CN100579741C - 木材超高温热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于改善木材尺寸稳定性和耐久性的木材超高温热处理方法。该处理方法的升温过程包括：第一升温阶段，在该阶段仅利用水蒸气作为隔氧保护介质；和随后的第二升温阶段，在该阶段引入氮气，用氮气和水蒸气的混合气体作为隔氧保护介质，以抑制木材主要成分纤维素的降解，从而防止木材强度的下降。采用本发明的方法处理所得的产品在具备良好的尺寸稳定性和耐久性的同时，强度下降小；而且，本发明的处理方法所需处理时间短，生产效率高，成本经济。

Description

木材超高温热处理方法

技术领域

本发明涉及木材处理方法，特别是对木材进行超高温热处理以改善其尺寸稳定性和耐久性的处理方法。

背景技术

木材被广泛地应用于建筑结构、装饰材料、家具等各种用途。人们一直在致力于研究使木材尺寸稳定、耐腐耐候的处理方法。特别是，由于天然木材资源的日益匮乏，主要木材来源转向了人工林。人工林轮伐期短，木材中幼龄材所占比例大，半纤维素和木质素的含量高，材质较差，且密度低，尺寸稳定性及耐久性差，从而更加需要进行处理以提高其性能。

人们曾尝试用各种方法来对木材进行加工。人们采用表面涂饰或贴面或烧烤木材，但这样的处理仅能在表层进行保护或炭化，无法提高木材整体的尺寸稳定性和耐久性能。目前，国内更多地是采用药剂浸注法来进行木材的整体处理，但化学防腐药剂(如CCA(铜铬砷)、ACQ(氨溶铜)等)的有毒成分很可能会影响使用者的安全和健康，并导致环保方面的问题。针对诸如松木之类的高脂木材，往往还需要利用溶剂脱脂或碱水脱脂，但这些脱脂对厚材往往脱脂不完全，且成本高，会产生大量污染水，影响环境。

近年来，人们现在越来越倾向于使用非化学药剂的方法来处理木材。其中，木材的超高温热处理方法(HTT)是一种十分有效且环保的木材处理方法。

在木材干燥处理中，温度＞100℃为常规干燥，100～150℃为高温干燥，＞150℃为超高温干燥。在超高温热处理过程中，木材在接近或高于200℃的超高温低氧含量环境中，持续处理一段时间后，木材中的半纤维素降解，木材细胞壁中的吸水/湿基团(羟基)减少，半纤维素酶被破坏，营养成分热解，从而使木材吸湿性能下降，使其尺寸稳定性及生物破坏性得到改善。

自20世纪90年代后，芬兰、荷兰、法国、德国、加拿大、土耳其及日本等国家，相继进行了木材超高温热处理的研究与开发。根据超高温热处理时所采用的隔氧保护介质不同，主要分为三类：蒸汽处理工艺、惰性气体处理工艺以及热油处理工艺。

芬兰和法国的一些超高温热处理技术采用水蒸气来阻止木材燃烧，其处理温度约在160℃至240℃。处理所得的木材尺寸稳定性高，耐候和耐腐性能好。但水蒸气在较高的高温下会与木材的主要成分纤维素发生反应，使其降解，导致木材强度较大的下降。这局限了该方法处理所得的木材的用途，尤其是在作为结构承重构件方面的用途。

法国的另一些超高温热处理技术采用低含氧量的氮气之类的惰性气体作为隔氧保护介质。其处理过程在充满氮气的特殊处理室中进行，并将木材加热到约210℃至240℃。处理所得的木材吸湿性能明显降低，尺寸稳定性高，且该过程可破坏腐朽菌所需的营养成分，耐腐蚀性能更好。但单独采用氮气做保护介质，会导致木材表面硬化，从而木材表面不会随木材的收缩/膨胀而变化，致使木材的强度产生极大的破坏，而且木材脆性增加，断裂模数损失40％以上。

德国和加拿大的一些超高温热处理技术采用热油(植物原油)作为隔离介质。处理过程中木材与氧气充分隔离，且热传递效率高。其处理温度一般在约180℃～220℃。处理所得的木材耐久性好，吸油量小，强度也相对较高。但是，这种方法存在明显缺点，即处理成本高，会污染木材表面，且存在废油的净化及废弃处理方面的问题。

