CN107081925A - 热压改善植物材料品质装置 - Google Patents

Abstract

热压改善植物材料品质装置，属加工技术领域，是基于植物材料的组成、化学和物理性质，采用适当加热使木质素软化，增加其可塑性，通过加压减小其空腔孔陷等各种空隙所占空间的比例，提高其密度和强度，大幅度提升其品质。使低品质植物材料成为高密度高强度的优质植物材料。在解决生态环境保护、减少和停止森林尤其是优质林木采伐与充分满足经济社会发展和民众生活对优质木材大量需求难题的同时，实现农林业副产品的综合优质高效利用并解决秸秆树叶燃烧污染大气环境的问题，也使高密度优质植物材料广泛廉价应用成为切实可行的。还可用于城乡建设和工矿废渣土等的处理，或用普通土石材料，制成各种建设用材和建筑物。如石板条桌椅亭桥等。

Description

热压改善植物材料品质装置

技术领域

本发明涉及一种材料加工技术装置，尤其是用加热加压的加工技术提高植物材料品质和使用及商业价值的热压改善植物材料品质装置。

背景技术

植物材料，是指植物生命过程中产生的物质材料。例如，木材、树木枝叶、秸秆等。

目前，公知的植物材料加工技术的种类较多。主要是直接和间接加工利用。直接加工，例如木材加工、棉花纺织等。间接利用，例如造纸、人造棉等。不同的植物组成，加工利用的方法也不同。例如，木材细胞组成的成分可分为主要和次要两种，主要成分是纤维素、半纤维素和木质素；次要成分有树脂、单宁、香精油、色素、生物碱、果胶、蛋白质等；使其即可直接利用如制成家具等用品，也可间接利用如造纸和提取各种成分如树脂、单宁等。

据估计，作为植物生物质的主要成份——纤维素和木质素每年以约1640亿吨的速度再生，如以能量换算相当于石油产量的15-20倍。中国每年产生的植物材料总量很大。例如，农作物秸秆、树木、落叶、植物修剪产物等。纤维素是构成植物细胞壁结构的物质，是地球上最丰富的天然有机材料，分布非常广泛，含在植物中的碳，约有40％是结合在纤维素中，每年仅陆生植物就可以达到500亿吨的产量，它是一种可再生资源。例如木材，其纤维素分子链在细胞壁中形成的微纤丝沿细胞的轴向排列，赋予了木材较高的顺纹抗拉强度；半纤维素和木质素将纤维素粘结在一起，起着支持纤维素骨架的作用，因而使木材具有理想的弹性和抗压强度，除去木质素或半纤维素后，木材的强度显著降低。半纤维素是一种由多糖基组成的聚合物，具有多而短的支链。木质素作为细胞间固结物质填充在细胞壁的微纤丝之间，也存在于胞间层，把相邻的细胞粘结在一起，起到加固木质化植物组织的作用，木质化后的细胞壁不仅能够增加树木茎干的强度，也能减少微生物对树木的侵害。

植物材料利用中，直接烧掉，会放出大量温室气体，产生的烟雾会污染环境。

另一方面，经济发展和社会建设，生产生活改善对植物材料，例如木材的需求量越来越大。对强度大的木材需求量更大。木材强度与密度成正比，即在含水率相同的情况下，木材密度大则木材强度大，它是判断木材强度的最佳指标。木材密度主要取决于木材空隙度。木材空隙度愈小，则其密度愈大。高密度木材，例如红木，是非常好的制作高档商品，如高档家具、艺术品等，的材料。也深受消费者欢迎和喜爱。

红木不是一个树种的木材，而是国内红木家具用材约定俗成的名称，共有33个树种。红木的识别和区分，主要是以简便实用的宏观特征(如密度、结构、材色和纹理等)为依据，辅以必要的木材解剖特征来确定其属种。红木可细分为紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、红酸枝木、乌木、条纹乌木和鸡翅木8类，隶属于紫檀属、黄檀属、柿属、崖豆属及铁刀木属，其中主要是紫檀属和黄檀属。虽有不同，但其共同的特性就是都属于高密度木材。

