CN108340462B - 一种木材的膨化方法及其制备的膨化木材 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木材的膨化方法及其制备的膨化木材。该膨化方法包括：采用窑干方式和/或浸渍处理方式调整木材整体含水率，调整木材整体含水率为30％～50％；采用疏水性材料对木材特定断面或侧表面位置进行封闭处理，然后采用窑干方式和/或浸渍处理调整木材分层含水率，将不需要膨化的木材层含水率调整至20％以下，将需要膨化的木材层含水率调整为30％～50％；最后将木材进行微波辐射处理，得到膨化木材。该膨化方法能够实现木材内部含水率的差异化分布，使得木材膨化效果多样化，膨化效果灵活可控，可获得不同膨化位置分布的膨化木材；同时，在木材处理过程中没有使用任何化学物质，获得的膨化木材环境友好，便于二次加工利用。

Description

一种木材的膨化方法及其制备的膨化木材
技术领域
本发明属于木材加工领域，具体涉及一种木材的膨化方法和膨化木材。
背景技术
目前，使木材具有高附加值能够高效利用重要途径有三个：(1)木材表面功能性改良，主要是对木材进行漂白、染色处理，改变木材的颜色和纹理，提高木材的表面美学效果，将低值材变高质材；(2)木材理化性能改良，对木材进行内部物理和化学的功能性改良处理，延长其使用年限，赋予木材阻燃、耐久和抗菌性等功能；(3)木材化学组分加工利用，对木材气化、木材液化、木材塑化等，开发木本饲料、木素碳纤维、部分取代石油产品的可生物降解的木材液化泡沫材料和酚醛树脂等多种高附加值林产化工产品。
其中，木材表面功能化改良和理化性能改良主要通过向木材中注入改性剂或功能剂，而改性剂或功能剂在木材中流通主要和木材渗透性有关。而提高木材渗透的重要方法之一就是木材微波处理技术，其主要目的有三个：一是借助微波良好的穿透性对木材或者改性材进行快速干燥；二是提高木材干燥能力和消除木材内部应力，如专利ZL02812997.0所采用的方法，木材经过一定的微波处理，其细胞膜和部分木射线破坏，达到提高木材干燥速率和消除木材内部应力的目的；三是提高木材内部液体进入和导出的速度，即提高木材功能化改性剂渗透性。何盛等在《木材微波处理工艺及其液体浸注性能研究》中通过研究20kW隧道式微波处理工艺对木材渗透性的影响，揭示了处理材处理效果与木材渗透性之间的关系。
专利文献CN1520506A公布了一种木材微波膨化方法，其采用的方法：有选择地使所述确定区域之外的木材表面接受频率(f)的微波辐射，其中所述区域位于木材的外壳。该方案对木材外壳有选择性的处理，以达到处理材相比于未处理材有显著的渗透性提高的目的。该方法的缺点是：集中处理木材表面，不同位置需要多步处理完成，处理成本较高；另外，由于频率和功率的限制，其微波功率只能对木材表面一定厚度的木材产生微波辐射，此方法仅能作用木材表面，不能作用于木材内部。
专利文献CN1310663A提供了提高木材渗透性的方法，该方法包括：将含水率大于15％的木材放于微波场中进行辐射处理，木材中的水分迅速蒸发，并对木材的微观解剖构造造成破坏，进而实现提高木材渗透性、快速干燥和应力消除的作用。该方法的缺点是：获得的处理材和未处理材在体积、密度和完整性方面没有变化；其次溃口方式采用上下两个溃口，可能导致木材在左右方向上的处理不均匀，从而导致在后期浸渍时存在差异。
专利文献CN1498153A提供了一种变形木制品及其制备方法，主要方法是对木材内部浸渍胶粘剂树脂以提高木材质量，在树脂浸渍过程中由于木材构造影响导致树脂难以进入木材内部，因此对木材使用微波进行预处理以提高木材渗透性。该方法的缺点是：该方法只是提高了木材的渗透性，所得微波处理木材产品单一。
因此，需要一种能够控制木材的膨化位置的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种木材的膨化方法，从而克服现有木材膨化方法仅能作用于表面且所得膨化木材产品单一的问题。
为实现上述一个或多个目的，在本发明的一个实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，包括以下步骤：
(1)调整木材整体含水率：采用木材干燥工业常用的窑干方式和/或浸渍处理方式调整木材整体含水率，调整木材整体含水率为30％～50％；
(2)调整木材分层含水率：采用疏水性材料对木材不需要调整含水率的表面进行封闭处理，然后采用窑干方式和/或浸渍处理调整木材分层含水率，将不需要膨化的木材层含水率调整至20％以下，将需要膨化的木材层含水率调整为30％～50％；
