热处理后3种实木地暖地板用材颜色的变化

孔繁旭 邵海龙 王艳伟 叶家豪 金文杰 余慧来 何雪洪

摘要[目的]研究实木地暖地板用木材经不同工艺热处理后的颜色变化规律，改善热处理后基材颜色较深问题。[方法]以3种树种栎木（Quercus mongolica Fisch.ex Turcz.）、桦木（Betula alnoides Buch.-Ham.ex D.Don）和柚木（Tectona grandis Linn.f.）为研究对象，采用常压湿空气为传热介质，以温度120～200 ℃、时间2～6 h的处理条件对其进行热处理，通过色饱和度差（ΔC*）、色相差（ΔH*）、总体色差（ΔE*）等指标对热处理后木材颜色变化进行表征。[结果]木材材性对ΔC*影响较大，不同木材的ΔC*变化规律有较大差异。随着热处理温度的升高和时间的延长，栎木、柚木ΔC*减小，颜色趋于暗淡;桦木在140～180 ℃的温度范围内ΔC*增大，颜色较热处理前更鲜明。3种木材的ΔH*和ΔE*均呈增加趋势，但ΔE*变化规律较ΔH*更明显，可通过工艺参数来准确调控。[结论]栎木色相变化的临界温度为180 ℃，桦木、柚木的临界温度为160 ℃。

关键词热处理;木材颜色;色相差;实木地暖地板

中图分类号S 781.7文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）18-0191-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.052

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Color Changes of Three Wood Pieces of Solid Wood Floor for Heating System after Heat Treatment

KONG Fan-xu，SHAO Hai-long，WANG Yan-wei et al

（Treessun Flooring Co. Ltd.，Huzhou，Zhejiang 313009）

Abstract[Objective]To study the color change laws of solid wood floor materials for heating system after different heat treatments， and improve the problem of darker color of the wood substrate after heat treatment.[Method]Taking three tree species of Quercus mongolica Fisch. ex Turcz.， Betula alnoides Buch.-Ham. ex D. Don and Tectona grandis Linn. f. as the research object， the atmospheric-pressure humid air was used as the heat transfer medium， and the heat treatment was carried out under the conditions of 120-200 ℃ for 2-6 h. The color saturation difference （ΔC*）， hue difference （ΔH*）， and overall color difference （ΔE*） were used to characterize the color changes of wood materials after heat treatment. [Result]Wood materiality had a great influence on ΔC*， and the variation law of different wood materials was quite different： as the heat treatment temperature increased and the time prolonged， ΔC* of Q. mongolica and T. grandis decreased， and their color tended to be dim， while ΔC* of B. alnoides increased at 140-180 ℃， its color got more vivid than that before the heat treatment. ΔH* and ΔE* of three species of wood materials all showed an increasing trend， but the variation of ΔE* was more obvious than that of ΔH*， which could be accurately regulated by process parameters. [Conclusion]The critical temperature for the hue change of Q. mongolica was 180 ℃， and the critical temperature of T. grandis and B. alnoides was 160 ℃.

Key wordsHeat treatment;Wood color;Hue difference;Solid wood floor for heating system

近年來，人们对室内环境的环保、舒适条件的要求越来越高，实木地暖地板的需求量不断提升，市场份额逐渐增加[1-2]。然而，地采暖环境下温湿度变化较大，木材干缩湿胀特性加剧，在实木地板使用过程中常会发生变形、翘曲和开裂等[3]。热处理可以有效改善该问题，木材经热处理后组分中游离羟基数目减少，尺寸稳定性明显提高[4-5]。但是，经不同条件热处理后木材的颜色差异较大[6-7]。热处理温度高、时间长，热处理木材颜色较深，对地板涂装后观感等有一定的影响，需要合理控制热处理工艺，使得其颜色满足市场需求，否则可能会对地板生产企业造成不同程度的经济损失。

笔者以我国南北方3种常见的实木地暖地板用珍贵树种（栎木、桦木和柚木）为研究对象，采用常压湿空气为介质，分别对3种木材实施不同温度、时间条件的热处理工艺，探究3种木材经不同条件热处理后颜色的变化规律，以改善热处理后基材颜色较深等问题，旨在为3种木材热处理后的颜色控制提供借鉴。

1材料与方法

1.1试验材料

栎木（Quercus mongolica Fisch.ex Turcz.），产自辽宁;桦木（Betula alnoides Buch.-Ham.ex D.Don），产自广西;柚木（Tectona grandis Linn.f.），产自广西。3种木材规格（长×宽×厚）均为930 mm×133 mm×20 mm，含水率8%～10%，无开裂、翘曲、虫眼、变色等可见缺陷。

1.2仪器与设备

TECH-HM型木材热处理设备，由杭州太克干燥设备有限公司制造;CR-400型色彩色差仪，由日本柯尼卡美能达有限公司生产。

1.3试验方法

1.3.1

热处理工艺参数设计。试验采用全因素试验设计方法，选取热处理温度和时间作为热处理工艺控制参数。其中，热处理温度分别为120、140、160、180、200 ℃，热处理时间分别为2、4、6 h，共计15组热处理工艺。

