CN107175739A - 一种竹材多微孔化处理方法及产品和应用 - Google Patents

一种竹材多微孔化处理方法及产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于林业工程领域中木材科学与技术专业方向的技术，具体涉及一种竹材多微孔化处理方法及产品和应用。竹材多微孔化处理方法包括以下步骤：（1）取材；（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理；（3）预冻处理:将处理后的竹材冷却、保温；（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材进行冻结；（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材真空干燥；（6）保存：经过（5）处理后的竹材进行密封保存。所得竹材的孔隙率为57%～83%，含水率为6%～12%。对竹材所进行的后续加工包括以下应用：竹材染色；竹材重组；竹材防腐防霉。本发明通过特定手段处理竹材以及使用冻干竹材所进行的后续加工，实现了竹材的多微孔化结构，提升了竹材的渗透性。

Description

一种竹材多微孔化处理方法及产品和应用
技术领域
本发明属于林业工程领域中木材科学与技术专业方向的技术，具体涉及一种竹材多微孔化处理方法及产品和应用。
背景技术
我国是世界上木材资源相对短缺的国家，随着人们环保意识的增强，木材供需矛盾日益突出，寻找合适的木材替代品是发展循环经济、建设节约型社会的必然要求。同时，我国竹子资源丰富，并且竹子具有生长速度快、生长周期短、成本低的优势，作为木材的替代品，已经被广泛应用在家具、地板、建筑墙面等领域。竹产业，作为一个潜力巨大的新兴产业，正在悄然改变着我们的生活，也在逐步拉动林业经济的增长点。当前，对于竹材的开发利用，主要涉及的是防护与改性，如防腐、防霉、阻燃以及染色、制浆等。而要实现对竹材进行的深入加工，最主要的是提高竹材的渗透性。因此，如何有效提升竹材内部渗透性对发展竹产业有着重要的现实意义。
CN106440671A（2017.02.22）公开了一种木材干燥防腐处理方法，该方法在木材加工过程中取材单一，程序复杂繁多，预冻温度低对设备要求过高，预冻时间过长，浸泡防腐剂的木材少量会出现滴液现象，造成环境污染。CN106589435A（2017.04.26）公开了一种制备具有木材反向结构环氧树脂表面的方法，该方法在高温烧结过程中虽然制得了具有木材结构的多孔碳，破坏了木材的内部分子结构。CN206146132U（2016.10.27）授权了微波真空干燥设备，该设备直接用运在竹材干燥过程中竹材容易皱缩。
发明内容
鉴于现有技术中存在上述问题，本发明所要解决的问题就是优化操作流程，降低生产成本，使竹材在干燥过程中避免皱缩、变形，减少竹材处理过程中对环境的污染，以提高竹材的工业化利用程度。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方法：
一种竹材多微孔化处理的方法。该方法主要涉及的是运用真空冷冻干燥手段，让水分在冰冻的竹材体积内直接升华干燥，在不影响竹材除孔隙率外的其他理化性能的前提下实现了竹材的多孔化特性，以此来提高竹材的渗透性。
本发明首先提供了一种运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法，所述方法包括以下步骤：
（1）取材；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却、保温；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材进行冻结；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材真空干燥；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材进行密封保存。
发明人通过饱水处理利用竹材的吸水性从而使竹材的含水率达到50%以上，以免干燥过程中竹材出现皱缩、变形现象。饱水处理后需要经过一个预冻并保温的缓冲过程，如果直接冷冻的话，因为温度差太大，竹材容易直接被冻裂；而现有技术完全没有公开对竹材的饱水和冻结处理;
发明人经过很多研发设计和试验，发现若仅有饱水处理过程，或仅有饱水处理过程和预冻处理过程或者仅有预冻处理和冻结处理过程都会导致得不到所需的多维孔化竹材，本发明结合特定的饱水处理和冻结处理，缩短了生产周期。真空冷冻干燥处理后竹材的渗透性与常规干燥处理的竹材对比，均有不同程度的提高。竹材的微观结构如薄壁细胞、维管束、纤维、导管等都分布着大小不同的孔隙，孔隙率为45%～55%，孔径在40µm～120µm。真空冷冻干燥处理的竹材其薄壁细胞、维管束、导管、纤维上孔隙的孔径都有不同程度的增大，孔隙率增加了12%～28%，比表面积增大到原来的20%～32%，同时避免了液态水引起的表面张力导致竹材的缩皱，保持了竹材纤维的原有组织结构同时提高了竹材的渗透性。
作为优选，所述取材包括：原生新鲜竹、竹片、竹单板、竹刨花、竹丝或竹束。
作为优选，所述饱水处理要保证竹材含水率在50%以上，以免干燥过程中竹材出现皱缩、变形现象。
作为优选，所述预冻处理过程中竹材放置在冷藏箱冷却至0℃～5℃范围内，在此温度范围内保温3～5小时。
若预冻稳定较低（-15℃～-35℃）或预冻时间过长（12h～36h），都会导致成本高，生产周期长，不利于后续冻结过程和产品效果。
作为优选，所述冻结处理过程中冻结温度为-40℃～-60℃之间，冻结时间24～36小时。
作为优选，所述真空干燥过程中加热温度3℃～8℃，竹材温度-15℃～-18℃，冷井仓温度-55℃～-60℃，干燥18～36小时；真空干燥机系由制冷系统、真空系统、加热系统、电器仪表控制系统所组成。主要部件为干燥箱、冷井仓、凝结器、冷冻机组、真空泵、加热/冷却装置等。它的工作原理是将被干燥的竹材先冻结到水的三相点温度以下，然后在真空条件下使竹材中的固态水直接升华成水蒸气，从竹材中排除，使竹材干燥。竹材经前处理后，被送入速冻仓冻结，再送入干燥仓升华脱水。真空系统为升华干燥仓建立低气压条件，加热系统向物料提供升华潜热，制冷系统向冷井仓和干燥室提供所需的冷量。从真空干燥设备排出的水蒸气会进入冷却仓内进行凝结，待取出竹材后提高冷井仓的温度可以使冷进仓内的固态液化成液态水，再经过过滤装置回收，节约水资源，避免浪费。）
通过控制外界热源的温度使真空干燥设备温度达到3℃～8℃，通过排除真空干燥设备内因固态水升华而成的水蒸气来调节真空干燥设备内的真空度，从而达到控制竹材温度的目的。作为优选，所述保存包括将经过步骤（5）真空干燥处理后的竹材进行密封保存，并且要求环境温度0℃～25℃ ，隔绝空气，防止复水。 本发明还保护了所述方法处理的竹材，此方法处理得到的竹材能够避免液态水引起的表面张力导致竹材的皱缩，同时保持了竹材纤维的原有组织结构，大大提高了竹材的渗透性。
