CN107457870A

CN107457870A - 一种木材表面快速密实碳化的方法

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Publication number: CN107457870A
Application number: CN201710841500.1A
Authority: CN
Inventors: 张海洋; 卢晓宁; 梅长彤; 詹先旭; 何倩; 崔举庆; 韩书广
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2017-12-12
Anticipated expiration: 2037-09-18
Also published as: CN107457870B

Abstract

本发明公开了一种木材表面快速密实碳化的方法，属于木材加工技术领域。它包括将木材制作成待处理尺寸，控制其含水率，将待改性木材和钛金属块固定于夹具上，对钛金属块与待处理木材进行加压，在保持步骤压力的情况下，待处理木材表面与钛金属块接触相对往复振动，停止振动后保持钛金属块与待处理木材静止并施加压力待改性木材表面冷却，分离钛金属块与待处理木材进行卸压，最后就得到改性处理的木材表面。本发明利用钛金属与木材表面加压、振动、摩擦的方法，快速提高木材表面硬度、耐水性能，克服了现有技术中木材改性工艺复杂、成本较高、不环保的缺点，木材表面改性处理过程具有工艺周期短、高效、低成本、绿色环保的特点。

Description

一种木材表面快速密实碳化的方法

技术领域

本发明属于木材加工技术领域，更具体地说，涉及一种木材表面改性方法及设备，特别涉及一种木材表面快速密实碳化的方法及其碳化设备。

背景技术

木材工业发展至今，越来越依赖于速生材和幼龄材为原料以加工生产。然而由于速生材和幼龄材存在许多天然缺陷，例如，细胞壁中存在着较多的游离羟基和一些极性的官能团以及毛细管，使得不管是气态水还是液态水都能够轻而易举的进入木材，因而使得速生材和幼龄材作为实木使用或者是用于生产各类木质人造板时都面临着很多问题。比如其中的问题为：一是由于吸湿或者解吸作用而导致木材尺寸稳定性较差；二是由于水分侵入而导致耐久性差。因而，为解决上述问题，人们一直在寻找低成本、高效率、可持续以及效果好的加工处理方式，以降低木材或人造板与水分的作用，从而来提高材料的尺寸稳定性，增强防霉防腐性以及耐久性等。

现阶段提高木材耐水性的方式主要可以分为两种：一种方式是借助木材本身之外的材料来提高木材的耐水性，这些材料主要为石油基或者煤炭基的具有不可持续性的物质；另外一种方式是利用木材本身所含有的天然物质提高木材的耐水性。随着人们对于可持续发展和环保问题的重视，如何能够开发出第二种方式，即利用木材本身的天然细胞壁物质改性来提高木质材料的耐水性等性能的方法，且同时具有绿色节能高效可持续的特点，而这种木材加工处理是一直困扰着人们的技术问题。

上述借助木材本身之外的材料来提高木材的耐水性的方法中最常见的方式就是在木质材料表面涂刷或者粘贴保护层。这类保护层主要包括油漆、石蜡、塑料薄膜以及树脂浸渍纸等等。这种方式虽然有助于提高木材耐水性和耐久性，但这些材料都是通过不可再生的石油生产出来的，具有不可持续的特点，因此并不绿色环保。此外，通过化学原料对木材进行浸渍处理，也可以达到改善木材耐水性的目的，这些方法包括木材乙酰化改性、甲酰化改性、糠醇改性等等。其内在机理都是通过将木质素和半纤维素中的亲水的游离羟基改变成疏水性的官能团以达到提高木材耐水性的目的。但是这些方法不但是不可持续的，而且处理的成本和工艺要求都较高，污染也较为严重，所以并没能得到较好的推广。其中，利用胶黏剂对木材进行浸渍固化处理则更是一种成本高且不环保的处理方法。

上述利用木材本身所含有的天然物质提高木材的耐水性的方法，即是通过对木材本身的纤维素、半纤维素、木质素和内含物进行水热等的处理从而达到改善木材耐水性的目的。这一类方法中最为成熟和应用较为广泛的就是木材的水热碳化处理，一般是在水热机械力作用下处理，但其缺点是成本较高、周期较长。

中国专利申请号：201610782023.1，发明名称：一种速生材原位密实及具有吸附功能的加工方法，公开了以下步骤：(1)将速生材放入纳米材料、改性剂的混合水溶液A中浸渍45-50h后，密封于真空加压罐中，抽真空至压力为0.1-0.16Mpa后加入纳米材料、改性剂的混合水溶液A，然后加压至25-30Mpa保持110-120min后泄压；(2)再次抽真空为0.1-0.16Mpa保持50-55min，然后加压25-30Mpa保持80-90min，在高压下同时对溶液加热至80-90℃，保温30-40min后泄压，然后在100-110℃下，通入二氧化碳进行干燥，得到半成品；(3)将上述半成品进行碳化处理，得到吸附材料。其不足之处在于：该发明通过先添加改性剂再抽取真空的方法对速生材进行密实化处理，并没有解决不可持续的，处理的成本和工艺要求较高的问题，同时污染也较为严重。

