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木质材料表面装饰用材的光致变色机理的研究

苏润洲  
【摘要】:对木质材料表面进行装饰,在人居环境中已经成为人们追求高质量、高品位生活的基本要求。目前木质材料表面装饰的方法有很多,主要有贴面装饰和涂饰装饰两大类。但无论是哪一类,都存在光致变色的光劣化问题。因此,本文针对典型的表面装饰材料,即椴木单板、装饰纸(木纹纸与浸渍纸)、PVC贴面(深色与浅色两种)材料进行了其光致变色的研究。利用基于CIE1976标准色度系统LAB均匀颜色空间原理的分光光度计,探究其分别在自然光和紫外光辐照下的变色规律;利用X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、电子自旋共振波谱(ESR)、荧光显微镜等多种现代表面分析技术,揭示了装饰材料的表面化学结构变化和颜色产生的理学本质,从而分析和明确了光致变色机理;用紫外可见分光光度计测量了典型漆膜的透射光光谱;本研究旨在为装饰材料表面防止光劣化提供基础理论和科学依据。主要研究结果如下: (1)光变色规律的共性是:与有机物键能较接近的紫外光引起的变色明显,主要表现是明度指数下降,黄蓝轴色品指数增加,红绿轴色品指数变化较小,色差大,视觉显示黄变;而自然光辐照的效果明显小于紫外光,变色规律基本一致;色差变化主要发生在开始的20小时左右,然后趋于稳定,紫外光的长时间辐照又能引起颜色的较大变化;形貌观测上表现粗糙度增大(PVC除外)。 (2)同样辐照条件各种装饰材料变色程度不同,其变色程度依次是椴木单板PVC贴面浸渍纸;色差随辐照时间的变化曲线各不相同(总体上分床型和椅子型);木纹纸与浸渍纸原纸在本次实验条件下几乎没有发生光劣化现象,其原因是装饰原纸在生产过程中添加了大量钛白粉所致。 (3)变色明显的材料均观察到碳价态和自由基浓度的改变,且变化规律与颜色改变规律基本一致。主要体现部分低价态的碳原子转变成高价态,氧含量增加,自由基浓度增大;具体表现为高聚物的氧化降解,长分子链的断裂,生成类似于羟基和酮基或醛基为主的含氧基团;光辐照初期反应激烈变化大,然后不稳定的结构逐渐让位于稳定结构,表现出光化学反应趋缓和量子产率的下降。 (4)物体颜色感知最后来自于物体总反射光的光谱成分;总反射光中不仅包括物体选择吸收后的反射,还包含散射以及光的衍射现象。因此,应改变传统观念,即颜色变化的原因,不能片面地只强调因材料化学性质的改变,而导致材料对光选择吸收性质的改变。 (5)微观上没有绝对平整的表面,当表面空隙度满足光衍射条件时,总反射光中必定包含衍射的效果,表面空隙度变大时,导致总反射光中长波成分增加,红绿轴和黄蓝轴色品指数增大;若表面层材料(特别是胶体)发生瑞利散射,则也可以使总反射光中增加长波成分。因此,不同的材料,颜色改变(即光谱成分变化)的原因,选择吸收、散射和衍射三者所起的作用不同。即颜色变化的“光散射与衍射”物理解释。 (6)综合所有理论和实验说明,本研究的几种典型表面装饰材料光致变色总体的原因是: 椴木单板光辐照后颜色的改变,更多的是来自于木质素和抽提物氧化降解的缘故,即基本基团相对含量变化使选择吸收性质改变;伴随着木材生物结构(细胞壁和细胞腔)的变化衍射因素也会有影响;但散射因素基本不存在。 浸渍纸(经浸渍胶浸渍后的)光辐照后颜色的改变,一方面来自于高分子材料发色基团的变化(即化学键发生断裂及其重组),从而导致的选择吸收性质改变;另一方面胶层吸收辐射光能量后,分子的热运动促使表层组织不均匀程度发生变化,瑞利散射发生也造成反射光谱成分的改变;伴随形貌的改变光衍射的影响也会存在。 PVC贴面光辐照后颜色发生显著变化的原因,从碳价态相对很稳定的结果看,更多的应该是来自于物理的因素;即分子热运动加剧使颜料分子分布改变、不均匀尺度的变化等,但仍然不能排除衍射的存在。 本研究结果明潦了木质材料的表面装饰用材光致变色的规律和缘由,将为装饰材料的优化选用和科学保护提供理论依据,对提高产品的耐久性,改善人居环境的质量具有重要意义。


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