CN103112069A

CN103112069A - 一种提高木材透气性的处理设备和处理方法

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Publication number: CN103112069A
Application number: CN2012100905527A
Authority: CN
Inventors: 何正斌; 李帆; 郭月红; 伊松林; 高建民; 何正胤
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: CN103112069B

Abstract

本发明公开了一种提高木材透气性的预处理设备及处理方法，该装置包括内部具有空腔的木材处理室、超声波处理装置、安置待处理木材的装材组件和检测木材温度的检测装置，超声波处理装置对码放在装材组件上的待处理木材进行超声波处理；本发明方法在真空状态下对木材进行的超声波处理，改善了木材的透气性，打通了木材内部的水分通道，使木材在干燥过程中其内部水分挥发时通道畅通，改善了木材干燥品质，减少了干燥过程中的干燥缺陷，缩短了干燥周期，而且预处理设备简单，操作方便，处理工艺条件(压力，超声波功率，频率)可控，适宜处理各种木材。

Description

一种提高木材透气性的处理设备和处理方法

技术领域

本发明涉及一种木材的预处理设备和预处理方法，特别涉及一种提高难于干燥木材的透气性的预处理设备和预测方法，属于木材预处理技术领域。

背景技术

木材干燥是木制品生产过程中最为重要的工艺环节，在热力作用下木材中的水分以蒸发或沸腾的汽化方法由木材中排出，降低木材中的水分含量，木材干燥过程在其能耗约占到木制品生产总能耗的40％～70％。对木材进行正确、合理的干燥处理，既是保证木制品质量的关键，又是合理利用和节约木材的重要手段。但是对于大多数透气性差的木材(如梓木，桉木，楸木等)直接采用传统的干燥方法容易出现干燥缺陷，而且干燥周期也比较长，既耗时又耗能，所以在干燥之前，对木材进行预处理，提高其透气性，打通木材内部的水分通道，对缩短干燥时间，减少干燥缺陷具有重要意义。

透气性差、难以干燥的木材在干燥过程中由于木材的含水率分布不均匀，含水率梯度较大，使得干燥应力较大，以及木材自身存在的生长应力，使得这些木材干燥过程中容易出现干燥缺陷(如表面开裂，变形，更严重的会出现内部开裂)。为了利于木材的干燥，提高木材干燥质量，研究了多种方法以提高木材透气性差，例如申请号为200710143652.0的发明专利申请公开了一种在保持木材本身的物理力学性能及外观完整的条件下，使木材内的毛细管全部或部分打开的木材内部微爆破方法。该发明方法是在压力罐内将木材通过加压，再瞬间释放压力的方法制造出的一类具有良好通透性的木质材料，为木材改性提供基础。该方法虽然具有如下优点和效果：(1)适用于所有木材为原料；(2)具有方法简单、可操作性强、且安全可靠的优点；(3)可较好地实现改善木材的通透性的目的；(4)利用木材内部微爆破方法改良木材的通透性，为木材的功能性改性提供技术保障；(5)具有无污染，为绿色环保型生产方法；(6)可以制造出具有通透性良好的木材，增加木材的比表面积，提高木材的绿色环保的功效，但是该方法仅限于处理厚度为0.5-200mm的木材，而且处理过程中采用压力容器，危险性更高，木材内部微爆破处理时，木材内部水分移动缓慢，内部处理不均匀，易出现干燥缺陷，影响干燥木材的干燥质量，而且干燥周期长，干燥效率低。

发明内容

本发明的目的是针对以上现有技术的问题而提供一种提高木材透气性的预处理设备和预处理方法，该预处理设备和预处理方法在真空状态下通过对木材进行超声波处理使得木材的水分通道被打通，水分通道畅通，增强了水分的渗透性、缩短了预处理木材后续干燥时间，降低了干燥过程中的应力，减少了木材的干燥缺陷。

为实现本发明目的，本发明一方面提供一种木材透气性的处理设备包括内部呈空腔的木材处理室、超声波处理装置、对木材处理室的空腔内抽真空处理的抽真空装置、放置待处理木材的装材组件和检测木材温度的检测装置，其中：

