CN106166780B - 一种橡胶木高温热改性材及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种橡胶木高温热改性材的生产方法，包括：高温热改性处理工序，所述高温热改性处理工序依次包括：预热阶段、前干燥阶段、高温热改性阶段和降温阶段，其中，高温热改性阶段的条件为：温度135～175℃，压力0.2～0.8Mpa；高温热改性阶段的处理时间为1～6h。本发明还提供了由该生产方法制备的橡胶木高温热改性材。本发明优化高温热改性处理工序，可以有效减少橡胶木在热改性过程中出现的开裂、变形等缺陷，能够短热改性处理周期，节约生产时间和能源消耗，同时得到常压方法生产的橡胶木热改性材性能基本一致的橡胶木热改性材，提高产品的合格率。

Description

一种橡胶木高温热改性材及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种橡胶木的生产方法及由该生产方法制备的橡胶木改性材，尤其涉及一种橡胶木高温热改性材的生产方法以及由该生产方法制备的橡胶木高温热改性材。

背景技术

橡胶树广泛种植于我国的海南、云南，是我国热区农业的支柱产业之一。橡胶木是橡胶树种植的重要副产物，国内每年橡胶树更新可提供木材约180万m³。橡胶木颜色淡雅、纹理美观、加工性能良好，是人工林中材质性能较高的树种，但是橡胶木中的糖类、蛋白质、灰分等含量远高于其它树种(中国林科院热林所木材室，1980；方文彬，1994)，易于腐朽、霉变、蓝变和被害虫蛀蚀，不经处理难以利用，目前普遍使用硼化合物防腐处理。

木材高温热改性是热处理是以蒸汽、惰性气体或热油等作为介质，在200℃左右的高温条件下对木材进行处理，使木材的化学组分和物理性能发生变化，达到改善其理化性能的效果。早期的木材热处理工艺探索始于美国，1930年至1950年间的研究发现热处理可以有效降低木材的吸水性，改进木材的干缩湿涨性能，但是因处理后木材机械强度降低太多而没有商业化。近年来，人们对热处理木材的性能和处理工艺做了深入的研究,根据一些研究结果显示，高温热改性可使木材的平衡含水率大大降低，显著改善木材的尺寸稳定性和生物耐久性，并使木材颜色变深。

高温热改性木材的商业化生产最早出现在欧洲国家。芬兰、荷兰、德国、法国等国家已有比较成熟的木材热处理工艺。我国自2005年起有少量的高温热处理木材生产，并有相关的技术发明问世。2006年，公开号为CN1868704A的中国专利申请公开了一种“木材炭化处理方法”(顾炼百)，它采用阶梯式连续升温的方法，将温度先升温至120℃～140℃，再升温至160℃～240℃，待炭化处理过程结束，喷撒雾化水让木材缓慢降温至100℃,然后通入100℃的饱和水蒸气对木材进行调湿处理，将木材的含水率回调到4％～6％，木材冷却到高于室温15℃～30℃后出窑。同年，公开号为CN1876343A的中国专利公开了一种“木材的高温水热处理方法”，采用该方法，需先将木材干燥至含水率10～12％后再置于高温热处理炉中，将高温热处理炉中的温度提高到120～150℃保温，待木材含水率温度降到5％以下，提高高温热处理炉中的温度到180℃～240℃保温，待热处理完成后降低高温热处理炉的温度，当温度降低到100℃以下后，用蒸汽或热水对木材进行处理，使木材的含水率降至7～10％，然后继续降温至木材内部温度40℃左右出炉。之后,鲍滨福等人(CN101069972A)和周永东等人(CNIO1224593A)分别提出了不同的木材热处理方法。以上方法均为常压处理(压力小于0.2MPa)。2007年，方远进提出了一种“木材超高温热处理方法”(CN101007412A)，主要使用氮气和水蒸气混合作为保护气，在压力条件下对木材进行热改性，热改性温度在150℃～260℃，处理压力在0.01MPa～10MPa，由后期通入氮气来实现所需要的压力，并且通过引入氮气可以抑制木材主要成分纤维素的降解,从而防止木材强度的下降。2010年伊松林申请公开了“一种木材的处理方法及由该方法制备的木材”(CN101623887A)，该方法在压力条件下对木材进行热改性处理，分为减压处理、预热处理、高温加压处理、调湿处理四个阶段，高温加压处理时温度为180℃～260℃、压力为0.4MPa～1.0MPa，所处理的木材针叶材包括落叶松、杉木、马尾松、辐射松或红松，阔叶材包括杨木、柞木、桉木、水曲柳、桦木或榉木。

