CN105397892A - 一种浸注预处理生产炭化木方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浸注预处理生产炭化木方法，其包括三个步骤：木材浸注预处理、高温处理和表面处理。其中，木材浸注预处理中的浸注改性液是由重量份比为硅酸钠溶液：纳米二氧化硅粉体：纳米二氧化钛粉体：纳米氧化锌粉体：硼酸锌溶液：木质素磺酸钠：氯化钠溶液＝2～5:0.3～0.5:0.1～0.3：0.1～0.3:2～4：0.1～0.3：0.03～0.07组成的混合溶液。本发明所生产的炭化木具有良好的发展前景，这是归功于其具有良好的阻燃性能、防白蚁性能和防水性能，特别适用于长期与水接触的工作环境。

Description

一种浸注预处理生产炭化木方法
技术领域
本发明涉及一种浸注预处理生产炭化木方法，属于木材科学与技术领域。
背景技术
木材是天然环保材料，不仅具有吸收紫外线的功能，还具有控温调湿的功效，更重要的是其具有可再生、可加工的特性，因此，其被广泛用于建材、家具等领域。然而，木材也存在很多缺陷，如木材使用时会与周围环境发生水分交换而产生干缩与湿涨，从而造成木制品变形、开裂；木材又是许多菌类和昆虫的食物，所以木制品易发霉、生虫。为了解决木材的这样技术问题，人们采用物理和化学改性技术对其进行改性。常用的物理改性方法是木材热处理法(又称炭化木法)，而化学改性方法是木材浸渍法。通过这些改性技术，既能可减少木材变形，又能改善其生物耐久性，同时还能一定程度的延长其使用寿命。
炭化木是在不含任何化学剂条件下应用高温对木材进行炭化处理，使其组分中羟基浓度减小，从而增加其的尺寸稳定性；同时还改变了其的某些营养成分，从而具有较好的防虫功能。炭化木又可以分为表层炭化木和深度炭化木。表层炭化木，也称为工艺炭化木、炭烧木，主要是指用氧焊枪烧烤，使木材表面具有一层很薄的炭化层，对木材性能的改变可以类比木材的油漆，但可以突显表面凹凸的木纹，产生立体效果；深度炭化木，又称为完全炭化木、同质炭化木，主要是指经过200℃左右的高温炭化技术处理木材深层，从而破坏其营养成分和重组其吸水官能团半纤维素，进而实现防腐防虫的功能和延长使用寿命的功效。然而，炭化木也存在一些不足之处，如经高温炭化后的木材变脆，密度、力学强度下降，在生产或使用过程中可能断裂；低于200℃处理得到的炭化木其尺寸稳定性、耐腐性能、耐候性能、阻燃性能并没有显著改善；防蚁防霉功能有所下降，木材炭化后比较容易受白蚁蛀蚀。
木材浸渍，是指木材在水溶性低分子量树脂的溶液中浸渍时，树脂扩散进入木材细胞壁并使木材增容，经干燥除去水分，树脂由于加热而固化，生成不溶于水的聚合物。浸渍处理后的木材的尺寸稳定性、力学强度性能均得到显著改善。如发明专利CN101716790B公开了一种《树脂预处理生产橡胶树炭化木方法》，该方法是通过真空加压浸注树脂，能增加橡胶树炭化木的强度，还使得其尺寸稳定性及耐久性更加优良。但是，其的阻燃性能并没有改善。为了改善炭化木的阻燃性能，人们进行多方面的研究，如发明专利CN103240780A公开了一种《硅溶胶浸注预处理改善炭化木性能的方法》，该方法是通过用硅溶胶浸注预处理制备炭化木，虽然炭化木的阻燃性能、防白蚁性能有了一定程度的改善，但是效果不理想，从而限制了炭化木的使用范围。再者，其防水性能也一般，难以适用于长期与水接触的工作环境。因此，开发一种阻燃性能、防白蚁性能、防水性能良好的炭化木是非常重要的。
发明内容
针对上述现有技术中木材浸渍改善阻燃性能、防白蚁性能不理想及防水性能差的技术问题，本发明所要解决的技术问题是提出了一种阻燃性能、防白蚁性能、防水性能良好的浸注预处理生产炭化木方法。
本发明为解决上述问题所采取的技术方案为：
一种浸注预处理生产炭化木方法，其步骤如下：
1、木材浸注预处理
将木材置于真空处理罐中，首先对真空处理罐进行0.3～0.5h抽真空；然后注入浸注改性液，待处理罐注满后，施加1.1～1.3Mpa，保压时间为2.0～2.2h的压强；最后对真空处理罐进行1.1～1.3h抽真空，排出木材残留的浸注改性液，取出木材。
