薄木贴面装饰板化学表面处理

随着人们生活水平的提高和对居住环境、条件改善的迫切要求 ,装饰板的用量越来越大。到目前为止 ,我省已有木质装饰板生产企业近百家 ,这类装饰板全省的日产量已达 3 0～ 40万张 ,年产值近百亿 ,短短几年已发展成为我省一个大的胶合板二次加工产业。木质装饰板一般选用优质木材 ,如白桦、枫木、栎木、莎比利、花榈、酸枝、水曲柳及各种人造木的刨切薄木经胶贴制成 ,整个制作过程须经刨切加工、储运、拼花、胶贴、热压等多道工序。但这些复杂的工序 ,使得原有木质纹理曲线 ,失去自然、新鲜感。仅水曲柳目前国内资源缺少 ,不得已从俄罗斯进口 ,由于木材生长的地理、环境、气候、年轮等的关系 ,造成材质色差大 ,颜色不鲜明 ,甚至发黑等 ,远远达不到装饰效果。目前 ,许多厂家由于这些原因造成产品积压 ,价格上不去 ,有的厂家甚至面临倒闭的危险。为此 ,对木质装饰板进行表面处理具有重要的现实意认。

1　薄木颜色的来源和处理方法

木材的变色是十分复杂的 ,不同材种的木材 ,变色也各有差异。从化学角度 ,认为木材变色主要是化学变色基团 ,ＣＣ键、ＣＯ键 ,乙烯基(ＣＨ2 ＣＨＲ )等及对木材变色起辅助作用的基团如ＯＨ-基 ,甲氧基 (　ＣＨＯ ),羧基 (　ＣＯＯＨ )等 ,变色的化学成分主要有酚类、醌类、有机酸、环烯醚萜甙类、单宁及各种木材的抽提物等[1 , 2 ]。因此 ,对不同材种的装饰板薄木表面处理或者俗称漂白 ,首先须对该种木材的变色成分作初步的化学分析 ,确定变色成分存在的范围和产生变色的性质 ,分析出变色的成分 ,找出产生变色的生物、物理影响因素 ,制定出一套较为合理的表面处理 (漂白 )工艺 ,同时随着人们生活水平的提高 ,人们对美的追求和消费水平的不同 ,进行处理的工艺和结果也应相应作一些变动。从对变色成分的分析看 ,本身的有色化学成分及易引起变色的化学成分是造成木材变色的主要因素。但这些生物、物理因素相互协同作用也应引起重视 , 如木材本身刨切成薄木后接触空气 ,引起化学物质氧化变色。温湿度方面 ,温度升高 ,化学反应活化能降低 ,变色物质氧化加快 ,湿度也使得如酚类物质、有机酸等变色物质加快游离出来接触空气变色 ;温湿度变化也促使木材产生霉变 ;还有树种生长地理、环境、年轮、纤维的生长疏密等都会引起有色和变色物质分布的不同 ,从而对表面处理工作带来更多的困难。为此 ,用化学法来处理这些变色成分 ,可采用氧化和还原的方法进行 ,目的是利用处理液去破坏木材发色成分中的羰基 (ＣＯ )及其它碳原子之间的二价结合 ,使其可吸收的光向短波方向移动 ,并减弱其吸收强度[3 , 4],从而使材色变浅 ,纹理变得清晰素雅 ,更富有自然感、鲜明感 ,整个处理的工艺 ,其实是一个表面处理的物理化学过程。对薄木贴面装饰板表面处理方法可分为浸泡法和辊涂法两种 ,从对浙江省目前企业的调查和处理效果 ,及企业对表面处理技术的可接受程序 ,都偏向于辊涂法处理。因此 ,对辊涂法的表面处理理论研究也显得十分必要。

2　木质结构及处理液对表面处理效果的影响

2 1　木质结构与处理效果在对各种可进行表面处理的薄木贴面装饰板中 ,木质结构本身对处理效果影响始终存在。木材组织结构存在着各种构槽、导管、管胞、木射线等[2 ],一方面这些结构的存在引起了表面不平整 ,同时也可加速处理液向组织结构内部渗透 ,达到一定的漂白处理 ;另一方面由于这些结构及不同树龄、年轮、芯材、边材间造成处理液分布不均 ,从而影响处理效果。不管怎样从薄木表面处理的过程中 ,结构本身造成对处理液渗透、扩散的影响是较为重要的。

