木材連續(xù)染色染料補加量計算的透射測量技術(shù)

木材連續(xù)染色染料補加量計算的透射測量技術(shù)

隨著人們生活水平的提高，家庭裝飾對黑桃、木雕和黑檀等珍貴木材的需求。由于天然資源極為有限,因此,通過木材染色,將速生樹種木材的單板,染成接近天然珍貴木材的色澤,制成單板層積材,不但可彌補天然珍貴木材資源不足,而且也可提高速生樹種木材的利用價值和附加值。單板染色主要采用水溶性好的酸性染料。單板染色后的剩余染料殘液中,仍含有大量的酸性染料,如果將高溫殘液排放,既浪費染料,同時造成環(huán)境污染。國內(nèi)的木材染色企業(yè)一般采用人工補投染料,使染料殘液循環(huán)使用,以降低生產(chǎn)成本。但是在具體操作中,補加的染料種類,染料加量,全靠操作人員目測和經(jīng)驗確定,效率低,而且對色光的調(diào)整不易控制,使染液難以循環(huán)使用。針對實際需求,筆者所在公司采用光譜光度計,結(jié)合色度學(xué)、顏色測量的最新技術(shù)研究成果,在已成功運用的反射測量配色軟件的基礎(chǔ)上,開發(fā)出基于透射測量,適用于木材連續(xù)染色染料補加量計算的軟件,為染液循環(huán)利用提供依據(jù)。1制定該計劃1.1工藝曲線的確定利用光譜光度計分別測得染液和殘液的分光透射曲線,然后結(jié)合其他相關(guān)的色度學(xué)數(shù)據(jù)和單色染料的工作曲線,分別計算出染液和殘液各自的染料含量,從而計算出需要補加的各種單色染料量。染液補加染料后,還可借助于溶液的分光透射曲線進一步確認,如有色差還可再進行微調(diào),以保障顏色的一致性。按要求補加染料后,可繼續(xù)下一批木材的染色,無須排放染料殘液。1.2染料補加量測定a實現(xiàn)木材染色溶液計算機連續(xù)染料補加量計算,需要3個基本條件:A.在特定光源下,溶液的顏色可以用數(shù)字來表示。B.溶液的光學(xué)特性與染料的質(zhì)量分數(shù)之間存在函數(shù)關(guān)系。C.檢驗染料補加量是否準(zhǔn)確。A條件可利用現(xiàn)代色度學(xué)理論進行透射測量,得到樣品的分光透射率,按CIE(國際照明協(xié)會)之規(guī)定,計算出三刺激值X、Y、Z,而物體或溶液的顏色均可用X、Y、Z三刺激值來表示;C條件也可通過計算染色原液和補投液之間的色差來判斷染料補加量;而B條件是溶液配色計算的核心,利用基本光學(xué)原理,分別求出染色原液和染色殘液中各種單色染料的含量,兩者間的差值就是染料補加量。1.3加和性e的工作特性溶液的透射率與光密度值的定量關(guān)系可利用Beer-Lambert定律,在一定的濃度范圍內(nèi),光密度值與溶液中染料的質(zhì)量濃度C成正比,即染料的質(zhì)量濃度越高,光密度值也越高,而且與染料的質(zhì)量濃度成一定的線性關(guān)系。而利用光密度值E的加和性,可得到多個單色染料拼色溶液的光密度E,在可見光范圍內(nèi)(400～700nm),每間隔10nm測一個點,共31點,在每個波長點上,對于n個染料的拼混,有通式表示為:Eλ=∑i=1n(Ai)λ×CiEλ=∑i=1n(Ai)λ×Ci式中:E—溶液的光密度值;A—單位質(zhì)量濃度的E值;C—染料的質(zhì)量濃度,g/L;λ=400,410,420,430,………,680,690,700nm。使用計算機解這個含有n個未知量的配色方程組,求出溶液中各單色染料的質(zhì)量分數(shù)。2染料含量檢測編程的基本原則:操作簡單、直觀且易于掌握;能夠存儲實際生產(chǎn)中的常用參數(shù),能編輯修改需要變動的參數(shù);顯示結(jié)果中最大的信息包含量和實用數(shù)據(jù)。按照上述要求,設(shè)計的程序界面如圖1所示。界面中有關(guān)項目的說明如下:標(biāo)準(zhǔn)—染料原液;試樣—染色殘液;稀釋—染料原液或染料殘液的稀釋倍數(shù);體積—染色溶液的體積;空白液—未加入染料;拼色數(shù)—染色原液中加入單色染料的個數(shù);濃度單位—單位體積染液中所含染料干粉的重量,g/100L。