧基、羟基和羰基，这些功能基可作为金属离子的吸附位点与其发色络合，形成不同的颜色；单宁分子内有多个邻位酚羟基，可作为多基配体与一个中心金属离子，形成环状螯合物，在络合的同时发生氧化还原反应，例如铜离子与单宁反应形成了单宁铜或者单宁酸铜。单宁自身氧化成醌而颜色加深。依靠木材化学变色，金属离子与木材单板中的分子形成稳定化学键，与木材单板中木材分子的结合强度更高，颜色层消除殆尽的需要的摩擦次数更多和摩擦时间更长，颜色层的抗流失性更强。
在砂纸耐磨试验结束后，还通过采用化学力显微镜技术对铜离子和铁离子与木材分子中形成的化学键进行强度测定。通过对AFM探针进行功能化修饰，使针尖的表面带有特殊的官能团，可以识别存在于同一表面内的不同官能团，进行表面组分成像。利用化学力显微镜对
实施例2、实施例5中的试件C和对照例1进行识别存在于同一表面内的不同官能团，随后进行表面组分成像。如附图7可以明显的看出对照例染色剂分子与木材分子间的存在的化学力为分子间的范德华力或氢键，其成键方式不规则，分子间作用力小，排列方式较为凌乱；而而实施例2和实施例5中的试件C中，金属离子诱导木材单板中的木素分子、单宁分子变色，木素分子中含有甲氧基、羟基和羰基，这些功能基可作为金属离子的吸附位点与其发色络合，形成不同的颜色，使金属离子与木材分子之间形成稳定的化学键，如附图7中所示，金属离子的吸附位点与其发色络合的方式规则，排列有序，其化学键的键能远远大于范德华力或氢键的键能，因此利用氯化铜溶液和变色剂进行诱导木材化学变色，变色层结合牢度强，抗流失性更强。对比实施例2和实施例5中的试件C的变色层化学力显微镜成像图，实施例5中的试件C中的变色层的分子排列方式更为的有序和规则且成环形，因此，将在对木材进行干燥处理前，将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至125-185℃，且使处理罐内蒸汽压力处于不饱和状态，保持4-6小时，该工序可以有效地抽提出木材单板内的部分空气和部分内含物，打通渗透渠道，提高变色剂的变色效果和对木材单板的染透率，并使金属离子诱导木材单板中的单宁分子形成环形的化学键，成键效果较木素分子与铜离子结合的化学键更为的稳定。由此，实施例5中的试件C中的变色层的分子排列方式更为的有序和规则，其耐磨性和渗透率也更为的优越，进而进一步地增强木材单板的颜色耐磨性和渗透率，并使其获得均匀美观而且自然的颜色，保留木材原有的自然纹理，提升其附加价值。
Claims (7)
1.一种木材表面化学变色方法，其特征在于：该方法是先在木材表面涂敷氯化铜溶液，干燥后再向木材表面涂敷变色剂，再次干燥,完成木材的变色，制得成品；所述的变色剂按重量份包括变色物质5-30份、固色剂1-5份、表面活性剂10-100份和水800-970份；所述的变色物质为含铁离子、亚铁离子、铬离子或锰离子的金属盐溶液；在向木材单板涂覆氯化铜溶液前，先将木材单板置于密闭的处理罐中，向处理罐内喷加蒸气使处理罐内温度升高至100-185℃，且保持蒸气压力处于不饱和状态；所述的氯化铜溶液的质量百分浓度为1%-5%。
2.根据权利要求1所述的木材表面化学变色方法，其特征在于：所述的金属盐溶液是氯化铁。
3.根据权利要求1所述的木材表面化学变色方法，其特征在于：所述氯化铜溶液的质量百分浓度为2%。
4.根据权利要求1所述的木材表面化学变色方法，其特征在于：所述的固色剂包括紫外线吸收剂，所述紫外线吸收剂为氧苯酮、水杨酸苯酯、2-(2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基)苯并三氮唑、2，4-二羟基二苯甲酮或2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮；所述表面活性剂为聚氧乙烯20油醚、烷基酚聚氧乙烯醚、烷基磺酸钠或十二醇硫酸钠。
5.根据权利要求4所述的木材表面化学变色方法，其特征在于：所述固色剂还包括阳离子型季铵盐,所述阳离子型季铵盐与紫外线吸收剂以1：1进行配比，所述阳离子型季铵盐为氯化十六烷基吡啶或溴化十六烷基吡啶。
6.根据权利要求5所述的木材表面化学变色方法，其特征在于：所述紫外线吸收剂为水杨酸苯酯；所述阳离子型季铵盐为氯化十六烷基吡啶；所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚。
7.根据权利要求1所述的木材表面化学变色方法，其特征在于：所述的干燥方法是在真空式干燥箱内干燥。
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