2 2　表面处理动力学

处理液在木质结构内部的扩散 ,其实存在这样一些物理化学过程 ,首先是“笼罩效应”[6],由于液体分子间平均距离比气体近得多 ,液体中每个处理液分子实际被周围分子所包围 ,进入木材组织内部的处理液分子也被其它分子包围 ,就如同关在周围分子构成的笼子中 ,这个笼中的分子不能象气体分子那样自由地进行平动 ,只能不停地在笼中振动、不断地与周围分子碰撞 ,如果某一次振动积累了足够的能量 ,或正在向某方向振动时 ,恰好该方向的周围分子让开了路 ,于是这个分子就要冲破笼子扩散到别处。从而不间断地进行下去。

所以 ,对装饰板表面处理而言 ,处理液中每个溶质分子 ,都处于周围溶剂分子所构成的笼子之中 ,若两个溶质分子扩散到同一个笼子中互相接触 ,则称为遭遇[5]。两个溶质分子只有扩散到同一个笼子中发生遭遇才能起漂白反应。扩散与漂白反应为两个串联步骤。若反应活化能小反应速度跟不上 ,则为扩散控制 ;反之 ,若反应活化能大 ,反应速度慢 ,则为反应控制或活化控制[6]。从对浙江德清双马木业公司水曲柳贴面板半年多的实践和理论经验结合分析 ,若漂白进入扩散控制 ,则容易引起木纹纹理模糊 ,漂白不均匀 ,鲜明度不够。若漂白进入反应控制 ,易引起漂白液装饰表面分布不均匀 ,从而整张板漂白不均 ,板材会产生“水花影”。所以 ,如何在板材漂白过程中 ,选择扩散控制和反应控制步骤 ,是十分重要的。对扩散反应 ,必须遵守菲克 (Ｆｉｃｋ)扩散第一定律 :在一定温度下 ,单位时间扩散过截面积Ｓ的处理液物质ｉ的摩尔数ｄｎｉ/ｄｔ ,比例于截面积Ｓ和浓度梯度ｄｃｉ/ｄｘｉ 的乘积 ,即 :ｄｎｉｄｔ=-ＤＳ·ｄｃｉｄｘ式中 ,Ｄ为扩散系数 ,单位为ｍ2 ·ｓ-1 ,对一般球形状粒子来说 :Ｄ =ＲＴ6Ｌπηγ其中 :Ｌ为阿佛加德罗常数 ,η为粘度 ,γ为球形粒子半径。所以 ,对木质材料处理液扩散而言 ,与材料结构的疏密和处理液本身的粘度 ,分子大小等都有关系。对活化控制反应 ,反应符合阿累尼乌斯方程 ,Ｋ=Ｋ0 ｅ-Ｅａ/ＲＴ。式中 :Ｋ为反应速度常数 ,Ｅａ为反应活化能 ,Ｔ为温度。所以 ,活化控制决定反应能及处理液温度。

3　木质表面处理的光化学和木质环境学

木材是构成人类室内生活环境的主要材料 ,装饰板无疑是起了重要作用。而光对这些材料表面的影响也是一个不可忽视的方面。如木材受光的影响会产生光降解和光氧化降解 ,紫外线照射木材 ,使木素成分相互作用而出现变色和变质等。如何防止、减少或消除光对木材的材色、材质影响 ,这是十分有意义的。

光化学等一定律指出 ,为使一个光化学反应发生 ,这一系统中某些组分首先必须吸收光 ,而木材是一种易吸收光的物质。光化学第二定律又告诉人们 ,一个分子只能吸收一个辐射的量子。吸收能量使木材中各组分分子中的键离解。这种均裂生成自由基并作为光化学的初产物 ,同时形成如羧基、羰基、醌、共轭双键等发色基团。光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射 ,当光照射木材表面时 ,一部分被反射 ,一部分进入能吸收某些波长的木材色素 (带色物质 )和细胞间隙中。没有被吸收进细胞的光 ,通过散射、反射和传导而再次发射 ,由此 ,通过人的视网膜而产生了木材颜色。但光线透入木材的大距离不超过 2 0 0 μｍ[2 , 4],所以 ,光化学反应发生 ,仅仅是一个表面过程。为此 ,从木材的光化学反应现象中 ,装饰板的表面处理显得尤为重要。通过这种表面的化学处理 ,可以分解或消除易吸收有色光的物质和本身带色或易变色的物质 ,以期达到材色协调一致。木材是生物源的一种天然产物 ,其性质有它的高度多样性和变异性 ,正是这些多样性和变异性 ,使得木材不管从颜色、结构、材性形成了其特有的丰富多彩的世界 ,它给人们带来了宁静、温暖和自然的美感 ,这种天然生物材料越来越受到人们的重视。日本学者[7]提出木质环境学 ,正是证实了木材与人们之间思维情感、心理、生活空间等一种相辅相成的关系。有学者研究[8, 9],自然界某种系统在进行热动平衡状态下 ,在其水平线上进行的无规则微小变动的涨落现象 ,如这种涨落到 1 /ｆ型涨落谱时与人的生体节律是相一致的 ,可以给人以一种兴奋感 ,而木材本身就有与这种人的节律相一致的纹理和色调[7, 8]。但是 ,木材由于受光、热、湿度、加工、运输、环境、气候和生物霉变等各种因素的影响 ,产生了与木材纹理、色调不相一致 ,或者说失真、失去美感的现象 ,必须进行表面处理。因此 ,木质装饰板表面处理是一个多学科结合的过程 ,应借助现代化学反应理论、光学、木质环境学等 ,以期达到佳处理效果。