中国专利申请号：201410671991.6，发明名称：杨树木材同质炭化木的生产加工方法，具体由裁锯、脱脂、干燥、回潮、堆垛、进窑、升温、炭化、降温、出窑共十一道工序完成。其不足之处是：碳化的时间较长导致整个生产加工周期也较长，而且在碳化之前需要很多的工艺步骤相配合，因而工艺复杂且成本较高，另外，该方法涉及到很多的工艺装备，也导致生产成本大大提高。

中国专利申请号：201310109376.1，发明名称：一种木材深度碳化的工艺，公开的碳化工艺步骤为：A.将导热油在加热炉体内烧至350℃-600℃，加热后的导热油持续流动到热压机的热压板上，使热压板的表面温度达到350℃-600℃；B.将烘干后的木材排放在热压板上，放置时需保证排放在热压板上的木材厚度一致；C.木材排放好后使热压板对木材进行压紧，压紧压力为1.5-2.0MPa；D.热压板对木材压紧20-25分钟后，使热压机加压力提升到2.5-3.0MPa；E.然后继续碳化35-40分钟，将热压板打开，取出木材，完成碳化过程。该发明将木材进行深层次的碳化，以减少木材使用时膨胀或变形开裂的情况。其不足之处在于：处理时间长，使用油热处理时温度较高且能耗高，并且温度梯度的形成易导致木材发生翘曲变形，不可避免的影响木材整体的改性效果。

中国专利申请号：201610839328.1，发明名称：一种木板表面碳化处理工艺，包括如下步骤：(1)木板裁切、(2)木板预干处理、(3)二次干燥处理、(4)碳化处理、(5)调质处理。该发明各步骤需要搭配合理，同时该发明采取了超声波的碳化处理，以避免加工过程中木材开裂，且有助于提高处理后的成品的抗裂性能。其不足之处在于：碳化的设备、工艺复杂，对于高含水率的木材碳化，无法解决，且增加二次干燥工艺对碳化后木材的含水率调质处理，使得生产的成本太高。

中国专利申请号：201210446093.1，发明名称：木材快速碳化抛光一体装置，包括机架及设于机架上的碳化机构、抛光机构及设于碳化机构前后两侧的引导机构，位于前侧的引导机构前方设有一定位机构；所述引导机构包括上排引导轮、下排引导轮及缓冲架，所述碳化机构包括碳化槽，碳化槽的上下两侧分别设有一喷枪；所述抛光机构位于碳化槽的后侧，其包括支架和两个上下相对而设的抛光轮，抛光轮的前后两侧分别设有一压轮组件，位于上方的抛光轮与压轮组件的两端分别通过弹簧与支架连接。该发明将碳化和抛光一体实现，提高了生产效率和产品质量。其不足之处在于：该发明通过喷枪来实现碳化的过程中，喷枪可能导致木材表面受热不均，局部温度过高，进而产生变形；另外，该发明涉及的设备过于复杂，工艺设备成本偏高。

中国专利申请号：201310440191.9，发明名称：一种湿木材直接碳化的方法，包括：预热阶段、干燥阶段、调节阶段、干燥碳化过渡阶段、碳化阶段、降温阶段，在干燥阶段依据窑内木材实时绝对含水率的变化，将干燥阶段分为很多子阶段进行干燥，在各个子阶段采用不同的干燥温度。采用该方法可以对高含水率木材直接碳化，碳化过程中不会发生扭曲变形、开裂现象。其不足之处在于：该发明的工艺步骤和节能效果，仍然不能满足快速处理的要求；另外，复杂的干燥程序，导致良品率降低；再者，由于木材种类很多，密度也不尽相同，因此在实际操作中难以实现前期碳化工艺的准备。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中碳化设备、工艺复杂，碳化过程工艺较长，处理周期长、效率低的问题，本发明提供一种木材表面快速密实碳化的方法。它克服了原有的木材表面改性工艺复杂、成本较高、不环保的缺点，具有高效、低成本、绿色环保的特点，并且能够快速提高木材表面硬度、耐水性能。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种木材表面快速密实碳化的方法，其步骤为：

