龐 瑤 ，楊瑋娣 ，劉 毅 ，郭洪武 ，任學(xué)勇

（1.北京林業(yè)大學(xué) a.木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c. 林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083； 2.北京工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，北京 100024）

天然珍貴木材經(jīng)旋切或刨切制成的薄木以其優(yōu)美的顏色、紋理而備受人們青睞，被廣泛應(yīng)用于人造板、家具部件等表面飾面。但是，隨著天然珍貴木材供應(yīng)的日益緊缺，如何提升人工林速生木材的利用價(jià)值成為木材科學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題[1-2]。人工林木材材色單調(diào)，紋理不清晰，材質(zhì)松軟，密度較低，不宜直接用于家具、家居裝飾[3-4]。因此，出現(xiàn)了以普通樹種木材為基材，經(jīng)染色、膠合而成的重組裝飾薄木。這類人造薄木豐富了木質(zhì)裝飾材料的品種，滿足了人們的個(gè)性化需求，提高了人工林木材的裝飾性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5-6]。近年來，隨著家具家居行業(yè)的快速發(fā)展，裝飾材料也在不斷推陳出新，其中，水影畫裝飾薄木便是一種獨(dú)特新穎的創(chuàng)新形式。水影畫作為中國傳統(tǒng)的繪畫藝術(shù)形式，利用了水和油脂類顏料分離的原理進(jìn)行高技巧作畫。水影畫裝飾薄木的制備主要包括畫液配制、顏料調(diào)配、水中繪畫及薄木拓印等步驟，基于水影畫技法繪制的圖案艷麗獨(dú)特[7]。水影畫裝飾薄木的產(chǎn)生不僅是對(duì)傳統(tǒng)藝術(shù)的傳承與發(fā)揚(yáng)，也是對(duì)材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。良好的裝飾效果是由薄木表面性能決定的，因此，為分析此種裝飾薄木的表面性能，本研究采用闊葉材白楓制備水影畫薄木，開展水影畫裝飾薄木的表面耐光性及潤濕性研究，為今后深入探究水影畫裝飾薄木性能及改進(jìn)生產(chǎn)工藝或者對(duì)材料進(jìn)行二次加工提供了理論依據(jù)，具有一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)材料

木 材：白楓Acer saccharum，氣干密度為0.433 g/cm3，含水率12%，購買于北京東壩建材城。試樣規(guī)格為130 mm×42 mm×0.5 mm。

顏 料：采購于山東臨沂，其中紅色顏料主要成分為朱砂，分子式為HgS；藍(lán)色顏料主要成分為石青，分子式為2CuCO3·Cu(OH)2；黃色顏料主要成分為梔子黃色素，含藏紅花素和藏花酸，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

（2）設(shè) 備

主要有氙燈老化試驗(yàn)機(jī)（Alpha+，德國）、測(cè)配色系統(tǒng)（PX，日本）、接觸角測(cè)定設(shè)備（OCA20，德國Dataphysics）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水影畫裝飾薄木試樣的制備

根據(jù)傳統(tǒng)水影畫繪制步驟，用方形容器盛裝繪制水影畫所需的畫液，分別用吸管選取適量紅色、黃色、藍(lán)色顏料點(diǎn)滴于畫液上，使用筆刷將顏料均勻鋪開，然后將薄木材料鋪著于水面上，輕按進(jìn)行拓印，即可將顏料轉(zhuǎn)印于薄木上。拓印后的薄木材料在避光室內(nèi)自然條件下風(fēng)干后進(jìn)行剪裁，制成規(guī)格為130 mm×42 mm×0.5 mm的試樣。

圖1 藏紅花素（a）和藏花酸（b）化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structures of the crocin (a) and crocetin (b)

1.2.2 耐光性實(shí)驗(yàn)

將試樣置于氙光老化試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行光輻射試驗(yàn)， 分 別 于 0、l、2、5、10、20、40、60、80、100 h光輻射后，用計(jì)算機(jī)測(cè)配色儀測(cè)定光輻射前后的顏色參數(shù)L*（明度）、a*（紅綠色品指數(shù)）和b*（黃藍(lán)色品指數(shù)），測(cè)色儀光源為D65，觀測(cè)角為10°。對(duì)每塊試樣均取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取平均值為試樣測(cè)量值。根據(jù)CIE(1976)L*a*b*色空間的色差公式計(jì)算光輻射前后的材色差和總色差值(ΔE*)，即為不同光輻射時(shí)間的變色度。材色差和總色差的計(jì)算方法如下：

