木材熱處理是指在保護(hù)性氣體環(huán)境中，在160～250℃溫度下，對木材進(jìn)行短期熱解處理 一種環(huán)保型木材物理保護(hù)技術(shù)，可以改善木材的尺寸穩(wěn)定性、耐久性和顏色。熱處理后木材性質(zhì)的改變狀況，很大程度上取決于木材樹種的不同和工藝條件的差異。通常將熱處理木材稱為深度炭化，以區(qū)別于普通干燥材、表面炭化木或進(jìn)出口檢疫中熱處理除蟲后的包裝用板材。

近10年來，歐洲的荷蘭、法國、德國和芬蘭。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了木材熱處理技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。此外，日本、加拿大等國家和我國臺(tái)灣地區(qū)，也對熱處理木材進(jìn)行了多方面的研究，并取得了一定成果。

 

1  熱處理木材的特性和發(fā)展現(xiàn)狀

 

熱處理能夠提高木材的尺寸穩(wěn)定性，除去或緩釋木材內(nèi)應(yīng)力，原因在于，半纖維素特別是多糖醛苷發(fā)生化學(xué)變化后，變成弱吸濕性單體；此外，纖維素分子鏈內(nèi)羥基相互結(jié)合而構(gòu)成氫鍵。

熱處理提高木材防腐性能的可能原因是，熱處理過程中，木材組分發(fā)生了改變，切斷了菌類生存所需的營養(yǎng)物質(zhì)來源；同時(shí)，含水率的降低抑制了菌類生長，使耐腐性得以提高。

而熱處理木材顏色的變化，主要是由化合物變化，半纖維素、木素、某些抽提化合物的降解引起。

目前，我國木材熱處理市場存在的主要問題是：缺乏專門的熱處理設(shè)備；相關(guān)配套技術(shù)還不成熟；大部分使用的是傳統(tǒng)窯式干燥方式。產(chǎn)品的主要缺陷是樹節(jié)脫落、表裂和內(nèi)裂、色差大，制約了產(chǎn)品價(jià)格的提升。由于市場上銷售的各種熱處理木材良莠不齊，又缺乏明確的質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，用戶常常把表層炭化木與熱處理木材相混淆，時(shí)間實(shí)際上兩者的尺寸穩(wěn)定性、耐腐性差異懸殊。

最近市場上出現(xiàn)一種防腐浮雕木（多稱為炭化木），是通過無色防腐液真空加壓進(jìn)行防腐處理，氣干后再進(jìn)行表面炭化處理，并未從根本上解決木材吸濕變形問題，同時(shí)也存在較高的污染隱患。

 

2         工藝解決方案

 

2.1        現(xiàn)有典型工藝

目前，歐洲國家已經(jīng)建立了以下的5種典型的木材熱處理工藝，并獲得了相關(guān)專利。

1）  荷蘭Plato工藝。在溫度＞160℃、加壓條件下，對飽水木材進(jìn)行熱處理；當(dāng)木材干燥至含水率10%時(shí)，再在170～190℃，常壓、無氧條件下固化。

2）  法國Retification工藝。在210℃以上，高氮且氧氣含量＜5%的條件下，對含水率為12%的木材進(jìn)行處理。

3）  法國LesBois工藝。生材干燥之后，利用木材中水分產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行加熱處理。

4）  德國熱油處理工藝。在160℃以上進(jìn)行熱油浴。目前正在進(jìn)行添加化學(xué)反應(yīng)基團(tuán)，將化學(xué)改性與熱處理相結(jié)合的油處理試驗(yàn)。

5）  芬蘭ThermoWood工藝。先對生材或者預(yù)干的木材進(jìn)行干燥，然后進(jìn)行蒸汽熱處理。目前，已在商業(yè)上獲得巨大突破，且應(yīng)用最為廣泛。

上述工藝是通過將氧氣維持自較低水平，來避免木材在高溫處理過程中著火。但處理周期長、能耗高，產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊；特別是對溫度和壓力的控制要求較高，即便是1℃或0.4MPa之差，都可導(dǎo)致木材內(nèi)裂的發(fā)生。

 

2.2     影響熱處理效果的因素

 