超高温热处理具体所采用的处理工艺，包括保护介质、压力、流程、温度、时间、加热速率、初含水率等等，都会影响木材产品的最终性能以及生产的成本和效率。

人们迫切希望能找到一种木材超高温热处理工艺，可消除上述现有技术的种种不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种木材超高温热处理方法，其生产出的木材产品不仅尺寸稳定性和耐久性好，而且能最大限度地保留其强度。

本发明的另一目的在于提供一种木材超高温热处理方法，其处理时间缩短，生产效率提高，成本降低。

本发明的再一目的在于提供一种木材超高温处理方法，能对木材进行快速、完全的脱脂，且产生出的木材内外变色一致，力学性能相差小，整体质量高。

本发明通过提供一种如下所述的用于改善木材尺寸稳定性和耐久性的木材超高温热处理方法来实现上述目的。所述处理方法的升温过程包括：第一升温阶段，在该阶段仅利用水蒸气作为隔氧保护介质；和随后的第二升温阶段，在该阶段引入氮气，用所述氮气和水蒸气的混合气体作为隔氧保护介质，以抑制木材主要成分纤维素的降解，从而防止木材强度的下降。

根据本发明的方法，将升温过程分成了两个阶段。在第一升温阶段中，可以仅利用水蒸气来作为保护介质。该阶段相对温度较低，水蒸气与木材中的纤维素尚未发生或仅发生少量的降解，所以木材的强度基本不会下降。由于仅保护介质仅为水蒸气，就可以充分利用高温干燥中木材自身所产生的水蒸气，使处理过程控制简便，节约成本。当温度继续升高时，水蒸气就易于与木材中的纤维素发生反应而导致木材强度较大下降。本发明设计了随后的第二升温阶段。在该阶段中，向木材处理设备中引入氮气，从而用水蒸气和氮气的混合气体作为保护介质。这样可以降低水蒸气的浓度，抑制纤维素与水蒸气的反应，从而减少木材的降解，防止木材强度的大幅下降。采用本发明的升温方法，既避免了长时间、高浓度地使用氮气所造成的不利影响，又有效削弱了水蒸气在较高温度下的降解作用，从而能最大限度地保留木材的强度。

较佳的是，从第一升温阶段向第二升温阶段转变的温度在130℃至220℃的范围内，更佳的是在150℃至180℃的范围内。

较佳的是，该处理方法在一处理压力下进行，.所述处理压力比常压高0.01MPa至10Mpa、较佳的是高0.2Mpa至0.5Mpa。由于木材的传热速度是与介质的压力正比地相关的，所以当热处理时在相对高压下进行时，传热速度比常压下要快，且缩短渗透时间，从而提高效率。同时，较高的压力还可以抑制热解杂质的排出，保护木材的强度。

较佳的是，在升温过程中处理压力是受监控。通过监控压力，可以使木材处理环境更稳定，并能更好地控制最终产品的性能。此外，监控压力还可减少木材的开裂，有利于生产大的柱子料。

较佳的是，在第二升温阶段中，通过控制氮气的输入来实现所需要的压力。

较佳的是，以5℃～15℃的温差逐级升温，且相应地控制压力以0.01Mpa至0.1Mpa的压差逐级升压。

较佳的是，氮气与水蒸气的混合比值r为：0＜r≤10。

较佳的是，该处理方法依次包括如下阶段：预热阶段，干燥阶段，实现所述升温过程的升温阶段，保温阶段以及冷却阶段。

较佳的是，通过升温过程，处理温度达到150℃～260℃。

根据本发明的木材热处理方法成本经济，生产效率高，且适合包括原木、薄板、厚板、方柱、复合板在内的各种木材的加工。而且，所生产出的产品吸湿性显著降低，尺寸稳定性好，强度下降小，脱脂快速、完全，耐腐耐候性好，而且内外变色一致、力学性能相差小，综合性能出色。

