木材染色技术研究进展

摘要：  木材染色技术是在常压热浸渍、减压、加压浸渍等条件下将染料或染料与其他改性剂复配后固定在木材纤维上，从而改变木材或单板的材色，即可以模拟珍贵树种材色，也可满足产品室内色彩设计需求，是木材增值的重要技术手段。通过对国内外木材染色技术研究现状进行系统阐述，介绍了木材染色方法与工艺、染色剂、染色木材性能、染色机理等几方面研究成果，展望木材染色技术的研究趋势。

关键词：  木材;  单板;  染色技术;  研究进展;  发展趋势

中图分类号：   TS 652               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2020）06 - 0042 - 06

我国是世界上人造板生产和使用大国，2018年人造板产量约2.99亿m3，预计2023年我国人造板产量将达到3.74亿m3，其中80%的人造板经过二次加工处理，用于制造家具、地板、建筑装饰装修板材、门窗木制品。人造板表面裝饰处理既可以提高制品美观性、防潮变形，又可以降低挥发性有机化合物（VOCs）和甲醛释放量。常选用的人造板表面装饰材料有薄木、三聚氰胺浸渍胶膜纸（PVC）、油漆等，其中，薄木因其色泽美观、纹理自然且能够还原实木质感而广受消费者青睐，高质量薄木（厚度为0.1～0.3 mm）、单板（厚度为0.4～4 mm）产品市场需求量巨大。随着国家天然林保护工程的实施和国外对出口木材限制日益严格，我国可制作高品质薄木和单板的大径级珍贵木材严重短缺，由此，将普通木材经过设计、染色、重组等处理形成稀有珍贵木材效果的科技木产业应运而生，近年来在国内蓬勃发展。

木材染色技术是木材增值的重要手段，木材染色是指通过各种不同的调色技术将低等木材染成高档木材的色泽纹理，从而提高低等木材的使用价值，以此来满足人们对于高档木材用品的观赏需求。木材染色作为增加木材装饰效果、提高木材附加值的重要手段，己受到广泛关注和重视。本文综述近年来木材染色方法与工艺、染色剂、染色机理及性能等方面研究进展，并对未来研究趋势进行分析。

1 木材染色方法与工艺

1. 1 染色方法

木材染色常用方法有两种。一种是对木材单板或薄木进行染色，染色后再进行层积，以达到实木染色同样的效果或仿珍贵木材纹理。速生杨木单板经干燥、漂白、染色等工艺处理后，可达到仿花梨木单板的效果[ 1 ]。对于同一树种单板，不同的单板前处理方法影响单板的染色效果，一般在进行浅色染色时，染色前最好对单板进行前处理，如冷、热水浸提和漂白，这样可以提高染色效果和颜色稳定性。对于不同树种的单板，由于单板的密度、材色和对染料亲和能力等方面有差异，在相同的染料和染色工艺下，染色效果差异较大，因此，不同树种单板应采用不同的染色工艺[ 2 ]。染色方法直接决定单板的染色效果，利用酸性染料染色杨木单板，相比于冷压法，热浸法染色木材的效果更好，加热时间、染液质量分数和染色温度对单板染色效果有不同程度的影响[ 3 ]。另一种是对实木进行表面或内部染色，因深度染色较为困难，多选用加压减压浸注染色和高压蒸煮处理染色。研究表明，采用抽真空方式可使酸性染料扩散到5 cm厚的泡桐、杨木、杉木方材中，实现仿红木深度染色[ 4 ]。通过增加真空度、染色浓度及合理延长真空时间、染色时间的方式，可以提高青杨小径材生材的染透率[ 5 ]。 除了对单板和实木进行单一染色研究外，研究者将染料与其他改性剂复配，在改变木材材色的同时，赋予材料抗菌、阻燃、防腐和增强等性能。研究表明，利用载银聚壳糖与酸性染料复配制备的染色单板具有较好的固色和抗菌防霉效果[ 6 ]。将酸性红染料与BL木材阻燃剂复配对速生杨木进行染色和阻燃处理，发现提高水浴温度和浸渍时间可以提高染料上染率和极限氧指数，与染色剂单独处理杨木相比，联合处理提高了染料上染率和极限氧指数，阻燃剂和染色剂都扩散到木材细胞腔和木材导管，且与木材发生化学反应，既改善了杨木视觉特性，又提高了杨木的安全性[ 7 - 8 ]。为了提高人工林速生材的物理力学性能和装饰性能，可将酸性大红染料与增强树脂复配后通过真空加压浸渍的方式注入到木材内部，在提高木材强度和改善木材视觉特性同时，增强树脂起到固定染料作用，处理材的耐光色牢度和耐水色牢度显著提高[ 9 - 10 ]。