优选的，将木材置于真空处理罐中，首先对真空处理罐进行0.4h抽真空；然后注入浸注改性液，待处理罐注满后，施加1.2Mpa，保压时间为2.1h的压强；最后对真空处理罐进行1.2h抽真空，排出木材残留的浸注改性液，取出木材。
所述的浸注改性液是由硅酸钠溶液、纳米二氧化硅粉体、纳米二氧化钛粉体、纳米氧化锌粉体、硼酸锌溶液、木质素磺酸钠和氯化钠溶液组成的混合溶液。其中，它们的重量份比为：硅酸钠溶液：纳米二氧化硅粉体：纳米二氧化钛粉体：纳米氧化锌粉体：硼酸锌溶液：木质素磺酸钠：氯化钠溶液＝2～5:0.3～0.5:0.1～0.3：0.1～0.3:2～4：0.1～0.3：0.03～0.07。
优选的，所述的浸注改性液重量份比为：硅酸钠溶液：纳米二氧化硅粉体：纳米二氧化钛粉体：纳米氧化锌粉体：硼酸锌溶液：木质素磺酸钠：氯化钠溶液＝4:0.4:0.2：0.2:3：0.2：0.05。
所述的硅酸钠模数为1.2～1.6；所述的纳米二氧化硅粉体、纳米二氧化钛粉体、纳米氧化锌粉体的粒径范围为1～100nm。
优选的，所述的硅酸钠模数为1.4；所述的纳米二氧化硅粉体、纳米二氧化钛粉体、纳米氧化锌粉体的粒径范围为10～80nm。
2、木材高温处理
a)准备阶段：将浸注预处理好的木材，按井字法堆垛放入炭化设备中的炭化室内，并关闭炭化室的大门；
b)预热阶段：将炭化室内温度以20～30h内升到60～70℃对其进行干燥和预热，使木材的含水率小于12％；
c)升温、保温阶段：先将炭化室内温度以10～12℃/h的速度升温到90～100℃，并保温1.2～1.4h；然后以3～5℃/h的速度升温到120～125℃，并保温2.1～2.3h，使木材内部的含水率为0；最后11～15℃/h的速度升温到205～215℃，并保温1～3h，在此升温阶段采用间歇式喷蒸汽法喷入蒸汽作为保护气体；
d)降温阶段：采用间歇式喷蒸汽法降温，先将炭化室内温度以7～9℃/h的速度降温到120～125℃，并保温1.1～1.3h；然后以2～4℃/h的速度降温到90～100℃，并保温0.9～1.3h，同时使用相同温度的水蒸气对木材进行调湿回潮处理，处理7～9h，将木材的含水率回调到4～7％；最后，自然降温至室温，取出木材。
3、木材表面处理
a)准备阶段：将高温处理好的木材进行表面清洁和干燥；
b)处理阶段：通过涂刷经硫酸铝中和后稀甲基硅酸钠溶液对木材进行表面处理，并重复涂刷至一定厚度(木材端头稍微涂刷厚点)，且养护3天或以上即可。
本发明的有益效果体现在以下几方面：
1、采用硅酸钠溶液、纳米二氧化硅粉体、纳米二氧化钛粉体、纳米氧化锌粉体、硼酸锌溶液、木质素磺酸钠和氯化钠溶液组成的混合溶液作为浸注改性液，与现有技术相比，其不但具有纳米二氧化硅的特性，而且兼具有：硅酸钠高温可以形成硅凝胶固体、二氧化硅的特点，可以有效地提高木材的力学强度、防水性能和阻燃性能；纳米二氧化钛可以提高木材的密度、耐候性和抗沾污能力，同时还可以借助其的光催化反应，使其具有超强的杀菌性能；纳米氧化锌可以提高木材的密度、机械强度、耐磨性能和耐老化性能，同时还可以屏蔽红外、紫外和杀菌，进而提高木材的综合能力；硼酸锌不仅热稳定性好，而且分散性好，这样可以有效地提高浸注改性液的渗透深度，从而提高木材的防虫防白蚁性能和阻燃性能，进而满足木材的实际应用要求；木质素磺酸钠作为表面活性剂，可以减小木材中毛细管的张力，降低使用压力，增大流量率，提高木材的渗透性，使浸注改性液有效成分可以更多的渗透到木材内部中，从而提高木材的各种性能；氯化钠溶液容易渗透到木材的内部，当木材温度升高时，其浓度变大，可以有效防止细菌腐蚀木材，从而提高木材的防腐性能。
2、采用阶梯式的连续升降温方法，可以有效地防止木材处理过程中产出开裂、变形等缺陷，同时还可以消除木材内部形成的应力，从而获得更好质量的木材。
3、本发明采用干燥和炭化一次完成，与现有技术相比，减少处理时间，提高生产效率。
4、用经硫酸铝中和后稀甲基硅酸钠溶液对木材进行表面处理，可以提高木材的疏水性能、防腐性能和力学强度，从而拓宽了木材的应用范围。
具体实施方式
实施例1
一种浸注预处理生产炭化木方法，其步骤如下：
1、选取：硅酸钠模数为1.4；纳米二氧化硅粉体、纳米二氧化钛粉体、纳米氧化锌粉体的粒径范围为10～80nm。
