CN103753664A - 一种压缩木及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩木的制备方法和由该方法制得的压缩木，该方法包括（1）将含水率为12-30重量%的木材进行第一高频加热，以使木材的材芯温度达到80-120℃；（2）将步骤（1）中得到的木材进行热压；（3）将步骤（2）得到的木材进行第二高频加热，以使木材的材芯温度达到180-220℃。由本发明提供的压缩木的制备方法制得的压缩木不易发生回弹，步骤简单，所需时间短；根据本发明的方法获得的压缩木的密度、表面硬度、耐磨性都有很大的增加，该压缩木的吸水恢复率和吸湿恢复率较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种压缩木和由该方法制备的压缩木。
背景技术
压缩木是轻质木材经过一定的温度和压力等外部条件加工处理后，产生的一种质地坚硬、密度大和力学强度高的强化处理材料。木材经压缩密实处理后，由于内部组织构造发生了很大的变化，从而使物理力学性质也发生了相应的变化。其中最显著的变化表现在力学强度增强，变形减小，表面耐磨性提高，从而有效地改善了木材的品质，提高了木材的利用价值。
在对木材进行压缩之前必须使其软化,否则压缩时木材的细胞壁会发生破坏。软化方法一般分为水热处理法和化学药物处理法。水热处理法包括:水煮、汽蒸和微波加热处理；药物处理法主要用液态氨、气态氨、氨水、联氨、尿素以及碱处理等。采用水热处理法，即利用蒸煮软化法对木材进行软化处理并压缩后，必须对木材进行再干燥处理和变形固定处理，因此会增加处理成本，而且处理工艺复杂。采用化学药物处理法对木材进行软化处理，不光会对环境造成了污染，而且生产出的压缩木制品对人的身体健康也会造成一定的危害，这样就限制了压缩木的适用范围。
近年来，高频加热技术由于具有短时间迅速、均匀加热的优点，逐渐在木材干燥领域中得到广泛的应用。高频加热是电介质在电磁场中的极性分子高速运动使介质内部加热的一种方式。
目前在制备压缩木的工艺中，已有人采用高频加热技术对木材进行处理，即通过高频加热对木材内部进行加热，当木材的材芯温度达到80-120℃时，对木材进行常温压缩（即冷压缩），当达到所需的压缩率后停止压缩，得到压缩木材。但这种制备方法采用的是冷压机，经过高频加热后木材的材芯温度迅速升高，而此时冷压板会吸收大量的热量，造成木材内部热量不均匀，而且该方法中没有进行变形固定处理。结果发现，采用上述高频加热技术获得的压缩木易发生回弹现象。
因此，开发一种不易发生回弹的压缩木的制备方法仍是一个普遍关注的研究领域之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种压缩木的制备方法和由该方法制备的压缩木。
本发明的发明人发现，在压板加热后的热压机上，对采用高频加热至材芯温度达到80-120℃的木材进行压缩而非现有技术的蒸煮软化压缩或常温下的高频压机上软化压缩，并在压缩后再次进行高频加热，使木材的材芯温度达到180-220℃，能够有效解决现有高频加热技术中出现的压缩木的回弹问题。
本发明提供一种压缩木的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
（1）将含水率为12-30重量%的木材进行第一高频加热，以使木材的材芯温度达到80-120℃；
（2）将步骤（1）中得到的木材进行热压；
（3）将步骤（2）得到的木材进行第二高频加热，以使木材的材芯温度达到180-220℃。
本发明还提供由上述方法制备的压缩木。
由本发明提供的压缩木的制备方法制得的压缩木不易发生回弹现象；而且，完全不需要化学药物处理木材，克服了现有技术中生产压缩木带来的环境污染严重的问题；此外，通过本发明方法制得的压缩木压缩成型后不需要再干燥，制备步骤简单，所需时间短。
根据本发明的方法制得的压缩木的密度、表面硬度、耐磨性都有很大的增加，并且，该压缩木的吸水恢复率和吸湿恢复率较小。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种压缩木的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
（1）将含水率为12-30重量%的木材进行第一高频加热，以使木材的材芯温度达到80-120℃；
（2）将步骤（1）中得到的木材进行热压；
（3）将步骤（2）得到的木材进行第二高频加热，以使木材的材芯温度达到180-220℃。
本发明中，热压是指在热压板加热的条件下，在一定压力下，将木材进行压缩。
根据本发明，所述第一高频加热、第二高频加热以及热压可以在同一个设备上实施，也可以在不同的设备上分别实施，只要可以实现本发明的目的即可。优选情况下，所述第一高频加热、第二高频加热以及热压在同一个热压机上进行，所述热压机具有热板加热功能和高频加热功能。本发明中采用的石家庄开发区纪元电气有限公司生产的型号为GJW-PI-336-JY的高频热压机，所述高频热压机的阳极板与机体的连接部分采用绝缘隔热材料聚酰亚胺制成。
