CN102922583A - 一种压缩阻燃型材 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及属于木制品生产领域，尤其涉及一种压缩阻燃型材。本发明的阻燃型材依次包括阻燃层、压缩密实层和基材层，所述阻燃层、压缩密实层与基材层通过自身木纤维自然连接为一个整体。本发明的型材耐腐耐候强、产品使用寿命长、利用途径广。
Description
技术领域
本发明属于木制品生产领域，尤其涉及一种经压缩阻燃型材。
背景技术
木材作为可再生资源，越来越受到人们的重视，但木材本身的各向异性，使得木材在使用过程容易发生翘曲、开裂、变形、易腐、易霉、使用寿命短，特别是速生材，这些木材缺陷更严重，从而限制了木材的使用途径。因此，为了提高木材的尺寸稳定性和延长木材的使用寿命，人们开展了很多木材功能性改良的科研活动。
上世纪90年代欧洲的芬兰、荷兰、法国和德国开始对炭化木（学名：热处理木或热改性材）进行研究，典型工艺采用的是木材浸渍在高温（160℃～240℃）热油里处理，或采用惰性气体为加热介质高温（160℃～240℃）处理木材，处理得到的木材拥有很好的稳定性和使用寿命，于90年代末开始实现产业化。但欧洲的这些工艺复杂，生产成本高。本公司在中国专利文献CN1868704（2006-11-29）曾公开“木材炭化处理方法”，该方法采用的是常压下过热水蒸汽为加热介质，采用连续升温法在（160℃～240℃）条件下对木材进行处理，处理得到的木材获得优良的性能，由于生产工艺简单，生产过程不添加任何化学药剂，并很快实现了产业化。本公司在中国专利文献CN1868708A（2006-11-29）曾公开“炭化木地板生产方法”，实现了该技术在实木地板中的应用，使得实木地板第一次能应用于地采暖，并实现产业化生产。本公司经过多年的产业化生产实践证明，很多的热处理工艺都能处理得到炭化木，但热处理前木材的初含水率、木材的分层含水率、木材中的残余应力，这三个指标对提高炭化木的质量和提高炭化木的出材率有决定性的作用，特别是木材的初含水率是这三影响因素的核心，本技术方案所采用的技术工艺是本公司在原有的专利技术基础上，经多年生产实践得到的，即考虑提高炭化木的质量和出材率，同时也考虑产业化过程中的节能降耗。
浙江林学院在中国专利文献CN101069972A（2007-11-14）曾公开“一种热处理炭化木材的生产方法”，该方法是将初含水率低于12%的木材，按常规干燥法堆垛放入炭化窑内，在1～3h内升到50～80℃，接着以10～18℃的升温速度升温到95～105℃，接着以3～8℃的速度升温到120～130℃，使木材内部含水率几乎降到0℃，再以12～20℃/h的速度升温到185～220℃之间，保温2～8h，并采用间歇式喷蒸法进行喷蒸处理，结束后采用间歇式喷蒸法进行降温，降到120～140℃，接着采用进排气口间歇开合和间歇式喷蒸法进行降温到70～85℃，并维持1～4h，使木材的含水率恢复到4～9%，出窑。这一热处理工艺只适用于小批量实验室且厚度不大的木材板材，不能用于大规模工业化生产。经本公司的多年生产经验证明：如用上述方案处理木材的初含水率高于8%以上，木材厚度大于20mm时，会使木材在处理后，容易产生表裂和内裂，而且采用上述的间歇式喷蒸升温和降温，很容易引起在炭化处理过程中发生起火，以15～20℃/h的速度升温到185～220℃之间处理木材，会由于木材受热不均，使处理出来的木材材色表里不均，会大大降低木材出材率和防低木材等级。
上海大不同木业科技有限公司在在中国专利文献CN101497799A（2009-8-5）曾公开了“一种超高温木材炭化方法”，该方法在处理木材的初始阶段升温太快，如木材的含水率很高，会使得木材在炭化处理前期产生表裂，炭化后期产生内裂，降低木材的出村率和木材的质量。
上述所有技术方案所处理得到的木材，虽然会不同程度地提高木材尺寸稳定性，提高木材的耐腐耐候性，延长木材的使用寿命，但木材的尺寸稳定性比其素材平均提高30%左右，耐腐耐候性平均达到二级（即：耐腐级质量损失为11～24%，按GB/T 13942.1-2009），在某些场合如室外应用还会使木材表面产生微小的裂纹（裂纹宽度小于4mm、长度小20cm），抗紫外线差，在很潮湿的环境下还容易发生霉变、容易被白蚁侵蚀，另外，木材的力学性能指标与素材相比，如木材的表面硬度降低3～8%、静曲强度降低4～10%，特别是所处理的速生材，与素材相比这两个指标低得越多，炭化处理后速生材的表面硬度降低5～10%，速生材静曲强度降低5～12%，因此，这对于木材来讲，特别是速生材，超高温热处理后得到的木材性能未能满足人们的需求。