其中:稀釋、體積、拼色數(shù)、空白液為可編輯項,按實際數(shù)值輸入。界面左下方為透射率數(shù)據(jù)文件列表,將測量后的標(biāo)準(zhǔn)和試樣的透射率存儲于此,并同時顯示記錄號、樣品名稱和樣品的顏色仿真效果,使用者通過鼠標(biāo)操作,便可將指定的數(shù)據(jù)讀到指定的位置。只要將標(biāo)準(zhǔn)和試樣的測量值和相關(guān)參數(shù)輸入后,再選定拼色使用的單色染料,程序便可自動計算出各單色染料實際補加量以及其它相關(guān)信息,見圖1界面右下方。3軟件應(yīng)用3.1系統(tǒng)要求及性能單色染料酸性黃、酸性橙、酸性藍標(biāo)準(zhǔn)柚木染色原液試樣柚木染色殘液軟件木材連續(xù)染色染料補加量計算軟件;系統(tǒng)要求Windows2000或WindowsXP;128M以上內(nèi)存,100M以上硬盤空間。儀器采用DatacolorSF450型光譜光度計(或選用國產(chǎn)UV-2100型紫外/可見分光光度計)。3.2光譜透射率的測定稱取一定重量的各單色染料,配制染料溶液,作為測量液。其配制濃度可根據(jù)染料的不同品種進行調(diào)整、確定,原則是保證濃度和光密度值兩者之間的線性關(guān)系。將單色染料溶液分別放入光路長度為1cm的石英比色皿中,使用光譜光度計測量各溶液在可見光譜范圍內(nèi)的透射率。將拼色使用的各種單色染料溶液的特性存儲到計算機中,制備成單色染料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),供計算染料補加量時選用。3.3染色原液和染色殘液光密度的測量分別吸取柚木染色池中的染色原液和染色殘液各5mL,分別移入500mL容量瓶中,用蒸餾水稀釋成符合測量條件的溶液,稀釋倍數(shù)均為100。測量染色原液和染色殘液的透射率,然后將透射數(shù)據(jù)分別輸入到程序中的指定位置,并將各自的稀釋倍數(shù)、染色池的體積以及拼色數(shù)輸入程序。通過軟件計算出各自的光密度值,并繪制成光密度曲線(見圖2)。從圖2可以清楚的看出,染色殘液與原液在可見光400～700nm之間,不同波長下的光密度差別。選擇需要補加的單色染料,確定后即可進行連續(xù)染料補加量計算。計算結(jié)果見圖1界面右下方。4調(diào)整染色原液和補投液的選擇根據(jù)計算出的各染料加入量補加染料,然后測量補投液的光密度值,并與染色原液對比,從圖3可以看出,補投液與染色原液的光密度曲線幾乎完全重合。色差對比見圖4。使用軟件計算出殘液與原液的總色差為8.259,而補投液與染色原液的總色差僅為0.435,非常接近原液的顏色,可以進行續(xù)染。用補投液染色后,還可再次測量新的染色殘液與染色原液,重新計算染料補加量,達到染液循環(huán)使用的目的。在實際使用過程中,也存在一些干擾因素,如經(jīng)多次高溫染色后,染料吸收特性曲線可能發(fā)生變化,會改變殘留染料的上染能力;蓄積的染色助劑對后續(xù)染色的干擾等。為此,采用定期更換標(biāo)樣的方式,即:使用染色效果被認可的某批補投液做標(biāo)樣替代染色原液,可減少或基本消除對殘留染料上染能力影響和染色助劑蓄積對染色效果的影響;此外,為了便于經(jīng)驗積累,程序中設(shè)置了手動“微調(diào)”,可調(diào)整染料實際補加量,最大可能地做到人機互補。木材染色企業(yè)通常是多個染色池同時染不同的品種,即使品種相同,不同的染色池也會有不同的工藝參數(shù)。可根據(jù)實際應(yīng)用情況和木材染色的要求,在軟件中增加了“染色池信息管理”功能,將連續(xù)染色工藝參數(shù)和積累的經(jīng)驗系數(shù)輸入,并保存在一個系統(tǒng)文件中,在需要時直接調(diào)用即可(圖5)。5經(jīng)濟效益分析此軟件可在保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,通過染液的循環(huán)利用,可大幅度地減少染料、能源的消耗和染料殘液的排放量,為企