一种化学变色剂诱导木材变色的方法与流程

本发明涉及一种化学变色剂诱导木材变色的方法，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。目前常用的木材中，有些木材与一些化学试剂进行显色反应后呈现的颜色浅，颜色饱和度低。因此在不使用染料的前提下，通过物理、化学的方法诱发木材进行变色，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。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种化学变色剂诱导木材变色的方法。本发明可以改善木材化学变色后的颜色饱和度，使木材变色后的颜色更易显示，不仅具有优越的渗透性能，木材变色层结合强度更高，抗流失性更好，而且其呈现的颜色自然漂亮、纹理更加清晰、层次感更强、色彩更加丰富。

本发明的技术方案：一种化学变色剂诱导木材变色的方法，该方法是先在木材表面涂敷前驱体溶液，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。

上述的化学变色剂诱导木材变色的方法，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；所述的前驱体溶液为黄酮或酚类物质溶液。

前述的化学变色剂诱导木材变色的方法，所述的变色物质是硫酸亚铁溶液。

前述的化学变色剂诱导木材变色的方法，所述的黄酮或酚类物质溶液的质量百分浓度为0.5％-3％。

前述的化学变色剂诱导木材变色的方法，所述黄酮类物质为黄芩苷、水飞蓟素、甘草苷、芦丁或槲皮素；所述酚类物质为厚朴酚或麦芽酚。

前述的化学变色剂诱导木材变色的方法，所述的前驱体溶液报包括麦芽酚10份和水930份。

前述的化学变色剂诱导木材变色的方法，所述固色剂包括阳离子型季铵盐,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；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。

前述的化学变色剂诱导木材变色的方法，所述的固色剂还包括紫外线吸收剂，所述紫外线吸收剂与阳离子型季铵盐以1：1进行配比，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。

前述的化学变色剂诱导木材变色的方法，所述变色剂包括硫酸亚铁20份、氯化十六烷基吡啶1份、水杨酸苯酯1份、烷基磺酸钠60份和水910份。

前述化学变色剂诱导木材变色的方法，在向木材单板涂覆前驱体物质溶液前，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,诱导木材进行变色，经过两次处理，可以大幅度的改善木材化学变色后的颜色饱和度，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。本发明第一步先对木材涂覆一种前驱体的黄酮或酚类物质溶液，黄酮类或酚类化合物易被氧化改变木材本身的颜色，有些会与过渡金属离子形成配位化合物导致颜色加深，所以本发明采用两步法对木材进行诱导变色，第一步先对木材涂覆一种前驱体的化学试剂，再次涂覆变色剂，大幅度的改善了木材化学变色后的颜色饱和度，使其呈现的颜色更加具有辨识度。而且反应后的颜色自然、纹理清晰，颜色随着年轮及成分变化有层次感。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，为优化木材颜色提供新思路和新方法，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)本发明中利用黄酮或酚类物质溶液作为木材化学变色前驱体的化学试剂，使木材单板中的木材分子对黄酮或酚类物质进行吸附，木材中单宁分子与金属离子反应后，自身氧化成醌而颜色加深，并通过黄酮或酚类物质与金属离子形成配位化合物，使木材中单宁分子自身氧化成醌的颜色更加加深。而且金属离子与木材单板中吸附的黄酮或酚类物质也会形成稳定化学键，使金属离子与木材表面涂覆黄酮类物质的结合强度更高，抗流失性更强。

(3)木材化学变色剂中的原料成分还包含紫外线吸收剂，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。

(4)作为进一步的优选，在向木材单板涂覆前驱体物质溶液前，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。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)采用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，木材单板中变色层渗入深度达到4～8mm，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，而且更为的环保，无甲醛等有害气体的污染。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铜离子与木材表面吸附的黄酮或酚类物质分子中形成的化学键进行成像显示，木材化学变色剂中铜离子与木材表面吸附的黄酮或酚类物质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黄酮或酚类物质溶液或变色剂与常规方法制得的染色木材效果对比图。

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1：一种化学变色剂诱导木材变色的方法：

按下述质量份比例分别在不同容器中加入黄酮类物质溶液和变色剂的原料，混合搅拌均匀；

黄酮类物质溶液

甘草苷5g、水950g；

变色剂

氯化铁10g、溴化十六烷基吡啶1g

烷基磺酸钠40g、水945g。

利用上述的黄酮类物质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.将白橡木质的木材单板进行干燥处理，干燥至木材单板中的含水量为10％；

2.将黄酮类物质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,均匀涂覆后采用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35g/m²,均匀涂覆后采用置于真空干燥箱内进行在55℃下，快速干燥25秒,完成木材变色，制得成品。