(1)将木材制作成待处理尺寸，控制其含水率在10％-25％的范围；

(2)分别将待处理木材和钛金属块固定于夹具上；

(3)对钛金属块与待处理木材进行加压1.5-2.75MPa，待处理木材表面与钛金属块接触；

(4)在保持步骤3压力的情况下，待处理木材表面与钛金属块接触相对往复振动，振幅为1-3mm，振动频率为100Hz-200Hz，持续时间为20-30s；

(5)停止振动，保持钛金属块与待处理木材静止，并施加2-3MPa的压力持续20-30s；

(6)待木材表面冷却，分离钛金属块与待处理木材进行卸压，最后就得到改性处理的木材表面。

优选的，在步骤2中，所述将待改性木材固定于木材装夹平台上，将钛金属块装夹于金属装夹平台上；

优选的，步骤3中，通过闭合加载气缸给钛金属块与待处理木材进行加压。

优选的，步骤4中，保持步骤3压力的情况下，施加给钛金属块100Hz-200Hz的振动，振幅为1-3mm，待处理木材表面保持相对静止。

优选的，步骤4中，保持步骤3压力的情况下，施加给待处理木材表面100Hz-200Hz的振动，振幅为1-3mm，钛金属块保持相对静止。

优选的，装夹有钛金属块的金属装夹平台沿着水平或垂直轨道往复振动，木材装夹平台与装夹有钛金属块的金属装夹平台相对平行。

优选的，装夹有钛金属块的金属装夹平台设置有弹簧钢板(弹性件)和振动部件，金属装夹平台在弹簧钢板(弹性件)作用下既可以承受压力，又能在振动部件作用下往返振动；

优选的，所述步骤6中，利用闭合加载气缸，分离钛金属块与待处理木材进行卸压。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用钛金属对木材表面进行振动摩擦处理，将钛金属的催化作用与木材的碳化处理机理相结合，催化木材表面快速碳化，对木材耐水性进行改善，并且具有低成本、绿色环保且高效的特点；另外，摩擦的水热高温作用，对木材表面的密度和硬度起到增强的作用，达到一步多重处理提高木材的表面性能；

(2)通过本发明方法可使用的碳化设备更加简单，工艺更加经济；

(3)本发明对高含水率的木材进行碳化，解决了常规碳化工艺易造成木材开裂缺陷；

(4)本发明减少了二次干燥工艺，步骤少，成本更低；

(5)本发明克服了常规碳化对木材厚度的限制；

(6)本发明减少了对碳化后木材的含水率调质处理；

(7)本发明木材表面处理的时间控制在60s以内，解决了常规碳化过程从材料准备到碳化的工艺时间长的问题，即从6-8小时(如加上干燥等工艺，远远不止几个小时)，减少到1分钟；

(8)本发明直接通过振动接触，解决了现有技术不同种类、不同含水率的木材碳化中干燥工艺的不同的问题；

(9)本发明解决了现有设计中使用喷枪而导致的受热不均匀，变形开裂的缺陷；

(10)本发明不同于现有技术通过前期化学处理而达到密实的效果，处理的效率更高，节能和环保上效果更加突出；

(11)本发明处理效率高，可以连续化生产，并且利用木材本身物质催化碳化和密实以达到对木材表面性能多重改善的目的，是一种纯绿色可持续的木材表面改性方法。

附图说明

图1为木材表面快速密实碳化的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种木材表面快速密实碳化的方法，其步骤为：

(1)制取宽度为50mm，长度为100mm，厚度为30mm的钛金属块和杨木木方，木材的含水率为12％；

(2)然后将钛金属块装夹在振动摩擦设备的金属装夹平台(夹头或夹具)上，木块装夹在振动摩擦设备的木材装夹平台(夹具)；装夹有钛金属块的金属装夹平台设置有弹簧钢板(弹性件)和振动仪(振动部件)，金属装夹平台在弹簧钢板(弹性件)支撑作用下既可以承受压力，又能在振动仪(振动部件)作用下往返高频振动；

(3)利用闭合加载气缸施加2.0MPa的压力于固定在木材装夹平台上的待改性木材上，和装夹于金属装夹平台上的钛金属块上，待处理木材表面与钛金属块接触；

(4)在保持步骤3压力的情况下，待处理木材表面与钛金属块接触相对往复振动，振幅为1mm，振动频率为100Hz，持续时间为20s；

(5)待振动完成后停止振动，在试件处于静止的状态下将压力提高到2.25MPa，并保持25s；

(6)待改性木材表面冷却，利用闭合加载气缸，分离钛金属块与待处理木材进行卸压，最后就得到表面碳化和表面硬度双重提高的改性木材。经测试实施例1制得的木材表面密实化平均厚度为280μm，硬度提高70％，表面的吸湿性能降低为原来的20％。

实施例2

步骤和参数同实施例1，不同在于，步骤4中，保持步骤3压力的情况下，施加给待处理木材表面100Hz的振动，振幅为1mm，钛金属块保持静止。装夹有待处理木材的装夹平台沿着垂直轨道往复振动，木材装夹平台与装夹有钛金属块的金属装夹平台相对平行。经测试实施例2制得的木材表面密实化平均厚度为286μm，硬度提高71％，表面的吸湿性能降低为原来的19％。