式中：ΔL*、Δa(b)*、ΔE*分別為明度指數(shù)變化值、色品指數(shù)變化值、總色差值；L0*、a0*和b0*為試樣的初始明度指數(shù)、色品指數(shù)；Lt*、at*和bt*為經(jīng)過t時(shí)間光輻射后試樣的明度指數(shù)、色品指數(shù)。

1.2.3 表面接觸角的測(cè)定

測(cè)試前先將蒸餾水抽入注射器中，排除氣泡后將注射器裝入接觸角測(cè)定儀，將試樣置于載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)高度，并調(diào)節(jié)焦距及試樣位置使成像清晰。每次測(cè)試所用蒸餾水液滴大小為3 μL，在試樣上隨機(jī)取6個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)定不同液體滴在試樣上的初始接觸角，計(jì)算6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接觸角平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐光性分析

通過光輻射實(shí)驗(yàn)，白楓未處理試樣及其顏料著色后試樣的材色指數(shù)L*、a*、b*初始值的測(cè)定結(jié)果（平均值）如表1所示。

表1 白楓薄木試樣的材色指數(shù)Table 1 Colour index of the wood veneer

木材的顏色主要來源于其組分中的木質(zhì)素和抽提物，它們含有大量的發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)，這些基團(tuán)以復(fù)雜的形式結(jié)合構(gòu)成發(fā)色體系，并通過選擇性地吸收、散射、反射特定波長區(qū)域的可見光，從而使木材呈現(xiàn)不同的顏色[8]。由表1可知，未處理試樣和不同顏色的薄木試樣的材色指數(shù)各不相同。由于白楓屬于淺黃色木材，其明度L*較高。3種經(jīng)不同顏料著色的試樣中黃色試樣的明度指數(shù)L*最高，其次是紅色試樣，藍(lán)色試樣的明度指數(shù)最低。黃色和藍(lán)色試樣色品指數(shù)a*、b*差異較大，而紅色試樣的色品指數(shù)a*、b*數(shù)值較為接近，其原因可能是由于紅色顏料成分中的朱砂不僅具有鮮艷的紅色，且?guī)в杏闪咙S到藍(lán)紅色的色調(diào)。

未處理的白楓薄木試樣和經(jīng)顏料著色的試樣分別經(jīng)光輻射1、2、5、10、20、40、60、80、100 h后，其明度指數(shù)L*、紅綠色品指數(shù)a*、黃藍(lán)色品指數(shù)b*和總色差ΔE*的變化情況如圖2～圖5所示。

由圖2可知，未處理試樣和經(jīng)紅色、黃色、藍(lán)色顏料著色的薄木試樣的明度指數(shù)L*隨著光輻射時(shí)間的延長，均呈下降趨勢(shì)。在光輻射初期（0～20 h），明度指數(shù)L*下降速率大，中后期（20 h后）趨于緩慢。未處理試樣和黃色試樣的明度數(shù)值L*較為接近，但最終未處理試樣的明度變化比黃色試樣大。4種試樣經(jīng)光輻射100 h后，其明度指數(shù)L*變化情況為：未處理試樣（ΔL*=6.70）＞藍(lán)色試樣（ΔL*=5.48）＞黃色試樣（ΔL*=5.18）＞紅色試樣（ΔL*=4.14）。

圖2 試樣明度L*隨光輻射時(shí)間的變化Fig.2 The relationship between lighteness(L*) of the samples and lighting time

圖3 色品指數(shù)a*隨光輻射時(shí)間的變化Fig.3 The relationship between chroma index(a*) and lighting time

圖4 色品指數(shù)b*隨光輻射時(shí)間的變化Fig.4 The relationship between chroma index(b*) and lighting time

由圖3和圖4可知，試樣的色品指數(shù)a*和b*隨光輻射時(shí)間的延長，基本呈平緩狀態(tài)，沒有發(fā)生明顯的變化。具體而言，未處理試樣的色品指數(shù)a*和b*在光照初期皆有上升變化的趨勢(shì)，中后期趨于平緩狀態(tài)。紅色試樣和藍(lán)色試樣的紅綠色品指數(shù)a*沒有明顯變化，而黃藍(lán)色品指數(shù)b*在光照初期呈上升趨勢(shì)，中后期變化趨于緩慢，表明紅色和藍(lán)色試樣發(fā)生了黃化。黃色試樣的色品指數(shù)a*和b*隨著光輻射時(shí)間的延長，皆有輕微的上升趨勢(shì)變化。

