CN106003321B - 适用于原木或厚方材的热改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于原木或厚方材的热改性方法，木材处理步骤为：将含水率为7~8%的木材放入处理窑中，向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至100℃，之后以10‑15℃/h的速度升温至140‑150℃，再以20‑25℃/h的速度升温至160‑180℃，关闭热源，将窑内氮气排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，使窑内温度以30~40℃/h的速度下降，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。热处理在常压干燥条件下进行，操作安全，对处理环境无腐蚀性，显著缩短处理周期，生产效率高；处理材具有双层结构，表层稳定性与耐久性获得提高，内部木材化学结构不变，保障木材整体力学强度基本维持不变。
Description
技术领域
本发明属于木材改性领域，具体涉及一种适用于原木或厚方材的热改性方法。
背景技术
木材热改性也称为木材热处理，是将木材在200℃左右的惰性环境中进行加热处理的一种方法，用以调节木材的颜色并增加其尺寸稳定性和生物耐久性。采用惰性处理环境是为了避免木材在有氧高温环境下发生过度降解，同时避免火灾隐患，常用的惰性介质有水蒸汽、氮气、植物油和水等。
热处理木材尺寸稳定性的提高主要归因于木材内部的碳水化合物，特别是半纤维素在高温下的部分降解。现有研究表明，160℃是木材热处理的一个温度转折点，当温度水平高于这一点后木材半纤维素的降解程度显著增加，其分子链上能与水分结合的自由羟基（-OH）的数量显著减少，它使热处理木材吸湿性显著低于常规干燥木材。由于木材在吸湿和解吸过程中伴随着自身尺寸的膨胀和收缩，吸湿性的降低即意味着木材尺寸稳定性的提高，这一性能的提升改善了木材在高湿环境中的性能，使之在木结构建筑和户外家具等对材料稳定性要求较高的产品上得到应用。
然而碳水化合物的降解也导致了热处理木材主要力学性能指标的下降，其中冲击韧性和抗弯强度受热处理的影响最为明显，下降幅度最大可达到近50%，这使得传统热处理材的应用被限制在非结构用材或载荷较小的产品。
发明内容
本发明提出一种木材热改性方法，主要适用于木结构建筑或户外景观产品（如亭子、桥梁等）所用的针叶材原木或厚方材，在提高木材尺寸稳定性的同时保持力学强度基本不变。
实现本发明的技术方案是：一种适用于原木或厚方材的热改性方法，具体步骤为：
（1）准备阶段：将含水率为7~8%的木材放入处理窑中；
（2）加热处理：向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至80-100℃，之后以10-15℃/h的速度升温至140-150℃，再以20-25℃/h的速度升温至160-180℃；
（3）降温冷却：关闭热源，使窑内温度以30~40℃/h的速度下降，将窑内氮气排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。
所述热改性方法的优选方案是：
（1）准备阶段：将含水率为7~8%的木材放入处理窑中；
（2）加热处理：向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至100℃，之后以10℃/h的速度升温至140℃，再以20℃/h的速度升温至180℃；
（3）降温冷却：关闭热源，使窑内温度以40℃/h的速度下降，将窑内氮气排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。
加热处理过程中木材表层碳水化合物在高温的作用下发生降解，游离羟基数量减小，吸湿性下降，而由于木材为热的不良导体，芯部温度不会和表层同步上升，而是会有一个显著滞后。根据理论计算，当起始温度为20℃时，将径级为30cm的原木在180℃的环境中进行加热处理，其芯部达到160℃所需的时间约为17h，而加热7h后木芯的温度接近100℃，远未达到热改性所需的温度阈值。此时木材由外部已发生改性的部分和内部尚未发生改性的部分构成，外部木材吸湿性的降低有效了减少了水分子与木材的结合与渗透，形成了一层疏水性的外壳，而内部木材则保留了木材原有的力学强度，使处理材整体保持足够的力学性能。
本方法的关键在于通过对处理介质的选择和工艺参数的设计，实现对木材升温和降温速率的精确控制，如升温速度过慢则会导致木材内部升温过高而发生热解，降低了木材的整体强度，而升温速度过快则会因热应力引起木材的开裂。在降温过程中同样需保持适当的降温速率，如降温速率过慢，即使没有外部热源，由于木材内外温度不均，热量也会从木材表面继续向内部传递，引起木心温度显著上升，如降温速度过快，且没有调湿等处理，则会引起显著的热应力，易产生木材开裂。
本发明的有益效果是：本发明通过对木材升温和降温速率的精确控制，在提高木材尺寸稳定性的同时保持了木材力学强度基本不变。
升温热处理过程中对木材进行速率控制，省略常规技术中的保温过程，使木材外部发生改性，外部木材吸湿性的降低有效了减少了水分子与木材的结合与渗透，木材亲水基团减少而形成一层疏水性的外壳，显著提高了木材尺寸稳定性和生物耐久性；木材内部在此工艺条件下并未发生化学变化，保留了原有的力学强度，使木材整体保持足够的力学性能，克服了现有热处理方法中木材力学强度低，不适用于建筑结构材的缺陷。
降温过程中，保持适当的降温速度，通过向处理窑中通入氮气加快窑内的气体循环速度，促使木材热量向周围环境的传递，减少热量从木材外部向内部传递，防止木材内部化学组分发生降解，保持了木材整体力学强度。
处理过程中，以氮气作为保护气，隔绝空气，一方面可以防止高温下木材燃烧发生火灾；另一方面可以防止木材氧化，改变木材的化学性质。