目前生产难燃木材的方法比较落后，主要有如下几种:
一种是将阻燃剂涂刷或喷涂在木材表面上，这种方法较原始，缺点是阻燃剂只敷在木材表面，阻燃效果差;
一种是在常温下，将阻燃剂用水溶解，制得阻燃液，再将木材浸渍，这种方法加互速度慢，阻燃效果差;
一种是加热浸渍法生产阻燃木材，加互速度较快，但燃料消耗大，产品成本高，且木材使用性能差，易变型；
一种是真空加压浸渍法生产阻燃木材，包括备料、配制阻燃液、阻燃处理、干燥、组坯、胶压、成品。
目前使用较多的有机阻燃剂为尿醛树脂，成本高，且均存在一些问题，如树脂导致木材材色过深、树脂不稳定、工艺繁杂等。
现有技术通常使用薄单板制备阻燃材，然后再胶合。木材是经刨切成单板，单板层与层之间通过胶粘剂简单的胶合固化而成，两者本身并非为一个整体，没有经过木材功能性改良技术处理，而且由于成本等因素，使得生产出来的型材，在使用过程中不可避免有甲醛释放量，极易发生开裂、翘曲、霉变等现象，影响地板的使用寿命，在生产过程中也会造成环境污染。广州嘉汉林业有限公司在中国专利CN101637928A(2010-2-3)中公开了一种单板条组合装饰木，所用的单板在切条前进行阻燃处理或/和炭化处理，该方法难以处理厚度大的速生实木型材。
现有技术中也有压缩密实层与基材层本身为一个整体的，但该地板在压缩前须进行药物浸渍，如须在低分子量酚醛树脂（PF）中浸泡七天，然后进行压缩。但这种方法处理的基材层只是机械压缩没有固化，在使用过程中受温度和湿度的影响，会使型材的尺寸稳定性降低。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，提供一种能集合阻燃剂处理、炭化热处理和表面压密木材三者的优点，克服其各自缺点的压缩阻燃型材。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种压缩阻燃型材，它依次包括阻燃层、压缩密实层和基材层，所述阻燃层、压缩密实层与基材层通过自身木纤维自然连接为一个整体。
所述的自然连接是指压缩密实层与基材层本身为同一块木材，该木材经压缩后而形成压缩密实层与基材层，即该木材底层部位未被压缩，只进行表层压缩。
本发明所述压缩密实层的内部密度小于所述压缩密实层的表面密度。
本发明所述阻燃层厚度为1mm～2mm，所述压缩密实层厚度为3mm～5mm，所述基材层的厚度为2mm～4mm。
上述厚度可根据各木材的不同及所制得产品用途差异而确定，且上述厚度的实现能够充分保证最终产品性能的同时最大限度提高木材的出材率和高附加值利用，保证该发明型材的各项性能，同时由于只对木材的相对表层压进行缩固从而降低了生产成本。
本发明所述阻燃层的密度为600～800kg/m3，压缩密实层的密度为550～1350kg/m3，基材层的密度为350～750kg/m3。
本发明型材可以通过两种方法制备。
第一种方法是依次包括步骤：
A. 制材：由原木速生材制得木材坯料；
B. 炭化；
C. 常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的阻燃剂1-2h；
D. 压缩: 在热压机上，先控制热压机垫板温度为170～220℃，然后把步骤B处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热10～120s，然后迅速加压并保温保压1～5h；
E. 定型5-8h。
作为优选，所述的步骤B炭化工艺，是将木材整齐码垛并在木材堆顶部按1t/m2的标准加压钢板框浇混凝土压块，然后装入木材炭化设备中，迅速升温和加湿，温度升高到80～90℃，湿度加湿到相对湿度为70～80%，保持2～4h，然后采用阶梯式升温方法按照(10～20℃)/h的速度升温到125～135℃并保持2h～4h，然后再采用阶梯式升温方法，将温度按照(8～15℃)/h的速度升温至175～200℃，并在最高温度下保持2～4h，结束后采用喷射雾化水方法让木材快速降温至炭化设备内温度小于120℃以下时，停止加热和喷雾化水结束炭化，自然降温7～12h至40～60℃时立即出窑。
作为优选，所述步骤C的阻燃剂为2,2-二（3,5-二氨基-4-羟基苯基）丙烷的乙酰化物溶液。