本发明中，含水率是指木材试样中所包含水分的质量与全干试样的重量之比，本发明中根据GB-T1931-2009方法测定。
根据本发明，所述木材的含水率越高，对木材的压缩越有利。但是含水率过高会造成木材导电击穿，而含水率过低又会使得产生的热量少，导致木材无法升至所需的温度。因此，只要所述木材的含水率为12-30重量%即可，为了获得更好的压缩效果，优选含水率为16-20重量%的木材。
本发明获取含水率为12-30重量%，优选含水率为16-20重量%的木材的方法为本领域技术人员所公知的木材（干材）干燥和/或木材（湿材）调湿处理的方法，例如可以为气干、窑干和高频干燥中的一种或几种。
本发明中，所述木材的材芯温度是指木材中心的温度，材芯温度的测定是通过利用加拿大Photon Control公司生产的型号为FTP-LPI1-ST-XM的光纤温度计来测定。材芯温度的测定方法可以为本领域技术人员所公知的方法，例如可以在第一高频加热之前将光纤温度计（直径为2mm）的探头放置于待测木材的中心进行测定。测温点取在测温木材一端距端头20mm（长度方向）处的厚度方向的中心点上，测温孔直径为3mm，深度为测温木材宽度的一半。温度数据的采集方法可以过本领域的技术人员所公知的采集方法，例如可以通过将解调器连接到计算机上，通过计算机对温度进行实时监控并采集数据，采集时间间隔设定为1s。
根据本发明，所述第一高频加热使含水率为12-30重量%，优选含水率为16-20重量%的木材的材芯温度达到80-120℃即可。但考虑到第一高频加热起到软化木材的作用，优选情况下，第一高频加热使含水率为12-30重量%，优选含水率为16-20重量%的木材的材芯温度达到100-110℃。
根据本发明，所述第一高频加热可以通过本领域技术人员所熟知的各种高频加热条件来实施。考虑到第一高频加热以使木材的材芯温度达到80-120℃，起到软化木材的作用，优选情况下，所述第一高频加热的条件包括加热时间为1-10min，更优选为4-5min；保持时间为0.5-2min，更优选为1-1.5min；高频电磁波频率为5-15MHz，更优选为6.78MHz或13.56MHz。
根据本发明，考虑到木材的整体受热均匀，以避免在热压过程中木材的材芯和木材的表面产生温度差，该方法还包括在第一高频加热之前，将所述木材预热至木材的表面温度为100-220℃。优选情况下，在第一高频加热之前，将所述木材预热至木材的表面温度为180-200℃。
根据本发明，所述预热优选在热压机上进行。
根据本发明，对所述预热的条件没有特别地限定，可以在较宽的范围内变动，只要避免在热压过程中木材的材芯和木材的表面产生温度差即可。优选情况下，所述预热的条件包括：预热温度可以为100-220℃，预热时间可以为0-30秒，进一步优选情况下，预热温度可以为180-200℃，预热时间可以为2-5秒。
本发明中，预热温度是指热压板的表面温度，预热时间是指从将木材开始预热到获得所需的表面温度所经历的时间段。
本发明中，所述预热可以通过将木材置于热压机的压板上，使木材表面与压板充分接触后加热压板来实施或者将木材置于热压机加热后的压板上来实施，只要能够使木材的表面快速升温以避免木材的外部和内部产生温度差，之后在步骤（2）中直接加压即可实现热压。预热温度与热压温度的限定范围和优选范围相同，在这种情况下，预热与热压的区别仅在于是否加压，如果不加压，则为预热，如果加压，则为热压。
热压温度是指热压板的表面温度。闭合速度是指热压板从接触木材到使木材压缩达到一定的压缩率的速度。
根据本发明，步骤（2）中，所述热压的条件优选使得所述木材的压缩率为10-70%，进一步优选为20-50%。本发明的热压的条件包括：热压的方向可以为任意方向，优选为木材的径向；热压温度可以为100-220℃，优选为180-200℃；热压压力可以为10-50MPa，优选为15-25MPa；热压机的闭合速度可以为0.1-5mm/s，优选为0.5-1mm/s。
本发明中，所述压缩率是指木材被压缩的百分率，具体地，压缩率=（木材压缩前的初始厚度-木材压缩后的厚度）/木材压缩前的初始厚度×100%。
根据本发明，所述压缩木的制备方法可以适用于各种厚度的木材，优选情况下，所述木材的厚度为1-50厘米，进一步优选为5-30厘米。本发明中，木材的厚度方向是指木材的热压方向。
根据本发明，步骤（3）中，将步骤（2）得到的木材进行第二高频加热，以使木材的材芯温度达到180-220℃。考虑到第二高频加热起到固定压缩变形的作用，优选情况下，将步骤（2）得到的木材进行第二高频加热，以使木材的材芯温度达到180-200℃。