本发明提供了对所述竹材的应用，将所述竹材进行后续加工，用于竹材的加工利用。
更进一步地，所述竹材的后续加工利用包括竹材染色、竹材防腐防霉、竹材重组。
所述竹材染色：将所述竹材用酸性、活性或直接染料进行常压或高压染色，染液温度为45℃～85℃，液压压力为1.8Mpa～2.2Mpa，染液浓度为1‰～5%。
添加染料时无须加入渗透剂、活性剂，染液浓度低节省了染料，染液液压低促使生产成本降低。
所述竹材防腐防霉：将所述竹材用防腐防霉剂进行常压或高压浸渍，药剂质量浓度为5g/L～20g/L，常压浸渍时间为30～60min，高压浸渍时间10min～20min。
所述竹材重组：将所述竹材经过施胶浸胶处理后，进行胶合或重组为平面、弯曲或异性人造板产品，重组竹产品密度为0.8～1.2g/cm3，产品含水率为8%～18%。
本发明的显著优势：
本发明的发放所选取的竹材形式多样无需加工，更充分的利用了竹材，本发明方法简单，流程简便。通过真空冷冻干燥手段处理竹材以及使用冻干竹材所进行的后续加工，明显疏通了竹材的内部结构，实现了竹材的多微孔化结构，提升了竹材的渗透性，保证了竹材的原有形态不被破坏，各项性能保持完好。该发明改善了竹材染色、防腐防霉以及重组等加工特性。真空冷冻干燥处理工艺操作简便，且未使用任何化学物质，符合当前环保、创新的发展理念，对竹产业领域的节能创新、高效发展具有重大意义。
具体实施方式
实施例1：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到50%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至0℃，并保温3小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为11%。
实施例2：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至0℃，并保温3小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥；（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为10%。
实施例3：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到70%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至0℃，并保温3小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥；（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为11%。
实施例4：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到80%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至0℃，并保温3小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度3℃，竹材温度-18℃，冷井仓温度-60℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为12%。
实施例5：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至5℃，并保温3小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度3℃，竹材温度-18℃，冷井仓温度-60℃，干燥36h小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材在温度为0℃的环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为10%。
实施例6：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温3小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度3℃，竹材温度-18℃，冷井仓温度-60℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为9%。
实施例7：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温5小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度3℃，竹材温度-18℃，冷井仓温度-60℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为9%。
实施例8：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温4小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度-60℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度3℃，竹材温度-18℃，冷井仓温度-60℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为8%。
实施例9：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温4小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度-40℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度8℃，竹材温度-18℃，冷井仓温度-60℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为8%。
实施例10：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温4小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-50℃，冻结24小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度5℃，竹材温度-18℃，冷井仓温度-60℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为7%
实施例11：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温4小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-50℃，冻结36小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度5℃，竹材温度-15℃，冷井仓温度-60℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为7%。
