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木质材料的许多优点是其他建材不可替代的,它广泛应用于木材工业、制浆造纸、人造纤维等产业。其中木材纹理、颜色、强度、密度,也是评价木材质量并决定其价值的重要指标。一般通过木材漂白以消除污染、去除杂质、恢复必要白度,达到颜色均匀的目的,经漂白后的木材可增强美观、提高装饰质量。
漂白时工业上常使用过氧化氢(双氧水),因为污染小、原料易取得、漂白效果好、工艺适应性强、对纤维损伤小。其原理是利用过氧化物分解产生游离基,与木材纤维素的色素作用而脱色。然而,木材在使用过程中,易受到各种室内外环境及气候影响,阳光照射、雨水冲淋、风沙侵蚀、化学腐蚀、日光散漫、荧光幅射等,都会导致老化降解及黄变,严重防碍木材的正常使用和外观,也影响库存、销售及后期维修成本,并对木材结构安全埋下隐忧,以上信息都显示,漂白及耐候为木材两大关键工艺。
关于漂白对耐候的影响数据甚少,本实验使用过氧化氢对木材进行漂白,通过实验找出最佳工艺方案,力求漂白后的木材在较长时间内保持白度;从木材的耐候性研究着手,对漂白现状进行分析,除了气候环境外,漂白是加速老化元凶吗?不同木种耐候如何?选择不同的木材可降低漂白所造成的影响吗?是否有更好的解决方案及效果?期望对漂白处理、木材工艺发展、延缓老化、提高木材寿命有所帮助。
实验部份
实验原料
异丙醇(isopropyl alcohol)工业级,景明股份有限公司;木器前处理剂(SB1), 台湾永光化学工业股份有限公司;南洋榉木、非洲柚木、香杉、美杉、花旗松、南方松,台湾益材股份有限公司。
实验设备
耐黄变试验机:Q Panel 公司QUV/Basic;色差仪:厂牌MINOLTA/型号:CM-3500d。
实验方法
1.不同木种耐候效果
选取不同木种:南洋榉木、非洲柚木、香杉、美杉、花旗松、南方松,共六种,并制成木板(1*6.5*11.5cm);进行二重复实验,并以人工加速老化试验ASTM G154-1,利用色差仪观察变化结果。
2.喷涂双氧水与否对耐候的影响
呈1号实验,取30%双氧水喷涂于(1*6.5*11.5cm)木器试片(共六种)上,室温干燥1 h,再喷涂一次30%双氧水至试片表面,室温干燥overnight;进行二重复实验,并以人工加速老化试验ASTM G154-1,利用色差仪观察加速老化试验过程变化结果。
3.比较发霉与否对耐候的影响
呈上述1号及2号实验,由于发霉木材非常规木材,故分开讨论,并分别探讨发霉与否、和双氧水作用(二道30%双氧水)影响,观察此二因子透过人工加速老化试验ASTM G154-1,利用色差仪观察加速老化试验过程变化结果。
4. SB1对不同木材漂白与否的耐候保护
木器制备:同一块试片分成上下二部份,遮住下半部(不喷双氧水),上半部比照2号实验方法,喷涂二道30%双氧水。
再秤取10 g 木器前处理剂SB1,加入90 g异丙醇混合液,搅拌5 min,10%SB1即配制完成。将配制好的木器前处理剂溶液(10%SB1)喷涂于(1*6.5*11.5cm)木器试片上(含已预先喷涂双氧水及未喷双氧水的六种木器─南洋榉木、非洲柚木、香杉、美杉、花旗松、南方松),室温干燥overnight;进行二重复实验,并以人工加速老化试验ASTM 340nm全光照,利用色差仪观察加速老化试验变化结果,请参见表1说明。
表1:实验1.3.4实验品项
检验方法
◆人工加速老化试验
采用ASTM G154-1 测试标准(60℃ 340 nm UV光照8 小时/50℃冷凝4小时),以及340nm测试标准(60℃ 340 nm 全光照)。
◆色差试验
使用色差仪量测试片进行人工加速老化试验前后的L *,a*,b *值,并透过色差计算公式⑴进行换算。
ΔE = (ΔL*2 + Δa*2 + Δb*2)1/2 ⑴
L (亮度)—0 为黑色, 100 为白色;
a (红-绿)—正数表是红色,负数表示绿色;
b (黄-蓝)—正数表是黄色,负数表示蓝色
◆数据分析
使用软件:JMP version5.0(SAS Institute)。
分析:内建分析工具。
结果与讨论
不同木种耐候效果