根据本发明，步骤（3）中，所述第二高频加热可以通过本领域技术人员所熟知的各种高频加热条件来实施。考虑到第二高频加热是使木材的材芯温度迅速达到180-220℃，优选情况下，所述第二高频加热的条件包括：加热时间为0.5-5min，更优选为1-2min；保持时间为10-40min，更优选为20-30min；高频电磁波频率为5-15MHz，更优选为6.78MHz或13.56MHz。
在本发明中，需要说明的是，所述第一高频加热条件中的加热时间是指从开始第一高频加热至达到所需材芯温度所经历的时间段，保持时间是指第一次高频加热至木材的材芯温度达到80-120℃后的状态的保持时间；所述第二高频加热条件中的加热时间是指从开始第二高频加热至达到所需材芯温度所经历的时间段，保持时间是指第二次高频加热至木材的材芯温度达到180-220℃后的状态的保持时间。
根据本发明，优选情况下，该方法还包括将步骤（3）中的得到的木材进行降温，以使木材的材芯温度降低至60℃以下，优选为50-60℃。所述降温可以通过本领域技术人员所公知的技术实施。优选情况下，所述降温通过自然冷却的方式来实施。
根据本发明，本发明提供的方法可以对任何一种木材进行压缩木的加工，所述木材可以是板材，也可以是锯材，所述板材可以为弦向板、径向板以及弦向和径向之间任意角度的板材，优选情况下，所述木材可以为弦向板。
根据本发明，所述木材的密度没有特别地限定，可以在较宽的范围内变动。所述木材优选为密度小于1g/cm3的针叶材和/或阔叶材，进一步优选为密度为0.2-0.7g/cm3的针叶材和/或阔叶材。特别优选为杨木、杉木、泡桐、樟子松、红松、桦木、马尾松和柳杉中的一种或多种。
显然，本发明中，第一高频加热、热压和第二高频加热可以在兼具高频加热和热压功能的同一设备上进行，也可以分别在高频加热设备和热压机上进行。
下面通过具体实施例对本发明进行详细的说明，
实施例1
该实施例用于说明本发明提供的压缩木的制备方法和由该方法制得的压缩木。
（1）将人工林杨木制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×60mm（厚）、含水率为18重量%的弦向板材，置于高频热压机上（石家庄开发区纪元电气有限公司，型号为GJW-PI-336-JY，以下相同）预热，预热温度为180℃，预热时间为2秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为4min，以使板材的材芯温度达到100℃，之后保持材芯温度为100℃的状态，保持时间为1min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为50%，热压温度为180℃，热压压力为25MPa，闭合速度为1mm/s；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为2min，以使板材的材芯温度达到180℃，之后保持材芯温度为180℃的状态，保持时间为20min；
（5）使板材自然冷却至60℃时，取出板材，即获得压缩木。
对比例1
按照实施例1的方法制备压缩木，不同的是，步骤（1）中使用的板材的含水率为9重量%，结果步骤（4）中对压缩后的板材进行相同条件的第二高频加热后，材芯温度最高只能达到120℃。
对比例2
按照实施例1的方法制备压缩木，不同的是，不进行步骤（1），并在步骤（3）中采用冷压方式（冷压温度为常温）进行压缩。
实施例2
（1）将杉木制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×75mm（厚）、含水率为16重量%的弦向板材，置于高频热压机上预热，预热温度为200℃，预热时间为5秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为5min，以使板材的材芯温度达到105℃，之后保持材芯温度为105℃的状态，保持时间为1.5min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为45%，热压温度为200℃，热压压力为20MPa，闭合速度为0.5mm/s；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为1min，以使板材的材芯温度达到200℃，之后保持材芯温度为200℃的状态，保持时间为30min；
（5）使板材自然冷却至58℃时，取出板材，即获得压缩木。
实施例3
（1）将泡桐制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×100mm（厚）、含水率为20重量%的弦向板材，置于热压机上预热，预热温度为190℃，预热时间为3秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为4.5min，以使板材的材芯温度达到110℃，之后保持材芯温度为110℃的状态，保持时间为1min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为20%，热压温度为190℃，热压压力为15MPa，闭合速度为0.8mm/s，；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为1.5min，以使板材的材芯温度达到190℃，之后保持材芯温度为190℃状态，保持时间为25min；