实施例2：一种化学变色剂诱导木材变色的方法：

按下述质量份比例分别在不同容器中加入酚类物质溶液和变色剂的原料，混合搅拌均匀：

酚类物质溶液

麦芽酚10g、水930g；

变色剂

硫酸亚铁20g、氯化十六烷基吡啶1g、

水杨酸苯酯1g、

烷基磺酸钠60g、水910g。

利用上述的酚类物质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.将白橡木质的木材单板进行干燥处理，干燥至木材单板中的含水量为10％；

2.将酚类物质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,均匀涂覆后采用置于真空干燥箱在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,均匀涂覆后采用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3：一种化学变色剂诱导木材变色的方法：

按下述质量份比例分别在不同容器中加入黄酮类物质溶液和变色剂的原料，混合搅拌均匀：

黄酮类物质溶液

水飞蓟素30g、水950g；

变色剂

硫酸亚铁50g、溴化十六烷基吡啶2.5g

2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮2.5g、

烷基酚聚氧乙烯醚20g、水925g。

利用上述的黄酮类物质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.将白橡木质的木材单板进行干燥处理，干燥至木材单板中的含水量为10％；

2.将黄酮类物质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,均匀涂覆后采用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,均匀涂覆后采用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白橡木材质的染色木材。

实施例1、实施例2和实施例3中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，可以大幅度的改善木材化学变色后的颜色饱和度,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，但涂覆变色剂之前不进行酚类物质溶液的涂覆，均匀涂覆后采用低温烘干的方式进行快速干燥，制得试件2。

试件3：选用市面销售按照常规方法制得的某公司的白橡木材质的染色木材作为试件3。

试件4：按实施例2中的步骤进行木材化学染色，但将白橡木材质的木材单板替换成栎木材质的木材单板，其余步骤按实施例2中相同的步骤进行，制得的试件4。

试件5：将白橡木材质的木材单板替换成栎木材质的木材单板，并改变实施例2中的制备方法，在涂覆变色剂之前不进行酚类物质溶液的涂覆，制得试件5。

试件6：选用市面销售按照常规方法制得的某公司的栎木材质的染色木材作为试件6。

试件7：按实施例2中的步骤进行木材化学染色，但将白橡木材质的木材单板替换成榆木材质的木材单板，其余步骤按实施例2中相同的步骤进行，制得的试件7。

试件8：按实施例2中的步骤进行木材化学染色将白橡木材质的木材单板替换成榆木材质的木材单板，并改变实施例2中的制备方法，在涂覆变色剂之前不进行酚类物质溶液的涂覆，制得试件8。

试件9：选用市面销售按照常规方法制得的某公司的榆木材质的染色木材作为试件9。

对比试件1、试件2、试件3或者试件4、试件5、试件6或者试件7、试件8、试件9，选用多种树木的木材作为变色木材，并将试件2、5、8去除含有麦芽酚的显色剂涂覆步骤，仅涂覆木材化学变色剂，并且取市面上相同的木质材料得到染色木材作为试件3、6、9，将试件1、4、7按照完整的变色步骤制成，其最终显示的木材变色效果图如附图3所示。在附图3中可以明显的看出，其将含有黄酮或酚类物质作为显色剂涂覆在木材表面,作为一种前驱体的化学试剂，再利用铁离子、亚铁离子、铬离子或锰离子等金属离子作为变色剂中的主要成分与显色剂和木材中的化学成分进行反应，其二次变色后的木材单板的颜色饱和度更加明显、纹理更加清晰、层次感更强，而使用单一溶液进行变色，则效果相对于二次变色后的木材呈现的效果越显不足。因此，对于木材化学变色之前，先行涂覆一层含有黄酮或酚类物质为主的显色剂，可以大幅度的改善木材化学变色后的颜色饱和度，其反应后的颜色更加丰富，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。本发明中利用黄酮或酚类物质溶液作为木材化学变色前驱体的化学试剂，使木材单板中的木材分子对黄酮或酚类物质进行吸附，木材中单宁分子与金属离子反应后，自身氧化成醌而颜色加深，并通过黄酮或酚类物质与金属离子形成配位化合物，使木材中单宁分子自身氧化成醌的颜色更加加深。而且金属离子与木材单板中吸附的黄酮或酚类物质也会形成稳定化学键，使金属离子与木材表面涂覆黄酮或酚类物质的结合强度更高，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木材与铜离子之间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，最终成像结果如附图7所示。由附图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；而实施例2、实施例5中的试件c中，木材表面覆盖一种酚类溶液，使木材单板中的木材分子对酚类物质进行吸附，酚类物质含有甲氧基、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；酚类物质中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，并成键方式规则，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，因此利用木材对酚类物质进行吸附，木材吸附后使金属离子和酚类物质诱导木材化学变色，变色层结合牢度强，抗流失性更强。对比实施例2和试件5的变色层化学力显微镜成像图可以发现，试件5中的变色层的分子排列方式更为的有序和规则且成环形，木材颜色层的厚度由上述的对比试验可知也更为的优越，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。由此，试件c中的变色层的分子排列方式更为的有序和规则，其渗透率也更为的优越，进而进一步的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。