所述超声波处理装置由通过导线连接的超声波发生器和至少一个超声波换能器组成；

所述超声波换能器和装材组件安装在木材处理室的空腔内，超声波换能器对码放在装材组件上的待处理木材进行超声波处理。

其中，装材组件设置在木材处理室空腔的中下部，待处理木材放置在装材组件的上表面。

特别是，装材组件为平板状，其两端与木材处理室空腔的内壁接触并固定，或者在平板状的装材组件的底部固定支脚，通过支脚支撑在木材处理室的空腔内壁上；或者在平板状装材组件的底部安装滚轮，通过滚轮支撑在木材处理室的空腔内壁上。

尤其是，装材组件水平放置在木材处理室空腔内。

特别是，所述装材组件上还开设有孔状或狭缝状通道。

其中，所述木材处理室与所述抽真空装置通过真空导出口相连，实现抽真空装置对所述木材处理室的空腔进行所述的抽真空处理。

特别是，所述抽真空装置对所述木材干燥室空腔施加0.02-0.05MPa的绝对压力。

特别是，所述的抽真空装置包括真空泵、压力控制器、真空导出口和压力表，所述真空导出口和压力控制器通过导管与所述真空泵连接；所述压力表安装在所述木材处理室上，用于测定所述木材处理室空腔内的压力，即观察和测定木材处理室的空腔内的真空度。

其中，所述超声波换能器设置在装材组件的上部，为待处理木材施加超声波，处理待处理木材。

特别是，所述超声波换能器对装材组件上放置的待干燥木材施加功率为1-3W、频率为20-28KHz的超声波。

尤其是，所述超声波换能器均匀设置在待处理木材的上表面，且与待处理木材上表面直接接触。

特别是，所述超声波换能器竖直放置，与装材组件相互垂直，并且与木材表面直接接触。

为了减少超声波的衰减，将超声波换能器放置在所述装材组件上码放的待处理木材的上表面，使所述超声波换能器与待处理木材的上表面直接接触，对木材进行超声波处理。

特别是，超声波换能器均匀设置在待处理木材的上表面，且与待处理木材上表面直接接触，为待处理木材施加超声波，超声波处理待处理木材。

尤其是，所述超声波换能器沿着待处理木材的厚度方向垂直放置，并且与木材表面接触。

发明人经过无数次试验发现超声波换能器与待处理木材直接接触时木材干燥效率显著提高。尤其是，所述超声波换能器的面积与木材的表面积相等或大致相等，显著提高木材超声波干燥效率、减少干燥木材的干燥缺陷，提高干燥木材的品质。

其中，所述检测装置由通过导线连接的温度传感器和温度记录器组成，其中，所述温度传感器安装在码放在所述装材组件上的待处理木材的内部，用于测量木材内部的温度。

特别是，所述温度传感器均匀安装在木材的内部，使得木材的温度测定准确。

本发明另一方面提供一种利用上述木材处理设备提高木材透气性的方法，包括如下顺序进行的步骤：

1)将待处理木材锯切成要求厚度的木段后码放在所述装材组件上，并将温度传感器安放在木段里面；

2)根据待处理木材的长度和宽度方向组成的平面的面积设定超声波换能器的功率和频率；

3)开启抽真空装置对木材处理室的空腔进行抽真空处理，使木材处理设备的木材处理室空腔内的绝对压力低于0.05MPa；

4)在保持木材处理室空腔内的真空状下，开启超声波处理装置，通过超声波换能器对木材进行超声波处理

5)利用检测装置检测木段内部的温度，并在检测到木段内部温度不再升高时，停止所述抽真空处理和超声波处理。

其中，步骤1)中所述木段的厚度为2-6cm；优选为2-5cm；步骤2)中所述超声波换能器的功率为每平方厘米木材上施加的超声波的功率为1-3W，优选为1W；所述频率为20-28KHz，优选为20kHz；步骤3)中所述抽真空处理过程中处理设备的木材处理室空腔内的绝对压力优选为0.02-0.05MPa，进一步优选为0.03MPa。