在阅读了下面对具体实施例的详细说明之后，本发明的更多较佳形式和更多优点会变得更加清楚。

具体实施方式

下面给出根据本发明的木材超高温热处理方法的一个示例性的实施例。

该示例性的热处理工艺包括五个阶段：预热阶段，干燥阶段，升温阶段，保温热处理阶段以及冷却阶段。

首先，将木材放入一木材热处理设备中，所述木材热处理设备可以包括木材处理室、加热装置、风机、加热阀、循环阀以及压力和温度监控装置等。然后依次执行以下工艺步骤：

1、预热阶段

在预热阶段，对木材进行预热。预热阶段的温度例如可以升高到约100℃～150℃。在预热阶段的升温过程中，可视情况需要对木材进行喷水处理。

2、干燥阶段

在预热阶段升温到一定温度之后，保持该温度，并进入干燥阶段。在所述温度，木材中的水分开始并不断蒸发。

一般将木材脱水到含水率为2％～5％、较佳的是2％时，该干燥阶段结束。干燥阶段结束时，木材处理室中的压力可以降至常压。

3、升温阶段

在该升温阶段，逐渐将木材处理室中的温度上升到超高温热处理所需要的温度，如150℃至260℃。在这样的温度下，木材中的半纤维素降解，木材细胞壁中的吸水/湿基团(羟基)减少，同时半纤维素酶被破坏，营养成分热解，从而使木材吸湿性下降，平衡含水率减小，尺寸稳定性提高，并且由于消除了菌类生存所必须的营养和水分，使木材的耐腐蚀性也大大提高。此外，对于含脂的木材，也可以同时完成快速的脱脂。

较佳的是，使木材处理室中的压力高于常压，例如比常压力高0.01MPa至10Mpa。较高的压力有助于加快木材传热速度，从而缩短渗透时间，致使该处理过程例如在约2～8小时即可结束，极大地提高了生产效率。此外，较高的压力还可以抑制热解杂质的排出，保护木材的强度。

更佳地是，处理压力可以比常压高0.2～0.5Mpa。实践表明，这样的压力已可明显地促进传热并缩短处理时间，且对处理设备的压力密封要求也不会过高，是经济可行的。

在升温的同时，可以对设备中的压力进行监控，使其随着温度上升受控地逐步升压。例如，可以5℃～15℃、较佳的是8℃～12℃的温差逐渐升温，并同时对压力进行监控和调节，使其同步地以0.01至0.1MPa、较佳的是0.02～0.06Mpa的压差逐步升压。通过对压力的监控，可以使木材处理环境更稳定，并能更好地控制最终产品的性能。

根据本发明的方法，升温过程可以分为一第一升温阶段和一随后的第二升温阶段。在第一升温阶段中，木材处理室中的温度相对较低，如约为110℃～180℃，可仅用水蒸气作为隔氧保护介质。所述水蒸气可以是从木材本身蒸发出来的，例如干燥阶段中未排出的剩余水蒸气或者在升温阶段中进一步蒸发出来的水蒸气，而无需特意加入。这有利于简化设备和操作，且节约成本。

当温度升高到一较高的温度时，水蒸气易于与木材中的纤维素发生化学反应。纤维素是构成木材结构的重要成分，其降解会导致木材强度的急剧下降。根据本发明，升温过程可从上述的第一升温阶段进入第二升温阶段，在该阶段中开始引入氮气，从而以水蒸气和氮气的混合物来作为保护介质。

从第一升温阶段向第二升温阶段转变的温度可以是所要处理的木材的纤维素开始与水蒸气发生化学反应时或之前的一温度，或者是木材的纤维素仅与水蒸气发生少量的化学反应、木材强度尚未大幅降低的一温度。该温度的具体数值可以考虑所处理的木材种类、试件尺寸、以及对最终产品的强度要求等来综合确定。根据实践经验，该从第一升温阶段向第二升温阶段转变的温度较佳的是在130℃至220℃的范围内，更佳的是在150℃至180℃的范围内。