1.3.2热处理工艺试验。15组试验在不同热处理条件下的工艺控制过程如图1所示，每组试验共处理100块试材，热处理完成后在固定位置共选取10块试材进行颜色测量。每组热处理试验实施的具体流程如下：①热处理设备内部温度以约6.5 ℃/h的升温速率缓慢升至80 ℃（经测量，该试验条件下以平均室温为30 ℃左右为热处理设备的初始温度状态）;②保温2.5 h对锯材充分预热;③以约6 ℃/h的升温速率升温，直至达到不同热处理工艺条件下的设定温度（120、140、160、180、200 ℃）;④保温不同热处理工艺条件下设定的热处理时长（2、4、6 h）;⑤以约6 ℃/h的降温速率将温度降至室温。

1.3.3颜色测量及计算。使用CR-400型电脑色彩色差仪，通过国际照明委员会推荐L*、a*和b*（1976年）标准色度学系统对颜色进行表征[8]。该模型在三维颜色空间的各个坐标轴上都具有视觉和颜色心理感知的等距性，并细分了明度指数和色品指数的级差，具有较高的色差分辨力，更适合较小色差情况下的颜色测量和比较。因此，该色度学系统在木材、地板、纺织物等颜色较为单一的材质的颜色分析上得到了广泛应用[9]。其中，L*表征明度，a*和b*分别用来表示红绿轴和黄蓝轴的色品指数。

為降低在热处理后树脂和其他抽提物从木材表面溢出对颜色等测量造成的影响，在测量前对热处理木材进行了刨光处理。每组热处理试验在固定位置选取10块试材，其颜色测量方法如下：随机固定取6个测色点，在热处理前后分别测定该点的L*、a*和b*值，每个处理条件的颜色值均为此处理条件下选取的10块试材颜色值的平均值。利用L*、a*和b*的测量值，根据表色系统公式，分别求得明度差（ΔL*）、色品指数差（Δa*、 Δb*）、色饱和度差（ΔC*）、色相差（ΔH*）和总体色差（ΔE*），并将后三者作为对热处理木材颜色变化分析和讨论的主要指标[10]。其中，ΔC*，正值表示

热处理之后的颜色比之前鲜明，负值表示暗深;ΔH*数值越大

表示热处理后的颜色较之前色相变化越大;ΔE*数值越大表示热处理后的颜色与之前差别越大。ΔC*、ΔH*、ΔE*的计算公式如下：

ΔC*=[（a*）2+（b*）2]1/2-[（a0*）2+（b0*）2]1/2（1）

式中，a*为木材热处理后的红绿轴色品指数;b*为木材热处理后的黄蓝轴色品指数;a0*为木材热处理前的红绿轴色品指数;b0*为木材热处理前的黄蓝轴色品 指数。

ΔE*=[（ΔL*）2+（Δa*）2+（Δb*）2]1/2（2）

式中，ΔL*为木材热处理前后明度指数差;Δa*为木材热处理前后红绿色品指数差;Δb*为木材热处理前后黄蓝色品指 数差。

ΔH*=[（ΔE*）2+（ΔL*）2+（ΔC*）2]1/2（3）

式中，ΔE*为木材热处理前后总体色差;ΔL*为木材热处理前后明度指数差;ΔC*为木材热处理前后色饱和度差。

2结果与分析

2.1热处理后ΔC*的变化

3种木材在不同热处理条件下ΔC*的变化如图2所示，其变化规律有较大差异。①栎木。当温度≤160 ℃、较短时间（2、4 h）的热处理条件下，ΔC*没有明显变化;热处理时间2 h、任意温度热处理后的ΔC*未见明显变化，这表明短时高温处理对栎木表面颜色饱和度的影响较小。热处理温度180 ℃、时间6 h（T180-6），ΔC*值迅速降至-3.16，由此推测180 ℃是栎木颜色饱和度变化的临界温度;当温度升至200 ℃时，ΔC*值进一步降低，但其降低幅度减小。ΔC* T200-6<ΔC* T180-6，推测原因为栎木节子、心边材等材性差异致使木材表面颜色初始值存在一定差异，从而经热处理后ΔC*变化不具有明显的规律性;②桦木。当热处理温度升高时，其ΔC*呈增加趋势，最大值为4.75（T200-2）;这与栎木ΔC*变化规律相反，说明热处理过程中木材的材性对ΔC*的变化规律影响较大。然而，除T200-2外，T200-4（T200-6）ΔC*值较180 ℃条件有降低趋势。当温度升高至一定值时，ΔC*值会减小。因而，根据桦木热处理后ΔC*变化规律来控制其热处理条件，可使其颜色变得鲜明。③柚木。ΔC*值皆为负值，且随着温度的升高，其值呈波动式降低趋势。