作为优选，所述步骤C的阻燃剂为聚磷酸铵溶液。
第二种方法依次包括步骤：
a. 制材：由原木速生材制得木材坯料；
b．常温常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的阻燃剂1-2h；
c. 压缩炭化：在热压机上，控制热压机垫板温度为150～180℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热10～120s，然后保温1～3h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h；
d. 定型5-8h。
作为优选，所述步骤c在热压机上，控制热压机垫板温度为160℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热50～100s，然后保温1～3h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、集合炭化、表面压缩和阻燃处理木材的优点，克服其各自的缺点，便于工业化流水线生产，生产成本低、出材率高；
2、本发明的木材改良技术无毒、无害不污染环境和水资源，其生产工艺过程也是无污染的环保型生产；
3、处理得到的木材材色美观、尺寸稳定性高、耐腐耐候性强、力学性能好、使用寿命长，其使用寿命可达到一般木材的3～4倍；
4、经阻燃处理和压缩后，二次加强了型材耐腐性、耐候性和尺寸稳定性，极大地拓宽了速生材和树种利用途径，特别实用于户外园林景观应用、户外家具、实木家具、地采暖用实木地板、桑拿房、乐器等；
5、本发明特别适用于速生材软材的处理，改良后的实木型材可取代硬木，满足人们对木材品质要求，减少热带雨林砍伐，节约森林能源，成为制造家居用品的理想材料。
具体实施方式
实施例一
压缩阻燃型材的制备方法，包括步骤：
A. 制材：由原木速生材制得木材坯料；
B. 炭化：将木材整齐码垛并在木材堆顶部按1t/m2的标准加压钢板框浇混凝土压块，然后装入木材炭化设备中，迅速升温和加湿，温度升高到80～90℃，湿度加湿到相对湿度为70～80%，保持2～4h，然后采用阶梯式升温方法按照(10～20℃)/h的速度升温到125～135℃并保持2h～4h，然后再采用阶梯式升温方法，将温度按照(8～15℃)/h的速度升温至175～200℃，并在最高温度下保持2～4h，结束后采用喷射雾化水方法让木材快速降温至炭化设备内温度小于120℃以下时，停止加热和喷雾化水结束炭化，自然降温7～12h至40～60℃时立即出窑。
C. 常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的阻燃剂1-2h；阻燃剂为浓度为15-20wt%的2,2-二（3,5-二氨基-4-羟基苯基）丙烷的乙酰化物溶液；
D. 压缩: 在热压机上，先控制热压机垫板温度为170～220℃，然后把步骤B处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热10～120s，然后迅速加压并保温保压1～5h；
E. 定型5-8h。
所述原木速生材为气干密度小于650kg/m3的木材，通过制材的方法，制得所需尺寸的软木地板坯料，如长为600mm至2000mm，宽为110mm至200mm，厚为19.5mm至23mm，制材过程中做好下锯法，以提高木材的出材率。
该工艺采用浸渍阻燃剂后压缩炭化，可以一次成型处理厚度大的速生实木型材，并促进阻燃渗透进入木材内部，不易流失，使制得的木材的性能结合了阻燃、压缩与炭化工艺各自所制得木材的优点。
本发明所采用的木材炭化处理工艺是在本公司拥有的专利“ZL200610051117.8炭化木地板生产方法”和“ZL200610051118.2木材炭化处理方法”两个专利技术方案基础上经多年生产实践，兼顾节能和炭化木产品质量的基础上改进所得。本技术工艺缩短了炭化处理时间，提高了产品质量。在炭化过程中采用175℃～200℃高温高湿条件下处理木材，溶解木材抽提物，使木材里的活性基团如羟基等减少，打通木材导道和纹孔，而又不会使木材的表面硬度和静曲强度降低，使木材拥有更出色的材色，而且此过程还可以显著消除干燥及炭化处理后板材内部形成的应力，大大减少了木材内部的干燥缺陷如内裂、表裂等，使得阻燃剂处理出来的木材出材率高。