結(jié)合明度指數(shù)和色品指數(shù)的分析，經(jīng)光輻射后，試樣的明度和色度均發(fā)生了變化，未處理試樣的顏色變化明顯大于其它3種顏色試樣。未處理木材光變色的類型主要屬于化學(xué)變色，由于木素的光氧化反應(yīng)而導(dǎo)致了木材變色[9-10]。木材中木素是一種強(qiáng)的光吸收劑，在光照下易發(fā)生降解，使顏色發(fā)生改變，因此其在木材組分中的耐光性最弱。光輻射過程中，在具有不同能量的不同波長光的激發(fā)下，木材表面化學(xué)基團(tuán)和化學(xué)鍵能級(jí)處于激發(fā)態(tài)，木質(zhì)素碳骨架側(cè)鏈的羰基或共軛雙鍵首先吸收光能，這些不飽和鍵氧化生成自由基，并進(jìn)一步反應(yīng)氧化，生成醌類發(fā)色物質(zhì)或降解劣化成水溶性小分子，從而使得木材變色[11]。

對(duì)于不同顏色的顏料，光變色的程度不同與顏料所含成分密切相關(guān)。紅色顏料所含成分朱砂在長期光照作用下容易變暗或變黑，這種轉(zhuǎn)變主要是HgS在兩種晶體間的轉(zhuǎn)變。朱砂有兩種變體：一種是紅色六角晶系結(jié)晶體α-HgS，另一種是黑色單斜晶系結(jié)晶體β-HgS。顏料晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化一般會(huì)引起顏料性能的變化，在光照和低能量條件下，α-HgS轉(zhuǎn)變成β-HgS[12]。因此隨著光照時(shí)間的延長，紅色朱砂顏料會(huì)產(chǎn)生變暗甚至變黑現(xiàn)象。但有學(xué)者通過對(duì)壁畫上的朱砂顏料進(jìn)行研究，認(rèn)為氯和光是引起朱砂顏色變化的原因，氯是光氧化反應(yīng)的催化劑，在長期光照下，氯與HgS發(fā)生反應(yīng)生成氯化物，從而使朱砂顏色發(fā)生改變[13]。石青是一種堿性銅碳酸鹽礦物，也叫藍(lán)銅礦，晶體類型為單斜晶系。石青顏料的變色或褪色原因，主要也是由于晶體結(jié)構(gòu)的改變。石青顆粒不穩(wěn)定，2CuCO3·Cu(OH)2在低熱狀態(tài)下通過水化作用容易轉(zhuǎn)變?yōu)榭兹甘疌uCO3·Cu(OH)2[14]，在較高溫狀態(tài)下顏色易發(fā)生改變[15]，高溫時(shí)分解得到黑色的氧化銅CuO，從而使得顏色變暗變黑。黃色顏料中的成分梔子黃與礦物顏料不同，其屬于脂肪族天然色素，色素成分含藏紅花素和藏花酸，變色機(jī)理主要以光催化氧化、水解重排為主。梔子黃天然色素分子結(jié)構(gòu)中存在長鏈共軛雙鍵，長鏈烯烴中的π鍵容易受到光照、氧化等破壞而褪色，這一結(jié)構(gòu)不僅賦予了天然色素以顏色，也影響著光照下其色澤的穩(wěn)定性[16]。

圖5 試樣的總色差ΔE*隨光輻射時(shí)間的變化及變色速率Fig.5 The relationship between total chromatism(ΔE*) of the samples and lighting time