采用本发明的处理方法，一方面，由于在水蒸气易于与木材的纤维素发生降解反应、导致木材强度的大幅下降的阶段引入了氮气，从而降低高温下的水蒸气的浓度，抑制高温下水蒸气与木材纤维素的降解反应，有效地防止木材强度的过大下降。

另一方面，与仅采用氮气以及在高温热处理一开始引入氮气的情况相比，整个处理过程中的氮气的浓度相对较低，且存在的时间较短，不会不利地引起木材表面硬化，防止了由于木材内部和表面不一致的收缩/膨胀而导致的强度破坏，也有效地抑制了产品的脆性增加和弹性模量的下降。

通过本发明的方法处理，可有利地保证木材尽可能地保留最大的强度。同时，所产生出的产品也仍兼备超高温热处理所带来的各种优点。

较佳的是，可以这样引入氮气，在温度达到开始引入氮气的预定温度时，将压力降至上一温度级的压力指标，然后加氮气直至本温度级的压力。可利用氮气的输入来实现所需的压力。氮气可以引入直至木材不会产生水分为止。

较佳的是，在水蒸气和氮气混合的保护介质中，氮气与水蒸气的混合比值r大于0小于等于10。

4.保温阶段：

在完成升温之后，保持所述温度且不再升压一段时间，如2-8个小时，以使木材得以充分的热处理。

5.冷却阶段：

保温阶段结束后，进行木材的冷却平衡。该阶段通过停止升温和分段排汽来进行。如果需要，还可进行间断喷水，以及风冷。

待冷却至一定温度后，即可将产品从木材处理设备中取出。

如上可见，采用本发明的木材超高温热处理技术，相比现有技术可以获得以下的良好的技术效果：

·最大限度地保留木材的强度；

·处理时间短，生产效率高，成本低；

·吸湿性减小，尺寸稳定性好；

·耐腐耐候性好，可长期使用，适用各种场合；

·内外变色一致；

·同时完成快速、完全的脱脂。

·可加工大规格产品

应予注意的是，上述工艺流程和参数仅是本发明的一些较佳实施例。在不超出本发明的构思的范围内，可以对它们作出种种变型。如本领域的技术人员可以理解的，上述木材处理工艺中的所述五个阶段、一些参数的具体数值，可以根据不同的木材品种、质地、干湿状况、试件重量和尺寸、最终用途和要求等进行适当的取舍和选择，并不仅局限于上面所详细描述的内容。

本发明的保护范围由所附权利要求书来确定，而不是上面的所描述的具体实施例。

Claims (6)

1.一种用于改善木材尺寸稳定性和耐久性的木材超高温热处理方法，其中，所述超高温是指大于150℃的温度；所述处理方法的升温过程包括：

第一升温阶段，在该阶段仅利用水蒸气作为隔氧保护介质；和

随后的第二升温阶段，在该阶段引入氮气，用所述氮气和水蒸气的混合气体作为隔氧保护介质，以抑制木材主要成分纤维素的降解，从而防止木材强度的下降；

其中，从第一升温阶段向第二升温阶段转变的温度在130℃至220℃的范围内；所述处理方法在一处理压力下进行，所述处理压力比常压高0.01Mpa至10Mpa；氮气与水蒸气的混合比值r为：0＜r≤10；所述方法依次包括如下阶段：预热阶段，干燥阶段，实现所述升温过程的升温阶段，保温阶段以及冷却阶段；以及，通过所述升温过程，处理温度达到150℃～260℃。

2.如权利要求1所述的木材超高温热处理方法，其特征在于，所述从第一升温阶段向第二升温阶段转变的温度在150℃至180℃的范围内。

3.如权利要求1所述的木材超高温热处理方法，其特征在于，所述处理压力比常压高0.2Mpa至0.5Mpa。

4.如权利要求3所述的木材超高温热处理方法，其特征在于，在升温的同时对处理压力进行监控。

5.如权利要求4所述的木材超高温热处理方法，其特征在于，在第二升温阶段中，通过控制氮气的输入来实现所需要的压力。

6.如权利要求5所述的木材超高温热处理方法，其特征在于，以5℃～15℃的温差逐级升温，且相应地控制压力以0.01Mpa至0.1Mpa的压差逐级升压。