2、木材浸注预处理
将规格为1200mm×130mm×30mm(长×宽×厚)的木材置于真空处理罐中，首先对真空处理罐进行0.4h抽真空；然后注入硅酸钠溶液：纳米二氧化硅粉体：纳米二氧化钛粉体：纳米氧化锌粉体：硼酸锌溶液：木质素磺酸钠：氯化钠溶液＝4:0.4:0.2：0.2:3：0.2：0.05的浸注改性液，待处理罐注满后，施加1.2Mpa，保压时间为2.1h的压强；最后对真空处理罐进行1.2h抽真空，排出木材残留的浸注改性液，取出木材。
3、木材高温处理
a)准备阶段：将浸注预处理好的木材，按井字法堆垛放入炭化设备中的炭化室内，并关闭炭化室的大门；
b)预热阶段：将炭化室内温度以25h内升到65℃对其进行干燥和预热，使木材的含水率小于12％；
c)升温、保温阶段：先将炭化室内温度以11℃/h的速度升温到95℃，并保温1.3h；然后以4℃/h的速度升温到123℃，并保温2.2h，使木材内部的含水率为0；最后13℃/h的速度升温到210℃，并保温2h，在此升温阶段采用间歇式喷蒸汽法喷入蒸汽作为保护气体；
d)降温阶段：采用间歇式喷蒸汽法降温，先将炭化室内温度以8℃/h的速度降温到123℃，并保温1.2h；然后以3℃/h的速度降温到95℃，并保温1.1h，同时使用相同温度的水蒸气对木材进行调湿回潮处理，处理8h，将木材的含水率回调到6％；最后，自然降温至室温，取出木材。
4、木材表面处理
a)准备阶段：将高温处理好的木材进行表面清洁和干燥；
b)处理阶段：通过涂刷经硫酸铝中和后稀甲基硅酸钠溶液对木材进行表面处理，并重复涂刷至2mm厚度，且养护3天即可。
实施例2
一种浸注预处理生产炭化木方法，其步骤如下：
1、选取：硅酸钠模数为1.2；纳米二氧化硅粉体、纳米二氧化钛粉体、纳米氧化锌粉体的粒径范围为1～100nm。
2、木材浸注预处理
将规格为1200mm×130mm×30mm(长×宽×厚)的木材置于真空处理罐中，首先对真空处理罐进行0.3h抽真空；然后注入硅酸钠溶液：纳米二氧化硅粉体：纳米二氧化钛粉体：纳米氧化锌粉体：硼酸锌溶液：木质素磺酸钠：氯化钠溶液＝2:0.3:0.1：0.1:2：0.1：0.03的浸注改性液，待处理罐注满后，施加1.1Mpa，保压时间为2.0h的压强；最后对真空处理罐进行1.1h抽真空，排出木材残留的浸注改性液，取出木材。
3、木材高温处理
a)准备阶段：将浸注预处理好的木材，按井字法堆垛放入炭化设备中的炭化室内，并关闭炭化室的大门；
b)预热阶段：将炭化室内温度以20h内升到60℃对其进行干燥和预热，使木材的含水率小于12％；
c)升温、保温阶段：先将炭化室内温度以10℃/h的速度升温到90℃，并保温1.2h；然后以3℃/h的速度升温到120℃，并保温2.1h，使木材内部的含水率为0；最后11℃/h的速度升温到205℃，并保温1h，在此升温阶段采用间歇式喷蒸汽法喷入蒸汽作为保护气体；
d)降温阶段：采用间歇式喷蒸汽法降温，先将炭化室内温度以7℃/h的速度降温到120℃，并保温1.1h；然后以2℃/h的速度降温到90℃，并保温0.9h，同时使用相同温度的水蒸气对木材进行调湿回潮处理，处理7h，将木材的含水率回调到4％；最后，自然降温至室温，取出木材。
4、木材表面处理
a)准备阶段：将高温处理好的木材进行表面清洁和干燥；
b)处理阶段：通过涂刷经硫酸铝中和后稀甲基硅酸钠溶液对木材进行表面处理，并重复涂刷至2mm厚度，且养护3天即可。
实施例3
一种浸注预处理生产炭化木方法，其步骤如下：
1、选取：硅酸钠模数为1.6；纳米二氧化硅粉体、纳米二氧化钛粉体、纳米氧化锌粉体的粒径范围为20～70nm。
2、木材浸注预处理
将规格为1200mm×130mm×30mm(长×宽×厚)的木材置于真空处理罐中，首先对真空处理罐进行0.5h抽真空；然后注入硅酸钠溶液：纳米二氧化硅粉体：纳米二氧化钛粉体：纳米氧化锌粉体：硼酸锌溶液：木质素磺酸钠：氯化钠溶液＝5:0.5:0.3：0.3:4：0.3：0.07的浸注改性液，待处理罐注满后，施加1.3Mpa，保压时间为2.2h的压强；最后对真空处理罐进行1.3h抽真空，排出木材残留的浸注改性液，取出木材。
3、木材高温处理