但满足需求量很大木材的供应，需要砍伐大量树木。树木砍伐已经对森林造成很大的破坏，也对自然环境造成很大的伤害，包括导致气候异常。尤其是高密度木材，生长非常缓慢，生长周期很长，高需求致高采伐，已经使许多宝贵树种几近消失。例如中国海南岛产黄花梨树。高密度优质木材供应和需求量之间的差距很大。

因此，用普通植物材料生产出媲美高密度木材质量的用品如家具，即把这些植物材料，如秸秆等，制成能代替木材的材料，例如制成家具和建材，则可减少森林采伐，又消除直接燃烧产生的空气污染，并为大量植物农作物副产品找到新用途，是有重要现实意义和实际应用价值的。

现在，上述遇到的这些森林采伐和植物材料燃烧、高密度木材稀缺难题，都可以通过热压改善植物材料品质加工技术的应用而得到解决。热压改善植物材料品质加工技术是，根据植物材料的组成和化学物理性质，用加热和加压的加工技术，大幅度改善其品质的技术。

发明内容

为了克服现有植物材料加工技术难以解决经济社会发展建设、居住生活条件改善对植物材料例如木材的需求量越来越大致森林过度采伐、高密度优质木材稀缺难以满足需求、植物材料直接燃烧放出大量温室气体和烟雾污染环境、大量植物农作物副产品不能充分利用甚至无法发挥作用等难题的不足，本发明提供一种基于植物材料的组成和化学物理性质、用适当加热和加压的加工技术，通过减小其各种空隙，如细胞腔孔陷等，的体积在植物材料中所占的比例，提高其密度并增加其强度，能大幅度改善其品质的热压改善植物材料品质装置。

植物是由细胞组成的。植物材料是由空腔的植物细胞相互连接构成的。例如，阔叶树材的主要组成细胞之一，约占木材体积的50％，是两端尖锐，呈长纺锤形，腔小壁厚的木纤维细胞。植物细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成。例如，木材纤维素含量为40％～50％，禾本科植物纤维素含量略低些。纤维素、半纤维素和木质素是构成细胞壁的物质基础，其中纤维素形成微纤丝，在细胞壁中起着骨架作用，半纤维素和木质素则成为骨架间的粘结和填充材料，三者相互交织形成多个薄层，共同组成植物的细胞壁。

对细胞壁结构不同的植物，热压改善植物材料品质装置加工时，也采用对应的不同的技术条件。例如，木材与秸秆不同，其采用的温度和压力技术条件也不同。

以木材为例。木材是由各种各样细胞组成的，由于各自化学成分的差异，影响了木材的物理、化学和力学性质的变化。木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。

纤维素是地球上最丰富的天然有机材料，分布非常广泛。纤维素是由葡萄糖单体构成的线性结构大分子组成的，相互之间连接紧密形成结晶区，结晶区性质稳定，水分子难以进入。纤维素大分子之间的结合键主要是氢键、范德瓦尔斯力和碳氧键。纤维素分子链在细胞壁中形成的微纤丝沿细胞的轴向排列，赋予了木材较高的顺纹抗拉强度。

纤维素在140℃以下时，热稳定性较佳，水分和挥发性物质散失，但在水分存在条件下会发生水解，在空气中会发生氧化；高于140℃，纤维素变为黄色，在碱液中溶解度增大；温度高于180℃时，热裂解程度增大，超过250℃时，则发生剧烈降解，生成许多简单的有机化合物。

半纤维素是由木糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等多糖基组成的一种高分子聚合物。具有多而短的支链，主链上一般不超过150-200个糖基。半纤维素与部分纤维素分子链形成非结晶区，水分子和其它溶剂容易进入非结晶区，所以半纤维索比纤维素容易发生化学反应。