（5）使板材自然冷却至50℃时，取出板材，即获得压缩木。
实施例4
（1）将樟子松制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×60mm（厚）、含水率为25重量%的弦向板材，置于热压机上预热，预热温度为120℃，预热时间为2秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为4.5min，以使板材的材芯温度达到120℃，之后保持材芯温度为120℃的状态，保持时间为1min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为50%，热压温度为120℃，热压压力为25MPa，闭合速度为0.5mm/s，；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为3min，以使板材的材芯温度达到180℃，之后保持材芯温度为180℃的状态，保持时间为20min；
（5）使板材自然冷却至60℃时，取出板材，即获得压缩木。
实施例5
（1）将红松制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×50mm（厚）、含水率为20重量%的弦向板材，置于热压机上预热，预热温度为160℃，预热时间为2秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为3.5min，以使板材的材芯温度达到110℃，之后保持材芯温度为110℃的状态，保持时间为2min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为40%，热压温度为160℃，热压压力为30MPa，闭合速度为4mm/s；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为5min，以使板材的材芯温度达到210℃，之后保持材芯温度为210℃的状态，保持时间为10min；
（5）使板材自然冷却至60℃时，取出板材，即获得压缩木。
实施例6
（1）将桦木制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×37.5mm（厚）、含水率为16重量%的弦向板材，置于热压机上预热，预热温度为170℃，预热时间为2秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为4.5min，以使板材的材芯温度达到120℃，之后保持材芯温度为120℃的状态，保持时间为2min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为20%，热压温度为170℃，热压压力为35MPa，闭合速度为1mm/s，；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为4min，以使板材的材芯温度达到180℃，之后保持材芯温度为180℃的状态，保持时间为10min；
（5）使板材自然冷却至60℃时，取出板材，即获得压缩木。
实施例7
（1）将马尾松制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×60mm（厚）、含水率为15重量%的弦向板材，置于热压机上预热，预热温度为180℃，预热时间为2秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为5min，以使板材的材芯温度达到110℃，之后保持材芯温度为110℃的状态，保持时间为0.5min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为50%，热压温度为180℃，热压压力为25MPa，闭合速度为2mm/s，；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为5min，以使板材的材芯温度达到200℃，之后保持材芯温度为200℃的状态，保持时间为12min；
（5）使板材自然冷却至60℃时，取出板材，即获得压缩木。
实施例8
（1）将柳杉制成尺寸为500mm（长）×150mm（宽）×10mm（厚）、含水率为20重量%的弦向板材，置于热压机上预热，预热温度为190℃，预热时间为2秒；