比较不同木种耐候能力:南洋榉木(阔叶林)、非洲柚木(阔叶林)、香杉(针叶林)、美杉(针叶林)、花旗松(针叶林)、南方松(针叶林),共六种。木材资料如表2所示:
表2:不同木种木材资料
由于各木材可能分别取自不同棵树木或不同部位,并进行二重复试验结果,采用ASTM G154-1 测试标准,观察个体差异;整体而言,木种特性及耐候能力仍可见微知着:木质素含量、针阔叶林、木器深浅;一般来说,阔叶林树种的耐候较佳,木质素含量较少(硬木)耐候较好;但其中仍存在木种差异,实验结果显示:香杉属于针叶林,不同于同属杉树的美杉,耐候较佳,研究发现:可以用简单的判断方式,通常木材颜色较深的耐候较佳,请参见图1。
图1. 不同木材的耐候(G154-1):经由国际标准ASTM G154-1耐候试验(340nm灯源),检验未喷双氧水的色差变化值(△E)
其中又以南方松、花旗松、美杉的色差变化较大,这些木种有共通特性正是─木质素含量高,和相关研究结果一致,即木质素含量越高的木种,耐候老化现象越差、色差变化越大。
喷涂双氧水与否对耐候的影响
双氧水效果判定:比照业界一般工艺,喷涂二层30%双氧水,确认渗入处都已完全干燥,且肉眼可见漂白效果;观察双氧水作用后所发生的现象,并探讨双氧水对耐候、耐黄变的影响。
由实验结果显示:从组间差异可发现,耐候能力和木种特性呈正相关,一般来说,阔叶林树种的耐候较佳,木质素含量较少(硬木)耐候较好,木材颜色较深耐候较好,此实验结果和未喷涂双氧水的耐候结果一致。
经过双氧水作用后,木质素含量越高的木种,耐候老化现象越差、色差变化越大,也就是说,双氧水作用会加剧木材劣化,但不会反转木材特性,因此,仍以南方松、花旗松、美杉的色差变化较大,和上述实验结果─木材本身耐候能力,以及产学相关研究结果一致。
此外,实验结果可明显发现,未喷涂双氧水的木材耐候色差值△E>5,喷涂双氧水的木材耐候则直接加倍,色差值△E>10,显示喷涂双氧水会加速老化、增加木材劣化,请参见图2。
图2. 不同木材经30%双氧水处理后的耐候(G154-1):经由国际标准ASTM G154-1耐候试验(340nm灯源),检验喷涂二次30%双氧水的色差变化值(△E)
依照木种区分,进一步观察各组木材色差变化,检验喷涂双氧水与否,对于耐候试验变化(G154-1)的影响程度,请参阅图3~图8,双氧水造成耐候下降、色差变化剧烈,尤其是南洋榉木、非洲柚木、香杉、美杉较明显,其中以阔叶林更为明显(相较于针叶林)。
图3. 南洋榉木喷涂双氧水与否的色差变化(G154-1):经由ASTMG154-1耐候,比较喷涂双氧水和未喷涂双氧水的色差变化值(△E)
图4. 非洲柚木喷涂双氧水与否的色差变化(G154-1):经由ASTMG154-1耐候,比较喷涂双氧水和未喷涂双氧水的色差变化值(△E)
图5. 香杉喷涂双氧水与否的色差变化(G154-1):经由ASTM G154-1耐候,比较喷涂双氧水和未喷涂双氧水的色差变化值(△E)
图6. 美杉喷涂双氧水与否的色差变化(G154-1):经由ASTM G154-1耐候,比较喷涂双氧水和未喷涂双氧水的色差变化值(△E)
图7. 花旗松喷涂双氧水与否的色差变化(G154-1):经由ASTM G154-1耐候,比较喷涂双氧水和未喷涂双氧水的色差变化值(△E)
图8. 南方松喷涂双氧水与否的色差变化(G154-1):经由ASTM G154-1耐候,比较喷涂双氧水和未喷涂双氧水的色差变化值(△E)
在比较双氧水喷涂与否的实验中,双氧水都会加速老化、降低耐候,对于各木种影响程度不一,相关文献显示:阔叶林木质素含量20~25%、针叶林木质素含量25%~30%;本研究显示:双氧水作用对于木质素含量较少的木种,如阔叶林:南洋榉木、非洲柚木,色差变化值(△E=5~8)影响最为深远,即受到双氧水的破坏最严重。
针叶林分为杉树和松树二大类,杉树无论颜色深浅的木种(包含深色的香杉和浅色的美杉),整体而言,和阔叶林有一致的现象,即双氧水会加速老化,造成色差变化增加;而松树的趋势较不明显。
比较发霉与否对耐候的影响
此外,通常木材漂白以消除污染、去除杂质、恢复必要白度、颜色均匀为目的,常见的状况如发霉现象,为使用漂白的主要时机,本研究以非洲柚木为例,分别探讨发霉与否的非洲柚木对耐候的影响,请参阅图9、图10。
