木材染色工艺学/博士后文库

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第1章 绪论
　　如何对资源进行合理利用，这一问题受到了各国学者的广泛关注。作为四大原材料中唯一可以再生的自然资源——木材，是现实生活中被大量运用的基础原料。随着社会的快速发展，木材的供应已经面临着严重失衡的问题，这一问题已经对一些国家的经济和环境造成了一定程度上的冲击。因此我们需要进行这样的一项研究，使得木材的开发与利用更加有效化，这不仅是一项重要的公益事业，还是一项重要的社会基础产业。
　　木材的颜色能给消费者留下深刻的印象，所以我们要对一些木材或木质材料进行着色，以达到提高木制品的产品价值和装饰作用的目的；我们可以利用染色技术来仿制名贵木材，改良劣质材，从而提高对人工林的利用效率，并使得木材的使用价值达到人们对色彩多样性的需求。
　　木材染色技术涉及的学科十分广泛，它不仅包含染料化学、木材学中的内容，还涉及色度学、光学、仪器分析学等诸多领域。对其工艺的分析，将对工业生产起到十分重要的借鉴作用，也能为相关研究起到重要的示范作用，为木材的高效利用奠定基础。
　　1.1 我国的森林资源和开发利用现状
　　1.1.1 我国的森林资源现状
　　我国作为一个人口大国的同时也是一个木材大国，对木材的利用有着上千年的历史。作为一种优异的天然材料，木材的强重比较大，被广泛地应用于建筑和装饰行业。其不仅具有保温、保湿的作用，而且拥有美观的花纹与和谐的触感和观感，深受消费者的喜爱。人们的生活已经离不开木材，在我国甚至已经形成了一种“木文化”。但是我国拥有的木材资源量却令人十分担忧，截至2018年，我国的森林面积为2.2亿hm2，全国森林覆盖率为22.96%，森林蓄积量175.6亿m3，尽管在总量上我国的森林面积位居世界第5位，森林的蓄积量也达到了第6位，但在森林覆盖率上我国远低于全球31%的平均水平，人均占有的森林资源量相对较少，仅达到世界人均水平的1/4，人均的森林蓄积量更是只达到世界人均水平的1/6[1]。
　　除了我国的人均森林资源水平很低以外，我国的林业还面临着更加严峻的问题。在我国，森林的林龄结构很不合理，森林的质量并不高，可以开采的森林量在持续减少，这大大削弱了我国的实际木材供给能力。在很长的一段时间内，天然林资源是我国木材产业资源的基础。在1998年，我国为了对西南、东北及内蒙古等地区的国家重点林区的天然林资源进行保护，开始实施天然林保护工程。这一工程对中国天然林资源的恢复在一定程度上起到了促进作用，但却加剧了国内的木材供需矛盾，木材供需缺口不断增加。2014年我国木材消费量约69572万m3，我国生产木材合计11133.81万m3，仅占木材消费量的16%[2]。
　　在这种情况下，我国在很长一段时间内只能通过从国外进口来满足国内对原木需求的增长，以此来解决国内森林资源稀缺和市场供需缺口带来的矛盾。目前，中国从全世界进口原木的地区已经达到了70多个，原木从1997年的进口量447.1万m3，增加到2018年的5975.1万m3，增长了12.36倍。但这种从世界其他国家大量进口木材的行为必然会对我国的经济产生极大的负面影响[3，4]。在国内，一方面由于我国对木材的进口高度依赖，进口市场高度集中，木材进口已经快达到木材生产安全的警戒线。与此同时国内的商品材产量还在持续降低，在这种情况下，一旦由于经济、政治问题，或者自然灾害导致我国无法从他国进口木材，例如2004年12月，大规模的海啸导致我国无法从印度尼西亚进口木材，我国的木材产业将会面临着停滞的风险。另一方面，我国木材的进口量远远超过了出口量，这不仅导致我国在进口木材上花费了大量的外汇，还使得巨大的贸易逆差出现在木材产品的进出口中。2004年这种贸易逆差就达到了98.10亿美元，对我国的对外经济产生了巨大的影响。