木材染色是为了改善木材表面的视觉特性 ,是模拟装饰的重要方法之一[ 14 ]。但是 ,木材自身的性质对其染色效果具有十分巨大的影响 ,而这方面的研究和报道还相对较少。本文将着重对这一问题进行讨论[ 1, 3 ]。

　　1 木材染色的可能性及其上染机理

　　1. 1 木材可以被染色

　　木材本身的性质决定了它可以被染色。木材是一种不均质、各向异性的毛细孔天然高分子复合材料 ,具有独特的生物学特征和物理化学特性[ 2 ]。

　　1. 1. 1 木材的生物结构特征和物理特性

　　木材的内部由不同种类的细胞、细胞壁和其他组织器官构成了规模庞大、而且极其复杂的毛细管系统 ,该系统主要可分为两大类 :一类是由细胞腔、细胞间隙和纹孔组成的大毛细管系统 ,另一类是由细胞壁上微孔组成的微毛细管系统。
细胞壁上有许许多多的微纤丝 ,在微纤丝与微纤丝之间 ,基本纤丝与基本纤丝之间均有孔隙 ,通常称这些微孔为微毛细管系统。这个毛细管系统的存在 ,使得木材具有了很强的毛细管吸附作用 ,同时也使得液体和气体等流体在木材中进行渗透和流动成为可能。而且 ,阔叶木材中的导管组织和针叶木材中的轴向管胞等直径较大管道的存在 ,也大大增强了木材自身的渗透性。此外 ,由于木材具有很大的比表面积 ,因此木材表面的物理吸附力很强 ,对药剂的吸附和渗透都十分有利[ 2, 4 ]。

　　1. 1. 2 木材的化学组成特性

　　木材的主要化学组成成分是纤维素、半纤维素和木质素 ,其中木纤维素中含有丰富的亲水性基团 ,如羟基 ( -OH)、羧基 ( -COOH)等官能团。半纤维素和木质素分子结构中也都含有大量的极性官能团[ 2 ]。

　　在染色过程中 ,被染色物体的表面润湿性能的大小很大程度上决定了染液在被染色物体表面的浸润效果[ 5 ]。组成木材的纤维素、半纤维素和木质素中含有的这些极性官能团在木材的内部相互作用能够达到平衡 ,而位于木材表面的分子则裸露在外面 ,存在剩余极性 ,从而使得木材表面具有一定的表面自由能 ,当它与极性液体或极性气体接触时就会发生吸附。因此 ,可以看出木材表面的润湿性能优良 ,可以满足染色处理的要求。

　　1. 2 木材染色的机理

　　木材染色的机理大体上是 :首先 ,染料溶液浸润木材后 ,受木材表面吸附力的作用 ,染料分子被吸附到木材表面 ;然后 ,在木材内部的毛细管力和染液压力的作用下 ,使得染料分子随着水溶液通过木材毛细管等通道进入木材内部 ;最后 ,在木材内部毛细管力、液体压力梯度、液体分子的热运动 ,以及由液体浓度差引起的扩散作用等因素共同作用下 ,实现了染料分子在木材内部的移动 ,并最终透过木材细胞壁扩散后 ,沉淀在纤维表面上 ,使得木材染色。需要指出的是 ,染料分子与木纤维结合主要是依靠分子间的吸附力 ,即范德华力[ 6 ]。但根据染料种类的不同 ,情况也有所不同 ,有些种类的染料分子还可以依靠氢键力等极性吸附力与木纤维结合 ,如直接染料和酸性染料等 ;还有一些种类的染料分子甚至可以与木纤维中的组成成分发生化学反应形成共价键结合 ,如活性染料等[ 2, 4 ]。

　　2 木材性质对染色效果的影响

　　2. 1 木材的主要解剖结构对染色效果的影响木材作为染料染色的被染色物 ,它的解剖结构的变化 ,对染色效果必然会有一定的影响 ,也就是说 ,木材染色效果和木材解剖因子等有一定的相关关系。

　　2. 1. 1 木材构造对传热性能的影响

　　染色温度是木材染色处理工艺中一项重要的工艺参数 ,它可直接影响木材染色的效果。因此 ,木材的传热性能、热传导的灵敏性对其染色效果有一定的影响[ 15, 18 ]。据有关研究得出 ,在木材整个传热过程中起关键作用的是多孔部分的传热 ,而且其多孔部分中含有的水、空气等流体对传热性能的影响极大[ 12 ];多孔部分的孔隙分布和大小的不同也对其传热性能有所影响 ,在含水率相同的情况下 ,孔隙率高而孔隙小的木材 ,其传热性能有所下降。