经研究中发现，在压力条件下处理可以缩短高温热改性处理周期，同时减少木材在处理过程中的开裂变形，提高产品的合格率。其原因在于压力条件下，高压水蒸气的传热效率提高，木材受热充分，可缩短处理时间。同时，压力条件下木材的平衡含水率高于常压，常压185-215℃时木材的平衡含水率要低于1％，可视为接近绝干，则热改性处理中木材要经历含水率从窑干材到绝干再经过调湿到4～6％的过程，快速的含水率变化容易引起开裂、变形；而温度170℃、压力0.8MPa时，木材的平衡含水率超过6％，可在较高的平衡含水率条件下热改性木材，木材横断面上含水率梯度平缓，因而可降低木材因湿涨干缩引起的开裂、变形。在发明专利CN101007412A述及的方法中，使用氮气作为保护气和压力来源，工艺条件复杂，在大规模生产中应用有一定的难度。在发明专利CN101623887A述及的方法中，所使用的处理温度、压力较高，在180℃、0.4MPa或更高的温度、压力条件下处理后，橡胶木的力学强度损失较大，在后续的加工、使用过程中容易出现崩边、断裂等问题，影响木材的使用。另外该方法在前期增加减压处理以排除高温处理设备中的氧气，真空度为-0.02MPa～-0.09MPa，但是在该真空度条件下介质的传热效率低，木材升温速度缓慢影响效率，另外即使达到-0.09MPa真空度，仍有一定氧气存留于高温处理设备内，如不在后期持续通入蒸汽将其排出，则对热改性材的力学强度有较大的不利影响。而且生产使用的大型高温热处理设备如需达到-0.09MPa真空度，需要大功率真空泵和很长的抽真空时间，一般很难实现。

橡胶木与其它木材相比，有其自身的显著特点：1、木材中多糖等营养物质含量远高于其它树种，易被多种昆虫、腐朽菌、霉菌等生物侵害；2、橡胶木虽然渗透性较好，但应力木比例较高，干燥和高温热改性过程中容易变形、开裂；3、由于长年割胶，橡胶木中黑线、结疤等较多，也容易导致开裂。因此本专利针对橡胶木的特点，采用压力条件下的高温热改性工艺，选择较低的处理温度和压强，可以减轻木材在改性过程中的开裂和变形，同时缩短生产周期，提高生产效率。另外，在处理橡胶木原木时，增加了硼防腐剂前处理过程，以改善其防腐、防虫性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，针对橡胶木的材性特点，提供一种橡胶木高温热改性材的生产方法，可以在较短的处理时间、较低的处理温度下进行橡胶木热改性处理，缩短了处理周期，并提高了产品合格率。且该生产方法生产的橡胶木热改性材性能，与常压方法生产的橡胶木热改性材性能基本一致。

本发明的第一个方面是提供一种橡胶木高温热改性材的生产方法，包括高温热改性处理工序，所述高温热改性处理工序依次包括：预热阶段、前干燥阶段、高温热改性阶段和降温阶段，其中，高温热改性阶段的条件为：温度135～175℃，压力0.2～0.8Mpa；高温热改性阶段的处理时间为1～6h。

优选地，所述高温热改性阶段的条件为：温度155～170℃，压力0.2～0.4Mpa。

进一步优选地，所述高温热改性阶段的条件为：温度155℃，压力0.4Mpa；或者温度170℃，压力0.4Mpa；或者温度170℃，压力0.2Mpa。

优选地，高温热改性阶段的处理时间为1～3h，例如1h、1.5h、2h、2.5h或3h等。

其中，本发明提供的生产方法中，生产所用原材料可以为橡胶木原木，也可以为橡胶木窑干材。

优选地，在生产所用原材料为橡胶木原木时，在高温热改性处理工序之前还设有前处理工序，所述前处理工序为：使用硼化物的水溶液进行真空加压处理，以改善热改性木材的防腐、防白蚁性能和力学性能。

优选地，所述前处理工序具体包括：前真空阶段：抽真空至真空度为-0.06Mpa～-0.09Mpa，保持10～30min；加压阶段：加入浓度为1％～8wt％的硼化物的水溶液，加压至0.3Mpa～2.5Mpa，保持30min～4h；后真空阶段：泄压，抽真空至真空度为-0.02MPa～-0.09MPa，保持10～60min；干燥阶段：使木材干燥至含水率为20～60％。

其中，所述硼化物包括但不限于硼砂、硼酸、八硼酸钠、五硼酸铵中的一种或多种。

其中，所述预热阶段为：通入水蒸气，排除装置中的氧气，使温度上升100℃以上。

其中，所述前干燥阶段为：通入水蒸气，使温度为100℃～130℃，压力为0.1MPa～0.2MPa。

所述前干燥阶段的保持时间根据木材初始含水率来确定，一般保持0.5～5h。应当理解的是，当生产所用原材料为橡胶木窑干材(一般含水率6～20％)，根据木材初始含水率，可以适当缩短前干燥阶段的时间。