实施例12：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温4小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-50℃，冻结30小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥，通过外界热辐射或隔板加热来传递升华所需能量，加热温度5℃，竹材温度-17℃，冷井仓温度-57℃，干燥18小时；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为0℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为7%。
实施例13：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温4小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-50℃，冻结30小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为25℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为7%。
实施例14：运用真空冻干技术实现竹材多微孔化的处理方法包括如下步骤：
（1）取材：原生新鲜竹；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理使竹材的含水率达到60%；
（3）预冻处理：将处理后的竹材冷却至3℃，并保温4小时；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材放置真空冷冻干燥设备的冷井仓内进行冻结，冻结温度为-50℃，冻结30小时；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材放入真空干燥系统实现水分固态到气态的升华干燥；
（6）保存：将经过（5）处理后的竹材温度为13℃环境内密封保存，防止复水。
经测量：此方法所得到的竹材的含水率为6%。
从以上14个实施例所得结果可以看出饱水处理后含水率60%的竹材冷却至3℃并保温4小时，然后在冻结温度-50℃的环境下冻结30小时，最后在13℃环境下密封保存，竹材的含水率最低，然而随竹材含水率降低,竹材渗透性增加，故渗透性也是最强。但是实际操作中，还需要考虑更低温度将会带来更高的能耗，所以并不是都选择-50℃作为冻结温度。通过实例所得竹材的具有较大的孔隙率（57%～83%）以及较低的含水率（6%～11%）。
一种竹材多微孔化处理方法，包括应用真空冷冻干燥手段处理竹材以及处理所得竹材所进行的竹材染色处理、竹材防腐防霉处理、竹材重组胶合等加工应用；
应用冷冻干燥处理的竹材所进行的后续加工过程可包括以下实施例：
应用实施例1：竹材染色：将处理后的竹材进行高压或常压染色，所选染料有活性、酸性、直接染料，染液浓度为1‰～5%，染液温度为45℃～85℃，常压浴染时间为10～24小时，高压浸染时间为3～8小时，相关浸染产品的色牢度为4级。
应用实施例2：竹材防腐防霉技术：将所述竹材用防腐防霉剂进行常压或高压浸渍，药剂质量浓度为5g/L～20g/L，常压浸渍时间为30～60min，高压浸渍时间10min～20min。。
应用实施例3：竹材重组：包括常规竹片的涂胶胶合以及疏解竹材的浸胶重组压制，处理后的竹材浸胶效率提高28%，重组竹产品密度为0.8～1.2g/cm3，产品含水率为8%～18%，有效改善产品表面特性，优化产品结构与性能。
本发明关于竹材多微孔化真空冷冻处理方法，丰富了竹材加工利用的手段，该方法可以有效优化竹材内部孔隙结构，增加竹材比表面积、孔隙率，提升竹材的润湿性、渗透性以及竹材的塑性，改善竹材热传导等物理特性，提高竹材的机械加工性能。竹材的真空冷冻干燥预处理可用于竹材干燥、竹材染色、竹材防腐防霉处理、竹材人造板加工利用中的漂白、浸胶等工艺中，相关产品可广泛应用于建筑材、装饰材、家具制造、交通运输等领域，该技术市场前景广阔，对竹材的高效利用及创新发展具有重大意义。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种竹材多微孔化处理方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）取材；
（2）饱水处理：对竹材进行饱水处理；
（3）预冻处理:将处理后的竹材冷却、保温；
（4）冻结处理：将经过（3）处理的竹材进行冻结；
（5）真空干燥：将经过（4）处理的竹材真空干燥；
（6）保存：经过（5）处理后的竹材进行密封保存。
2.根据权利要求1所述的一种竹材多微孔处理方法，其特征在于：步骤（1)中所取竹材包括：原生新鲜竹、竹片、竹单板、竹刨花、竹丝或竹束。
3.根据权利要求1所述的一种竹材多微孔处理方法，其特征在于：步骤(2)中饱水处理以保证竹材含水率在50%以上。
4.根据权利要求1所述的一种竹材多微孔处理方法,其特征在于：步骤（3）中将经过步骤（2）处理后的竹材冷却至0℃～5℃范围以内，在此温度范围内保温3～5小时。
5.根据权利要求1所述的一种竹材多微孔处理方法，其特征在于：步骤（4）冻结处理过程中冻结温度在-40℃～-60℃之间，冻结时间24～36小时。
6.根据权利要求1所述的一种竹材多孔微孔处理方法处理得到的竹材，所得竹材的孔隙率为57%～83%，含水率为6%～12%。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述竹材所进行的后续加工包括以下应用：竹材染色；竹材重组；竹材防腐防霉。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：竹材染色：将所述竹材进行常压染色，所选染料有活性、酸性或直接染料，染液浓度为1‰～5%，染液温度为45℃～85℃，染色时间为10～24小时。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：竹材重组：将所述竹材经过施胶浸胶处理后，进行胶合或重组为平面、弯曲或异性人造板产品，重组竹产品密度为0.8～1.2g/cm3，产品含水率为8%～18%。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：竹材防腐防霉：将所述竹材用防腐防霉剂进行常压浸渍，药剂质量浓度为5g/L～20g/L，浸渍时间为30～60min。
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