木质素属于无定型物质，它是由苯基丙烷基本结构并由醚键和碳一碳键连接组成的属于芳香族的高聚物，天然木质素的分子量高达几十万，化学成分和化学结构都比较复杂，分子上具有甲氧基、羟基、羰基等基团。半纤维素和木质素将纤维素粘结在一起，起着支持纤维素骨架的作用，使木材具有理想的弹性和抗压强度。纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学基团决定了木材的物理、化学性质，也影响了木材的加工利用工艺。木材的次要成分主要有多元酚、树脂酸、萜烯类等化合物，它影响了木材颜色、酸碱等物理化学性质，在木材加工中必须考虑到其对木材加工工艺的影响。

木质素作为细胞间固结物质填充在细胞壁的微纤丝之间，也存在于胞间层，把相邻的细胞粘结在一起，起到加固木质化植物组织的作用，木质化后的细胞壁不仅能够增加树木茎干的强度，也能减少微生物对树木的侵害。木质素在25℃时比重为1.33-1.45g/cm³。

木质素是热塑性物质。有水分存在时，在温度作用下，木质素发生软化。随温度升高，软化程度不同。木质素是各种不同聚合度的酚类组成的，熔点各不相同，在不同温度时，软化程度也不同。木质素全部熔化的温度，针叶材为170℃-175℃，阔叶材为160℃-165℃，冷却后凝结，变硬、变脆。

木材物质比重为木材除去细胞腔等孔陷所占空间后实际木材物质的比重，即细胞壁的比重。由于组成木材各种细胞壁的成分主要是纤维素、半纤维素、木质素，它们的成分和比例大体上一致，因此木材物质比重与各个树种关系较小，各个树种的木材物质的比重数值差异不大，约为1.49-1.57，平均为1.53。木材空隙所占的体积称为木材的空隙度，它包括细胞腔、细胞间陷和微纤丝之间的空陷等。单位体积内木材的重量称为木材密度。木材的密度除极少数树种外，通常小于1g/cm³。木材密度与其物质比重是不同的。木材密度的差别主要是由其空隙度不同造成的。这些是热压改善植物材料品质装置能通过提高密度改善其品质的基础和前提条件。

热软化是木材塑性的重要性质。到达某一温度以上的高温区域时，可看到木材组织的热软化。例如，全干木材横纹软化点为80-110℃。

热压改善植物材料品质加工技术，正是基于植物材料受热软化的可塑性重要性质，在适当加热的条件下，通过加压减小细胞腔、孔陷等空隙所占空间，提高植物材料密度、改善其品质的加工技术。

该技术的应用，能使低品质植物材料，例如普通木材、农林业生产副产品如秸秆、树枝、树叶等的品质得到大幅度的提升，成为高密度优质植物材料，在减少森林尤其是优质树木采伐量直至停止森林采伐的同时，充分满足经济社会发展和民众生活对高品质植物材料的需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

热压改善植物材料品质装置，采用适当加热使植物材料中的木质素受热软化、可塑性增加、通过加压减小植物材料中细胞腔孔陷等空隙所占空间，提高植物材料的密度和强度并改善品质，使低品质植物材料的品质得到大幅度的提升，成为高密度高强度的优质植物材料，解决保护生态环境、减少和停止森林尤其是优质林木采伐与充分满足经济社会发展和民众生活居住条件改善对高品质植物材料大量需求之间的突出矛盾和难题，不需要高密度优质木材需经漫长岁月的生长才能获得的等待，实现其输入的原料只是普通植物材料甚至植物废料输出的就是高密度高强度优质植物材料的加工生产运行和获取模式，同时实现农林业副产品的优质高效综合利用并解决秸秆树叶直接燃烧产生的大气和环境污染问题。

热压改善植物材料品质装置，按所用植物材料不同可分为木材、秸秆和树枝树叶、复合型。按主加工模具形状分为板条形、柱梁形、复合和复杂形。按产出形体和产量的不同，可分为小型、中型和大型。按结构和应用目标不同，分为简化型和普通型两种。简化型主要用于生产小型的板条形、柱梁形、复合和复杂形材料，普通型主要生产中型和大型的板条形、柱梁形、复合和复杂形材料，也都可按实际需要进行各种生产。