图9. 非洲柚木(阔)发霉与否的木材自身色差变化(G154-1):经由ASTMG154-1耐候,比较未发霉非洲柚木和发霉非洲柚木的色差变化值(△E)
图10. 喷涂双氧水后,非洲柚木(阔)发霉与否的色差变化(G154-1):喷涂双氧水以后,再进行耐候加速ASTM G154-1试验,比较未发霉非洲柚木和发霉非洲柚木的色差变化值(△E)
研究结果显示,发霉非洲柚木比未发霉非洲柚木的色差变化较小(平均色差变化值分别为△E=5、△E=14,此两项数据线的间距也较大),即发霉的木材较不易黄变;但无法藉由木材发霉,达到耐候保护或减缓的功效,因为经过双氧水处理后,反而会加速老化,发霉非洲柚木比未发霉非洲柚木的色差显著增加(平均色差变化值分别为△E=13、△E=17,此两项数据线的间距也较小),即双氧水对于发霉木材作用更剧烈。
SB1对不同木材漂白与否的耐候保护
为了确认SB1对于不同处理条件的效果,故选择同一块木片进行4种测试,同时也选用强度更强的全光照试验,研究结果显示:整体而言,木器前处理剂SB1可提升耐老化效果、保护木器不劣化、改善木器黄变。不同木器耐候提升效果分述如下,请参见图11~图16。
图11. SB1对南洋榉木漂白与否的耐候保护:比较喷涂双氧水和耐候处理的色差变化值(△E)
图12. SB1对非洲柚木漂白与否的耐候保护:比较喷涂双氧水和耐候处理的色差变化值(△E)
图13. SB1对香杉漂白与否的耐候保护:比较喷涂双氧水和耐候处理的色差变化值(△E)
图14. SB1对美杉漂白与否的耐候保护:比较喷涂双氧水和耐候处理的色差变化值(△E)
图15. SB1对花旗松漂白与否的耐候保护:比较喷涂双氧水和耐候处理的色差变化值(△E)
图16. SB1对南方松漂白与否的耐候保护:比较喷涂双氧水和耐候处理的色差变化值(△E)
由不同木种耐候效果实验及喷涂双氧水与否对耐候的影响实验结果可知,无论喷涂双氧水与否,南洋榉木的色差变化值(△E)~15,部份试片色差值甚至高达20,经由木器前处理剂SB1作用,色差变化值(△E)<8。
由不同木种耐候效果实验及喷涂双氧水与否对耐候的影响实验结果可知,无论喷涂双氧水与否,非洲柚木的色差变化值(△E)~15,部份试片色差值甚至高达20,经由木器前处理剂SB1作用,色差变化值(△E~10)都低于未添加SB1,而且不论双氧水处理与否,SB1都可发挥它的功效,保护木器、改善黄变。
由不同木种耐候效果实验及喷涂双氧水与否对耐候的影响实验结果可知,无论喷涂双氧水与否,香木的色差变化值△E=10~15,经由木器前处理剂SB1作用,色差变化值大幅改善(△E<5),提升耐老化效果3倍,而且不论双氧水处理与否,SB1都可发挥它的功效,有效延缓黄变。
由不同木种耐候效果实验及喷涂双氧水与否对耐候的影响实验结果可知,无论喷涂双氧水与否,美杉的色差变化值(△E)~20,经由木器前处理剂SB1作用,可改善色差变化值△E<15。
由不同木种耐候效果实验及喷涂双氧水与否对耐候的影响实验结果可知,无论喷涂双氧水与否,花旗松的色差变化值(△E)~20,经由木器前处理剂SB1作用,可改善色差变化值△E<10,提升1倍耐老化效果。
由不同木种耐候效果实验及喷涂双氧水与否对耐候的影响实验结果可知,无论喷涂双氧水与否,南方松的色差变化值△E=20~30,经由木器前处理剂SB1作用,改善色差变化值 (△E<15),而且不论双氧水处理与否,SB1都可发挥它的功效,保护木器不劣化。
结语
◆一般来说,阔叶林树种的耐候较佳,木质素含量较少(硬木)耐候较好。
◆香杉属于针叶林,不同于同属杉树的美杉,耐候较佳,研究发现:可以用简单的判断方式,通常木材颜色较深的耐候较佳。
◆喷涂双氧水会加速老化、增加木材劣化。
◆双氧水造成耐候下降,对于南洋榉木、非洲柚木、发霉非洲柚木、香杉、美杉较明显,其中以阔叶林更为明显(相较于针叶林)。
◆发霉的木材较不易黄变;但无法藉由木材发霉,达到耐候保护或减缓的功效。
◆双氧水对于发霉木材作用更剧烈。
◆木器前处理剂SB1可提升耐老化效果、保护木器不劣化、改善木器黄变。