活性染料染色木材技术

活性染料上染木材的染色技术是一种采用水溶性活性染料与速生木材发生化学结合，使木材具有较高色牢度的加工过程，是活性染料溶液在木材中渗透、扩散、吸附、反应的结果，不仅给予色泽单调、质地较劣的人工林木材以名贵树种的颜色，且能增加其强度，是改善木材视觉特性和提高木材附加值的重要手段。对这一过程的深入认识有助于在实际工程中，有依据地选择染色工艺，达到实木可控染色、均匀深度染色的目的。

活性染料自从20世纪50年代末期被发明以来，主要应用于纺织领域。随着20世纪70年代木材染色技术的兴起，活性染料因具有众多的优势，如分子结构较简单、色泽鲜艳且色谱齐全、各项染色牢度优异、价格较低、使用方便，不仅能对木材的抽提物染色，还能对木材的主要组分纤维素、半纤维素及木质素等染色，在木材染色领域逐步得到应用。
木材是世界四大原材料之一，也是唯一可再生的原材料，由于其具有独特优良的特性，以及可再生、环境友好型等优点，被广泛应用于建筑、室内装修及家具制造中。随着我国建筑、装修及家具产业的迅速发展以及我国“天然林资源保护工程”的实施，具有美好视觉效果的珍贵木材供不应求。为解决日益突出的木材需求与发展的矛盾，我国大力栽培人工林速生材。速生材具有适应性强、材色浅、材质轻、便于加工等优点，但由于生长周期较短，也有材质疏松，强度、密度低，结构稳定性、耐腐性、耐燃性差，颜色单一等缺点，主要用于对性能要求低的人造板、农村家具房屋以及造纸工业等低附加值产品。在当前我国不断减少的大径级优质家具用材供给和日益增长的对丰富多彩的家具、木地板、工艺品等高档木材的需求之间矛盾加剧的环境下，如何改良速生材的材性，把低级木材加工成高级木材，增加其附加值，已成为弥补我国珍稀树种产量不足，甚至在众多领域替代珍稀树材的重要手段。
木材染色是染料与木材发生化学或物理结合，使木材具有一定坚牢色泽的加工过程，是提高木材表面质量，改善木材视觉特性和提高木材附加值的重要手段。它能够在不改变木材材性的基础上，通过染料给予色泽单调的人工林木材以名贵树种的颜色，增加木材本身的价值。我国常规的木材染色采取酸性染料染色，存在上染率低、色牢度差、材料损耗过多、开裂严重等问题，且仅适用于薄木或单板染色。对于尺寸较大、较厚的实木染色存在匀染性差、透染不够、色牢度低等染色效果差和染料利用率低的问题，使得高档家具所需的染色木方或木板仍然依靠进口。活性染料的活性基团能与木材纤维发生化学反应，形成共价键，具有染色深度大、色牢度和耐光性好的显著优点，因此具有高色牢度和耐光性的木材活性染料高效染色技术为速生材资源的高质化利用开辟了一条崭新的道路，同时拓宽了活性染料的应用领域。
长期以来，关于木材活性染料染色技术的理论和方法都散见于各种书刊中，很不系统。本书在综合总结“十三五”国家重点研发项目“木材材质改良的物理与化学基础”、国家林业公益性行业专项“木材活性染料染色技术研究与示范”、湖南省教育厅重点项目“木材表面有机-无机超疏水涂层的构筑及界面分级结构调控机理研究”等研究成果的基础上，参阅国内外大量木材活性染料染色技术文献，系统阐述了木材染色技术的研究进展、木材染色用活性染料数据库的构建、木材染色前预处理技术、木材活性染料染色技术、活性染料在木材内的上染途径和染色机理、染色木材防变色技术、木材染色废水处理技术。
在本书成果的工业化应用过程中，仁化县奥达胶合板有限公司、湖南栋梁木业有限公司给予了场地和技术支持，在此一并表示感谢！