1. 2 染色工艺

染料浓度、染料配比、染色温度、染色时间、促染剂用量和固色剂用量等工艺参数直接影响木材的染色效果，针对不同的染料、树种应采用不同的染色工艺。提高染料浓度、染色温度和促染剂用量，有助于提高木材染色效果，但过高染料浓度易引起染料的水解，过高浓度的促染剂会生成大量的阴离子，阻碍染料分子与纤维的亲核取代反应，导致染色效果降低。因此，研究工艺因子对染料染色木材的上染性能、染色效果和耐光性等指标的作用趋势，从而优化出适合不同树种不同染色剂的木材染色工艺尤为重要。采用酸性大红染料对木材进行染色试验，发现工艺因素对桐单板染色色差增加的影响作用顺序为NaCl>温度>表面活性剂>染色时间>染料浓度，最佳工艺为NaCl浓度1.5%、染色温度50 ℃、表面活性剂浓度0.1%、染色时间4 h、染料浓度染料浓度0.5%[ 11 ]。以活性染料上染率为指标，得出杨木单板染色较优工艺条件为染色温度为70～80 ℃、染色时间3 h、促染剂元明粉40 g /L、固色剂纯碱20 g /L[ 12 ]。以杨木染色单板耐光性为考察指标，最佳染色工艺参数为染料浓度10 g/L、染色时间2.5 h、染色温度60 ℃、浴比20∶1[ 13 ]。采用模糊数学综合评判法，以北美糖槭单板上染率和色差为评价指标，发现优化工艺为染色温度50～55℃、活性染料染液质量分数3.0%、促染剂用量40 g/L、染色时间3.0 h、固色剂用量15 g/L、固色时间75 min、浴比1∶40[ 14 ]。

对于大尺寸木材，尤其是对橡胶木、柞木等渗透性较差的木材，即使利用减压、加压的方法，也无法达到良好的深度染色效果，因此，木材预处理成为木材染色研究的重要内容之一。一方面是提高木材的渗透性，促进染料向木材内部扩散，利用压缩空气爆破、微波预处理和冻融处理等方法，打开细胞壁上的纹孔膜，提高木材渗透性，能够显著改善木材染色效果[ 15 - 18 ];利用NaOH预处理杨木单板，通过溶解导管中的抽提物，也可以改善木材的纹孔结构，提高染料固色率 [ 19 ];将NaOH与冻融技术结合协同预处理杉木，在减少抽提物含量的同时，增加流体通道，提高木材渗透性，显著提升酸性染料染色杉木的上染率、染透率和耐光性能[ 20 ]。另一方面是改变木材表面性质，促进染料在木材表面附着和扩散，从而提高木材染色效果和染料利用率。利用低温等离子体处理木材单板，在单板表面引入自由基和亲水基团，能够提高染料分子与木材反应率[ 21 ];利用壳聚糖处理木材，与木材组分结合的壳聚糖上的氨基能够与酸性染料上的磺酸基形成磺酸盐，提高染料上染率[ 22 ];采用季铵盐对木材表面进行阳离子化处理，提高木材表面对阴离子染料的亲和力。此外，研究者借助染料传输载体，提高染料上染率。J. Jaxel等[ 23 ]将木材浸渍于亲脂性烷基烯酮二聚体（AKD）后，利用SC-CO2作为染料传输介质染色软木，发现染料很容易地对多孔结构封闭的软木进行染色。连琰等[ 24 ]在超声波作用下，利用酸性大红染料染色樟木，与常规染色方法相比，上染率和耐水洗色牢度提升一倍多，但超声波辅助染色的机理不甚明晰。