热压改善植物材料品质装置，适宜工作的温度不高，一般在180℃以下。短时间内的工作温度也可稍高。对材料加压的系统技术和设备，例如液压系统技术，整体上都较为成熟。且可供选择的加热加压系统技术和设备较多。植物材料都具有受热软化的可塑性重要性质，所含植物物质的差异不大，又可进行适当调整。因此，该技术在整体上是切实可行的。

热压改善植物材料品质装置的结构简单。整套系统主要由压力系统、控制系统、模具系统、植物材料供卸料系统、加热冷却和辅助系统组成。其模具系统的形状，除了板条形、柱梁形、复合和复杂形外，也可以是其它形状。可根据实际需要，例如需要不同的密度，和具体应用条件不同，例如大小高低不同的应用条件，选择适合的形状，生产出适用的高密度高强度优质植物材料物品。

加工木材类的热压改善植物材料品质装置，其主要功能是把普通木材改善成为高密度优质木材。并按木材类热压加工要求的条件配置。可以大幅度的提高被加工的普通低和中密度木材的品质，提高其密度和强度，使其成为高密度高强度的优质木材材料和植物材料物品。例如，把普通低和中密度材质的木材，加工成高档红木级或优质硬木木材级材质的材料和物品。

加工农作物秸秆类的热压改善植物材料品质装置，其主要功能是用秸秆制造优质木材级材料和物品。按秸秆类热压加工要求的条件配置。可以把秸秆类植物材料的品质，通过热压加工，大幅度的提高其密度、强度和品质，使其成为高密度高强度的优质植物材料和物品。例如，把普通农作物秸秆，加工成低中高密度木材、硬木或高档木材级材质的材料和物品。

加工树枝树叶类的热压改善植物材料品质装置，其主要功能是用树枝树叶制造优质木材级材料和物品。按树枝树叶类热压加工要求的条件配置。可以把树枝树叶类植物材料的品质，通过热压加工，大幅度的提高其密度、强度和品质，使其成为高密度高强度的优质植物材料和物品。例如，把普通树枝树叶，加工成低中高密度木材、硬木或高档木材级材质的材料和物品。

加工复合类即多种植物材料优化配料的热压改善植物材料品质装置，其主要功能是用该优化配料制造优质木材级材料和物品。按其热压加工要求的条件配置。可以大幅度的提高被加工的多种植物材料优化配料的品质，提高其密度和强度，使其成为高密度高强度的优质植物材料和物品。例如，把普通多种植物材料优化配料的材质，加工成高档红木、名贵硬木木材级的材质和物品。

在植物材料加工制造过程中，可用选出的特殊植物材料作画饰于制成材料和物品的表面，或直接用植物花叶等置于制品表面装饰，使其成为工艺品、艺术品级物品或直接成为工艺品、艺术品。例如用牡丹花等饰于桌面上等。

热压改善植物材料品质装置，用各种植物秸秆、树枝、树叶等原材料，可以直接生产出日常生活用品，例如桌椅床等，也可直接生产出工农等各行各业的用品和用材，例如，代替制造业用的木材和建筑业的门窗等。如果用植物材料整体压制成房屋或分块压成，再覆盖以金属薄层防水，会使房屋保温抗震等性能大幅改善。整体结构的轻房屋和轻屋顶抗地震效果会更好，特别适用于地震高发和高寒区域。也为农作物副产品的高效综合利用开拓出新途径。

本发明的有益效果是：热压改善植物材料品质装置，克服了现有的植物材料加工技术难以解决经济社会发展建设、生产生活居住条件改善对植物材料例如木材的需求量越来越大致森林过度采伐、高密度优质木材稀缺难以满足需求、植物材料直接燃烧放出大量温室气体和烟雾污染大气环境、大量植物农作物副产品不能充分利用甚至无法发挥作用难题的不足，提供一种基于植物材料的组成和化学物理性质、用适当加热和加压的加工技术，通过减小其细胞腔孔陷等空隙所占空间在植物材料中所占的比例，提高其密度并增加其强度，大幅度改善其应用品质的热压改善植物材料品质加工技术。能使多种植物材料，例如各种植物秸秆、树枝、树叶等原材料，用热压改善植物材料品质装置直接生产出日常生活用品，例如桌椅床等，也可直接生产出工农等各行各业的用品和用材，例如，代替制造业用的木材和建筑业的门窗等。

