激光诱导改性竹集成材表面颜色变化规律与仿真分析

任娜; 李荣荣

doi:10.13360/j.issn.2096-1359.202405023

林业工程学报 ›› 2025, Vol. 10 ›› Issue (05) : 66 -74. DOI: 10.13360/j.issn.2096-1359.202405023

激光诱导改性竹集成材表面颜色变化规律与仿真分析

任娜, 李荣荣

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摘要

为探究激光诱导改性参数对竹集成材表面颜色以及温度场变化的影响规律，建立表面色差与激光诱导改性参数相关性数学模型，以激光移动速度、移动路径距离和激光功率为输入参数，采用CIELab表色系统评价其颜色变化情况，利用响应曲面法Box-Behnken模型进行试验设计，分析激光参数与颜色变化之间的关系。利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和紫外-可见分光光度法(UV-Vis)分析改性前后竹集成材化学基团的变化；同时，基于COMSOL软件建立激光诱导过程的温度场模型，模拟激光诱导改性表面温度场的动态变化规律。研究结果表明，竹集成材表面总色差随着激光功率的增大而增大，随着激光移动速度和移动路径距离的增大而减小。激光移动速度和激光功率对试件表面颜色的变化有显著影响，激光加工参数的显著性依次为激光功率>激光移动速度>移动路径距离。总色差的回归模型预测值与试验实际值的相关性系数为0.912 8,说明模型具有较高的拟合优度，可用于预测激光诱导改性竹集成材表面颜色变化。FT-IR和UV-Vis分析结果揭示，激光诱导改性下竹材化学基团的变化是导致木材表面颜色变化的原因之一。半纤维素降解生成大量有色物质，含有大量发色基团的木质素相对含量的增加以及醌类结构的增多，是材料色度指标变化的关键因素。仿真分析结果表明，激光单道诱导和激光多道单向诱导分别在0.03和2.72 s时使试件表面温度最大值趋于稳定。激光对试件热影响区宽度范围变化影响较小，试件表面温度逐渐稳定，可持续稳定地诱导改色。研究成果可为制造具有可控颜色和丰富色彩的竹制品提供理论支撑。