木材變色的類型及4大防治途徑

    在引起木材退色、變色的諸多因素中，紫外光與可見光的照射是最主要的，置于日光下的木材，其表面會迅速發(fā)生化學(xué)降解作用，而使木材表面顏色發(fā)生變化。

    影響光變色的因素

    溫度：提高溫度可使化學(xué)反應(yīng)加速。因此，提高溫度可使光降解和氧化反應(yīng)加速。

    水分：一般水作為一種極性溶劑，浸透到木材細(xì)胞壁并使其膨脹，加大分子間距離，以利于光透入，從而產(chǎn)生更多的自由基。當(dāng)木材含水率由0增加到3.2%時,ESR強(qiáng)度增加;在含水率為6.3%時,自由基濃度達(dá)到峰值，含水率再增加時,自由基濃度有所下降。主要原因是，木材中存在過量的水分子可與自由基形成自由基——水絡(luò)和物，降低了自由基濃度。

    樹種：一般木材的容量越大，其侵蝕率越低。此外，氧、金屬離子(尤其是鐵離子)、燃料等也可以促進(jìn)自由基的形成。

    化學(xué)試劑引起的變色

    (1)化學(xué)試劑導(dǎo)致變色的特點?；瘜W(xué)試劑導(dǎo)致木材表面顏色變化是木材顏色變化中重要的一類。

    特點：①反應(yīng)快，木材在短時間內(nèi)變色;②大多出現(xiàn)在加工過程中，或加工結(jié)束后;③受反應(yīng)條件，如溫度、時間和PH等的影響;④反應(yīng)多發(fā)生在心材。

    化學(xué)試劑：導(dǎo)致木材表面顏色變化的化學(xué)試劑主要有：①過渡金屬(如鐵離子等)和氧化劑(如KmnO4等);②酸、堿或其他加工過程中的化學(xué)助劑。

    變色的化學(xué)組分：木材中產(chǎn)生顏色變化的主要化學(xué)組分是：單寧類、黃酮類以及木質(zhì)素和酚類化合物。

    化學(xué)試劑變色的機(jī)理

    木材的抽提物是導(dǎo)致木材變色的重要因素。目前，有關(guān)的研究雖較多，但對單一發(fā)色化合物的結(jié)構(gòu)、變色機(jī)理及對全部樹種變色的影響的研究還較少。

    ①單寧類。單寧類由水解類單寧和凝縮類單寧組成。水解類單寧通常是沒食子酸及其二聚體(雙沒食子酸或續(xù)花酸)與單糖形成的酯類化合物。這類單寧能被酸和酶水解。凝縮類單寧是兒茶素(黃烷-3-醇)衍生物的縮合物，此類單寧不易被酸和酶水解，在稀酸中加熱時產(chǎn)生高分子無定形物紅粉。

    單寧的性質(zhì)：一是具有較強(qiáng)的極性，易溶于熱水、乙醇、丙酮和乙酸乙酯;二是能與重金屬鹽(如醋酸鉛、醋酸銅)和堿土金屬氫氧化物[如Ca(OH)?！橙芤盒纬沙恋?三是與過渡金屬形成絡(luò)合物顯色，如與FeCl3反應(yīng)，生成黑或綠色沉淀;四是強(qiáng)還原劑，易在空氣中氧化，尤其在酶作用下，形成發(fā)色化合物。

    ②黃酮類和木質(zhì)素以及酚類。黃酮類、木質(zhì)素和酚類是導(dǎo)致木材顯色和變色的主要化學(xué)成分。這些化合物具有較強(qiáng)還原能力，易被氧化劑氧化，其氧化產(chǎn)物能使木材顯色或顏色加深。同時，也易與過渡金屬作用而顯色。如中野準(zhǔn)三的研究證實：木質(zhì)素等多酚類化合物的主要顯色結(jié)構(gòu)為三價鐵的絡(luò)合物、附型結(jié)構(gòu)的鄰苯配、對苯醒、附甲基化物，以及共軛的松柏醛和查耳酮結(jié)構(gòu)。