压力太高不利于处理过程中木材内部压力梯度的产生，压力过低，使得真空泵耗能高，部分木材的水蒸气通道由于压力过低的缘故而闭塞，不利于水分挥发。

特别是，步骤4)中所述超声波换能器与待处理木材上表面直接接触，即将超声波换能器直接放置在待处理木材上表面，使超声波换能器与待处理木材之间的间隔为0。

特别是，所述超声波换能器的面积与木材的表面积相等或大致相等，超声波处理时，超声波对木材处理更加均匀，显著提高木材超声波处理效率、提高木材透气性。

特别是，还包括步骤2A)，在设定超声波换能器功率和频率之前，将超声波换能器均匀设置在待处理木材的上表面，且与待处理木材上表面直接接触，为待处理木材施加超声波，超声波处理待处理木材。

将超声波换能器与所述装材组件上码放的待处理木材直接接触，也就是说超声波换能器与木材之间的距离为0，减少了超声波的衰减，使所述超声波换能器下表面与待处理木材的上表面直接接触，对木材进行超声波处理。

特别是，步骤1)中在木段上钻孔，然后将温度传感器安装在所述木段的小孔内。

尤其是，在木段长度和厚度方向组成的平面钻孔，沿木段厚度方向每隔1-2cm钻孔；沿木段长度方向每隔1-4cm钻孔。

特别是，所述温度传感器的直径为1mm。

在木段上钻孔将温度传感器安装在木段内部，使得测定的木材内部的温度更准确。

本发明在真空状态下采用超声波处理方法处理木材，由于超声波作用过程中的机械作用产生的搅动和流动，空化作用过程中产生的局部高温、高压区，以及由于空化泡闭合后产生局部冲击波，使得木材内部的很多水分通道(如导管，管胞，纹孔)被打通，从而使得经过超声波预处理的木材的水分的渗透性增强，有利于干燥过程中木材内部水分的迁移，从而加快了木材干燥过程，缩短干燥周期；另外由于处理后的木材渗透性增强，使得木材干燥过程中内部水分移动速度和木材表面水分蒸发速度差值减小，使得含水率梯度减小，从而使得干燥过程中的应力减小，减少了干燥缺陷。

本发明的优点体现在以下几个方面：

1、采用本发明方法处理的木材的透气性增强，本发明方法打通了木材内部的水分通道，使木材在干燥过程中其内部水分挥发时通道畅通，改善了木材的透气性，为透气性差的木材的后续利用提供了一种预处理方法。

2、本发明不仅仅使得难干材的干燥周期缩短，改善了木材干燥品质，而且还大大减少了干燥过程中的干燥缺陷。

3、本发明方法处理后的木材干燥去除相同含水量所需时间短，经本发明方法处理后的木材的干燥速率是未经处理木材的干燥速率的1.12倍以上，达到3.17倍，显著提高了木材的干燥速度和效率。

4、本发明的预处理设备对于设备木材处理室空腔内的压力，超声波处理的功率，频率可以进行无极调节，适宜处理各种性质的木材。

5、本预处理设备结构简单，预处理方法操作方便，处理过程中工艺控制条件易控，适合处理各种木材，适宜大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明木材预处理设备的结构示意图；

图2是图1中沿A-A的剖视图。

附图标记说明：1、木材处理室；11、封闭门；2、超声波处理装置；21、超声波发生器；22、超声波换能器；3、抽真空装置；31、真空导出口；32压力表；33、压力控制器；34、真空泵；35、压力传感器；4、装材组件；5、温度检测装置；51传感器；52温度记录器；6、木段；7、底座

具体实施方式

下面参照附图，详细描述实施本发明提高木材透气性的处理方法的设备和提高木材透气性的方法的具体实施例。

如图1所示，本发明的提高木材透气性的处理设备由内部具有空腔的木材处理室1、超声波处理装置2、对木材处理室1的空腔内抽真空的抽真空装置3、安置待处理木材的装材组件4和检测木材温度的检测装置5组成。

