熱處理木材的工藝與應(yīng)用
木材熱處理是指在保護(hù)性氣體環(huán)境中,在160~
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~
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
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
5)溫度和時(shí)間 熱處理的溫度過低(
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)。
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