CN105835197B - 一种木材深度炭化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种木材深度炭化方法，步骤为：选材；真空干燥：在气压为60～75KPa的微波场中，先控制微波功率为300～400W，再为800～1000W，最后为200～300W，至板材含水率下降到5～8%；高压炭化：通入饱和水蒸气保护木材，同时调整环境气压为125～160KPa，并使微波功率保持在600～800W，预压，先以1～1.5MPa保持10～20min，再加大热压机压力至2～3MPa保持20～30min；关机降压，降温到30～50℃，即可卸出。本发明木材深度炭化工艺操作简单，易于控制，避免了炭化过程外焦里嫩的情况，实现了同质炭化，且更节能，大大的降低了生产成本，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于木材加工技术领域，具体涉及一种木材深度炭化方法。
背景技术
近年来，欧洲炭化木进入到中国市场，由于其尺寸稳定性好、耐腐、颜色美观、环境友好，受到广大消费者的青睐，逐渐在户外园林景观、装饰装修中大量应用。炭化木在户外使用时能够延长木材的使用寿命，节约和高效利用木材资源，对促进木材保护行业的发展具有重要的作用。
木材由半纤维素、纤维素、木素和少量的抽提物组成，其炭化原理主要包括：
（1）半纤维素的耐热性能较差，在高温作用下，它首先降解，生成游离醋酸，而释放的醋酸作为一种催化剂，又加速了半纤维素水解成糖类。因此，木材经加热后，半纤维素含量显著减少，且随着半纤维素的降解，吸湿性的羟基显著减少，从而木材的吸湿性降低，尺寸稳定性提高。此外，游离醋酸的生成，又使腐朽真菌喜爱的食物显著减少，因而从食物链上抑制了腐朽真菌的生长。
（2）纤维素是以结晶区和无定形区共存的长分子链结构。纤维素吸湿性的大小，取决于无定形区的大小及游离羟基的数量。木材加热时，游离醋酸的生成，又降解了无定形区中纤维素的微纤丝，使无定形区减少，使纤维素的结晶度和晶体尺寸增大，这也降低了木材的吸湿性，增加了尺寸稳定性。
（3）木材中含有的少量的抽提物是低分子物质，包括树脂酸、萜类化合物、脂肪、蜡、单宁、酚类化合物等。木材加热时，大多数抽提物挥发，也使腐朽真菌的食物减少，从而提高了木材的耐腐性。此外，树脂等化合物的挥发，也改善了木材的油漆和胶合性能。
现有的木材炭化技术主要是通过将木材放入大型的圆筒内，然后在底部进行加热，这样的炭化过程只能使木材的表面炭化，无法深层次的对木材进行炭化，使得木材使用时间长后，就会膨胀或变形开裂。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种木材深度炭化方法，该工艺操作简单，易于控制，避免了炭化过程外焦里嫩的情况，实现了同质炭化，且较常规热压机炭化更节能，大大的降低了生产成本，提高了生产效率。
为解决以上问题，本发明通过以下技术方案实现：
提供一种木材深度炭化方法，包括以下步骤（本发明以下所述含水率为绝对含水率，即木材中水分的质量与木材绝干质量的百分比）:
（1）选材：选择木料，并将其切割成厚度一致的板材；
（2）真空干燥：将所得板材置于环境气压为60～75KPa的微波场中，先控制微波功率为300～400W，至板材含水率下降到90～100%，关闭微波保持30～60秒（以较低功率微波来降低木材的初始含水率，使后期高功率微波干燥过程中不致木材内蒸汽压过高而产生内裂现象）；再控制微波功率为800～1000W，至板材温度达到100～110℃，关闭微波保持30～60秒（约4～6分钟，使高功率微波持续较短时间，既降低能耗，提高效率，又能保证木材内蒸汽压适度）；最后控制微波功率为200～300W，至板材含水率下降到5～8%（约15～20分钟，低功率微波承担主要干燥过程，既降低能耗，提高效率，又能保证木材内温度及蒸汽压适度，避免内裂）；
（3）高压炭化：通入饱和水蒸气保护木材，同时调整环境气压为125～160KPa，并使微波功率保持在600～800W，然后采用热压机对木材进行预压，先以1～1.5MPa保持10～20min，再加大热压机压力至2～3MPa保持20～30min（气压增高，有利于饱和蒸汽渗透木材，以平衡木材内层和表面的含水率，且使环境中水蒸气及木材中水分的沸点升高，进而温度升高，最后使整个系统温度升高，带动木材匀质炭化）；
（4）关闭微波和热压机压力，环境排气降压，并自然降温到30～50℃，即可卸出。
根据上述的木材深度炭化方法，步骤（2）所述环境气压为65～70KPa。
根据上述的木材深度炭化方法，步骤（2）微波控制的程序依次为340～360W、850～950W、240～260W。
根据上述的木材深度炭化方法，步骤（2）干燥至板材含水率下降到6～7%。
根据上述的木材深度炭化方法，步骤（3）所述环境气压为140～150KPa。
根据上述的木材深度炭化方法，步骤（3）所述热压机的热压板表面温度为350～500℃，使木材表面炭化程度更深，满足多种市场需求。
本发明具有以下积极有益效果：
本发明方法简单，易于控制，避免了炭化过程外焦里嫩的情况，实现了同质炭化，且较常规热压机炭化更节能，大大的降低了生产成本，提高了生产效率。
在真空干燥过程中，能量以电磁波的形式直接渗透到木材的内部，并通过微波电子场与水分子及木材中极化分子（如羟基）的相互作用而迅速产生大量热，在很短的时间内，木材细胞内的温度快速升高，水分迅速蒸发，水蒸气也快速膨胀，而半封闭的细胞无法快速的排除水分，促使木材细胞内的压力急剧上升，使木材内外形成较高的压力差。而水分在压力差的作用下，以渗透流的形式向外迁移，使具有很快的干燥速度，同时木材内裂的风险也急剧增大。且研究表明，初始含水率越高，蒸汽压峰值越高，越易产生内裂现象。