其中，所述降温阶段为：泄压，待压力降至常压后通入水蒸气，使温度降至110℃以下。

在一个优选的具体实施方式中，生产原料采用橡胶木原木，本发明的生产方法包括以下步骤：

其详细步骤如下：

前处理工序：

1.将橡胶木原木锯解制材，堆垛置入真空加压处理罐，抽真空至真空度-0.06～-0.09MPa，保持10～30min；然后将硼化物水溶液导入罐中，加压至0.8～3.0MPa，保持0.4～3h后卸压，并将硼化物水溶液排出；再次抽真空至真空度-0.02～-0.09MPa，保持10～60min后卸压，排出残余硼化物水溶液，取出木材。

2.将处理后的木材堆垛气干至含水率20％～60％。

高温热改性工序：

3.预热阶段：将气干好的木材置于高温热改性罐中，开启加热系统，将罐内温度升至55℃～65℃左右，并不断通入饱和水蒸气。待木材温度升高至接近介质温度后，以每小时3～10℃的速度升温至100℃以上。

4.前干燥阶段：关闭排气阀，继续通入饱和水蒸气，维持罐内气压为0.1～0.2MPa，同时以每小时2～10℃的速度升温至100～130℃。根据木材初始含水率，确定前干燥时间。

5.高温热改性阶段：以每小时5～10℃的速度升温，同时通入水蒸气，使温度为135～175℃，压力为0.2～0.8Mpa，维持1～6小时。

6.降温阶段：关闭加热，打开排气阀卸压；待压力降至常压后，通入饱和水蒸气，并保持排气阀打开，使木材降温；待介质温度降至120℃以下，开启冷却系统，通入冷却水，期间保持饱和水蒸气不断通入，以防冷却过程中氧气吸入罐体；待介质温度降至105℃以下后，可停止通入水蒸气，继续保持冷却系统开启，降温至90℃以下即可关机，待温度自然冷却至65℃以下即可出罐。出罐后木材含水率6～12％。

本发明的第二个方面是提供一种橡胶木高温热改性材，采用本发明第一个方面所述任意一种的生产方法制备得到。

本发明优化高温热改性处理工序，可以有效减少橡胶木在热改性过程中出现的开裂、变形等缺陷，能够短热改性处理周期，节约生产时间和能源消耗，同时得到与常压方法生产的橡胶木热改性材性能基本一致的橡胶木热改性材，提高产品的合格率。同时本发明增加前处理步骤，改善橡胶木热改性材的防腐、防白蚁性能和力学性能。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明，以更好地理解本发明。

实施例1

前处理工序：

将橡胶木原木锯解成2.5cm的板材，堆垛置入真空加压罐内，抽真空至真空度-0.08MPa保持10min；硼化物水溶液导入罐中，加压至1.2MPa保持40min，卸压，将硼化物水溶液排除罐外；抽真空至真空度-0.07MPa保持10min，排除残液，出罐。

将处理好的木材堆垛气干10-20天，使含水率将至50％以下。

高温热改性工序：

将气干好的木材堆垛于高温热改性罐中，上用水泥板或钢板压重。(装罐)

关闭罐门，打开排气阀，开启加热系统，并通入饱和水蒸气，预热时间3小时后，以每小时3℃的速度逐步升温至100℃。(预热阶段)

关闭排气阀，并以每小时2℃的速度继续升温至130℃保持4小时，当罐内压力达到0.2MPa时停止通入水蒸气。期间保持罐内压力在0.2MPa以下，若压力超过0.2MPa打开排气阀卸压。(前干燥阶段)

以每小时5℃的速度升温至155℃，同时通入水蒸气，使罐内压力达到0.4MPa；若压力超过0.4MPa则停止通入水蒸气，并打开排气阀卸压；在155℃、0.4MPa条件下，保持2小时。(高温热改性阶段)

打开排气阀卸压，待罐内压力降至常压后，通入水蒸气，继续降温。待罐内温度降至120℃以下，开启冷却系统，通入冷却水，期间保持饱和水蒸气不断通入，以防冷却过程中氧气吸入罐内；待罐内温度降至105℃，停止通入水蒸气，继续保持冷却系统开启，降温至80℃关机。(降温阶段)