参照图1、2，处理设备的木材处理室1呈横卧的圆柱体形，其内部形成截面为圆形的圆柱形空腔，空腔的一端封闭，另一端设可开闭的封闭门11，木材处理室1固定在底座7上，使木材处理室空腔的轴线与地面平行。

本发明中木材处理室的形状除了为横卧的圆柱体形之外，其他任何形状均适用于本发明，例如球形、立方体形、长方体形等均适用于本发明。

如图1所示，木材处理室1内部空腔内安置有平板状装材组件4，装材组件4水平放置，其左右两端分别与木材处理室空腔的内壁相接触，以便将装材组件4支撑在空腔内，将内部空腔分成上下两部分，装材组件4以上的部分形成放置待处理木材的空间。

本发明具体实施方式中选用平板状的装材组件4，装材组件除了为平板状之外，还可以在平板状装材组件4的底部固定支脚，装材组件4通过支脚支撑在木材处理室的空腔内壁上；或者在平板状装材组件4的底部安装滚轮，装材组件4通过滚轮支撑。

在装材组件4上设置呈孔状或狭缝状通道，例如在装材组件上开设小孔、小缝隙等，利于木材处理室1空腔内空气的流通和循环。

如图1、2所示，在木材处理室1的空腔内安装超声波换能器22，超声波换能器22安装在装材组件4的上部，超声波换能器22沿着竖直方向安装，与装材组件4上放置的木材相互垂直。超声波换能器22通过导线与放置在木材处理室1外部的超声波发生器21相连接。

超声波换能器22均匀分布在待处理木材的上表面，与待处理木材上表面直接接触。开启超声波处理装置2的电源后，超声波换能器对放置在装材组件4上的木材施加超声波，进行超声波处理。

将超声波换能器22沿着待处理木材的厚度方向垂直放置，并且与木材表面接触。

抽真空装置3由压力传感器35，真空泵34、压力控制器33、真空导出口31和压力表32组成，真空导出口开设在木材处理室1上，通过导管与真空泵34相连，实现抽真空装置对木材处理室1的空腔进行抽真空处理；压力控制器33通过导管与真空泵34连接；压力表32安装在木材处理室上，用于测定木材处理室空腔内的压力，即观察和测定木材处理室的空腔内的真空度；压力控制器33用于控制木材处理室内部空腔的压力，当木材处理室内压力过高，通过压力传感器35的感应，真空泵就开始抽真空，来保持内部压力。

木材温度检测装置5由温度传感器51通过导线与温度记录器52组成，温度传感器51均匀分布在待处理木段内部，测定木段在超声波处理过程中木段内部的温度，温度记录器52记录并显示温度传感器测定的木材内部的实时温度。

本发明实施例中所处理的木材采用桉木(Eucalyptus grandis×E.urophylla.)、楸木(Carya illinoensis)，其中，桉木采自广西，平均气干密度为0.60g/cm³，含水率为85-90％左右；楸木采自东北林区，平均气干密度为0.52g/cm³，含水率为85-90％；将桉木和楸木制成尺寸分别为200mm(长度)×100mm(宽度)×20-60mm(厚度方向)的木块，按照国家标准GB1928-91锯切。

实施例1

取尺寸为200mm(长度)×100mm(宽度)×40mm(厚度)的桉木木段进行超声波处理，提高桉木木材的透气性。

1、在每个桉木木段的长度和厚度组成的平面内上钻孔，沿着木段的长度方向上相邻两个钻孔之间的水平间距为4cm；沿着厚度方向上相邻两个钻孔之间的垂直间距为1cm；然后将直径为1mm的温度传感器安装在所述木段的小孔内，在木段的厚度方向上均匀排列3层温度传感器51，在木段的长度方向上均匀排列4层温度传感器51。

2、在装材组件4上平行放置一块桉木木段6，使桉木木段的厚度方向与木材处理室1的径向(高度)方向相一致，即放置在装材组件4上桉木木段的高度为40mm；

3、在桉木木段的厚度方向上垂直于桉木木段长度与宽度组成的平面内均匀放置2个超声波换能器22，并且使超声波换能器22与在桉木木段6的上表面直接接触。

本实施例例中超声波换能器22的安置个数为2个，放置超声波换能器的个数根据待处理木材的面积确定，可以为1个或1个以上多个换能器，使得每平方厘米木段上施加的超声波功率为1-3W。