(3)将步骤(2)所得含水率差异化的木材进行微波辐射处理，使木材膨化，得到膨化木材，其中，微波处理前含水率在20％以下的木材层变为未膨化层，微波处理前含水率在30％～50％的木材层变为膨化层。
上述窑干方式的操作方法：通过控制温度和湿度，减少木材中的水分，使水分由木材内向木材外迁移；上述浸渍处理方式的操作方法：将木材放入浸渍罐中，在加压或者不加压条件下，将水分浸入木材中，水分由木材外向木材内迁移。
由于木材在纤维方向上水分的传导速度远大于木材垂直于纤维方向的传导速度，所以在本发明中，在木材分层膨化过程中如果不对木材的特定位置使用疏水性材料进行封闭，那么在木材含水率调节过程中，水分通过木材端面大量进入木材内部，木材整体含水率保持均匀，在木材微波膨化过程中，木材整体被膨化。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(1)中，当所述木材为生材时，采用窑干方式调整木材的含水率；其中，干燥段的干球温度35℃～60℃，优选45℃；湿球温度30℃～55℃，优选40℃；平衡段的干湿球温度30℃～40℃，优选35℃。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(1)中，对于含水率小于20％的木材采用浸渍处理方式调整木材含水率。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(1)中，木材整体含水率调整中，木材内部含水率偏差小于5％。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(2)中，将不需要膨化的木材层含水率调整至15％以下，将需要膨化的木材层含水率调整为35％～45％。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(2)中，所述疏水性材料选自疏水性树脂、涂料或具有粘附性的烯烃类混合物中的一种或几种，优选热塑性疏水性树脂、熔点在50℃～100℃的烯烃类混合物，进一步选优石蜡、疏水性聚氨酯树脂或环氧树脂。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(2)中，所述疏水性材料的用量为50～500g/m2，优选为100～300g/m2。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(2)中，所述表面包括木材的外表面、横断面中的一种或两种，优选的，横断面为部分横断面。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(3)中，微波辐射处理时的微波频率为0.1～24GHz，优选的微波频率为417MHz～915MHz，微波功率为20～250kW，优选的微波功率为50～200kW，微波处理时间为50s～240s，优选的微波处理时间为60s～200s，所述微波处理时间可以通过微波场开放时间或传送带传输速度进行控制。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(3)中，微波处理所用设备为箱式微波处理设备或隧道式微波处理设备。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(3)中，微波处理中木材温度控制在80℃～300℃之间。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(3)中，所述膨化层和未膨化层可以为一层或多层。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，上述步骤(3)中，所述膨化层和未膨化层的密度相差0.1～0.8g/cm3，优选为0.2～0.4g/cm3。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，所述木材可以是针叶材或阔叶材中的一种或多种；和/或，所述木材可以是原条、原木、锯材、板材中的一种或多种，所述锯材优选为整边锯材，所述板材可以为径切板、弦切板以及径向和弦向之间任意角度的板材。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明提供了一种木材的膨化方法，所述木材的长度为50～200cm，宽度为5～30cm，厚度为3～20cm。
在本发明的一个实施方案中，本发明提供了一种由上述任意一种膨化方法制得的膨化木材。