2 木材染色剂

木材染色常用的合成染料有直接染料、酸性染料、碱性染料和活性染料等。直接染料对纤维素和半纤维素染色性良好，对木质素染色困难。酸性染料对纤维素和半纤维素染色效果不佳，对木质素染色较好，但存在上染率低、易流失和染色单板耐性水差等问题[ 14， 25 ]，对毛白杨主要组分染色结果表明：酸性染料仅对木质素染色性能良好，且染料未与木材组分反应生成新的官能团[ 26 ]。由此可见，直接染料、酸性染料和碱性染料主要靠分子间的范德华力和氢键同木材结合，染料上染率低、抗流失性差。但酸性染料染色木材工艺简单、染色后木材色泽鲜艳、耐光性能高，目前仍是木材工业生产中主要染色剂。活性染料的分子中含有反应性活性基团，可以与木材中的纤维素、半纤维素和木质素发生共价键合反应，上染率高，染色单板具有较好的耐水性、耐光性、表面膠合性能和染色效果，而且活性染料具有价格低、色谱全、来源广、渗透性和化学稳定性好的特点，使得活性染料取代应用较广的酸性染料进行木材染色成为必然趋势[ 13， 27 - 28 ]。利用酸性大红GR、活性黄K-RN、直接深棕B-NM分别对杨木进行染色处理，发现酸性染料分布于木材的导管腔内，活性染料存在木纤维细胞壁中，直接染料很难渗透到木材内部[ 25 ]。

合成染料作为木材染色的主流染色剂，在应用中也存在一些问题，如合成原料毒害性大、染料利用率低、染色助剂用量大和废液难降解等，对人体和环境造成一定危害。研究者在环保染色剂方面也做了一些探索，如植物染料、真菌及化学药剂等。植物染料在我国历史悠久，可以从紫草、苏木、姜黄、茶叶及植物叶片、部分树种木材中提取[ 29 ]。张卿硕等[ 30 ]从巴里黄檀心材中提取到含9种黄酮类和酚类成分的色素，在染色温度90 ℃、染色时间12 h、色素质量分数4%、NaCl 质量分数2%条件下对桉木单板进行染色研究，并对着色机制进行分析。植物染料的优点是健康环保，但由于工艺复杂、与木材纤维亲和力低、染色不均匀及耐光性差等缺点，导致其被合成染料所替代。真菌染色的原理是接种在木材上的真菌分解木射线及木材的其他组织中的营养成分，从而使木材颜色发生变化，可以产生红色和黄色染料，效果相对显著的菌种为节格孢属的Scytalidium cuboideum和Scytalidium ganodermophthorum两种真菌;由于不同树种的微观构造与营养成分不同，真菌对树种的染色能力不同[ 31 ]。然而，利用腐朽真菌染色木材时，木材有可能会发生白腐，在实际使用中，常利用有机溶剂提取真菌色素，而后直接染色木材或与溶解于亚麻籽油后再染色木材[ 32 ]。利用酚醛树脂和硫酸铁-单宁络合物复配处理欧洲榉木后，材色变黑，在耐候性测试中，其颜色稳定性优于酚醛树脂处理材，这方法在提高材料性能同时扩展了木材颜色多样性[ 33 ]。

3 染色木材性能

经过染色剂着色处理后，木材的表面材色、表面润湿性能、力学性能、耐光性能等会发生改变，成熟的染色技术在提高木材美学价值的同时，保持或提高其他方面优良特性，研究者对此进行了系统的研究。巨桉薄木在渗透剂WX3的作用下，经酸性黑和酸性橙染料复配染料常压浸染，可直接用于仿黑胡桃薄木贴面[ 34 ];泡桐单板经活性染料染色后能够达到红木的颜色效果[ 35 ];计算机配色技术在木材染色领域的应用，可以快速、精准把控木材染色效果[ 36 ]。染色实木或单板经过设计制备成家具或其他用品，表面经常需进行二次加工，比如木器漆涂饰和胶合等，因此，染色实木或单板的表面润湿性和胶合性能直接影响其商业价值。研究表明，活性染料染色杨木单板，能够在一定程度上增加单板孔隙度，减小脲醛树脂在染色单板表面接触角，有利于改善单板胶合性能[ 28 ]。染色单板重组材具密度高、力学性能和机械加工性能好等性能，可制作成庭院桌椅、洗手池、工艺品、木质手镯、体育器械、仿雕漆制品及套色雕刻装饰画等，具有色彩鲜艳、尺寸设计灵活、防水性和耐候性好等优点，应用前景广阔[ 37 ]。