4、调节超声波发生器21，使得每个超声波换能器22的功率为100W，频率为20kHz，即设置超声波换能器22的功率为每平方厘米木段上施加的超声波功率为1W；

5、关闭封闭门11后开启真空泵34，对木材处理室空腔进行抽真空处理，通过压力控制器33使木材处理设备的木材处理室空腔内的绝对压力达到0.05MPa；

6、保持木材处理室空腔内的绝对压力为0.05MPa的状态下，开启超声波处理装置，对木材进行超声波处理，其中每平方厘米木段上施加的超声波功率为1W。

7、开启温度检测装置5，通过观察温度记录器52上显示的木段内部温度，直至木段内部的温度不在升高，处理结束，制得透气性提高的木材。

实施例2

除了桉木木段的厚度为20mm，在木段的厚度方向上均匀排列1个温度传感器51之外，其余与实施例1相同。

实施例3

除了超声波处理过程中木材处理室空腔内绝对压力为0.03MPa，每个超声波换能器的功率为150W，频率为20kHz，每平方厘米木段上施加超声波功率为1.5W之外，其余与实施例1相同。

实施例4

取尺寸为200mm(长度)×100mm(宽度)×30mm(厚度)的楸木木段进行超声波处理，提高桉木木材的透气性。

1、在每个楸木木段的长度、宽度和厚度方向组成的平面内上钻孔，沿着木段的长度方向上相邻两个钻孔之间的水平间距为4cm；沿着厚度方向上相邻两个钻孔之间的垂直间距为1cm；然后将直径为1mm的温度传感器安装在所述木段的小孔内，在木段的厚度方向上均匀排列2层温度传感器51，在木段的顺纹方向上均匀排列4层温度传感器51。

2、在装材组件4上平行放置一块楸木木段6，使得楸木木段的厚度与木材处理室1的径向(高度)方向相一致，即放置在装材组件4上楸木木段的高度为30mm。

3、在楸木木段的厚度方向上垂直于楸木木段长度和宽度方向组成的平面内均匀放置2个超声波换能器22，并且使超声波换能器22与楸木木段6直接接触。

4、调节超声波发生器21，使得每个超声波换能器22的功率为100W，频率为25kHz，即设置超声波换能器22的功率为每平方厘米木段上施加的超声波功率为1W；

5、关闭封闭门11后开启真空泵34，对木材处理室1的空腔进行抽真空处理，通过压力控制器33使木材处理设备的木材处理室空腔内的绝对压力达到0.05MPa。

实施例5

除了楸木木段的厚度为60mm，在木段的厚度方向上均匀排列5个温度传感器51，超声波处理过程中木材处理室空腔内绝对压力为0.02MPa，每个超声波换能器的功率为300W，频率为28kHz，每平方厘米木段上施加的超声波功率为3W之外，其余与实施例1相同。

实施例6

除了楸木木段的厚度为20mm，在木段的径向方向上均匀排列1个温度传感器51，超声波处理过程中木材处理室空腔内绝对压力为0.03MPa，每个超声波功率为100W，频率为20kHz，每平方厘米木段上施加的超声波功率为1W之外，其余与实施例1相同。

对照例1

以实施例1的桉木木段作为对照例1。

对照例2

以实施例2的桉木木段作为对照例2。

对照例3

以实施例4的楸木木段作为对照例3。

对照例4

以实施例5的楸木木段作为对照例4。

对照例5

以实施例6的楸木木段作为对照例5。

试验例木材干燥实验

将实施例1-6制备木材和对照例1-5木材置于真空干燥窑中进行真空干燥，其中干燥窑内的干燥温度为60℃，绝对压力为0.05MPa，干燥过程中每隔两小时测定木材的重量，当木材含水率达到10％时，结束真空干燥处理，统计木材从初始含水率为85-90％干燥到含水率为10％的干燥时间，计算木材干燥速率。干燥时间和干燥速率如表1所示。