采用连续式喷射雾化水方法降温，安全简单，不会引发着火，木材受热均匀，处理出来的木材材色表里均匀，木材出材率高，在快速降温后，木材的含水率很低，大约在1.5%～3%，达到了阻燃浸渍所需的最优含水率，并形成外高内低的木材含水率梯度。
经过本发明炭化工艺处理后的速生实木型材尺寸稳定性高、耐腐蚀性强，木材的闭塞导道和纹孔被打通，加上炭化后快速降温形成的外高内低的木材含水率梯度，有利于阻燃液渗透到木材内部，不易流失，有效解决了阻燃剂的易流失和不稳定性问题。
本发明步骤D的预热过程为对木材表面进行软化的过程，使在压缩的过程当中，只对木材表层进行压缩，使木材的表面强度和耐磨性等木材表面物理有极大的提高，使这种压缩木材的表面物理性能堪比硬质阔叶材，同时使木材的弯曲弹性模量、弯曲强度都有极大的提高，也极大提高了木材的尺寸稳定性。
最终制成包括阻燃层、压缩密实层和基材层的压缩阻燃型材，所述阻燃层、压缩密实层与基材层通过自身木纤维自然连接为一个整体。所述压缩密实层的内部密度小于所述压缩密实层的表面密度。所述阻燃层厚度为1～2mm，所述压缩密实层厚度为3～5mm，所述基材层的厚度为2～4mm。所述阻燃层的密度为600～800kg/m3，压缩密实层的密度为550～1350kg/m3，基材层的密度为350～750kg/m3。
实施例二
同实施例一，不同的是所述步骤C的阻燃剂为浓度为35-45wt%的聚磷酸铵溶液；所述步骤B常温常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的阻燃剂1.5h；所述步骤D在热压机上，控制热压机垫板温度为160℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热50～100s，然后保温1～3h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h。
本发明的聚磷酸铵阻燃剂为高聚合度结晶Ⅱ型聚磷酸铵（NH4PO3）n（n＞20），该产品属含磷无机阻燃添加剂系列的重要分支。产品磷和氮含量高，热稳定性和化学稳定性能好。
实施例三
同实施例一，不同的是所述步骤D在热压机上，控制热压机垫板温度为160℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热80s，然后保温2h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h；所述步骤E定型5-8h。
实施例四
一种压缩阻燃型材的制备方法，依次包括步骤：
a. 制材：由原木速生材制得木材坯料；
b．常温常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的浓度为15-20wt%的2,2-二（3,5-二氨基-4-羟基苯基）丙烷的乙酰化物溶液阻燃剂1-2h；
c. 压缩炭化：在热压机上，控制热压机垫板温度为150～180℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热10～120s，然后保温1～3h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h；
d. 定型5-8h。
最终制成包括阻燃层、压缩密实层和基材层的压缩阻燃型材，所述阻燃层、压缩密实层与基材层通过自身木纤维自然连接为一个整体。所述压缩密实层的内部密度小于所述压缩密实层的表面密度。所述阻燃层厚度为1～2mm，所述压缩密实层厚度为3～5mm，所述基材层的厚度为2～4mm。所述阻燃层的密度为600～800kg/m3，压缩密实层的密度为550～1350kg/m3，基材层的密度为350～750kg/m3。
实施例五
同实施例四，不同的是所述步骤b阻燃剂为浓度为35-45wt%的聚磷酸铵溶液，聚磷酸铵阻燃剂优选为高聚合度结晶Ⅱ型聚磷酸铵（NH4PO3）n（n＞20），常温常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的阻燃剂1.5h。所述步骤c在热压机上，控制热压机垫板温度为160℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热50～100s，然后保温1～3h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h。