喻胜飞 罗武生 刘元
2021年7月于中南林业科技大学

本书汇集了作者多年从事木材活性染料染色技术研究及生产实践经验，在介绍活性染料和木材的结构和特性、木材染色理论、木材染色方法的优劣、活性染料上染木材的影响因素、木材渗透性改善方法的基础上，系统阐述了木材染色技术的研究进展、木材染色用活性染料数据库的构建、木材染色前预处理技术、木材活性染料染色技术、活性染料在木材内的上染途径和染色机理、染色木材防变色技术、木材染色废水处理技术等，力图使读者迅速、全面地掌握该领域的相关知识。
本书实验数据翔实，分析手段丰富，可供高等院校和科研院所相关专业师生参考，也可供从事木材染色研究和活性染料相关应用研究的工程技术人员参考。

第1章木材染色技术的研究进展1
1.1木材染色用染料2
1.2活性染料的结构、分类和染色性能3
1.2.1活性染料的结构3
1.2.2活性染料的分类及应用5
1.2.3活性染料的染色性能参数6
1.3木材的结构和特点7
1.3.1木材的特点7
1.3.2木材的化学结构8
1.3.3木材的构造10
1.3.4木材细胞的层级结构11
1.4木材染色技术的研究进展13
1.4.1木材染色方法和工艺的研究进展13
1.4.2木材染色理论的研究进展14
1.5活性染料在木材中染色效果的影响因素19
1.5.1木材微观结构的影响19
1.5.2活性染料性质的影响22
1.5.3染色工艺的影响23
1.6木材渗透性改善方法的研究进展24
1.6.1物理法24
1.6.2化学法29
1.6.3生物法33
1.6.4联合方法34
1.7活性染料在木材中染色效果的评价方法35
参考文献35

第2章木材染色用活性染料数据库的构建40
2.1构建活性染料数据库40
2.1.1活性染料结构和UV-Vis吸收光谱41
2.1.2活性染料上染杨木单板的染色特性参数47
2.1.3活性染料上染杨木的上染速率和固色速率曲线53
2.1.4活性染料在木材中的应用特性55
2.2活性染料混合拼染对木材匀染性的影响56
参考文献57

第3章木材染色前预处理技术58
3.1物理预处理方法对木材染色效果的影响58
3.1.1水蒸气爆破预处理技术59
3.1.2超临界流体预处理技术63
3.1.3微波预处理技术68
3.2NaOH化学预处理木材技术82
3.2.1实验方法83
3.2.2NaOH预处理工艺参数对活性染料在杨木中渗透性的影响84
3.2.3NaOH预处理木材的优化工艺90
3.2.4NaOH预处理改善木材渗透性的机理94
3.2.5表面活性剂在NaOH预处理木材技术中的应用101
3.2.6乙醇在NaOH预处理木材技术中的应用106
3.3H2O2漂白处理技术107
3.3.1H2O2漂白处理木材的方法107
3.3.2H2O2漂白处理工艺参数对活性染料在杨木中渗透性的影响108
3.3.3H2O2漂白处理木材的优化工艺109
3.3.4H2O2漂白处理改善木材渗透性的机理113
3.4果胶酶生物预处理技术119
3.4.1果胶酶预处理木材的方法120
3.4.2果胶酶预处理工艺参数对活性染料在杨木中渗透性的影响120
3.4.3果胶酶预处理木材的优化工艺122
3.4.4果胶酶预处理改善木材渗透性的机理127
3.5联合处理技术133
3.5.1NaOH、H2O2和果胶酶预处理技术对杨木染色效果的对比分析133
3.5.2NaOH预处理和H2O2漂白处理的联合处理技术对杨木染色效果的影响134
参考文献135

