CN105082285A

CN105082285A - 一种提高木材声学性能的方法

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Publication number: CN105082285A
Application number: CN201510260674.XA
Authority: CN
Inventors: 武亚峰; 沙汀鸥; 何正斌; 赵紫剑; 伊松林
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-05-20
Also published as: CN105082285B

Abstract

本发明公开了一种提高木材声学性能的新型处理方法，包括对木材依次进行超声波处理、干燥处理、热处理，获得高声学品质的木材。本发明方法操作简单，且处理过程不加入任何化学药品，安全环保，大幅度提高了木材的声学品质，利用本发明方法制备的木材的E/ρ值得到了较大提高，δ值得到了一定的降低，显著提高了木材的声学性能。

Description

一种提高木材声学性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高木材声学性能的新型处理方法，特别涉及一种在超声波和高温热处理条件下提高木材声学性能的处理设备和处理方法，属于木材声学改良处理技术领域。

背景技术

木材因其弹性模量高，密度小，具有较好的声学性能，又有自然的美感，一直是制作乐器的优选材料。其中云杉、泡桐等木材以其优良的声学振动特性，被广泛应用于乐器及声学器具等的共鸣音板的制作当中。近年来，我国森林面积不断增长，林业产出得到了提高，但是产出木材的质量却普遍不高。而乐器用材，虽然实际用量不大，但品质要求较高。且由于长期以来很多木质乐器有其特用的一些传统珍贵树种，使得乐器用木材的需求更加仍然难以得到满足。同时，木材用做乐器音板等部件时，出材率相对较低，这更加使得乐器用材短缺。那么，如何解决这个困难，成了值得我们探索和思考的问题。

为了缓解这一供需矛盾，培育适合制作乐器的珍贵树种是必然的，但这需要较长的周期。而充分利用现有的木材资源，并对其进行改性处理，使普通的木材具有珍贵木材的声学性能，使新伐材能够拥有陈放材的传声品质。所以，对木材声学进行性能改良的研究势在必行。

木材声学改性就是通过一定的化学和物理方法改变木材的密度、含水率、吸湿特性及抽提物含量和尺寸稳定性等特性以实现对木材声学振动性能的改良。

目前国内外学者对木材声学性能的改良进行了一定的研究，并且已经取得了较多的成果，但总体研究范围较窄，主要集中于通过浸渍方法改善木材的吸湿特性及尺寸稳定性和改变抽提物含量来达到改善木材声学振动性能的目的。

现有木材声学改性的化学浸渍方法主要包括甲醛，硅烷等浸渍处理方法，其中甲醛浸渍处理方法：将木材放入甲醛溶液中进行浸渍处理，然后在真空烘箱100℃烘4小时，进行化学交联反应。但是通过化学方法处理过的木材难免会对环境造成一定程度的污染，应该选取更加无害的改性处理方法来代替化学方法来提高木材的声学性能，真正做到绿色改性的目的。

近年来，木材的超声波处理作为一种新型高效的处理方式得到了越来越多的关注。超声波对于多孔性物质具有良好的脱水作用，其产生的空穴效应增加了木材中的传质效率，使木材中的内含物向外流出，改变了木材抽提物的含量。同时，适当的超声波处理能促进木材纤维素中微纤丝的有序排列，从而提高其结晶度，即提高了木材的声学性能。而木材高温热处理也使木材中的半纤维素通过脱乙酰和解聚作用释放出乙酸，产生一些低分子量的化合物，也造成了木材中抽提物的变化。此外，高温条件还使纤维素准结晶区内的分子得到重新排列从而结晶化，半纤维素中包含的木聚糖和甘露聚糖也因为乙酰基的去除而获得了结晶化能力，使高温热处理材的结晶度得到提高。而结晶度的提高和抽提物的变化都有利于改善木材的声学性能，因此，超声波和高温方式处理木材提高其声学性能是有一定实际意义和研究价值的。

发明内容

本发明的目的是鉴于现有木材声学改性的化学浸渍方法中存在的技术问题提供一种绿色新型的改善木材声学性能的处理方法，本发明方法在不损坏木材材质的前提下，既不降低木材力学性能，又能提高了木材的声学性能。

为了实现本发明的目的，本发明一方面提供一种改善木材声学性能的方法，包括对木材依次进行超声波处理、干燥处理、热处理。

其中，所述超声波处理是将木材浸泡于装有水的超声波设备中，然后开启设备电源，对木材进行超声波浸提处理。

超声波浸提处理使木材中的内含物向外流出，减少了木材中的抽提物含量；并促进木材纤维素中微纤丝的有序排列，提高木材的结晶度，提高木材的声学性能。

特别是，所述超声波处理过程中超声波功率是160-400W，优选为160-340W，进一步优选为340W；超声波频率是≥20KHz，优选为20-40KHz，进一步优选为40KHz。