此外，在价格低廉的进口木材的冲击下，国内商品林的发展也受到了较为严重的打击，大量的宜林地被闲置或被用作他处，这在一定程度上造成了环境问题，还流失了大量的围绕林地产业的生态效益和社会效益。在生态效益方面，截至2004年我国有1.75亿hm2的森林面积，生态效益每年可达到7238.16亿元，也就是说森林生态效益平均每公顷可以达到4136.09元，以此类推，如果我国将闲置的5400万hm2的宜林地合理利用起来，每年可多收益2233.49亿元，这相当于2004年我国国内生产总值的1.6%；在社会效益方面，根据《中国林业统计年鉴2007》统计，全国林业用地面积2.85亿hm2，如果按每个劳动力利用3.33hm2计，可安置8559万人[5，6]。国内的木材节约代用技术也会受到大量进口低廉原木的影响，造成其发展滞后。进口木材所带来的一些新型的植物病虫害还会给我国的检验检疫部门增加巨大的防疫压力[7]。
　　在重重不利因素下，我们需要看到我国人工林的优势，我国现拥有人工林面积居于世界首位，达到了6933万hm2，人工林蓄积量24.83亿m3。由于人工林的经济效益高，生长周期也相对较短，通过对人工林的培育与合理利用，我们可以有效地解决木材资源的问题。当前世界，为了解决天然林和天然次生林日益减少的问题，各国都将目光投向了发展人工林，甚至在一些发达的工业化国家和发展中国家，他们已经将发展人工林作为基本措施来解决21世纪所面临的木材需求问题。但我们在看到人工林速生丰产优势的同时，也不能忽视其本身的一些问题。人工林产出的木材在材质和花纹颜色等方面远逊色于天然林木材，特别是较一些珍贵的硬阔叶材，其物理力学性能更是相差甚远，这也是目前人工林提升不了档次，无法得到有效利用的根本原因之一。面对竞争日益激烈的国际市场，如何将人工林高效、合理地利用起来成为木材工业发展的一个重要趋势。
　　1.1.2 我国森林资源的开发利用现状
　　随着“天然林保护工程”的开展，人工林成为我国开发利用的主要森林资源。在生长快速的人工林中，中幼龄材的数量会占其很大的一部分比例，导致我们从中获得的木材的密度会有所降低，其强度也会相应下降，且人工林树种的含水率较平常的树种而言偏高，易出现虫蛀、腐朽等现象，从而导致应力木的出现[8]。这些都降低了我们对人工林的利用率，因此我们急需根据人工林的特性，不断开拓和深化人工林的应用领域。
　　(1) 传统木材领域：木质材料有一个庞大的家族，其中包括胶合板、纤维板、刨花板、重组木、重组装饰薄木、集成材、单板层积材、细木工板和造纸等。人们对木材的利用也由原木逐渐发展到先利用机械的、物理的或化学的加工方法将木材处理成锯材、刨花、单板、纤维或化学成分再对其进行处理。
　　(2) 木质基复合材料：木质基复合材料是一个新兴行业，自20世纪90年代中期开始慢慢发展起来，其大致可以分为两类：第一类是为了解决传统木材制品容易出现开裂、虫蛀、腐朽等问题而产生的高性能木塑复合材料。我们经常将其用于环境安全型家具材和各种室外用结构与非结构型材及板材。由于其还具有尺寸稳定性好的特点，我们也将其用作高尺寸稳定性的复合地板的心材。第二类是利用计算机配色与模仿珍贵木材的仿珍加工关键技术对木材的颜色和花纹进行改进，开发出的拥有良好装饰性能的木基复合装饰材。这种板材被广泛地应用于家具生产和建筑装饰，以达到代替一些天然珍贵树种优质材的目的。近几年来，市场上还出现了塑木材料和高质木铝复合窗，其中塑木材料可很好地运用于电视机、计算机外壳、挡泥板和汽车车门的制造[9]。
　　(3) 木材改性产品：这些木材改性产品已经进入了实用化阶段。改性后的产品可以具有脱脂、防霉、防腐、增硬、防火阻燃等特点，一些还能仿高档木材。
　　(4) 木材化学产品：一些科学家发现，把木质纤维加入混凝土制品中，得到的木纤维混凝土具有良好的隔热性，在室温下具有良好的吸湿、吸音、耐火、抗冻、防腐等性能[10]。
　　1.2 木质仿珍染色的研究进展和市场前景