2.2热处理对ΔH*的影响

从图3可以看出，3种木材ΔH*的变化规律大致相同，即ΔH*值皆随热处理温度的升高和处理时间的延长而逐渐增大，这意味着热处理后木材色相与未处理前的差异变大，颜色逐渐变深。木质素的相对含量提高是木材颜色加深的主要原因，木材热处理后木质素含量增加可能是由于木材在高温高湿条件下，热稳定性较差的半纤维素及纤维素发生降解或部分重组所致[11]。此外，热处理后醌类结构及其他共轭结构等共同作用，也会使木材颜色加深。具体表现如下：栎木，当热处理温度<180 ℃时，ΔH*值随着处理温度的升高而波动增加，热处理时间对ΔH*的影响并不明显，3个时间因素水平上ΔH*值未有明显变化;当热处理温度≥180 ℃时，ΔH*值明显增大，且ΔH* 6 h>ΔH* 4 h>ΔH* 2 h，温度升至200 ℃时ΔH*值从大到小依次为ΔH* 6 h、ΔH* 4 h、ΔH* 2 h，因此确定栎木色相变化的临界温度为180 ℃。桦木、柚木也有相同的变化趋势，但色相变化的临界温度为160 ℃。

2.3热处理对ΔE*的影响

从图4可以看出，ΔE*随着热处理温度的升高和处理时间的延长而逐渐增大，热处理材颜色逐步加深。以栎木为例，2、4和6 h，ΔE*分别由0.93 （120 ℃）增大到18.29（200 ℃），从1.04（120 ℃）增大到 26.43（200 ℃），从2.16（120 ℃）增大到29.90（200 ℃）。与ΔH*相比，ΔE*变化表现出更强的规律性，3种木材的ΔE*值在不同处理时间随处理温度的变化经拟合后的回归方程如表1所示。回归分析表明，在该试验条件下除柚木6 h条件外，R2值均高于0.95，ΔE*与热处理温度具有极强的相关性，可通过工艺参数准确调控。张倩等[12]对热处理后的落叶松、红橡和红胡桃3种木材的热处理温度与ΔE*进行回归分析，同样发现二者具有较强的相关性。

3结论

热处理可改变木材的色饱和度、色相及色差，但若要控制其颜色变化，必须根据不同木材的材性差异来探究其适宜的热处理工艺。该研究结果表明，3种木材经热处理后ΔC*的变化规律有较大差异。与栎木、柚木相比，桦木在160～ 200 ℃的温度范围内部分ΔC*值为正值，最大值为4.75，其颜色较热处理前更鲜明;180 ℃是栎木ΔC*变化的临界点，桦木、柚木未有该临界表现。对热处理后木材總体色差（ΔE*）与色相差（ΔH*）而言，随着热处理温度的升高和热处理时间的延长，3种木材这2个指标均呈增加趋势，但ΔE*与ΔH*相比变化规律更为明显。在一定的热处理时间下，可通过热处理温度对ΔE*进行回归分析，除柚木热处理工艺设定

为6 h外，回归方程R2值均高于0.95。另外，根据ΔH*的变化规律可知，栎木色相变化的临界温度为180 ℃，而桦木、柚木的临界温度为160 ℃。

参考文献

[1]王艳伟，孙伟圣，徐立，等.地采暖用实木地板的研究进展[J].林业机械与木工设备，2013，41（6）：8-10.

[2] 袁绯玭，姜笑梅，周玉成，等.地采暖用实木地板与实木复合地板常见用材及木材特性[J].中国人造板，2017，24（8）：26-29.

[3] 贾东宇，黄安民，吕斌，等.地采暖用实木地板尺寸稳定性测试与评价方法探讨[J].中国人造板，2017，24（11）：14-16，24.

[4] 李涛，蔡家斌，周定国.木材热处理技术的产业化现状[J].木材加工机械，2013（5）：50-53.

[5] 王艳伟，孙伟圣，杨植辉，等.木材高温热处理技术的研究进展及展望[J].林业机械与木工设备，2014（9）：8-11.

[6] 江京辉，吕建雄.高温热处理对木材颜色变化影响综述[J].世界林业研究，2012，25（1）：40-43.

[7] ESTEVES B，MARQUES A V，DOMINGOS I，et al.Heat-induced colour changes of pine（Pinus pinaster）and eucalypt（Eucalyptus globulus）wood[J].Wood science & technology，2008，42（5）：369-384.

[8] 吕建雄，黄荣凤，曹永建，等.蒸汽介质热处理对毛白杨木材颜色的影响[J].林业科学，2012，48（1）：126-130.

[9] 杨少春.木材表面颜色模式识别方法的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2008.

[10] 马伟，强添纲，郭明辉.高温热处理对落叶松仿珍贵木材颜色变化的影响[J].东北林业大学学报，2016，44（12）：37-41.

[11] 黄荣凤，吕建雄，曹永建，等.高温热处理对毛白杨木材化学成分含量的影响[J].北京林业大学学报，2010，32（3）：155-160.

[12] 张倩，吕蕾，杨亮庆，等.热处理温度对不同树种木材材色影响的研究[J].林业科技，2017，42（2）：47-50.