实施例六
同实施例五，不同的是所述步骤c在热压机上，控制热压机垫板温度为160℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热80s，然后保温2h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h。所述步骤d定型5-8h。
实施例七
同实施例六，不同的是所述步骤c在热压机上，控制热压机垫板温度为160℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热80s，然后保温2h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在200℃的条件下处理3h。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种压缩阻燃型材，其特征在于：它依次包括阻燃层、压缩密实层和基材层，所述阻燃层、压缩密实层与基材层通过自身木纤维自然连接为一个整体。
2.根据权利要求1所述的压缩阻燃型材，其特征在于：所述压缩密实层的内部密度小于所述压缩密实层的表面密度。
3.根据权利要求2所述的压缩阻燃型材，其特征在于：所述阻燃层厚度为1～2mm，所述压缩密实层厚度为3～5mm，所述基材层的厚度为2～4mm。
4.根据权利要求3所述的压缩阻燃型材，其特征在于：所述阻燃层的密度为600～800kg/m3，压缩密实层的密度为550～1350kg/m3，基材层的密度为350～750kg/m3。
5.根据权利要求1所述的一种压缩阻燃型材的制备方法，其特征在于依次包括步骤：
A. 制材：由原木速生材制得木材坯料；
B. 炭化；
C. 常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的阻燃剂1-2h；
D. 压缩: 在热压机上，先控制热压机垫板温度为170～220℃，然后把步骤B处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热10～120s，然后迅速加压并保温保压1～5h；
E. 定型5-8h。
6.根据权利要求5所述的一种压缩阻燃型材的制备方法，其特征在于：所述的步骤B炭化工艺，是将木材整齐码垛并在木材堆顶部按1t/m2的标准加压钢板框浇混凝土压块，然后装入木材炭化设备中，迅速升温和加湿，温度升高到80～90℃，湿度加湿到相对湿度为70～80%，保持2～4h，然后采用阶梯式升温方法按照(10～20℃)/h的速度升温到125～135℃并保持2h～4h，然后再采用阶梯式升温方法，将温度按照(8～15℃)/h的速度升温至175～200℃，并在最高温度下保持2～4h，结束后采用喷射雾化水方法让木材快速降温至炭化设备内温度小于120℃以下时，停止加热和喷雾化水结束炭化，自然降温7～12h至40～60℃时立即出窑。
7.根据权利要求5所述的一种压缩阻燃型材的制备方法，其特征在于：所述步骤C的阻燃剂为2,2-二（3,5-二氨基-4-羟基苯基）丙烷的乙酰化物溶液。
8.根据权利要求5所述的一种压缩阻燃型材的制备方法，其特征在于：所述步骤C的阻燃剂为聚磷酸铵溶液。
9.根据权利要求1所述的一种压缩阻燃型材的制备方法，其特征在于依次包括步骤：
a. 制材：由原木速生材制得木材坯料；
b．常温常压或低压浸渍热分解温度在200℃以上的阻燃剂1-2h；
c. 压缩炭化：在热压机上，控制热压机垫板温度为150～180℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热10～120s，然后保温1～3h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h；
d. 定型5-8h。
10.根据权利要求9所述的一种压缩阻燃型材的制备方法，其特征在于：所述步骤c在热压机上，控制热压机垫板温度为160℃，把步骤b处理后得到的木材送进热压机，迅速闭合热压机至刚好接触木材时，对木材预热50～100s，然后保温1～3h;然后再把压好的木材堆垛好，放在托盘上，送进采用过热蒸汽为热处理介质的炭化窑，在180～210℃的条件下处理2～4h。
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