亚铁是什么颜色-氯化亚铁处理麻栎木材化学变色工艺及变色机理研究

木材作为一种重要的装饰装修材料，其颜色对木材的鉴定和美学效果具有十分重要的意义，一定程度上决定了木材的商业价值。

目前，木材以及木制品的表面颜色修饰大多采用涂覆有色油漆。

涂覆油漆后，一方面，染料的遮盖作用降低了木材纹理清晰度，导致装饰效果差；另一方面，染料的颜色效果使木材天然性大大降低。与此同时，木材的变色现象是普遍存在的，随着光、热和微生物等外界环境的影响而产生变色，被认为是木材储存和加工、利用过程中的缺陷之一。

木材中与颜色相关的化学成分主要来源于具有不饱和结构的木质素和抽提物，这些结构易与其他化学试剂发生反应。通过化学反应的方式进行木材变色，这为木材的表面修饰处理提供了一个新的思路。

·罗建举等通过多种化学试剂对桉树单板的颜色变化工艺进行了研究；

·等研究了光照条件下木材化学成分与颜色的关系，结果表明木质素的降解是木材颜色出现变化的主要原因。

·陈瑶等通过多种溶剂的抽提探究了抽提物对刺槐（ ）热诱导变色的影响，结果表明抽提物对刺槐的热诱导变色有重要的贡献；

·王晓峰等通过对刺槐木素受热变色的光谱分析发现，刺槐木素受热后共轭羰基、酚羟基增多并且有醌型结构产生是刺槐变色的重要原因。

·陈瑶等采用紫外光谱、红外光谱分析了二氧六环抽提物加热处理前后的发色体系结构变化，结果表明木粉中多酚类物质鞣质以及黄酮受热后易发生结构改变，这是刺槐受热后颜色变化的重要原因。

·Chen等研究了氮气或者氧气条件下热处理后刺槐颜色和化学成分的变化，结果表明，热处理后木质素的β-Ｏ-4键被大量分解，木材中含氧官能团出现了降低，同时醌类结构的增多和广泛共轭结构的生成是木材颜色发生变化的重要原因。

浙江农林大学工程学院曹惠敏，孙伟圣等以氯化亚铁为变色金属离子与麻栎中的化学成分进行反应，首先，考察了氯化亚铁质量分数、处理温度、处理时间和干燥温度对变色反应的影响；其次，采用对麻栎进行碱抽提处理，通过对比麻栎变色处理前后色差的变化与光谱的分析对其变色机理进行研究。

1 材料与方法

1.1试验材料

1.2试验仪器

1.3试验方法

2结果与分许

2.1麻栎金属离子变色工艺研究

2.1.1正交试验结果

正交试验方案及试验结果见表2。根据正交试验结果对4个因素进行方差分析，结果表明，影响麻栎单板变色的各因素主次顺序为：氯化亚铁质量分数＞干燥温度＞处理温度＞处理时间。最佳的工艺参数为：氯化亚铁质量分数为1.0％、处理时间为10min，处理温度为80℃、干燥温度为40℃。

2.1.2氯化亚铁质量分数对木材变色效果的影响

氯化亚铁质量分数对麻栎单板变色处理后的色差影响非常显著，结果如图1所示。氯化亚铁质量分数在0.5％～2.0％范围内，随着质量分数增大，木材试件的色差值逐渐增大，即木材颜色显著变深。这是由于随着氯化亚铁质量分数增大，溶液中亚铁离子浓度增大，木材成分与亚铁离子反应的数量也随之增多，亚铁离子浓度增大同时促进了反应的进行，导致了麻栎单板的色差持续增大。

2.1.3处理时间对木材变色效果的影响

处理时间对麻栎单板变色处理影响相对最小。当处理时间为5～20min时，随着处理时间的增加，处理试件的色差值逐渐增大，即麻栎颜色逐渐变深（图2）。这是由于随着时间的延长，木材成分与亚铁离子反应的数量逐渐增多而使木材颜色加深。在10～20min时，处理试件的色差变化平缓，即麻栎颜色变化趋于稳定，这是因为随着处理时间的增加，反应趋于饱和，再继续延长处理时间，并不能显著增加木材与亚铁离子的反应，因此，木材颜色逐渐稳定。

2.1.4处理温度对木材变色效果的影响

处理温度对木材变色效果的影响如图3所示，在40～60℃时，处理温度对麻栎单板变色影响较大，随着温度的升高，试件的色差逐渐升高，即木材颜色逐渐变深。这是因为温度升高可加快木材与亚铁离子的反应，使木材成分与亚铁离子反应增多，因而颜色变深，色差增大。反应升温至60℃以后，随着反应温度的增加，色差变化逐渐降低。这说明随着反应温度的升高，反应速度并不能持续增加。

2.1.5干燥温度对木材变色效果的影响

干燥温度对麻栎单板变色处理后色差也有显著影响，结果如图4所示。本研究发现，随着干燥温度的升高，试件的色差逐渐降低，即颜色越来越浅。这可能是因为干燥温度升高，木材中水分减少变快，水分的减少影响了变色反应的进行，影响木材变色效果。由表2可知，干燥温度对麻栎变色影响较大，仅次于FeCl2质量分数的影响。