尤其是，超声处理过程中的温度为10-30℃，优选为20-30℃。

特别是，超声处理时间为2-12min/mm，优选为2-5min/mm，进一步优选为3-4min/mm，即在超声波处理过程中每1mm厚木材超声处理时间为2-12min，优选为2-5min，进一步优选为3-4min，也就是如果木材厚度为1mm，则超声处理过程中超声处理时间为2-5min；木材厚度为10mm，则超声处理时间为20-50min。

尤其是，超声波处理过程中浸泡木材的水与木材的体积之比为1-10:1，优选为4-10:1。

其中，所述木材选择生材。

特别是，所述生材的含水率≥80％。

尤其是，所述木材采用锯切、旋切方式制成，优选为锯切方式制成。

特别是，所述木材选用水杉、川西云杉、云杉、鱼鳞云杉或西加云杉等木材。

其中，所述干燥处理是降低木材的含水率。

干燥处理可以使木材尺寸稳定性更好，含水率达到9±1％，利于后续高温热处理，使热处理过程中的木材更稳定，避免木材开裂变形。

特别是，所述干燥处理是采用间歇干燥方式对木材进行干燥。

尤其是，在所述间歇干燥过程中，加热时间为12h，停止加热时间为12h。

其中，所述间歇干燥过程中以24h为一个干燥循环周期，即进行一次间歇干燥的时间为24h，其中12h为加热处理，然后停止加热12，也就是说间歇干燥的间歇率为50％，加热12h，停止加热12h。

对木材进行第一次加热处理12h，然后第一次停止加热12h，然后再进行第二次加热处理12h，再第二次停止加热12h，如此循环，每个干燥循环为24h。

特别是，相邻两次间歇干燥过程中，前一次的干燥的加热处理温度低于后一次的干燥的加热处理温度。

特别是，相邻两次间歇干燥周期的中，前一次的干燥周期中加热温度低于后一次的干燥周期中的加热温度。

尤其是，相邻两次间歇干燥周期过程中前一次的间歇干燥周期的加热处理温度比后一次的间歇干燥周期的加热处理温度低5-10℃，优选为5℃。

其中，所述干燥处理的初始干燥温度为50℃。

特别是，所述干燥处理的干燥初始加热温度为50℃，即第一次间歇干燥周期过程中，加热温度保持为50℃，也就是说第一次间歇干燥周期中，加热温度保持为50℃，加热12h后，停止加热，保持12h。

尤其是，相邻两次间歇干燥过程中加热温度相差5℃，后一次间歇干燥的加热温度高于前一次间歇干燥的加热温度；即第一次间歇干燥过程中，加热温度保持为50℃，加热12h后，停止加热，保持12h；接着升温至55℃，在保持温度为55℃下加热12h，然后停止加热，保持12h；再升温至60℃，在保持温度为60℃的条件下加热12h，然后停止加热，保持12h，如此循环。

特别是，干燥处理后的木材的含水率≤10％，优选为8-10％。

其中，所述热处理是用高温过热水蒸气对木材进行加热处理。

特别是，所述热处理过程中的温度为120℃～220℃；在所述热处理过程中每1mm厚木材的超声处理时间为2-8min，优选为每1mm厚木材的超声处理时间为3-6min，进一步优选为3-4min，即热处理时间为2-8min/mm，优选为3-6min/mm，进一步优选为3-4min/mm，也就是如果木材厚度为1mm，则热处理时间为2-8min；木材厚度为10mm，则超声处理时间为20-80min。

尤其是，热处理过程中采用过热蒸汽加热木材，对木材进行所述的热处理。

特别是，所述过热蒸汽的温度为120-220℃，优选为160-220℃。

特别是，还包括对热处理后的木材进行调湿处理。

其中，所述调湿处理是将热处理木材放入恒温恒湿箱中，在恒温恒湿条件下调节木材的含水率达到12±5％。

特别是，所述调湿处理后的木材的含水率优选为12±1％。

尤其是，所述恒温恒湿条件是温度为20℃；相对湿度为65±5％，优选为66％。

本发明另一方面提供一种按照上述方法制备而成的声学性能改善的木材。

本发明的优点体现在以下几个方面：

1、本发明的改善木材声学性能的方法中对木材进行超声波处理改变了木材中抽提物的种类组成并减少了抽提物的含量，并且，超声波处理还能促进木材纤维素中微纤丝的有序排列，从而提高其结晶度，有效地提高了木材的声学性能。