1）設(shè)備類型  分為罐式和窯式2種。德國的Reulbach木材熱油處理是將熱油泵入封閉罐體，在木材周圍實(shí)現(xiàn)高溫循環(huán)。油的類型、加熱溫度、加熱時(shí)間根據(jù)最終用途確定。倘若目標(biāo)是獲得最好的耐久性和達(dá)到預(yù)計(jì)的油載荷，則應(yīng)在240℃處理鋸材；若是為了獲得最好的耐久性和最大強(qiáng)度，則應(yīng)在220℃以上。

瑞典的工藝是以高溫蒸汽作為保護(hù)氣體，熱處理干燥窯的設(shè)計(jì)和性質(zhì)與普通鋸材干燥窯相似。有蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽，與材堆上方噴水裝置中的水混合，經(jīng)過電加熱后，風(fēng)送至材堆。通過改變空氣流向，使木材干燥和熱處理均勻。

2）原材料  最常用的熱處理木材樹種有：松木、云杉、樺木、歐洲白楊等。通常，用于防水結(jié)構(gòu)的針葉樹材處理程度較深；用于室內(nèi)裝修的闊葉樹材則輕度處理，以確保顏色和表面質(zhì)量。另外，密度高的樹脂處理相對困難，熱處理時(shí)容易開裂，力學(xué)性能降低。

松木在熱處理中樹脂會(huì)外流，易沾污設(shè)備；云杉的樹節(jié)和年輪熱處理后容易變松，造成刨光時(shí)年輪突出；樺木需要進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，以避免板面扭曲；白楊?jīng)過熱處理后研究不均勻，易發(fā)生劈裂。

3）鋸解方式  對于針葉樹材，采用年輪平行于表面的傳統(tǒng)切削方式，容易引起年輪的剝落。如切削時(shí)，年輪與木材表面夾角＞45°，變形量則可減少，表面硬度增加，表現(xiàn)效果更佳。

 

4）加熱介質(zhì)  目前使用的加熱介質(zhì)包括：空氣、水、油、水蒸氣，也可利用木材自身蒸發(fā)水分作為加熱介質(zhì)。研究結(jié)果表明，在160℃條件下，經(jīng)水蒸氣熱處理的木材，抗白蟻性能優(yōu)于空氣熱處理木材?？諝鉄崽幚砗驼婵諢崽幚硐啾?，在處理溫度和時(shí)間相同的條件下，前者處理后的試材亮點(diǎn)更小，色差更大。如采用天然植物油作為加熱介質(zhì)，耐熱能力應(yīng)達(dá)到230℃，否則，處理過程中，木材分解產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)沉積到油中，使油的顏色加深并變稠。

5）溫度和時(shí)間  熱處理的溫度過低（60℃），不能有效提高木材的耐腐性。在一定范圍內(nèi)，熱處理溫度的升高可以提高木材的耐腐性。研究表明，經(jīng)過180℃處理的木材具有一定的耐腐性，但是在長期使用過程中，仍會(huì)產(chǎn)生一定程度的腐朽。

通常根據(jù)產(chǎn)品的終端用途確定熱處理時(shí)間。研究表明，4h處理的木材，其吸濕性能優(yōu)于2h處理。

 

2.3     工藝重點(diǎn)

 

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)我國樹種特點(diǎn)，研究了新的處理工藝，獲得了良好效果。

1）  初含水率控制在10%～15%，過高會(huì)延長干燥時(shí)間；過低則會(huì)增加內(nèi)裂的產(chǎn)生；

2）  在升溫、降溫階段，木材內(nèi)外部的溫度宜保持在5℃左右，可以有效減少開裂；

3）  用去髓心板處理效果更為理想

4）  采用溫和干燥基準(zhǔn)進(jìn)行前期干燥，并在干燥第2階段前1h內(nèi)控制顏色變化，使顏色達(dá)到預(yù)期要求。而以往的技術(shù)無法通過控制溫度和時(shí)間，來控制顏色，同時(shí)滿足尺寸穩(wěn)定性、耐腐性和強(qiáng)度的要求。

5）  縮短高溫?zé)崽幚頃r(shí)間，避免或減弱因纖維素發(fā)生降解而引起木材強(qiáng)度和硬度的明顯降低；

6）  干燥第2階段是壓力峰值階段，也是內(nèi)裂發(fā)生的敏感期和質(zhì)量控制關(guān)鍵階段。通過嚴(yán)格控制此階段的時(shí)間和蒸汽壓力，比傳統(tǒng)的含水率控制和高溫?zé)崽幚黼A段控制更為有效合理；