热压改善植物材料品质装置，结构简单，制造和生产运行总成本低，非常适合大规模推广应用，能彻底解决木材和高密度优质木材资源不足的问题。因此其在木材原料和林业资源发展战略中具有极其重要的地位和价值，有巨大的产业发展优势和前景。能实现用优质植物材料充分满足人类长期木材资源需求的同时，解决木材资源不足、生态环境保护、森林资源安全和低碳发展的问题。还具有彻底改变当前世界木材资源供应格局的巨大潜力。

这些独特性能表明，热压改善植物材料品质装置，不需要塑料制造需要的高温高压复杂系统，也不需要高密度优质木材要经漫长岁月的生长才能获得的等待，只需要对该装置输入植物原材料并在常规条件下，即可实现低成本的安全运行并生产出高密度优质木材级的物品，除生产日常生活用品和建筑业领域整体或分成部件制造的桌椅柜床门窗外，也有广阔的应用范围和产业发展空间。例如，用品质改善的植物材料生产作为整体结构或分成部件制造的低层房屋、轻屋顶、地板、高档工艺品、艺术品，及工业、农业用品等；能够解决木材应用中的获取难和成本高的难题，为各种应用提供非常廉价的优质植物材料和物品。进一步扩展用途，可以用于城乡建设渣土和建筑垃圾、工业和矿山废渣土、河道治理和港口交通等建设渣土的处理，或直接用普通土石材料，通过热压加工，制成各种建设用材料和建筑物。例如，用废渣土或普通土石材料，在适当温度和压力下热压加工制成建设用材料，如石板条、石柱梁、石桌椅等，及建筑物，如整体或分成部件组装的石雕塑、石房屋、石亭台楼阁、石路桥、石池渠等。这能解决城乡建设、工矿等废渣土处理的难题。

提高热压改善植物材料品质装置应用的效率和效益是一个持续改进和完善的过程。以不同的植物原材料为基础材料，掺入能共同形成高密度高强度优质材料的其它一种或多种植物材料，会有越来越适合应用的高品质植物材料被研发生产出来。丰富和满足社会需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的热压改善植物材料品质装置的结构布局示意图。

图1中，1.压力系统，2.控制系统，3.模具系统，4.植物材料，5.供卸料系统，6.加热冷却和辅助系统。

具体实施方式

在图1中，植物材料(4)由供卸料系统(5)进入模具系统(3)内，由加热冷却和辅助系统(6)加热至适合的温度，在控制系统(2)的控制下，压力系统(1)的活塞系统向处于模具系统(3)内的植物材料(4)加压，加压至设定压力后，再由加热冷却和辅助系统(6)冷却植物材料(4)至常温，最后由供卸料系统(5)取出制成品即可。正常运行需要的辅助事项均由加热冷却和辅助系统(6)的辅助系统实现和完成。

Claims (8)

1.一种热压改善植物材料品质装置，用于加工植物等材料、改变其形状和状态、使其更适合使用的装置，其特征是：基于植物材料的组成、化学和物理性质，采用适当加热使其中的木质素受热软化、可塑性增加，通过加压减小其细胞腔孔陷等各种空隙所占空间在植物材料中的比例，提高其密度和强度，大幅度提升改善其品质，使低品质植物材料成为高密度高强度的优质植物材料，解决保护生态环境、减少和停止森林尤其是优质林木采伐与充分满足经济社会发展和民众生活居住条件改善对高品质植物材料大量需求的突出矛盾和难题，不需要高密度优质木材经漫长岁月的生长才能获得的等待，实现其输入的原料只是普通植物材料甚至植物废料输出的就是高密度高强度优质植物材料的加工生产运行和获取模式，同时还能实现农林业副产品的综合优质高效利用和解决秸秆树叶直接燃烧污染大气环境的问题，能使高密度高强度优质植物材料广泛廉价的应用在技术和工业上成为切实可行的；可作为小型、中型和大型设备安全生产运行和广泛应用的热压改善植物材料品质装置。