2、本发明方法中的高温热处理使木材的接触角变大，内部应力松弛，既可以提高木材的尺寸稳定性；又可以在短时间内使木材纤维素结晶度得到了提高，高温热处理引起的木材性质的变化都显著提高了木材的声学性能。

3、本发明中的木材的超声波处理和高温热处理均未使用任何化学药剂，属于绿色清洁的处理方法，对环境未造成危害。

4、本发明的预处理设备简单，处理方法操作方便，拥有容易控制的工艺，适宜大规模推广应用。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

本发明实施例中所处理的木材采用水杉(MetasequoiaglyptostroboidesHu&W.C.Cheng)，产于中国广西，无缺陷，初含水率50％-60％。

将水杉木制成尺寸为200-300mm(纵向)×40-60mm(弦向)×2-5mm(径向)的木块试样，按照国家标准GB1928－91锯切。

本发明实施例中的木材处理水杉之外，还可以选用川西云杉、云杉、鱼鳞云杉或西加云杉；水杉木的尺寸以230mm×50mm×3mm(纵向×弦向×径向)为例进行说明，其中木材的径向高度即为木材的厚度方向。

实施例1

1、超声波处理

将水杉木材试件置于盛有蒸馏水的超声波清洗仪(宁波新芝生物科技有限公司生产、SB-400DTY型超声波扫频清洗机)中，并使水杉木材试件浸没在蒸馏水中，木材试件与蒸馏水水的体积之比为1:4；

调节超声波清洗仪的功率为160W；超声频率为40KHz，开启电源进行超声处理，在超声波处理过程中控制超声波清洗仪内的蒸馏水温度为30℃，超声处理9min后取出木材试件，制得超声木材，其中，超声处理时间为3min/mm。

超声波对于多孔性物质具有良好的脱水作用，其产生的空穴效应增加了木材中的传质效率，使木材中的内含物向外流出，减少了木材中的抽提物含量。同时，适当的超声波处理能促进木材纤维素中微纤丝的有序排列，从而提高其结晶度，即提高了木材的声学性能。

2、干燥处理

将超声木材置于鼓风干燥箱(天津市诺顺特科电子仪器有限公司、DHG-9030A)的干燥箱内，对木材进行间歇干燥，并且在干燥过程中，每隔4h称量一次木材的重量，其中：

间歇干燥过程中每24h为1个循环，即对木材进行加热处理12h，然后停止加热12h，然后再进行加热处理12h，再停止加热12h，如此循环，第一次间歇干燥过程中，加热温度保持为50℃，即干燥起始温度为50℃，相邻两次间歇干燥过程中加热温度相差5℃，后一次间歇干燥的加热温度高于前一次间歇干燥的加热温度；即第一次间歇干燥过程中，加热温度保持为50℃，加热12h后，停止加热，保持12h；接着在升温至55℃，在保持温度为55℃下加热12h，然后停止加热，保持12h后，再升温至60℃，在保持温度为60℃的条件下加热12h，然后停止加热，保持12h，如此循环；直至木材的含水率达到10％，制得干燥木材。

3、热处理

将干燥木材置于高温热处理装置高温鼓风干燥箱(上海蓝豹试验设备有限公司、BPG-9050AH型)中，向其中通入常压过热蒸汽(220℃)，加热木材，使木材的温度升高至180℃，在保持温度为180℃的条件下进行高温热处理9min，制得热处理木材，其中热处理过程中热处理时间为3min/mm；

热处理是指将木材放在部分或完全隔绝氧气的高温环境下(传热介质类型：常压过热蒸汽、高压热水、氮气、油)，进行一定时间的热处理所得到的一种新型改性木材的技术。

木材高温热处理过程中木材中的半纤维素通过脱乙酰和解聚作用释放出乙酸，产生一些低分子量的化合物，也造成了木材中抽提物的变化，降低木材中的抽提物的含量。此外，高温条件还使纤维素准结晶区内的分子得到重新排列从而结晶化，半纤维素中包含的木聚糖和甘露聚糖也因为乙酰基的去除而获得了结晶化能力，使高温热处理材的结晶度得到提高，从而提高了木材的声学性能。

4、调湿处理

将热处理木材放入恒温恒湿箱(北京雅士林试验设备有限公司，DHS-500型恒温恒湿箱)中，进行调湿处理，调节木材含水率，恒温恒湿箱内温度为20℃，相对湿度为66％，直至木材含水率达到12％。

实施例2

超声波处理过程中除了木材试件与蒸馏水水的体积之比为1:10；超声波功率为180W；超声频率为20KHz；超声波清洗仪内的蒸馏水温度为15℃；超声处理12min后取出木材试件，超声处理时间为4min/mm之外，其余与实施例1相同；