耐光性能是衡量染色木材质量的主要性能指标之一，研究表明，染色处理的柞木单板耐光性能优于未染色的柞木[ 38 ]。这是因为染色单板受光照后，首先是染料在水、氧和热的作用下发色基团发生断裂，染色木材表面的染料颜色发生变化，在光变色前期，同时伴有木材抽提物不饱和基团劣化，在后期主要木材基质变色，由此可见，染料的结构、稳定性及其与木材的结合方式是影响染色木材的耐光色牢度的主要因素[ 39 - 40 ]。郭洪武等[ 41 ]利用两种不同母体结构的酸性染料染色杨木，经光衰减试验发现，双偶氮类的酸性大红GR的耐光性优于三芳甲烷类酸性蓝染料。用活性染料、酸性染料和直接染料染色杨木单板，发现活性染料染色杨木单板的耐光性最优[ 13 ]，这表明活性染料分子与木材纤维发生化学反应，生成共价键，导致活性染料染色木材发生变色的能量要高于与木材发生物理结合的直接染料。

4 木材染色机理

我国学者对木材染色机理进行了初步研究。鲍甫成等[ 42 ]研究了杉木木材結构与染色效果相关性，发现木射线比量、管胞比量、晚材管胞弦壁厚和晚材管胞壁腔比等因子影响木材染色效果。于志明等[ 43 ]研究了染液在木材中的渗透机理，发现树种、抽提处理、真空度、真空时间和染色时间显著影响染料在木材中的渗透性，而木材密度与渗透性之间不相关。李红等[ 44 ]运用傅里叶红外光谱技术对酸性染料染色木材前后的官能团进行分析，发现没有新的官能团产生，染料的官能团覆盖了部分木材的官能团。韦双颖等[ 45 ]利用扫描电镜和傅里叶红外光谱研究了染料在木材中的渗透和附着过程。李俊玲等[ 46 ]采用直接、酸性和活性染料对杨木单板染色及用活性染料分别染色纤维素、半纤维素和木质素，利用红外光谱和热重分析技术研究染色机理，发现活性染料对纤维素、半纤维素和木质素都能很好上染，形成共价键结合。喻胜飞等[ 47 - 48 ]研究了X型、K型、KN型、M型活性红染料和活性蓝染料的结构与木材单板的直接性、上染率、反应性、固色率和固色率曲线之间的关系，发现染料分子大小、亲水基团和活性基团直接影响活性染料对杨木单板的上染性能，M型活性染料对木材的上染率、反应性和固色率高于其他类型染料。

5 木材染色技术研究趋势

木材染色旨在不影响木材原有性能前提下，提高木材的视觉特性，从而增加低等材的附加值，满足市场对颜色高档的木材需求。在研究中发现，木材染色存在尚未被报道的几方面问题，一是木材染色过程中为了提高染料上染率和染色效果，使用了大量的无机盐和固色碱剂，这增加了染色废液后期处理难度，造成淡水盐化，危害土壤和水生物平衡[ 49 - 50 ]，且固色碱剂的使用导致单板后期易泛黄;二是木材单板经过活性染料处理后单板的VOCs释放特性和气味会发生改变。因此，在目前染色技术研究基础上，分析未来研究趋势并提出建议：（1）明确染料分子结构作用于木材的机理，探讨适用于木材染色用的染料分子结构，筛选适用于木材高性能染色的新型纺织用染料，积极开发木材专用染料。（2）改进染色木材工艺，建立低盐、低碱的染色工艺，减少染色化学助剂的使用量，降低生产成本，降低木材染色工业对环境的影响。（3）系统评价工艺因子及染色剂种类对染色单板VOCs释放和气味变化的影响作用，从机理上分析VOCs及气味来源，建立基于产品环保性能评价的木材染色工艺，提高材料环境友好性，保障室内空气质量和人体健康。（4）木材染色废水排放引起的环境污染问题仍是当前亟待解决的重点问题，建立工艺简单、效果显著、成本低廉的废液处理工艺是决定未来木材染色产业发展态势的一项关键因素。

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第1作者简介：  王敬贤（1985-），  女，  博士，  高级工程师，  研究方向：  木材功能性改良技术和木质制品环保控制技术。

收稿日期： 2020 - 07 -  22

（责任编辑：   王 岩）