7）  調(diào)節(jié)封閉罐內(nèi)的pH值。熱處理過程中，酸的形成直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的pH值、設(shè)備使用壽命，及產(chǎn)品力學(xué)性質(zhì)、色度和明度。加入適量堿性緩沖溶液，延緩降解反應(yīng)，可避免引起木材力學(xué)性能和色度的降低，同時(shí)改善產(chǎn)品的多項(xiàng)性能指標(biāo)。

 

3  熱處理木材的應(yīng)用前景

 

3.1  環(huán)保優(yōu)勢

在歐洲，CTBA（木材與家具技術(shù)中心）根據(jù)EN84對云杉的測試結(jié)果顯示，熱處理云杉的瀝出物不含有毒物質(zhì)，本身也是環(huán)保產(chǎn)品。在醫(yī)療上可作為骨科材料的代用品。

熱處理后的工業(yè)廢水包含：乙酸、酮、二苯基甲烷、萜烯、脂肪、蠟、苯酚等，通過燃燒、溶解、萃取等方法進(jìn)行處理，可以達(dá)到國家環(huán)保相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。熱處理1m³ 的云杉，最大可瀝出100～130g/m³的乙酸和20～40kg/m³的其他不同的化合物。

 

3.2  性能優(yōu)勢

熱處理木材具有防腐防蟲功能，使用壽命延長，使用性能大大提高，如吸水性、吸濕膨脹性下降，尺寸穩(wěn)定性提高，其制品幾乎不變形、不開裂，特別適用于制造地板、門、窗扥產(chǎn)品。

熱處理木材表面呈現(xiàn)淺棕色至深褐色，顏色均勻柔和，色差較天然木材小，保持時(shí)間長，且表面光滑。可部分替代珍貴闊葉樹材，用于制造室內(nèi)外家具。

高溫處理，木材變脆，彎曲強(qiáng)度和握釘力降低10%～30%，但壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、表面硬度變化不大，常用作費(fèi)結(jié)構(gòu)材用途。

處理材的熱傳導(dǎo)性降低10%～30%，可適用桑拿間、浴室等場合。

與同類木材改性產(chǎn)品相比，熱處理木材還具有：①加工性能好，易刨、銑、鉆；膠合涂飾效果優(yōu)于同類產(chǎn)品；②經(jīng)過特殊的紫外線防護(hù)劑涂飾后，幾時(shí)長期戶外使用，仍可保持原有顏色； ③能夠加工制作炭化木薄木，用于家具表面裝飾：④在保護(hù)劑中可添加各種天然顏料，滿足不同需要。

 

3.3  價(jià)格優(yōu)勢

利用荷蘭Plato工藝熱處理木材的成本是972元/m³，法國Retification工藝的成本為1459元/m³,德國熱油處理的成本是2576元/m³；國內(nèi)熱處理的成本約2000元/m³，低于ACQ防腐處理價(jià)格。

 

4  展望

木材熱處理作為一種新型的木材改性技術(shù)，在未來還需在以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步的探索。

1）擴(kuò)大熱處理的木材樹種范圍。研究主要人工林木材對于熱處理工藝的適應(yīng)性，尋找最佳工藝條件；探索利用低端木材模擬珍貴闊葉樹材顏色的技術(shù)，提高低端木材的附加值，擴(kuò)大利用范圍。

2）在獲得鋸材熱處理成熟工藝的基礎(chǔ)上，將其工藝推廣至原木、膠合板等產(chǎn)品。產(chǎn)品應(yīng)用由初級(jí)產(chǎn)品推廣到高端制品，例如：戶外地板、墻板、集裝箱材料、室內(nèi)家具、浴室用具等。

3）建立我國的熱處理木材產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，明確評價(jià)指標(biāo)，規(guī)范產(chǎn)品市場。同時(shí)，健全熱處理企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制程序。

4）熱處理木材質(zhì)量的無損檢測技術(shù)；研制便攜式測試設(shè)備，促進(jìn)熱處理木材的規(guī)?；a(chǎn)。