本发明热处理方法与其他技术相比优点在于：
（1）热处理在常压干燥条件下进行，操作安全，对处理环境无腐蚀性，也无水汽冷凝或废水处理问题。此外，干燥环境下热量向木材内部传递的速度低于以水蒸汽、水或油为传热介质的潮湿环境，有助于形成处理材的双层结构；
（2）采用保护气置换法加速处理材的冷却，克服了常规热处理主要采用自然冷却，降温慢，周期长的缺点，显著缩短处理周期，生产效率高；
（3）处理材具有双层结构，外部疏水性外壳可防止水分吸收与渗透，有效改善木材尺寸稳定性与生物耐久性；内部木材化学结构不变，保障木材整体力学强度基本维持不变，克服了传统热处理材力学性能显著下降的不足，拓宽了热处理材的应用范围。
附图说明
图1为实施例1中花旗松木材不同位置的温度变化图。
具体实施方式
下面将用具体的实施例来说明本发明中木材热改性方法，但本发明的范围并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例的木材的热改性方法，具体步骤为：
（1）准备阶段：将含水率为7~8%的木材放入处理窑中；
（2）加热处理：向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至80℃，之后从80℃以15℃/h的速度升温至145℃，再从145℃以25℃/h的速度升温至170℃；
（3）降温冷却：关闭热源，使窑内温度以35℃/h的速度下降，将窑内氮气排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。
实施例2
本实施例的木材的热改性方法，具体步骤为：
（1）准备阶段：将含水率为7~8%的木材放入处理窑中；
（2）加热处理：向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至90℃，之后从90℃以13℃/h的速度升温至150℃，再从150℃以23℃/h的速度升温至160℃；
（3）降温冷却：关闭热源，使窑内温度以30℃/h的速度下降，将窑内氮气排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。
实施例3
本实施例的木材的热改性方法，具体步骤为：
（1）准备阶段：将含水率为7~8%的花旗松木材放入处理窑中；
（2）加热处理：向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至100℃，之后从100℃以10℃/h的速度升温至140℃，再从140℃以20℃/h的速度升温至180℃；
（3）降温冷却：关闭热源，使窑内温度以40℃/h的速度下降，将窑内氮气在10min内排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。
为验证本发明热处理方法的效果，在实施例3的热处理过程中选取一根长79cm，直径32cm的花旗松试材，在试材长度方向的中间部位用手工电钻钻一个径向深度为17cm的孔，在这个孔的左边5cm处钻一个8cm深的孔，右边5cm处钻一个4cm深的孔。各孔内插入热电偶并密封处理以测量试材不同深度的温度。
由于试材长度小于常规原木，为了避免热量在木材纵向的传递对试验结果的影响，试材处理前在两端涂满均匀的玻璃胶，再粘附上厚度为4-5cm玻璃纤维，用锡箔纸包裹好后固定在试材两端，按照上述处理方法进行处理。
选取的花旗松木材在木材加热处理过程不同位置的温度变化见图1，试验结果表明：
（1）当环境温度达到180℃后，木材表面温度几乎同步达到180℃，在这一温度下木材化学组分发生降解或重组，性能发生变化。与此同时，在试材4cm深度处温度仅为110.4℃，17cm深处温度此时为97.2℃，显著低于表面温度，也低于木材化学组分发生变化的临界温度（160℃），即内部未发生显著热降解；
（2）当加热停止后，迅速降低处理环境温度，此时木材表面温度也同步快速下降，木材心部温度维持稳定，即快速降温避免了热量从木材表面进一步向内部传递；
（3）热处理后对试材表面质量的测量表明：木材表面开裂程度与处理前变化并不显著，试材等级总体不变。
以上实施例的说明，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在本发明原理的前提下，还可以对本发明进行适当改进，这些适当的改进也应在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.一种适用于原木或厚方材的热改性方法，其特征在于，其步骤为：
（1）准备阶段：将含水率为7~8%的木材放入处理窑中；
（2）加热处理：向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至80-100℃，之后以10-15℃/h的速度升温至140-150℃，再以20-25℃/h的速度升温至160-180℃；
（3）降温冷却：关闭热源，将窑内氮气排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，使窑内温度以30~40℃/h的速度下降，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。
2.根据权利要求1所述的适用于原木或厚方材的热改性方法，其特征在于，其步骤为：
（1）准备阶段：将含水率为7~8%的木材放入处理窑中；
（2）加热处理：向处理窑中通入氮气，将窑内温度在1h内升温至100℃，之后以10℃/h的速度升温至140℃，再以20℃/h的速度升温至180℃；
（3）降温冷却：关闭热源，使窑内温度以40℃/h的速度下降，将窑内氮气排出窑外，同时向窑内通入常温氮气，窑内温度降至100℃后，向窑内通入空气，同时向窑内喷雾化水。
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