　　2. 1. 2 木材构造对其渗透性的影响

　　木材的渗透性能在其染色处理过程中可起到至关重要的作用 ,这在很大程度上影响了木材染色的效果。

　　(1)抽体物对其渗透性的影响 :树木的各个部分中都含有抽体物 ,主要是一些有机高分子物质 ,例如 ,树脂、单宁、色素等 ,其中有可溶于水的 ,也有不溶的[ 2 ];心材部分的抽体物含量往往比边材要高 ,由于抽体物的存在 ,很大程度上降低了木材的渗透性[ 9, 10 ]。

　　(2)纹孔及其构造对渗透性的影响 :木材细胞之间流体交换的主要途径是细胞壁上的纹孔。因此 ,木材纹孔的数量、分布和自身状况就在很大程度上影响了其渗透性。一般意义上 ,纹孔的数量越多 ,其渗透性能越好 ;但是 ,纹孔单位面积的大小也十分重要 ,单位面积上纹孔数量少、直径大的木材 ,其渗透性未必比单位面积上纹孔数量多、直径小的木材差 ,总的来说 ,应取决于纹孔数量与纹孔单位面积的乘积 ,即纹孔的总面积。此外 ,由于部分纹孔可能处于关闭状态 ,或者被某些物质堵塞 ,因此木材的渗透性还与纹孔开放率 (单位面积上开放畅通纹孔数量与纹孔总数之比 )有关[ 10, 13 ]。

　　(3)管胞特性对渗透性的影响 :流体在针叶木材中的移动过程中 ,阻碍其移动的阻力主要来自于所经过的细胞横隔 ,即细胞壁。因此 ,流体移动的单位距离上管胞的数量越少则妨碍其移动的阻力越小 ,其渗透性越好[ 13 ];反过来说 ,管胞的长度越长 ,木材的渗透性就越好。但这也不是绝对的 ,因为还存在一个管胞搭接率的问题 ,纵向上管胞与管胞之间并不全是头尾连接 ,还存在着互相搭接的情况。

　　(4)不同树种对渗透性的影响 :对于阔叶木材来说 ,早晚材结构差异大 ,晚材部分较为致密 ,导管孔较小 ,染色液渗透困难 ,同一种染料 ,树种不同 ,染料的渗透性差别也很大。阔叶材木纤维上的具缘纹孔在纹孔膜中央部分一般不具有纹孔塞 ,纹孔膜比较均匀。纹孔室与纹孔腔相通有较窄的纹孔道[ 2 ];阔叶木材的不同组织结构对其染色效果的影响也有很大差别 ,阔叶木材主要由

3种组织构成 ,即木纤维、导管和木射线。从它们在木材中的排列结构来看 ,轴向排列的木纤维和导管中染料的渗透和流动要好于径向排列的木射线[ 7 ]。从它们的化学成分来看 ,胞间层以木素为主，木材性质对其染色效果影响的研究进展为主 ,细胞壁由纤维素和半纤维素组成 ,因此对于不同的染料 ,它们的上染性也是有差别的。阔叶材的解剖结构决定了染料溶液在木材中的渗透性具有各向异性 ,极大地影响着木材染色的效果。染液在木材中的轴向渗透主要依靠导管 ,而染料在径向渗透时木射线细胞、导管和木纤维细胞壁上的纹孔是主要的渗透通道 ,其数量的多少就决定了染液径向渗透的效果 ,由于导管的直径要远大于纹孔 ,因此阔叶木材的染色效果 ,轴向上要优于径向[ 9 ]。对于针叶木材来说 ,同样存在早晚材差异的问题。而针叶木材的不同组织结构对其染色效果影响较之阔叶木材则略有不同。针叶材的纹孔对中 ,纹孔膜中央有一个像碟子的加厚部分 ,叫做纹孔塞 ,它是由许多微纤丝无定向编织而成 ,没有渗透性。纹孔塞四周有许多微纤丝呈放射状 ,将纹孔塞悬撑起来 ,这些微纤丝被称为纹孔塞缘 ,它是相邻管胞中流体的移动通道[ 2 ];针叶木材主要由管胞、木射线和树脂道等组成。由于染液在木材中径向渗透时 ,木射线细胞和管胞壁上的纹孔是其主要的渗透通道 ,因此木射线和管胞壁上的纹孔数量的多少就决定了染液径向渗透的效果 ,从而可知木射线和管胞所占比量、管胞弦向壁厚 ,以及管胞的壁腔比等解剖因子对针叶木材的染色效果有很大影响[ 8 ];而染液轴向渗透时主要依靠管胞 ,因此管胞数量 ,即其所占的比量影响巨大。此外 ,树脂道中树脂和填充物含量的多少对木材的染色效果也有一定影响 ,一方面因为染料对树脂和填充物的上染效果较差 ;另一方面 ,如果被染木材的树脂道中的树脂和填充物含量较少 ,则树脂道也可以起到作为染液渗透和流动通道的作用[ 9 ]。