第4章木材活性染料染色技术137
4.1国内外木材染色技术的研究现状137
4.2木材常压染色技术139
4.2.1木材常压染色工艺流程139
4.2.2染色材性能测试方法140
4.2.3木材常压染色优化工艺141
4.2.4表面活性剂在木材常压染色技术中的应用146
4.3溶胶-凝胶技术在木材固色中的应用153
4.3.1酸性硅溶胶固色剂的合成及在木材染色中的应用155
4.3.2碱性硅溶胶固色剂的合成及在木材染色中的应用157
4.3.3碱性硅溶胶固色剂对染色木材的固色原理171
4.3.4碱性钛溶胶固色剂的合成及在木材染色中的应用171
4.3.5碱性钛溶胶固色剂对染色木材的固色原理183
4.4木材深度染色技术185
4.4.1木材深度染色的方法187
4.4.2深度染色木材性能测试方法188
4.4.3木材深度染色的优化工艺189
4.4.4木材深度染色原理191
4.5活性染料季铵化改性实现木材无盐染色193
4.5.1活性红M-3BE染料的季铵化改性方法195
4.5.2季铵化活性红M-3BE染料在木材中的染色方法195
4.5.3季铵化活性红M-3BE染料的合成原理及染色原理195
4.5.4季铵化活性红M-3BE染料的制备工艺优化197
4.6木材活性染料的乙醇-水溶剂染色技术198
4.6.1木材纤维溶剂染色原理199
4.6.2木材活性染料的乙醇-水溶剂染色方法200
4.6.3木材活性染料的乙醇-水溶剂染色工艺优化200
4.6.4木材活性染料的乙醇-水溶剂染色效果203
参考文献204

第5章活性染料在木材内的上染途径和染色机理207
5.1杨木染色前后的结构变化208
5.1.1微观结构变化208
5.1.2晶体结构变化209
5.2活性染料上染木材纤维的动力学行为209
5.2.1活性染料在木材内的上染速率曲线测量方法211
5.2.2活性红M-3BE染料的标准工作曲线211
5.2.3活性染料在木材内的上染途径和上染速率曲线212
5.2.4活性染料上染木材的扩散系数213
5.3活性染料上染木材纤维的热力学行为216
5.3.1活性染料在木材内的吸附等温线217
5.3.2活性染料上染木材的热力学参数218
5.4活性染料与木材纤维的反应机理220
5.4.1木材中纤维素、半纤维素和木质素的分离提纯220
5.4.2木材中纤维素、半纤维素和木质素的染色方法221
5.4.3FTIR分析221
5.4.4热重分析224
5.4.5活性染料上染木材的固着机理224
参考文献226

第6章染色木材防变色技术227
6.1染色木材光变色的机理227
6.1.1染色木材发色的机理227
6.1.2染色木材光变色的机理及影响因素228
6.2染色木材光变色的防治232
6.2.1有机涂料涂膜232
6.2.2高效紫外光吸收剂232
6.2.3无机疏水涂层233
6.3环保型木器漆涂刷染色木材的防变色技术234
6.3.1实验方法234
6.3.2结果分析235
6.4紫外光吸收剂对染色木材防光变色的影响237
6.4.1纳米TiO2用量的影响237
6.4.2水杨酸苯酯及用量的影响237
6.5水性PU乳液的合成及涂饰防变色技术240
6.5.1水性PU乳液制备方法240
6.5.2水性PU乳液涂饰染色木材的方法240
6.5.3水性PU乳液及涂膜染色木材性能的测试方法240
6.5.4水性PU乳液的合成原理241
6.5.5水性PU乳液品质影响因素及应用性能242
6.5.6染色木材被水性PU乳液涂饰前后的性能比较246
参考文献247

第7章木材染色废水处理技术250
7.1染料废水处理技术研究现状251
7.1.1物理处理法251
7.1.2化学处理法252
7.1.3联合处理方法253
7.2FA/CS复合吸附剂的制备及对木材染色废水的吸附处理254
7.2.1实验方法254
7.2.2制备工艺对废水处理效果的影响255
7.2.3表征分析258
7.2.4吸附工艺对废水处理效果的影响260
7.2.5吸附热力学262
7.2.6吸附动力学264
7.3Fenton氧化处理木材染色废水的处理技术265
7.3.1Fenton氧化机理266
7.3.2实验方法266
7.3.3处理工艺对废水处理效果的影响267
7.4热活化Na2S2O8氧化处理木材染色废水的处理技术271
7.4.1实验方法271
7.4.2处理工艺对废水处理效果的影响272
7.4.3响应曲面优化275
7.5热活化Na2S2O8降解木材染色废水的机理282
7.5.1FTIR分析283
7.5.2Raman谱图分析284
7.5.3UV-Vis分析285
7.5.4HPLC分析286
7.5.5动力学分析287
7.6FA活化Na2S2O8协同降解染料废水的处理技术289
7.6.1实验方法290
7.6.2处理工艺对废水处理效果的影响290
参考文献294