真空干燥阶段分为快速升温段、恒温段和后期升温段，在恒温段初期木材内蒸汽压力达到最大值，易出现内裂现象，严重影响木材质量，因此在快速升温阶段采用较高功率，节约工作时间，而在恒温段适当降低功率，控制微波功率在一个适当的范围，能有效避免内裂现象的发生。
具体实施方式
下面结合具体实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
实施例1
一种木材深度炭化方法，包括以下步骤：
（1）选材：选择木料，并将其切割成厚度一致的板材；
（2）真空干燥：将所得板材置于环境气压为65KPa的微波场中，先控制微波功率为340W，至板材含水率下降到90～95%，关闭微波保持45秒；再控制微波功率为850W，至板材温度达到100～105℃，关闭微波保持45秒；最后控制微波功率为240W，至板材含水率下降到6～7%；
（3）高压炭化：通入饱和水蒸气保护木材，同时调整环境气压为140KPa，并使微波功率保持在700W，然后采用热压机对木材进行预压，热压板表面温度为400℃，先以1.2MPa保持15min，再加大热压机压力至2.5MPa保持25min；
（4）关闭微波和热压机压力，环境排气降压，并自然降温到40℃，即可卸出，所得炭化木炭化程度深，炭化同质性好，且没有内裂现象。
实施例2
一种木材深度炭化方法，包括以下步骤：
（1）选材：选择木料，并将其切割成厚度一致的板材；
（2）真空干燥：将所得板材置于环境气压为70KPa的微波场中，先控制微波功率为360W，至板材含水率下降到95～100%以下，关闭微波保持45秒；再控制微波功率为950W，至板材温度达到105～110℃，关闭微波保持45秒；最后控制微波功率为260W，至板材含水率下降到6～7%；
（3）高压炭化：通入饱和水蒸气保护木材，同时调整环境气压为150KPa，并使微波功率保持在700W，然后采用热压机对木材进行预压，热压板表面温度为450℃，先以1.2MPa保持15min，再加大热压机压力至2.5MPa保持25min；
（4）关闭微波和热压机压力，环境排气降压，并自然降温到40℃，即可卸出，所得炭化木炭化程度深，炭化同质性好，且没有内裂现象。
实施例3
一种木材深度炭化方法，包括以下步骤：
（1）选材：选择木料，并将其切割成厚度一致的板材；
（2）真空干燥：将所得板材置于环境气压为60KPa的微波场中，先控制微波功率为300W，至板材含水率下降到90～95%，关闭微波保持30秒；再控制微波功率为800W，至板材温度达到105～110℃，关闭微波保持30秒；最后控制微波功率为200W，至板材含水率下降到5～6%；
（3）高压炭化：通入饱和水蒸气保护木材，同时调整环境气压为125KPa，并使微波功率保持在600W，然后采用热压机对木材进行预压，热压板表面温度为350℃，先以1MPa保持20min，再加大热压机压力至2MPa保持30min；
（4）关闭微波和热压机压力，环境排气降压，并自然降温到30℃，即可卸出，所得炭化木炭化程度深，炭化同质性好，且没有内裂现象。
实施例4
一种木材深度炭化方法，包括以下步骤：
（1）选材：选择木料，并将其切割成厚度一致的板材；
（2）真空干燥：将所得板材置于环境气压为75KPa的微波场中，先控制微波功率为400W，至板材含水率下降到95～100%，关闭微波保持60秒；再控制微波功率为1000W，至板材温度达到100～105℃，关闭微波保持60秒；最后控制微波功率为300W，至板材含水率下降到7～8%；
（3）高压炭化：通入饱和水蒸气保护木材，同时调整环境气压为160KPa，并使微波功率保持在800W，然后采用热压机对木材进行预压，热压板表面温度为500℃，先以1.5MPa保持10min，再加大热压机压力至3MPa保持20min；
（4）关闭微波和热压机压力，环境排气降压，并自然降温到50℃，即可卸出，所得炭化木炭化程度深，炭化同质性好，且没有内裂现象。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (6)
1.一种木材深度炭化方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选材：选择木料，并将其切割成厚度一致的板材；
（2）真空干燥：将所得板材置于环境气压为60～75KPa的微波场中，先控制微波功率为300～400W，至板材含水率下降到90～100%，关闭微波保持30～60秒；再控制微波功率为800～1000W，至板材温度达到100～110℃，关闭微波保持30～60秒；最后控制微波功率为200～300W，至板材含水率下降到5～8%；
（3）高压炭化：通入饱和水蒸气保护木材，同时调整环境气压为125～160KPa，并使微波功率保持在600～800W，然后采用热压机对木材进行预压，先以1～1.5MPa保持10～20min，再加大热压机压力至2～3MPa保持20～30min；
（4）关闭微波和热压机压力，环境排气降压，并自然降温到30～50℃，即可卸出。
2.根据权利要求1所述的木材深度炭化方法，其特征在于：步骤（2）所述环境气压为65～70KPa。
3.根据权利要求1所述的木材深度炭化方法，其特征在于：步骤（2）微波控制的程序依次为340～360W、850～950W、240～260W。
4.根据权利要求1所述的木材深度炭化方法，其特征在于：步骤（2）干燥至板材含水率下降到6～7%。
5.根据权利要求1所述的木材深度炭化方法，其特征在于：步骤（3）所述环境气压为140～150KPa。
6.根据权利要求1所述的木材深度炭化方法，其特征在于：步骤（3）所述热压机的热压板表面温度为350～500℃。
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