　　由于木材在视觉、触觉、听觉和调节等方面具有许多其他材料无法比拟的环境学特性，千百年以来，人们已经习惯了在制作家具和装修居室时选用木材，可以说木材已经融入我们生活的方方面面。而且，人们还可以从木材的天然纹理与颜色中体会到什么是自然美[11]。纵观全世界，木材产品和那些与木材有关产业的发展也是蒸蒸日上，据联合国粮食及农业组织(FAO)统计，在全球总产值中，林业产业所占比例为7%。2017年我国的林业产业总产值已超过7.1万亿元；林产品的进出口贸易也快速增长，达到了1500亿美元；同时，我国装饰材料产业的发展势头良好，装饰材料在2016年的销售额就已经超过4.18万亿元。因此，发展木质装饰材料产业将大有可为。
　　木材的种类繁多，其中一些木材不仅拥有优秀的使用性能与物理性能，其花纹和颜色更是令人赏心悦目，如乌木、梨花木、柚木等，因此人们将其广泛地运用于生产中。但这些木材的生长速度非常缓慢，生长条件也相对较为苛刻，而市场对其的需求量却不断增加，因此形成了巨大的供求差异，导致这些木材的价格快速上涨，使它们成为珍贵的木材。尽管如此，人们对它们的需求依旧没有降低，反而因为它们的珍贵，恰恰迎合了人们在追求使用价值的同时对高档次生活的追求，使得人们对珍贵木材的需求不退反进，珍贵木材也成为生活中重要的生产材料。人们对珍贵材料的利用首先是用机械的方式将木材加工成薄板或单板等，然后再将其制成木质装饰材料用于室内装饰或家具生产[12]。近几年来，我国的经济快速发展，人们的生活水平得到了质的提高，追求健康环保的观念开始深入人心，越来越多的人开始拒绝使用一些由化工产品制成的装饰材料，转而去追求那些由木材制成的装饰材料，追求自然生活。这种观念的转变使得对用于装饰的木材的需求量进一步增大，更使得珍贵木材资源变得更加紧张。为了解决国内珍贵木材资源不足、缓解市场对可用于室内装饰和家具制造的珍贵木材的供需矛盾，我们只能从国外进口优质的红木、柚木、梨花木等珍贵木材。但是这样并不能完全满足我国居室装修、人造板二次加工和家具制造的需要，严重地阻碍了我国木质品档次的提升与新产品的研发。所以，通过计算机等科学技术将人工林木材模拟成人们所需要的珍贵木材从而制成木质仿珍装饰材料就成为重要的发展趋势。在这一方面，国外发达国家已经相继进行了相关的研究和开发，研制出如染色薄木、柔性薄木、集成薄木和人造薄木等新型木质仿珍装饰材料。1965年，意大利和英国率先研制成功并首先在意大利实现工业化生产，意大利的Alpi Pietro公司生产的“Leriex”板就是其中之一。日本也对木质仿珍装饰材料进行了大量的研究开发，并在某种程度上代替了天然木质装饰材料，应用普及非常迅速，并于1972年投入了工业化生产；在日本市场中，木质仿珍装饰材料被称为“人工化妆单板”和“工艺铭木”，纹理花色种类繁多，松下电工是其中的代表企业。到20世纪90年代，以意大利为代表的人造薄木产品在国际市场上广泛受到了用户的青睐[13]。国内此类研究和开发起步较晚，基础薄弱，1978年获首例样品，1980年仿红木径向纹理的木质仿珍装饰材料在上海木材工业研究所和上海家具研究所等科研单位的合作研究下诞生，到了1987年，弦向纹理和异型纹理染色的人造薄木试制成功，且开始以小批量的形式在市场投放。1988年，中国林业科学研究院木材工业研究所在研制冷湿胶压木方面获得突破，但这一时期，由于起步相对较晚，胶黏剂和单板黏合工艺都不成熟，只能生产不染色的仿珍装饰单板，其各方面质量与国外产品都有明显的差距。到20世纪90年代有了很大的改善，1996年黑龙江省林产工业研究所、中南林学院、北京林业大学合作研究，采用南方和北方常用的速生人工林树种，开发出可以生产多种纹理和颜色的木质仿珍装饰单板生产技术，缩小了与国外产品的技术差距。目前其发展势头十分迅猛，一些厂家自主生产出系列产品，该产品科技含量高，因此又被称为“科技木”。据不完全统计，仅在浙江德清、山东临沂、江苏宿迁三地，就拥有15家科技木装饰材规模企业，其年产量可达5万m3左右，年产值更是高达10亿元[14]。
　　1.3 木材染色工艺研究的目的和意义