（2）对预热后的板材进行第一高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为4.5min，以使板材的材芯温度达到100℃，之后保持材芯温度为100℃的状态，保持时间为1min；
（3）然后将板材沿径向方向双面施压进行热压，热压的压缩率为70%，热压温度为190℃，热压压力为20MPa，闭合速度为1mm/s，；
（4）对压缩后的板材进行第二高频加热，高频电磁波频率为6.78MHz，加热时间为5min，以使板材的材芯温度达到200℃，之后保持材芯温度为200℃的状态，保持时间为10min；
（5）使板材自然冷却至60℃时，取出板材，即获得压缩木。
对比例3
按照实施例8的方法制备压缩木，不同的是，不进行步骤（4）的第二高频加热。
性能测试
板材尺寸按以下方式检测：在制备压缩木过程中，用厚度规控制压缩木的最终厚度，计算出压缩率。
密度测定：采用软X射线密度分析方法连续测定木材横截面的密度。
力学性能测定：参照国标GB1941-2009进行表面硬度的测定。
吸湿恢复率和吸水恢复率测定：
吸湿恢复率：将试件放入恒温恒湿箱，在20℃、相对湿度65%条件下放置7天后测量其厚度，并根据下述恢复率的计算公式计算。
吸水恢复率：将试件在浸水的条件下使用真空泵持续抽真空1h，使试件达到饱水状态后再在水中浸泡6h，取出后置于室内干燥至气干状态，放入干燥箱中在60℃下干燥4h后再在103℃下干燥至绝干状态，测量其厚度，并根据下述恢复率的计算公式计算。
恢复率的计算公式为：
式中：L0：素材的绝干厚度；
Lc：压缩木试件的绝干厚度；
Lr：压缩木吸湿或吸水处理后试件的绝干厚度。
上述实施例1-8获得的压缩木以及对比例1-3获得的压缩木的性能测定结果如表1所示。
表1
从表1的结果可以看出，本发明提供的压缩木的密度和表面硬度均有显著提高，并且该压缩木的吸水恢复率和吸湿恢复率较低，说明该压缩木不易回弹；从实施例1和对比例1的数据可以看出，对比例1的板材含水率低于12重量%，导致得到的压缩木的性能变差；从实施例1和对比例2的数据可以看出，对木材进行冷压的方法制备得到的压缩木吸水恢复率和吸湿恢复率较大；从实施例8和对比例3的数据可以看出，将一次高频加热至材芯温度达到100℃的木材进行热压，不进行变形固定（即不进行第二高频加热），使得压缩木的吸水恢复率和吸湿恢复率较大。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种压缩木的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将含水率为12-30重量%的木材进行第一高频加热，以使木材的材芯温度达到80-120℃；
（2）将步骤（1）中得到的木材进行热压；
（3）将步骤（2）得到的木材进行第二高频加热，以使木材的材芯温度达到180-220℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（1）中，使木材的材芯温度达到100-110℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（1）中，所述第一高频加热的条件包括加热时间为1-10min，高频电磁波频率为5-15MHz，保持时间为0.5-2min。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括在第一高频加热之前，将所述木材预热至木材的表面温度为100-220℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（2）中，所述热压的条件包括热压温度为100-220℃，热压压力为10-50MPa，热压机的闭合速度为0.1-5mm/s。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（3）中，将步骤（2）得到的木材进行第二高频加热，以使木材的材芯温度达到180-200℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤（3）中，所述第二高频加热的条件包括加热时间为0.5-5min，高频电磁波频率为5-15MHz，保持时间为10-40min。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括将步骤（3）中得到的木材进行降温，以使木材的材芯温度降低至60℃以下。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述木材为密度小于1g/cm3的针叶材和/或阔叶材，所述木材的含水率为16-20重量%。
10.权利要求1-9中任意一项所述的方法制得的压缩木。
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