在本发明中，当木材为生材时，对木材分层含水率调整方法是：对木材的特定部位进行封闭处理，然后采用木材干燥工业常用的窑干方式，其中干燥段的干球温度35℃～60℃，优选45℃，湿球温度30℃～55℃，优选40℃，未封端部分含水率降低至20％以下，封闭部分的含水率调整到30％～50％。如图1中，木材横截面I：对于生材，对芯层采用疏水性材料进行封闭处理，木材表层未进行封闭处理，在干燥工艺条件下，木材表层率先降低，从而达到表层含水率20％以下，芯层木材含水率因为封端处理，水分沿纤维方向移动缓慢，从而使芯层含水率达到30％～50％；图1中木材横截面II，疏水材料涂在木材侧表面以及横截面的外侧，在干燥过程中表层含水率减少缓慢，芯层含水率沿纤维方向移动较快，可实现表层含水率30％～50％，芯层含水率20％以下的目的。
在本发明中，当木材为含水率低于<20％木材时，对木材分层含水率调整方法是：对木材的特定部位进行封闭处理，然后采用木材传统浸渍处理，例如：将封闭好的木材放于室温的冷水中进行浸泡处理，浸泡时间30～10080min；将木材至于30℃～80℃的热水中进行浸泡处理，浸泡时间10～640min；在加压环境下对封闭好的木材进行浸泡处理，所使用的压力方式可为液压或气压，压力大小为0.1～1MPa，浸泡时间10～640min。如图1中，木材横截面I：木材调整表层含水率为30％～50％，而芯层含水率在20％以下；图1中，木材横截面II刚好与木材横截面I相反。
本发明中，木材整体膨化效果与木材的含水率以及微波场体积功率密度以及微波处理时间相关。当微波功率为70-80kW、处理时间为60s～90s时，木材横截面无明显宏观裂隙，浸渍增重率相比未处理材的提高5％～20％；当微波功率为80～100kW、处理时间为90s～120s时，木材横截面裂隙个数100～1500个/m2，横截面裂隙面积比例0％～10％，浸渍增重率相比未处理材的提高20％～50％；当微波功率为100～120kW、处理时间为80s～90s时，木材横截面裂隙个数500～1500个/m2，横截面裂隙面积比例10％～20％，浸渍增重率相比未处理材的提高50％～100％；当微波功率为130～140kW、处理时间为80s～90s时，木材横截面裂隙个数1500～5000个/m2，横截面裂隙面积比例20％～30％，浸渍增重率相比未处理材提高100％～150％；当微波源功率为130～140kW、处理时间为100s～120s时，木材横截面裂隙个数5000～10000个/m2，横截面裂隙面积比例30％～35％，浸渍增重率相比未处理材提高150％～300％。
本发明中，通过控制木材的封闭位置，可以控制木材的含水率差异化位置，通过水分在木材内部的含量多少、微波体积功率密度大小和处理时间，可以实现膨化木材的位置和膨化效果控制。例如，控制较高的水分在封闭后的木材四周均匀分布，控制微波场体积功率密度和微波处理时间，可以获得环状膨化的木材；控制较高的水分在封闭后的木材中心，控制微波场体积功率密度和微波处理时间，可以获得中心膨化的木材；控制较高的水分在封闭后的木材的一个表面均匀分布，控制微波场体积功率密度和微波处理时间，可以获得层状膨化的木材；控制较高的水分在封闭后的木材的两个表面均匀分布，控制微波场体积功率密度和微波处理时间，可以获得多层膨化的木材。
例如：当木材的芯层含水率为30％～50％，表层(厚度1～3cm)含水率低于20％，微波处理条件：微波源功率为130kW～140kW，处理时间100s～120s，所得膨化木材：木材表层未出现宏观裂隙，芯层膨化，体积膨胀5％～15％，横截面裂隙比例5％～10％；当木材的表层(厚度1-5cm)含水率为30％～50％，芯层含水率低于20％的木材，微波处理条件：微波源功率为130kW～140kW，处理时间100s～120s，所得膨化木材：木材芯层未膨化，表层膨化，木材表层体积膨胀5％～15％，横截面裂隙比例5％～10％。
本发明所述“木材整体含水率”又称木材绝干含水率，是指木材中水分质量占木材绝干质量的百分比。
本发明所述“木材分层含水率”是指木材不同厚度方向上含水率，包括木材表层含水率和木材芯层含水率。
本发明所述“生材”是指刚刚砍伐的新木材(没有固定的含水率)。
本发明所述“木材表层”是指木材表层1～3cm厚度的木材。
本发明所述“木材芯层”是指木材表层以内的木材。
本发明所述“木材横截面”是指垂直于木材长轴方向的截面。
本发明所述“干球温度”是指温度计在普通空气中所测出的温度。
本发明所述“湿球温度”是指同等焓值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度，在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至100％相对湿度线上，对应点的干球温度。