2.2麻栎铁离子变色原因分析

2.2.1碱抽提前后麻栎铁离子变色分析

麻栎含有丰富的单宁类化合物，鞣质大多易溶于水，可水解鞣质可以被碱水解，缩合鞣质与碱共热时可进一步加速其缩合反应。为探究抽提物对麻栎铁离子变色的影响，采用质量分数为1％的NaOH对麻栎单板进行抽提试验。碱抽提前后及变色处理前后麻栎扫描照片如图5所示。对比图5a和5b发现，经过碱抽提后的麻栎，表面颜色变浅、白度增加，说明碱抽提去除了一部分木材的发色基团；对比图5a和5c发现，氯化亚铁变色处理后的麻栎色差变化很大，木材呈现蓝黑色，这可能是由于木材中的单宁等酚类化合物与铁离子发生了络合反应，改变了木材的颜色；对比图5b和5d发现，碱抽提后的铁离子变色麻栎，表面颜色略有加深，但是没有出现蓝黑色，说明碱抽提去除了大部分可以与铁离子发生变色反应的物质，变色反应不再进行，抽提物是麻栎发生变色的重要原因。

2.2.2氯化亚铁处理前后的紫外漫反射光谱分析

氯化亚铁处理前后的紫外漫反射图如图6所示。从K/S光谱中可以看出，碱抽提后，光谱在可见光区域的吸光度稍有增加，这可能是碱抽提木材的同时发生了碳水化合物的氧化反应，木材发生了黄变（图6a和6b）。同时近紫外区峰的位置发生了变化，这是由于抽提处理过程中发生了一些其他的反应，具体原因有待进一步研究。对比图6a和6c，氯化亚铁变色处理后的光谱在近紫外和可见光区的吸收显著增强，在可见光区域的吸收增加，一般来说，这是由于麻栎中的单宁等酚类化合物与铁离子发生了络合反应，改变了木材的颜色。对比图6b和6d，碱抽提后的变色处理材在可见光区域的吸收峰消失，吸收强度较弱，说明碱抽提去除了大部分可以与铁离子发生络合的化学物质，导致变色处理后不能引发络合反应，麻栎单板颜色不再发生明显的变化。

2.2.3氯化亚铁处理前后的红外光谱分析

麻栎未抽提及抽提变色处理前后的红外光谱图如图7所示。对比图7a和7b可以发现，碱抽提除去大部分抽提物的同时，也破坏了木质素与半纤维素的结构，导致半纤维素在-1处Ｃ伸缩振动完全消失，-1处木质素Ｃ—Ｏ—Ｃ伸缩振动减弱；-1左右的羟基中氢键的伸缩振动降低，说明碱处理去除了一部分羟基结构。对比图7a与7c可以发现，在经过氯化亚铁的变色处理后，-1左右的羟基中氢键的伸缩振动出现了减弱，-1处芳香骨架振动和表征木质素侧链上的Ｃ现了变化，出现变化的原因可能是木材表面的羟基、酚羟基、羰基等与铁离子发生了络合反应。对比图7b和7d可以发现，对碱抽提后的麻栎进行变色处理，红外光谱没有明显的变化，说明碱抽提后，麻栎单板表面可以与铁离子发生络合反应的结构基本消失，碱抽提可以去除与铁离子反应的化学物质。

2.2.4氯化亚铁与麻栎变色反应机理分析

由研究结果可知，麻栎中的抽提物是影响变色的主要原因，木质素也对麻栎化学变色有一定的贡献，由络合反应的原理可以推断出酚类物质是与铁离子反应的主要成分。

因此，以酚羟基为例对麻栎变色的机理进行推断。酚羟基一般是以氧负离子的形式与金属离子络合，未电离的酚羟基虽然也可以参与配位反应，但是其络合的稳定性比离解的氧负离子差得多。因此，酚羟基与金属离子的络合可以看成由两步反应组成，首先是酚羟基的离解，如式（3）所示：

然后氧负离子（R—O-）作为配体与金属离子进行配合反应，如式（4）所示

由于氯化亚铁溶液不稳定，容易被氧化成三价铁离子，所以反应过程中主要是三价铁离子与麻栎发生了变色反应，反应机理可能为：

结论

１）采用氯化亚铁与麻栎反应制备变色木材的工艺较为简单，反应时间短。处理后的麻栎单板颜色为蓝黑色，颜色自然，纹理清晰。通过正交试验，综合分析获得氯化亚铁对麻栎进行化学变色处理的最佳工艺参数为：氯化亚铁质量分数为1.0％、处理时间为10min、处理温度为80℃、干燥温度为40℃；影响麻栎单板变色的各因素主次顺序为：氯化亚铁质量分数＞干燥温度＞处理温度＞处理时间。

２）碱抽提材变色处理前后的色差与光谱分析表明，碱抽提可以去除大部分麻栎中与铁反应的化学物质，如酚类抽提物；碱抽提的同时，也破坏了木质素和半纤维素的结构；碱抽提后麻栎不再发生明显的变色反应，说明碱抽提物是麻栎变色的重要原因之一。

３）变色反应主要发生在木材中的酚羟基和芳香环取代基上；麻栎中的酚类化学物质与铁离子的络合反应是麻栎变色的主要原因。

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