表1木材干燥时间和干燥速率

	干燥时间(h)	除湿平均含水率(％)	干燥速率(％/h)
				实施例1	73.4	88	1.20
实施例2	48.5	89	1.84
				实施例3	56.8	87	1.53
实施例4	58.1	88	1.51
				实施例5	46.8	86	1.84
实施例6	45.4	85	1.87
				对照例1	105.7	87	0.82
对照例2	55.0	90	1.64
				对照例3	78.9	87	1.10
对照例4	152.6	88	0.58
				对照例5	54.1	89	1.65

试验结果表明：

1、采用本发明方法处理后的木材干燥去除相同的含水量所需时间缩短，即提高了木材的干燥速度，本发明方法处理后的木材的干燥速率是未经本发明方法处理木材的干燥速率的1.12倍以上，达到3.17倍。

2、采用本发明方法处理后的木材进行干燥处理，缩短了干燥时间，提高了干燥效率，说明本发明的在真空状态下采用超声波处理木材提高了木材的透气性，使得木材内部的水分通道被打通，木材的透气性增强，为透气性差的木材的后续处理和利用提供了一种预处理方法。

Claims

1.一种提高木材透气性的处理设备，包括内部具有空腔的木材处理室(1)、超声波处理装置(2)、对木材处理室(1)的空腔进行抽真空处理的抽真空装置(3)、放置待处理木材的装材组件(4)和检测木材温度的检测装置(5)，其中：

所述超声波处理装置(2)由通过导线连接的超声波发生器(21)和至少一个超声波换能器(22)组成；

所述超声波换能器(22)和装材组件(4)安装在木材处理室(1)的空腔内，超声波换能器(22)在真空状态下对码放在装材组件(4)上的待处理木材进行超声波处理。

2.如权利要求1所述的设备，其特征是所述木材处理室(1)与所述抽真空装置(3)通过真空导出口(31)相连，实现抽真空装置对所述木材处理室(1)的抽真空处理。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征是所述超声波换能器(22)设置在装材组件(4)的上部。

4.如权利要求1或2所述的设备，其特征是所述检测装置(5)由通过导线连接的温度传感器(51)和温度记录器(52)组成；其中，所述温度传感器(51)安装在码放在所述装材组件(4)上的待处理木材的内部，用于测量木材内部的温度。

5.如权利要求1或2所述的设备，其特征是所述超声波换能器(22)均匀设置在待处理木材的上表面，且与待处理木材上表面直接接触，为待处理木材施加超声波，处理待处理木材。

6.一种利用如权利要求1-5任一所述木材处理设备提高木材透气性的方法，包括如下顺序进行的步骤：

1)将待处理木材锯切成要求厚度的木段(6)后码放在装材组件(4)上，并将温度传感器(51)安放在木段(6)里面；

2)根据待处理木材的长度和宽度方向组成的平面的面积设定超声波换能器(22)的功率和频率；

3)开启抽真空装置(3)对木材处理室(1)的空腔进行抽真空处理，使木材处理设备的木材处理室(1)空腔内的绝对压力低于0.05MPa；

4)在保持木材处理室(1)空腔内的真空状下，开启超声波处理装置(2)，通过超声波换能器(22)对木材进行超声波处理；

5)利用检测装置(5)检测木段内部的温度，并在检测到木段(6)内部温度不再升高时，停止所述抽真空处理和超声波处理。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是步骤1)中所述木段的厚度为2-6cm。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征是步骤2)中所述超声波换能器(22)的功率为每平方厘米木材上施加的超声波的功率为1-3W，所述频率为20-28KHz。

9.如权利要求6或7所述的方法，其特征是步骤3)中所述抽真空处理过程中预处理设备木材处理室的空腔内的绝对压力为0.02-0.05MPa。

10.如权利要求6或7所述的方法，其特征是还包括步骤2A)：在设定超声波换能器功率和频率之前，将超声波换能器均匀设置在待处理木材的上表面。