　　2. 2 木材的物理性质对染色效果的影响

　　影响木材染色效果的物理性质包括木材密度、干缩系数、木材含水率、木材材色以及木材表面纹理和粗糙度等。密度小、干缩系数大的木材的材质较为疏松 ,内部的空隙可能会较多 ,从而更有利于染料的渗透和流动。但这一现象也并不是必然的 ,例如 ,密度大的阔叶材的染色效果可能会比密度较小的针叶材要好得多。但对于同一树种的木材来说 ,还是有一定意义的。木材的含水率对其染色效果有一定影响 ,但影响不大。如果木材内部的孔隙中充满了水分 ,将在很大程度上降低木材内部的毛细管吸附力[ 9 ]。此外 ,木材在饱和状态下 ,非极性的溶剂只能从木材湿胀时细胞壁内形成的暂时孔隙扩散 ,从而降低了非极性溶剂在木材中的渗透性。但是染液在木材内部的渗透和移动并不仅靠毛细管力 ,还取决于染液的热运动和浓度差引起的扩散作用等因素 ,因此说木材的含水率对其染色效果影响不大。

　　木材材色对其染色效果的影响主要包括 :

　　(1)材色较深的木材 ,要对其进行染色显然是比较难的。此外 ,一些木材的材色较深是由于其内部含有较多有颜色的抽提物 ,这些抽提物的存在会在很大程度上降低木材的染色效果。

　　(2)有些树种木材的心、边材材色差异较大 ,这是由于心材含有有色抽提物的原因[ 2 ]。这样就会造成染色后木材心、边材颜色不一致。此外 ,心、边材的差异对染料溶液的渗透性也有很大影响 ,边材在树木生长期间主要起水分输导作用 ,所以多数树种的边材 ,染料溶液比较容易渗透 ,而心材由于含有较多的酚类化合物、侵填体以及构造上的关系 ,染料溶液一般很难注入和渗透。木材表面纹理和粗糙度对其染色效果的影响分为 2个方面。一方面 ,木材表面的粗糙度越高 ,其表面的吸附性就越强 ,这有利于染料分子的吸附上染[ 11 ];另一方面 ,由于木材横截面上具有导管、管胞截面等众多孔隙 ,其上染性最好 ,早材部分上染性优于晚材部分。其次 ,由于木材弦截面上具有径向分布的木射线细胞 ,因此其上染性优于木材径截面。

　　2. 3 木材的化学组成及性质对染色效果的影响

　　关于木材化学组分的染色效果及其与染料相互作用的问题 ,日本学者进行了最初的探索。其中 ,基太村洋子对柳杉心材的木粉及其分离出的纤维素、半纤维素和木素的染色性能进行了研究发现 :对纤维素 ,直接染料染色效果较好 ,酸性染料不佳 ;对半纤维素 ,直接染料效果较好 ,酸性染料不佳 ;对木质素 ,直接染料效果较差 ,酸性染料和碱性染料较好[ 16, 17 ]。此外 ,还研究发现活性染料可以与木材各组分发生反应 ,因此对各组分的染色效果都不错。

　　3 建议及展望

　　(1)现有的研究多从木材角度分析 ,但实际上 ,根据染色所使用的染料的不同 ,其染色的过程是不尽相同的 ,不同的染料在木材中吸附和渗透的机理也有所不同。因此 ,应从染料与木材性质两方面来研究。

　　(2)现有的木材染色技术和染料 ,以及染色机理等多是从纺织印染工业中移植来的。因此 ,还缺少对木材专用的染色技术、染料以及染色机理的研究。

　　(3)染色工业是一项环境污染严重的行业 ,因此急需加强对环境污染的研究。

(责任编辑：红木家具圈 )