a)准备阶段：将浸注预处理好的木材，按井字法堆垛放入炭化设备中的炭化室内，并关闭炭化室的大门；
b)预热阶段：将炭化室内温度以30h内升到70℃对其进行干燥和预热，使木材的含水率小于12％；
c)升温、保温阶段：先将炭化室内温度以12℃/h的速度升温到100℃，并保温1.4h；然后以5℃/h的速度升温到125℃，并保温2.3h，使木材内部的含水率为0；最后15℃/h的速度升温到215℃，并保温3h，在此升温阶段采用间歇式喷蒸汽法喷入蒸汽作为保护气体；
d)降温阶段：采用间歇式喷蒸汽法降温，先将炭化室内温度以9℃/h的速度降温到125℃，并保温1.3h；然后以4℃/h的速度降温到100℃，并保温1.3h，同时使用相同温度的水蒸气对木材进行调湿回潮处理，处理9h，将木材的含水率回调到7％；最后，自然降温至室温，取出木材。
4、木材表面处理
a)准备阶段：将高温处理好的木材进行表面清洁和干燥；
b)处理阶段：通过涂刷经硫酸铝中和后稀甲基硅酸钠溶液对木材进行表面处理，并重复涂刷至2mm厚度，且养护3天即可。
表1为实施例1～3制成的炭化木的部分性能测试结果。
表1
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3
质量损失率(％) 2.45±0.16 2.41±0.12 2.48±0.19
气干密度(g/cm3) 0.748±0.015 0.739±0.017 0.751±0.014
平衡含水率(％) 6.05±0.12 6.02±0.15 6.09±0.18
氧指数(％) 49.6 47.5 50.8
颜色明度值 45 43 47
防虫性能 良好 良好 良好
防水性能 良好 良好 良好
耐腐性能 强 强 强
当然，上面只是本发明优选的具体实施方式作了详细描述，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明的原理、构造以及结构所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种浸注预处理生产炭化木方法，其特征在于：其步骤如下：
1)、木材浸注预处理
将木材置于真空处理罐中，首先对真空处理罐进行0.3～0.5h抽真空；然后注入浸注改性液，待处理罐注满后，施加1.1～1.3Mpa，保压时间为2.0～2.2h的压强；最后对真空处理罐进行1.1～1.3h抽真空，排出木材残留的浸注改性液，取出木材。
2)、木材高温处理
a)准备阶段：将浸注预处理好的木材，按井字法堆垛放入炭化设备中的炭化室内，并关闭炭化室的大门；
b)预热阶段：将炭化室内温度以20～30h内升到60～70℃对其进行干燥和预热，使木材的含水率小于12％；
c)升温、保温阶段：先将炭化室内温度以10～12℃/h的速度升温到90～100℃，并保温1.2～1.4h；然后以3～5℃/h的速度升温到120～125℃，并保温2.1～2.3h，使木材内部的含水率为0；最后11～15℃/h的速度升温到205～215℃，并保温1～3h，在此升温阶段采用间歇式喷蒸汽法喷入蒸汽作为保护气体；
d)降温阶段：采用间歇式喷蒸汽法降温，先将炭化室内温度以7～9℃/h的速度降温到120～125℃，并保温1.1～1.3h；然后以2～4℃/h的速度降温到90～100℃，并保温0.9～1.3h，同时使用相同温度的水蒸气对木材进行调湿回潮处理，处理7～9h，将木材的含水率回调到4～7％；最后，自然降温至室温，取出木材。
3)、木材表面处理
a)准备阶段：将高温处理好的木材进行表面清洁和干燥；
b)处理阶段：通过涂刷经硫酸铝中和后稀甲基硅酸钠溶液对木材进行表面处理。
2.根据权利要求1所述的浸注预处理生产炭化木方法，其特征在于：所述的浸注改性液是由重量份比为：硅酸钠溶液：纳米二氧化硅粉体：纳米二氧化钛粉体：纳米氧化锌粉体：硼酸锌溶液：木质素磺酸钠：氯化钠溶液＝2～5:0.3～0.5:0.1～0.3：0.1～0.3:2～4：0.1～0.3：0.03～0.07组成的混合溶液。
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