    單寧類、黃酮類以及其他酚類化合物大多存在于心材中。

    ③鐵變色。這是由F4“離子與木材中的單寧、酚類、黃酮類以及木質(zhì)素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起木材變色，大多呈灰黑色。在這類變化中，過渡金屬鐵離子不僅易與多元酚形成金屬絡(luò)合物呈現(xiàn)顏色，而且在鐵離子存在下，多元酚更易被氧化，形成單寧鐵、阜寧酸鐵以及醌類化合物等。過渡金屬銅離子也有類似的反應(yīng)，生成單寧銅或單寧酸銅，使木材呈淺紅色變色。

    引起這類木材變色的鐵離子常來源于木材加工過程，如制材過程的刀鋸、人造板生產(chǎn)過程中的熱壓板，以及工業(yè)用水等，都能產(chǎn)生與木材作用的鐵離子，使木材變色。但是一般木材的單寧含量較低(1%以下)。只有幾種常作為拷膠原料的樹種的木材單寧含量較高。一些樹種木材的單寧含量如表3.2所示。

    表3.2 一些種類的木材單寧的含量和結(jié)構(gòu)類型

    一些種類的木材單寧的含量和結(jié)構(gòu)類型

    影響鐵變色的因素：

    ①木材組分。影響鐵變色的主要木材組分是單寧，單寧的含量影響木材色差變化，但是黃酮類、木質(zhì)素等也對變色過程有影響。

    ②鐵的濃度。一般木材在鐵離子濃度很低時(FeCl3濃度0.5x10-4%)，就能產(chǎn)生變色。

    ③時間。鐵引起變色所需的時間很短，一般3min即可變色;著溫度升高，時間就會加快。同時，木材含水率增加，變色加劇。

    ④酸變色。木材的酸變色是酸與木材中的單寧、黃酮類多酚類化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所致。經(jīng)熱水浸提過的木材，一般無酸變色反應(yīng)，因而這一類變色反應(yīng)不是由木質(zhì)素引起的。酸變色的木材一般呈紅色，隨著pH值減小，色差值增大。當(dāng)pH值為2_5時，木材僅出現(xiàn)輕度變色，通常并不能為肉眼所察覺。此外，含有凝縮類單寧較多的針葉樹村，其變色程度較大，置于暗處的木材酸變色輕微，光照下不僅加快變色速度，而且色差值增大。

    ⑤堿變色。堿變色是堿性化合物與木材中的少量組分單寧、黃酮類以及其他酚類化合物反應(yīng)所致。經(jīng)熱水抽提過的木材，堿變色的反應(yīng)不明顯。但隨pH值增大，顏色加深，并且呈不同顏色，大多呈棕色、紅棕色。堿變色通常出現(xiàn)在木制品使用過程中，如木制品與堿性材料接觸，在潮濕條件下，可發(fā)生堿變色。若干木材樹種對鐵、酸、堿變色的狀況列于表3.3。

干木材樹種對鐵、酸、堿變色的狀況

    微生物作用

    危害木材的霉菌是屬于子囊菌綱與不完全菌綱的真菌。木材上最常見的有木霉菌、青霉菌、曲霉等。遭到霉菌侵害的木材，可見一片片的黑色和淡綠色的霉斑。顯微鏡下觀察霉菌對木材纖維結(jié)構(gòu)的危害情形與變色菌相似。

    危害木材的變色菌也是屬于子羹菌綱與不完全菌綱的真菌。木材變色菌的種類很多，有藍(lán)變色菌、鐮刀菌、葡萄抱菌、色串抱菌等。其中以長殼屬的真菌危害木材較多。

    霉菌和變色菌與侵蝕木材的腐朽菌有所不同，它們寄生于邊村的射線薄壁細(xì)胞和軸向薄壁細(xì)胞中，它們以這些細(xì)胞中的營養(yǎng)物為養(yǎng)分而生存和繁殖。、菌絲通過紋孔從一個細(xì)胞到另一個細(xì)胞。隨著其菌絲向四周蔓延并向內(nèi)部侵人，木材表面或內(nèi)部的顏色產(chǎn)生變化。由霉菌和變色菌引起的木材材色變化主要發(fā)生在邊材。變色菌引起木材的變色，因菌種與樹種的不同，產(chǎn)生的顏色也不同，所變化的顏色有藍(lán)、青、黃、綠、紅、灰、黑色等。如紅松的青變色、櫟木的綠變色、由青霉菌引起的闊葉材的黃變色、由殼囊抱屬引起的松木褐變色等。常?？梢杂萌庋墼谀静牡牟纳砩匣驍嗝嫔峡吹奖容^明顯的是藍(lán)變色和青變色(也稱為青皮)。