本发明所述“浸渍增重率”是指木材浸渍前后质量增加的百分率。
本申请中含水率单位％均为质量百分比。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：。
(1)本发明采用疏水性材料对比木材的外侧面和/或横截面进行封闭，能够实现木材内部含水率的差异化分布，使得木材膨化效果多样化，膨化程度从不存在显著的宏观裂隙到存在均匀的一定面积比例的膨化裂隙，膨化效果灵活可控，可获得不同膨化位置分布的膨化木材，可以是整体均匀膨化的木材，也可以是膨化位置呈层状或环状分布的膨化木材，所得膨化木材浸渍性能要明显高于未处理的木材，同时增加了木材吸声和缓冲能量等功能性的作用。。
(2)根据本发明膨化方法得到的膨化木材，其膨化位置结构疏松，剖面密度减小，与原木材相比，所得膨化木材体积增加，流体渗透性增大，木材化学成分改变，木质素、纤维素、半纤维素含量减少，纤维素结晶区被破坏，木材药品可及度增加，具有良好的吸声效果；另外，膨化之后的木材在厚度方向具有一定的压缩和回弹性能，可以作为一种缓冲材料，具有一定的隔振效果，例如，作为地板基材可以很好的提高地板的缓冲和隔振性能。
(3)本发明在木材处理过程中没有使用任何化学物质，获得的膨化木材环境友好，便于二次加工利用。
(4)按照本发明的方法制备膨化木材，所用时间短，操作设备简单，操作方法容易控制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：
图1表达了在木材分层含水率调整时采用疏水性材料封闭木材横截面的不同区域。
图2是根据本发明实施例1所得膨化木材的木材均匀膨化图。
图3是根据本发明实施例3所得膨化木材的木材分层膨化(表层膨化)图。
图4是根据本发明实施例4所得膨化木材的木材分层膨化(芯层膨化)图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1木材整体均匀膨化
处理对象：尺寸为22cm(宽)*12cm(厚)*200cm(长)的樟子松锯材，含水率为40％。
具体步骤如下：
(1)将樟子松锯材采用干燥窑调整含水率，其中，干燥段：干球温度55℃，湿球温度50℃，平衡段：干湿球温度35℃，使樟子松锯材整体的含水率控制在45％；
(2)采用连续隧道式微波处理设备(南京三乐微波技术发展有限公司，型号为WX100L，以下相同)对木材进行微波处理，为了得到不同膨化程度的均匀膨化木材，选择了2个功率和2个处理时间，处理工艺参数为：微波频率915MHz，微波源功率分别为100kW和200kW，微波处理时间分别为80s和120s，得到均匀膨化木材，如图2所示。
根据步骤(2)所得膨化木材浸渍增重率和膨化技术指标，如表1所示。
实施例2
处理对象：尺寸为22cm(宽)*12cm(厚)*200cm(长)的樟子松生材。
具体步骤：
(1)如图1I：对于生材的芯层采用环氧树脂进行封闭处理，环氧树脂用量为150g/m2；
(2)采用窑干方式调整木材的含水率，其中干燥段的干球温度45℃，湿球温度40℃，平衡段的干湿球温度为35℃，
(3)取出板材，使用隧道式微波设备进行木材膨化，微波功率140kW，腔体尺寸15cm*30cm*50cm，传送带速度1.5m/min，该木材随着传送带运动，穿过谐振腔后即完成木材膨化处理，获得膨化木材。
实施例3
处理对象：尺寸为22cm(宽)*12cm(厚)*200cm(长)的樟子松木材，木材含水率为10％。
具体步骤：
(1)使用环氧树脂对樟子松木材横截面芯部完全封闭，树脂用量为150g/m2，然后将封闭后的木材在常温状态下的水中浸泡24小时，木材表层含水率调整为50％左右，芯层含水率为20％以下；
(3)取出板材，使用隧道式微波设备进行木材膨化，微波功率140kW，腔体尺寸15cm*30cm*50cm，传送带速度1m/min，该木材随着传送带运动，穿过谐振腔后即完成木材膨化处理，获得膨化木材。
通过肉眼和软X射线方式观察和测定该膨化木材端面，发现木材上下两个表面发生膨化，芯层未发现膨化裂隙，该膨化木材结构示意图如图3所示。
实施例4
处理对象：尺寸为22cm(宽)*12cm(厚)*200cm(长)的杨木木材，含水率为7％。
具体步骤：
(1)使用熔点为60℃的石蜡对杨木木材横截面非芯部和四个外表面进行完全封闭，石蜡用量为60g/m2，然后将封闭后的木材在常温状态下的浸渍罐中加压浸泡6小时，浸渍压力1MPa；
(2)取出板材，使用微波设备进行木材膨化，微波功率200kW，腔体尺寸50cm*50cm*50cm，微波处理时间3min，完成木材膨化处理，获得膨化木材。