待温度自然冷却至60℃后将木材卸出。

实施例2

木材前处理阶段同实施例1。

将经过前处理的木材装入干燥窑进行窑干，待木材含水率降至15％出窑。

将经过干燥的木材堆垛于高温热改性罐中，上用水泥板或钢板压重。

关闭罐门，打开排气阀，开启加热系统，并通入饱和水蒸气，预热时间3小时后，以每小时5℃的速度逐步升温至105℃。

关闭排气阀，待罐内压力达到0.2MPa时停止通入水蒸气，以每小时5℃的速度继续升温至130℃保持1小时，期间保持罐内压力在0.2MPa以下，若压力超过0.2MPa打开排气阀卸压。

木材高温热改性及降温阶段同实施例1。

实施例3

木材前处理、装罐、预热及前干燥过程同实施例1。

待前干燥完成后，以每小时5℃的速度升温至170℃，同时通入水蒸气，使罐内压力达到0.4MPa；若压力超过0.4MPa则停止通入水蒸气，并打开排气阀卸压；在170℃、0.4MPa条件下，维持2小时。

降温过程同实施例1。

实施例4

木材前处理、装罐、预热及前干燥过程同实施例1。

待前干燥完成后，以每小时5℃的速度升温至170℃，同时通入水蒸气，使罐内压力达到0.8MPa；若压力超过0.8MPa则停止通入水蒸气，并打开排气阀卸压；在170℃、0.8MPa条件下，维持2小时。

降温过程同实施例1。

性能检测

1)参考“GB 1936.1-1991木材抗弯强度试验方法”，“GB 1936.2-91木材抗弯弹性模量测定方法”分别测得对照试件与不同工艺热改性材的抗弯强度和木材抗弯弹性模量(300mm×20mm×20mm)。每个处理条件的试件从5块试材的边材锯制，每个试件自树木的年轮位置基本相同，每块试材制取力学试件2个，各10个共40个。

2)颜色变化测定，用精密色差仪分别测得不同工艺热改性试件的色度指标，本文测定明度指数L*。

3)质量损失率测定，取4组橡胶木试块(50mm×50mm×22mm，轴向×弦向×径向)各5个共20个，分别测得热改性前后的绝干质量差值，计算试块热改性前后的质量损失率。

处理试材放置室内8个月自然平衡后，检测其性能，结果见表1和表2，实施例2的检测结果同实施例1，因此在表1和表2中未示出。其中，表2中对照例1～3为常压热改性，条件分别为：温度180℃、常压、处理3h；温度200℃、常压、处理3h；温度215℃、常压、处理3h。

表1本发明生产方法处理后得到橡胶木热改性材的基本性能

由表1知，橡胶木原木的MOE为10460MPa，除了实施例4的MOE降低至8998MPa，实施例1、3的MOE变化不大。另外，实施例1、3、4的MOR降低明显，实施例1的MOR由对照的99.6MPa降至66.8MPa，实施例4的MOR降低至37.8MPa，抗弯强度降低了62％。

本发明生产方法制备的橡胶木高温热改性材的颜色加深，实施例1的明度值L*为53.47，而实施例4的明度值L*降低至36.77。实施例3的温度由155℃提高到170℃，颜色加深不多，但实施例4压力由0.4MPa提高到0.8MPa，颜色加深明显。

表2蒸汽常压和本发明生产方法处理后得到橡胶木热改性材的性能变化比较

由表2知，本发明生产方法制备得到橡胶木热改性材的颜色、质量损失率、抗弯强度损失与蒸汽常压185℃-215℃处理接近。如实施例1性能与对照例1接近，实施例3性能与对照例2相当，实施例4性能与对照例3接近。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种橡胶木高温热改性材的生产方法，其特征在于，步骤主要为前处理工序和高温热改性处理工序，所述高温热改性处理工序依次为：预热阶段、前干燥阶段、高温热改性阶段和降温阶段，其中，高温热改性阶段的条件为：温度170℃，压力0.2MPa；高温热改性阶段的处理时间为1～6h；

其中，生产所用原材料为橡胶木原木；

所述前处理工序具体步骤为：

前真空阶段：抽真空至真空度为-0.06MPa～-0.09MPa，保持10～30min；

加压阶段：加入浓度为1％～8wt％的硼化物的水溶液，加压至0.3MPa～2.5MPa，保持30min～4h；

后真空阶段：泄压，抽真空至真空度为-0.02MPa～-0.09MPa，保持10～60min；

干燥阶段：使木材干燥至含水率为20～60％。

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，高温热改性阶段的处理时间为1～3h。

3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述硼化物包括硼砂、硼酸、八硼酸钠、五硼酸铵中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述预热阶段为：通入水蒸气，排除装置中的氧气，使温度上升100℃以上；所述降温阶段为：泄压，使用水蒸气，使温度降至110℃以下。

5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述前干燥阶段为：通入水蒸气，使温度为100℃～130℃，压力为0.1MPa～0.2MPa。