圖5為試樣的總色差ΔE*隨光輻射時(shí)間的變化情況和變化速率。由圖6（a）可知，試樣的總色差ΔE*隨著光輻射時(shí)間的延長均呈上升趨勢(shì)，試樣發(fā)生了顯著的光變色。光變色的程度大小為：未處理試樣＞藍(lán)色試樣＞紅色試樣＞黃色試樣。經(jīng)顏料著色的試樣耐光性均強(qiáng)于未處理試樣，表明了顏料的附著在一定程度上抑制了木材的光變色。顏料著色的試樣中黃色試樣的耐光性最好，主要是由于天然梔子黃色素相對(duì)于礦物顏料穩(wěn)定性較好，梔子黃色素中的藏紅花素和藏花酸分子結(jié)構(gòu)含較為穩(wěn)定的長碳鏈結(jié)構(gòu)，具有良好的抗氧化活性[17]。此外，有研究表明梔子黃色素中含有化學(xué)成分多酚類，可以起到抗氧化作用[18]，因此梔子黃的耐光性相對(duì)較強(qiáng)。由圖5（b）可知，在光照初期（0～20 h）總色差ΔE*變化速率大，表明試樣在光輻射初期就發(fā)生了嚴(yán)重的變褪色；光照中后期，總色差ΔE*的變化速率減小，變色程度逐漸趨于平緩。分析該現(xiàn)象的原因，主要是由于光照初期吸收的光能使木材抽提物分子中的不飽和基團(tuán)激發(fā)，發(fā)生了光氧化和光降解反應(yīng)導(dǎo)致發(fā)色體系產(chǎn)生改變和破壞[19]，同時(shí)，光照也使顏料晶體發(fā)生了改變，所以在木材組分和顏料成分的雙重作用下，試樣在初期光變色嚴(yán)重。但是，由于光的穿透能力是有限的，薄木的變色通常發(fā)生在材料表層[20]。當(dāng)試樣表面的顏料成分發(fā)生了變化，形成了另一種相對(duì)穩(wěn)定的晶體或結(jié)構(gòu)后，木材的變褪色進(jìn)入了下一階段，這一階段主要是木材的劣化，試樣的光變色速率減小，變化過程緩慢。

此外，本實(shí)驗(yàn)還選取了楊木薄木制備了水影畫裝飾薄木，其試樣的總色差ΔE*隨光輻射時(shí)間的變化情況如圖6所示。由圖6可知，楊木與白楓薄木的總色差ΔE*變化大小不一樣，但是其變化趨勢(shì)是一致的，總色差ΔE*同樣隨著光輻射時(shí)間的延長均呈上升趨勢(shì)，試樣發(fā)生了顯著的光變色。樹種的不同，可能會(huì)影響其水影畫裝飾薄木的光變色程度，但是其變色機(jī)制是一致的。

圖6 楊木試樣的總色差ΔE*隨光輻射時(shí)間的變化Fig.6 The relationship between total chromatism(ΔE*) of the poplar samples and lighting time

2.2 表面潤濕性分析

液體在固體表面上的潤濕程度可以用接觸角（θ）定量描述[21]。當(dāng)θ=0°時(shí)，為完全潤濕狀態(tài)；當(dāng)0°＜θ＜90°時(shí)，為潤濕狀態(tài)；當(dāng)90°＜θ＜180°時(shí)，為不潤濕狀態(tài)；當(dāng)θ=180°時(shí)，為完全不潤濕狀態(tài)。接觸角越小，表面潤濕性越好[22]。

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了未經(jīng)光照老化的試樣及老化試樣的表面初始接觸角，其平均值大小如圖7所示。

圖7 未老化及老化試樣的初始接觸角Fig.7 The initial contact angles of the samples

由圖7可知，未經(jīng)光照老化的試樣的初始接觸角大小為：黃色試樣（105.7°）＞藍(lán)色試樣（100.6°）＞未處理試樣（97.9°）＞紅色試樣（94.2°），經(jīng)光照老化后試樣的初始接觸角大小為：黃色試樣（99.25°）＞未處理試樣（97.9°）＞紅色試樣（96.7°）＞藍(lán)色試樣（95.68°），其數(shù)值差異并不大。未老化及老化后的未處理試樣的初始接觸角基本一致；未老化的黃色和藍(lán)色試樣的接觸角高于老化后的接觸角；而紅色試樣則相反，老化后的試樣接觸角大于未老化的。在未經(jīng)光照老化的條件下，顏料著色試樣的初始接觸角大小相對(duì)于未處理試樣均有不同的改變，說明顏料附著于薄木表面對(duì)表面潤濕性有影響。光照老化后，除了未處理試樣，顏料著色試樣與未老化試樣對(duì)比，其初始接觸角也發(fā)生了不同程度的改變，表明光照對(duì)顏料著色試樣的表面潤濕性也有影響，并且這種影響主要是由于顏料變化引起的。