干燥处理过程实施例1相同；

热处理过程中除了热处理温度为200℃之外，其余与实施例1相同；

调湿处理过程中处理木材含水率为7％之外，其余与实施例1相同。

实施例3

超声波处理过程中除了木材试件与蒸馏水水的体积之比为1:4；超声波功率为220W；超声频率为40KHz；超声波清洗仪内的蒸馏水温度为30℃；超声处理6min后取出木材试件，超声处理时间为2min/mm之外，其余与实施例1相同；

干燥处理过程与实施例1相同；

热处理过程中除了过热蒸汽的温度为160℃；热处理温度为120℃之外，其余与实施例1相同；

调湿处理过程中处理木材含水率为17％之外，其余与实施例1相同。

实施例4

超声波处理过程中除了木材试件与蒸馏水水的体积之比为1:6；超声波功率为280W；超声频率为40KHz；超声波清洗仪内的蒸馏水温度为20℃；超声处理15min后取出木材试件，超声处理时间为5min/mm之外，其余与实施例1相同；

干燥处理过程与实施例1相同；

热处理过程中除了热处理温度为160℃之外，其余与实施例1相同；

调湿处理过程与实施例1相同。

实施例5

超声波处理过程中除了木材试件与蒸馏水水的体积之比为1:7；超声波功率为340W；超声频率为40KHz；超声波清洗仪内的蒸馏水温度为30℃；超声处理9min后取出木材试件，超声处理时间为3min/mm之外，其余与实施例1相同；

干燥处理过程与实施例1相同；

调湿处理过程中与实施例1相同。

实施例6

超声波处理过程中除了木材试件与蒸馏水水的体积之比为1:5；超声波功率为340W；超声频率为40KHz；超声波清洗仪内的蒸馏水温度为20℃；超声处理12min后取出木材试件，超声处理时间为4min/mm之外，其余与实施例1相同；

干燥处理过程与实施例1相同；

热处理过程中除了热处理温度为140℃之外；其余与实施例1相同；

调湿处理过程与实施例1相同。

对照例1

木材试件直接置于高温热处理装置高温鼓风干燥箱中，直接进行高温热处理，即不进行超声波处理和干燥处理，其余与实施例1相同。

对照例2

木材试件除了不进行高温热处理之外，其余与实施例1相同。

对照例3

木材试件不进行其它超声波处理、干燥处理、热处理，只进行调湿处理，其余与实施例1相同。

试验例1木材声学性能参数试验

通过薄板木质材料力学性能检测分析仪对试件的比动弹性模量(E/ρ)和对数衰减系数(δ)进行检测，记录相应数值。

将试件放置在分析仪上，用小锤敲击试件，记录显示仪器数据E和δ。再按照国标方法《木材密度测定方法》(GB/T1933-2009)测定木材的密度ρ，并进行相关数据的计算。测定结果如表1所示。

表1不同处理木材试样的声学参数

分组	E/ρ(MPam³/Kg)	δ
			实施例1	27.08516	0.049446
实施例2	28.28456	0.050837
			实施例3	23.67312	0.050755
实施例4	23.47632	0.050321
			实施例5	28.58566	0.048897
实施例6	28.51346	0.049794
			对照例1	21.9825	0.061176
对照例2	18.69137	0.057384
			对照例3	12.86385	0.064607

表1的试验结果表明：

1、本发明高温热处理方法使木材的E/ρ值得到了较大提高，δ值得到了一定的降低，表明本发明方法的高温热处理能够提高木材的声学性能。

2、本发明超声波处理方法使木材的E/ρ值得到了一定的提高，δ值得到了较大的降低，表明本发明方法的超声波处理方法能够提高木材的声学性能。

3、利用本发明超声波-高温热处理方法不仅使木材的E/ρ值得到了较大提高，而且使δ值得到了较大降低，表明本发明方法和利用本发明的木材预处理装置能够显著提高木材的声学性能。

4、其中实施例1即为比较好的声学处理方法。

Claims

1.一种改善木材声学性能的方法，其特征在于，对木材依次进行超声波处理、干燥处理、热处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波处理过程中超声波功率是160-400W；频率是≥20KHz。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述超声波处理过程中每1mm厚木材的超声处理时间为2-12min。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述干燥处理是采用间歇干燥方式对木材进行干燥。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述干燥处理的初始干燥温度为50℃。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热处理过程中的温度为120℃～220℃。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热处理过程中每1mm厚木材的超声处理时间为2-8min。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括对热处理后的木材进行调湿处理。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述调湿处理后的木材的含水率为12±5％。

10.一种声学性能改善的木材，其特征在于，按照如权利要求1-9任一所述方法制备而成。