实施例3

步骤和参数同实施例1，不同在于，步骤4中，保持步骤3压力的情况下，施加给钛金属块100Hz的振动，振幅为1mm，待处理木材表面保持静止。装夹有钛金属块的金属装夹平台沿着水平轨道往复振动，木材装夹平台与装夹有钛金属块的金属装夹平台相对平行。经测试实施例3制得的木材表面密实化平均厚度为288μm，硬度提高72％，表面的吸湿性能降低为原来的18％。

实施例4

如图1所示，木材表面快速密实碳化的方法，步骤同实施例1，不同在于实施例1中木材含水率控制为20％，振动频率改为200Hz，压力为2.00MPa，振幅为2mm，振动持续时间为25s，待振动完成后停止振动，静止保压压力为2.25MPa，保持时间为30s。最后经测试实施例4得到的杨木表面密实化平均厚度为360μm，硬度提高85％，表面的吸湿性能降低为原来的15％。

实施例5

如图1所示，木材表面快速密实碳化的方法，步骤同实施例1，不同在于木材换成松木，木材含水率控制为12％，振动频率改为200Hz，压力为2.5MPa，振幅为2mm，振动持续时间为30s，待振动完成后停止振动，静止保压压力为2.75MPa，保持时间为30s。最后经测试实施例5得到的松木表面密实化平均厚度为320μm左右，硬度提高55％，表面的吸湿性能降低为原来的25％。

实施例6

如图1所示，木材表面快速密实碳化的方法，步骤同实施例3，不同在于将实施例3木材含水率控制为20％，振动频率改为200Hz，压力为2.5MPa，振幅为2mm，振动持续时间为30s，静止保压压力为2.75MPa，保持时间为25s。最后经测试实施例6得到的杨木表面密实化平均厚度为350μm左右，硬度提高65％，表面的吸湿性能降低为原来的20％。

实施例7

如图1所示，木材表面快速密实碳化的方法，步骤同实施例3，不同在于将实施例3木材含水率控制为25％，振动频率改为200Hz，压力为2.75MPa，振幅为2mm，振动持续时间为30s，静止保压压力为3.00MPa，保持时间为30s。最后得到的木材表面密实化平均厚度为360μm左右，硬度提高85％，表面的吸湿性能降低为原来的12％。

实施例8

如图1所示，木材表面快速密实碳化的方法，步骤同实施例7，不同在于将实施例3木材含水率控制为25％，振动频率改为200Hz，压力为2.75MPa，振幅为3mm，振动持续时间为30s，静止保压压力为3.00MPa，保持时间为30s。最后得到的木材表面密实化平均厚度为390μm左右，硬度提高90％，表面的吸湿性能降低为原来的11％。

实施例9

步骤和参数同实施例1，不同在于将实施例1木材含水率控制为10％，振动频率改为150Hz，压力为1.5MPa，振幅为1mm，振动持续时间为22s，静止保压压力为2.20MPa，保持时间为20s。最后得到的杨木表面密实化平均厚度为270μm左右，硬度提高65％，表面的吸湿性能降低为原来的19％。

Claims

1.一种木材表面快速密实碳化的方法，其步骤为：

(2)分别将待处理木材和钛金属块固定于夹具上；

(6)待木材表面冷却，分离钛金属块与木材进行卸压，最后得到改性处理的木材。

2.根据权利要求1所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，所述的步骤2中，将待处理木材固定于木材装夹平台上，将钛金属块装夹于金属装夹平台上；

3.根据权利要求1所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，所述的步骤3中，通过闭合加载气缸给钛金属块与待处理木材进行加压。

4.根据权利要求1所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，所述步骤4中，保持步骤3压力的情况下，施加给钛金属块100Hz-200Hz的振动，振幅为1-3mm，待处理木材表面保持相对静止。

5.根据权利要求1所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，所述步骤4中，保持步骤3压力的情况下，施加给待处理木材表面100Hz-200Hz的振动，振幅为1-3mm，钛金属块保持相对静止。

6.根据权利要求4或5所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，装夹有所述的钛金属块的金属装夹平台沿着水平或垂直轨道往复振动，木材装夹平台与装夹有钛金属块的金属装夹平台相对平行。

7.根据权利要求6所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，所述装夹有钛金属块的金属装夹平台设置有弹簧钢板(弹性件)和振动部件，金属装夹平台在弹簧钢板(弹性件)作用下既可以承受压力，又能在振动部件作用下往返振动。

8.根据权利要求6所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，所述装夹有钛金属块的金属装夹平台设置有弹簧钢板和振动仪，金属装夹平台在弹簧钢板作用下既可以承受压力，又能在振动仪作用下往返振动。

9.根据权利要求1所述的木材表面快速密实碳化的方法，其特征在于，所述步骤6中，利用闭合加载气缸，分离钛金属块与待处理木材进行卸压。