通過對(duì)比4組試樣的初始接觸角可知，在未經(jīng)老化和老化后的條件下，未經(jīng)顏料處理試樣的初始接觸角沒有改變；紅色試樣的接觸角最小，未老化和老化后的試樣與未處理試樣分別相差3.7°、1.2°，變化差異不大；黃色試樣的接觸角均大于其它試樣的接觸角。因此，在這4種試樣中，黃色試樣的表面潤濕性最差，其主要原因與黃色顏料成分的分子組成結(jié)構(gòu)相關(guān)。藏紅花素和藏花酸皆含有長碳鏈結(jié)構(gòu)，藏花酸碳鏈的末端為2個(gè)羧基基團(tuán)，其水溶性較差。藏紅花素碳鏈的末端含龍膽二糖糖苷，糖苷的多少與水溶性相關(guān)，糖苷數(shù)目越多，水溶性則越好，因此藏花酸的水溶性相對(duì)于藏紅花素較差。但在整個(gè)色素成分中，長碳鏈結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位，糖苷占少量，整體而言，梔子黃色素的水溶性較差，具有一定的疏水性，因此采用黃色顏料著色的試樣其潤濕性較差。

在未老化條件下，藍(lán)色試樣的初始接觸角大于未處理試樣，猜測(cè)產(chǎn)生該種情況的原因主要是由于顏料粒子存在的表面電荷引起的，表面電荷可通過吸附空氣中的化合物，以中和或降低其表面自由能，表面自由能越低，接觸角越大，因此藍(lán)色試樣的初始接觸角比未處理試樣大。經(jīng)過光照老化后，藍(lán)色試樣的初始接觸角減小，且低于未處理試樣。藍(lán)色顏料的成分2CuCO3·Cu(OH)2經(jīng)光照后部分失水轉(zhuǎn)化成CuO，而CuO又可與空氣中的水分及CO2反應(yīng)轉(zhuǎn)化成堿式碳酸銅，使得其具有一定的吸濕性。因此，老化后的藍(lán)色試樣的表面潤濕性相對(duì)于未老化試樣較好。

材料表面潤濕性受多種因素影響，表面粗糙度也是其中一個(gè)影響因素[23]。對(duì)于紅色顏料著色試樣，其初始接觸角均低于未處理試樣，老化后的紅色試樣的接觸角與未老化的試樣相比增加2.5°，變化差異不大。紅色顏料中的HgS既不溶于水也不與水反應(yīng)，據(jù)此猜測(cè)影響紅色試樣表面潤濕性的原因可能是由于顏料附著后改變了原本材料的表面粗糙度，從而導(dǎo)致水在材料表面的接觸角的差異。

3 結(jié) 論

本研究結(jié)合了傳統(tǒng)水影畫技法與普通薄木制備了新型的裝飾薄木，通過對(duì)白楓裝飾薄木表面耐光性及潤濕性的分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）白楓水影畫裝飾薄木受光輻射后易發(fā)生變色，是木素及顏料褪變色共同作用的結(jié)果，主要表現(xiàn)為明度指數(shù)L*減小，總色差ΔE*增大。不同顏料著色試樣的光變色程度不同，變色程度大小為：未處理試樣＞藍(lán)色試樣＞紅色試樣＞黃色試樣。顏料附著于白楓薄木表面，使得光變色減弱，其中黃色試樣的耐光性最好，未處理試樣的耐光性最差。

（2）顏料附著于白楓薄木表面及光照老化后，對(duì)材料表面的潤濕性有著不同程度的影響。未老化及老化后的黃色試樣的初始接觸角最大，表明黃色顏料著色試樣的表面潤濕性較差。

此外，通過繪制實(shí)踐也可證明，水影畫裝飾薄木具有可行性。與染色薄木相比，水影畫采用的是顏料而非染料，而對(duì)于顏料染色薄木少有人研究。在本試驗(yàn)條件中，僅對(duì)于單一顏色顏料而言，但水影畫裝飾薄木的表面裝飾畫是由多種顏料顏色組合形成的，不同的顏料混合后，其性能可能會(huì)有所改變，所以這一方面還有待深入探索。因此，為了提高水影畫裝飾薄木的穩(wěn)定性及使用壽命，使其獲得更好的使用價(jià)值，在今后的研究中，還可更進(jìn)一步地進(jìn)行性能研究，改進(jìn)顏料、工藝以及優(yōu)化選擇薄木材料等。

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