2.根据权利要求1所述的热压改善植物材料品质装置，其特征是：能把普通木材改善成为高密度优质木材；用于加工改善木材类的植物材料品质，并按木材类热压加工要求的条件配置，可以大幅度的提高被加工的普通低和中密度木材的品质，提高其密度和强度，使其成为高密度高强度的优质木材材料和物品，把普通低和中密度木材的材质，加工成高档红木级或优质硬木木材级材质的材料和物品。

3.根据权利要求1所述的热压改善植物材料品质装置，其特征是：用秸秆制造优质木材级材料和物品；用于加工改善农作物秸秆类的植物材料品质，并按秸秆类热压加工要求的条件配置，可以把秸秆类植物材料的品质，通过热压加工，大幅度的提高其密度、强度和品质，使其成为高密度高强度的优质植物材料和物品，能把普通农作物秸秆，加工成低中高密度木材级、硬木木材级、高档木材级材质的材料和物品。

4.根据权利要求1所述的热压改善植物材料品质装置，其特征是：用树枝树叶制造优质木材级材料和物品；用于加工改善树枝树叶类的植物材料品质，并按树枝树叶类热压加工要求的条件配置，可以把树枝树叶类植物材料的品质，通过热压加工，大幅度的提高其密度、强度和品质，使其成为高密度高强度的优质植物材料和物品，能把普通树枝树叶，加工成低中高密度木材级、硬木木材级、高档木材级材质的材料和物品。

5.根据权利要求1所述的热压改善植物材料品质装置，其特征是：用多种植物材料优化配料制造优质木材级材料和物品；用于加工改善复合类即多种植物材料优化配料的植物材料品质，并按复合类热压加工要求的条件配置，可以大幅度的提高被加工的多种植物材料优化配料的品质，提高其密度和强度，使其成为高密度高强度的优质植物材料和物品，能把普通多种植物材料优化配料的材料，加工成高档红木级、名贵硬木木材级材质的材料和物品。

6.根据权利要求1所述的热压改善植物材料品质装置，其特征是：在植物材料加工制造过程中，用选出的特殊植物材料作画饰于制成材料和物品的表面，或直接用植物花叶等置于制品表面装饰，使其成为工艺品、艺术品级物品或直接成为工艺品、艺术品；例如用牡丹花等饰于桌面上等；以及用各种植物秸秆、树枝、树叶等原材料，可以直接整体和/或分成部件生产出日常生活用品如桌椅床等，和工农等各行各业的用品和用材，包括用植物材料整体和/或分成部件热压制成房屋、屋顶等，再覆盖以金属薄层防水，会使房屋保温等性能大幅改善；植物材料整体结构的房屋和轻屋顶抗地震效果会更好，特别适用于地震高发区域和高寒地区；也为林农作物副产品的高效综合利用开拓出新途径。

7.根据权利要求1所述的热压改善植物材料品质装置，其特征是：由压力系统、控制系统、模具系统、植物材料供卸料系统、加热冷却和辅助系统组成的热压改善植物材料品质装置的整套系统。

8.根据权利要求1所述的热压改善植物材料品质装置，其特征是：扩展其用途，用于城乡建设渣土和建筑垃圾、工业和矿山废渣土、河道治理和港口交通等建设渣土的处理，或直接用普通土石材料，通过其热压加工，制成各种建设用材料和建筑物；例如用废渣土或普通土石材料，在适当温度和压力下热压加工制成建设用材料，如石板条、石柱梁、石桌椅等，及建筑物，如整体或分成部件组装的石雕塑、石房屋、石亭台楼阁、石路桥、石池渠等。