4　工艺参数与处理效果

在对处理液表面处理动力学的分析来看 ,漂白处理的反应速度、温度 ,处理预放时间和处理液浓度是整个表面处理中的工艺参数。

4 1　反应速度

反应速度过快 ,反应属扩散控制 ,处理液放热量大 ,对热量积累也多 ,这样会造成处理液爆沸 ,后整个处理液失效。同时反应速度过快对面板质量也有一定影响 ,如纤维条纹损坏、模糊 ,胶合强度受损等 ;对贴面薄木造成处理液渗透反应不均一 ,效果不一致 ,产生“阴阳面”或“花脸”等现象 ,从而影响整张板的质量。

反应速度过慢 ,动力学中属反应控制。一方面影响生产效率 ;另一方面由于采用辊涂法 ,处理液对面板涂刷量 ,还存在不均匀性 ,或对不完全平整的板材来说 ,造成处理液分布不均匀 ,从而也引起“漂白”处理效果的不均匀性 ,同样造成比较严重的“花脸” ,而这一情况会比扩散控制的情况要严重的多。为此 ,理论上解决这一矛盾好的方法是适当提高面板温度 ,以期在反应控制的前提下 ,加快反应速度 ,消除“花脸” ,提高质量。

综上所述 ,反应速度要适当地控制。

4 2　温度

温度在整个表面处理过程中 ,可划分为处理液存放温度、反应温度 (即面板涂刷后面板存放温度 )、面板热压烘置温度三个阶段。

4 2 1　处理液存放温度

对已配制的氧化型或还原型处理液来说 ,温度主要影响到该配制液的有效使用时间。根据化学反应速度原理 ,温度提高 ,反应速度加快 ,有时候在有些厂家 ,配制液还没完全使用完 ,就已造成处理液有效作用失效或降低 ,产生装饰面板间处理 (漂白 )的“梯度”现象 ,从而影响质量。所以 ,处理液温度应适当控制。

4 2 2　反应温度

在工业化生产装饰板过程中 ,面板在材色表面处理前 ,装饰板经薄木热压胶合后按件堆放 ,一般情况下面板温度即为实际反应温度 ,大约在 2 0～ 60℃左右 ,而 40～ 60℃甚佳 ,因为对氧化型 (如Ｈ2 Ｏ2 、Ｎａ ＣｌＯ、过醋酸等 )或还原型 (如ＮａＨＳＯ3 、Ｈ2 Ｃ2 Ｏ4、连二亚硫酸钠等 )化学物质 ,这一温度区域适合装饰板面板化学引发处理 ,同时 ,也不至因温度过高 ,反应加快从而损坏木质纤维[1 , 3 ]。但对表面处理的反应速度 ,反应温度符合阿累尼乌斯速度方程 ,这样在实际生产中是完全可控制的。

4 2 3　面板热压烘置温度

面板烘置采用生产上现有压机设备 ,通过烘置 ,目的是彻底消除多余化学物质 ,干燥面板 ,稳定质量。同时应注意烘置温度不宜过高。因为一方面会使木质纤维受损、模糊 ,另一方面产生鼓泡脱胶。通过总结 ,为满足现代生产需要 ,一般烘置温度以 80～1 0 0℃为宜。

4 3　处理液浓度

处理液浓度直接关系到处理的反应速度 ,面板的白度等 ,这从前述反应动力学中已作论述。实践证明 ,适当选择处理液浓度对保证面板质量 ,满足客户要求 ,制出不同白度的装饰板是至关重要的。

5　结语

为了提高装饰板外观装饰性能 ,对于这类薄木贴面装饰板 ,一般都需进行化学表面处理 ,通过处理可使装饰板表面更加自然美观 ,从而使装饰板提高整体质量档次。浙江省是一个木材加工大省 ,木材资源基本靠进口及外省调运。为此 ,有效利用木材资源这一工作更加迫切 ,对装饰板化学表面处理的理论及实际研究也有它特殊的意义。