    木材變色菌的生長發(fā)育，要求木材的含水率在20%以上，還要有適當(dāng)?shù)臏囟取穸?、空氣。變色菌生長發(fā)育的最適宜溫度為23_35℃，在7℃以下或40℃以上時就可以完全停止變色菌的發(fā)育。當(dāng)溫度在50_54℃時，經(jīng)過較長的時間，就能夠殺死變色菌。

    其他變色

    (1)熱變色。熱變色通常出現(xiàn)于木材干燥過程中。木材的變色固樹種和干燥溫度而異，它可以變黃、棕、紅、灰等顏色，長期處于高溫下的木材可變成棕褐色。木材的熱變色主要是干燥過程中木材內(nèi)的水分外移，部分水溶性的抽出物，如酚類、黃酮類化合物隨之外移至表面所致，同時在高溫下受空氣氧化變色。

    (2)酶變色。剛采伐的木材，鋸解成材后，放置于濕環(huán)境中，氧化酶導(dǎo)致木材表面變色。所變顏色固樹種不同而異，如冷杉邊村變黃，榿木變紅棕色，柳杉變黑。含水率和濕度是酶變色的重要影響因素。當(dāng)環(huán)境相對濕度達(dá)100%時，木材出現(xiàn)酶變色。溫度也影響變色，環(huán)境溫度在20t以下時李色緩慢。除上述的各種木材變色外，還有木材的樹脂滲出引起的變色等。

    木材變色的防治方法途徑

    防止木材變色的根本途徑在于：限制外因的產(chǎn)生和存在，除去或封閉木材內(nèi)部變色成分，改變變色成分結(jié)構(gòu)。對于光變色、酸堿變色、鐵變色、酶變色等化學(xué)變色的預(yù)防，主要是用漆膜涂覆等手段阻斷外因，或用溶劑浸泡、化學(xué)處理等方法消除或改性木材內(nèi)部變色成分。對于光變色的預(yù)防有：隔斷紫外線，改變吸光成分結(jié)構(gòu)，隔絕氧氣和捕捉游離基，破壞參與變色的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，去除變色前驅(qū)物。對于酶變色的預(yù)防，降低酶的活性和隔離氧，如進(jìn)行酸堿處理調(diào)節(jié)pH值，通過煮沸、高頻加熱改變蛋白質(zhì)性質(zhì)，用抗氧化劑抑制酚酶活性，水存隔離氧。對于生物變色的預(yù)防，改變或破壞適宜微生物或生物生存的溫度、濕度、pH值、氧氣及營養(yǎng)成分等環(huán)境因子，如噴水保存、塑料密封和化學(xué)藥劑處理。

    防止木材變色的原理是：限制外因的產(chǎn)生和存在，除去或封閉木材內(nèi)部變色成份，改變變色成份結(jié)構(gòu)。

    一：對于鐵變色、光變色、酸堿變色、酶變色等化學(xué)變色的預(yù)防，主要是用漆膜涂覆等手段阻斷外因，或用溶劑浸泡、化學(xué)處理等方法消除或改性木材內(nèi)部變色成份。

    二：對于生物變色的預(yù)防，改變或破壞適宜微生物或生物生存的溫度、濕度、pH值、氧氣及營養(yǎng)成分等環(huán)境因子，如噴水保存、塑料密封和化學(xué)藥劑處理。

    三：對于酶變色的預(yù)防，降低隔離氧和酶的活性，如進(jìn)行酸堿處理調(diào)節(jié)pH值，通過煮沸、高頻加熱改變蛋白質(zhì)性質(zhì)，用抗氧化劑抑制酚酶活性，水存隔離氧。

    四：對于光變色的預(yù)防有：阻隔紫外線，改變吸光成份結(jié)構(gòu)，阻隔氧氣和捕捉游離基，破壞參與變色的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，去除變色前驅(qū)物。

    有很多關(guān)于防止木材變色理論研究和處理方法，但現(xiàn)有防木材變色技術(shù)大都不具有永久性效果，有些變色速度極快，以及處理深度、材性影響、經(jīng)濟(jì)成本等問題，限制了實際應(yīng)用。高效、低毒或無毒、多功能的防變色劑的研制開發(fā)仍是預(yù)防木材變色的重要研究方向。