通过肉眼和软X射线方式观察和测定该膨化木材端面，发现中心位置发生膨化，呈带状均匀分布，该膨化木材结构示意图如图4所示。
性能测试
增重率测定：按照GB/T 31754-2015《改性木材生产技术规范》要求对于实施例1中的不同工艺下膨化木材的浸渍增重率进行测量，试材尺寸150mm(纵)×20mm(弦)×20mm(径)，浸渍压力0.8MPa，处理时间5min；
膨化木材裂隙测试：按照《木材微波处理工艺及其液体浸注性能研究》中的方法对于实施例1中的不同工艺下膨化木材的裂隙参数进行评价；
密度测定：使用软X射线密度分析方法连续测定实施例2～4中膨化层的密度变化；
木材尺寸测定：参照国标GB/T 4822-2015测定木材的尺寸，对于实施例1～4中的膨化后木材体积变化率进行评价。
结果如表1和2所示。
表1樟子松整体均匀膨化木材技术指标
从表1结果可知，控制木材内部一定的含水率，通过不同的微波处理工艺参数可以得到不同程度的均匀膨化木材，膨化木材的浸渍性能相比未处理材显著提高。
表2樟子松分层膨化木材技术指标
从表2结果可以看出，微波处理后木材膨化位置体积增大，密度减小，且被膨化部分可以控制在木材表层、芯层等位置，呈环状或层状分布，而普通的木材膨化方法无法获得位置可控的膨化木材，只能获得随机的膨化效果。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (11)

1.一种木材的膨化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调整木材整体含水率：采用木材干燥工业常用的窑干方式和/或浸渍处理方式调整木材整体含水率，调整木材整体含水率为30％～50％；
(2)调整木材分层含水率：采用疏水性材料对木材特定断面或侧表面位置进行封闭处理，然后采用窑干方式和/或浸渍处理调整木材分层含水率，将不需要膨化的木材层含水率调整至20％以下，将需要膨化的木材层含水率调整为30％～50％，所述疏水性材料选自疏水性树脂、涂料或具有粘附性的烯烃类混合物中的一种或几种，所述疏水性材料的用量为50～500g/m2；
(3)将步骤(2)所得含水率差异化的木材进行微波辐射处理，使木材膨化，得到膨化木材，其中，微波处理前含水率在20％以下的木材层变为未膨化层，微波处理前含水率在30％～50％的木材层变为膨化层；其中，所述膨化层和未膨化层的密度相差为0.1-0.8g/cm3，微波辐射处理时的微波频率为0.1～24GHz，微波功率为20～250kW，微波处理时间为50s～240s。
2.根据权利要求1所述的膨化方法，其特征在于：上述步骤(1)中，当所述木材为生材时，采用窑干方式调整木材的含水率；其中，干燥段的干球温度35℃～60℃；湿球温度30℃～55℃；平衡段的干湿球温度30℃～40℃；
和/或，上述步骤(1)中，对于含水率小于20％的木材采用浸渍处理方式调整木材含水率。
3.根据权利要求2所述的膨化方法，其特征在于：干燥段的干球温度为45℃；湿球温度为40℃；平衡段的干湿球温度为35℃。
4.根据权利要求1所述的膨化方法，其特征在于：上述步骤(1)中，木材整体含水率调整中，木材内部含水率偏差小于5％。
5.根据权利要求1所述的膨化方法，其特征在于：上述步骤(2)中，将不需要膨化的木材层含水率调整至15％以下，将需要膨化的木材层含水率调整为35％～45％。
6.根据权利要求1所述的膨化方法，其特征在于：上述步骤(2)中，所述疏水性材料选自热塑性疏水性树脂、熔点在50℃～100℃的烯烃类混合物中的一种或两种；和/或，所述疏水性材料的用量为100～300g/m2。
7.根据权利要求6所述的膨化方法，其特征在于：所述疏水性材料选自石蜡、疏水性聚氨酯树脂或环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的膨化方法，其特征在于：上述步骤(3)中，微波辐射处理时的微波频率为417MHz～915MHz，微波功率为50～200kW，微波处理时间为60s～200s。
9.根据权利要求1所述的膨化方法，其特征在于：上述步骤(3)中，微波处理所用设备为箱式微波处理设备或隧道式微波处理设备；
和/或，微波处理中木材温度控制在80℃～300℃之间。
10.根据权利要求1所述的膨化方法，其特征在于：上述步骤(3)中，所述膨化层和未膨化层的密度相差为0.2-0.4g/cm3
11.根据权利要求1-7任意一项所述膨化方法制得的膨化木材。
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