CN108582377A - 一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法及其制备的压缩木 - Google Patents

一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法及其制备的压缩木 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木材压缩‑原位带压热处理一体化的方法及其制备的压缩木，该方法包括以下步骤：(1)干燥阶段；(2)铺装；(3)加热；(4)双阶段压力压缩处理；(5)热处理；(6)应力消除；(7)卸载。本发明可以大幅提高木材整体压缩的质量，并能控制木材的压缩回弹，提高处理木材的平整度，处理过程无化学污染，生产成本低，操作较为简便，具有高效、环保等优点。实现木材的整体压缩及变形永久固定，该方法能改善木材的力学性能和尺寸稳定性，同时克服热处理木材抗弯强度和握螺钉力差的缺点。

Description

一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法及其制备的压 缩木
技术领域
本发明属于木制品生产工艺技术领域，更具体地，涉及一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法及其制备的压缩木。
背景技术
随着人口增长和人民生活水平的提高，人们对木制产品的需求不断增长。近五年我国年均木材消费量超过1.4亿m3，其中每年从国外进口木材约0.7亿m3，对外依存度高达50％。我国人工林木材资源十分丰富，根据第八次全国森林资源普查(2009-2013)，现有人工林面积0.69亿ha，蓄积24.83亿m3，位居世界第一。然而，速生人工林木材密度低、材质软及稳定性差，主要应用于胶合板、制浆造纸和物流托架等领域，实木化利用程度非常低。当前，众多科研人员开展了速生人工林木材改性研究，旨在提高人工林木材的质量以替代传统的天然林优质木材。因此，人工林木材资源的提质优化及高效利用是缓解国内木材供需矛盾的关键。
木材密度与其诸多物理力学性能如尺寸稳定性、抗弯强度等指标呈正相关，通过机械压缩制备的压缩木可明显改善人工林速生软质木材的各项性能，实现劣材优用。早在20世纪30年代，美国、德国的军用飞机上就使用压缩木代替金属材料，目的是防止被雷达发现；我国在20世纪50年代末和60年代初也曾研制出压缩木锚杆和木梭。然而，压缩木在高湿环境下使用时产生吸湿回弹，尺寸稳定性变差，因此固定压缩木的变形是压缩木技术应用的基础。中国专利CN101700668A公开了一种“木材压缩炭化定型方法”，具体步骤如下：(1)把木材软化后进行压缩，压缩率为15～30％；(2)在干燥室中进行高温蒸汽处理，处理后木材的含水率控制在6～8％。又如中国专利CN107053397A公开了“一种压缩木材变形固定的方法”，具体步骤如下：(1)码垛：将压缩木材进行码垛，再推入热处理设备，进行热处理；(2)预热阶段：在10～30分钟内将干球温度由室温均匀升高至60～80℃，干湿球温差控制在2～10℃；(3)干燥阶段：在10～30分钟至40～60分钟内将干球温度均匀由60～80℃升高至100～120℃；(4)炭化阶段：在40～60分钟至70～90分钟内，热处理温度均匀的由100～120℃升高至预设的热处理温度150～240℃，保温0.5～8小时，通过喷加蒸气的方式使蒸汽压力保持在0.15～3兆帕，且使热处理设备内蒸汽压力处于不饱和状态；(5)降温阶段：进行降温处理，且在降温处理阶段始终使热处理设备内蒸气压力处于不饱和状态，最终得到成品。上述两种公开的方法都采用先压缩再进行后处理(高温蒸汽处理)来固定压缩木变形，压缩木会因后处理不及时或处理过程中吸湿回弹，另外压缩木在高温蒸汽处理时由于温度、含水率分布不均容易出现扭曲变形甚至开裂等缺陷，木材降等严重。
高温蒸汽处理能固定压缩木变形的原因主要有两点：(1)高温加热使木材半纤维素和木质素发生降解，木材内部游离羟基浓度减少，木材吸湿性降低；(2)木材在高温状态下具有可塑性，木材压缩过程积聚的应力在高温加热时部分释放。利用热处理固定木材压缩变形方法简单、操作简便，然而，常压高温蒸汽处理使木材变脆，木材力学强度损失较大。如文献(Esteves B,Marques A V,Domingos I,et al:Influence ofsteam heating onthe properties ofpine(Pinuspinaster)and eucalypt(Eucalyptus globulus)wood,Wood Science and Technology,2007,41(3):193-207)利用190～210℃常压高温蒸汽处理松木和桉木，两个树种的质量损失率最大达到7.3％(松木)和14.5％(桉木)，抗弯强度最大降低40％和50％。文献(Korkut S,M S,Korkut D S,et al:The effects of heattreatment on technological properties in Red-bud maple(Acer trautvetteriMedw.)wood,Bioresource Technology,2008,99(6):1538-1543)同样利用高温蒸汽处理枫香木材，木材力学强度随处理温度和时间增加而降低，其中抗弯强度最大降低32％，抗冲击韧性最大降低43％，这对木材作为承重部件或与金属连接件接合时尤为不利。针对木材高温热处理力学强度损失控制研究，中国专利CN101774195A公开了“一种改善超高温热处理木材性能的方法”，其步骤包括：(1)取硼化物配制成水溶液，然后用硼化物水溶液对木材进行浸注处理，使硼化物在木材中的载药量为2.8～12kg/m3；(2)将木材气干后再进行干燥和热处理。又如中国专利CN104985657A公开了一种“增强型高温热处理木材及其制造方法”，制造方法包括以下步骤：(1)高温热处理：以人工林木材为原材料，对人工林木材进行高温热处理，得热处理材；(2)浸渍增强处理：将步骤(1)所得热处理材浸渍于树脂胶黏剂中，得浸渍材；(3)固化定型处理：将步骤(2)所得浸渍材进行固化定型处理，得增强型高温热处理木材。上述两种公开的方法虽能降低热处理材力学强度的损失，但处理过程添加化学药剂容易对环境造成污染，同时也无法应用在机械压缩木后处理固定变形中。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足和缺点，提供一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法。该方法利用双阶段压力在超绝干状态下压缩木材，然后原位带压热处理永久固定压缩木的变形，克服了现有技术引起的压缩层吸湿回弹、力学强度损失及内应力引起的木材使用变形。
本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的压缩木。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，包括以下具体步骤：
S1.铺装：将干燥木材单排整齐地铺装在热压机的压板之间，木材两侧放置厚度规；
S2.加热：将热压板升温至120～150℃，压力维持在0.5～2兆帕，对木材进行加热使其达到超绝干状态；
S3.双阶段压力压缩处理：加热阶段结束后，升压至8～12兆帕进行第一次压缩处理，将木材压缩至需求厚度，第一次保压后卸压；然后再升压至4～6兆帕进行第二次压缩处理，第二次保压后降压至1.5～3兆帕；
S4.热处理：将热压板升温至160～250℃，压力维持在1.5～3兆帕，进行热处理；
S5.消除应力：热处理结束后，将热压板降温至20～45℃，降温的过程中将木材心和木材表层的温差控制在5～20℃；
S6.卸载：压机泄压，张开压板，将木材取出，即为压缩木材。
优选地，步骤S1中所述的木材为速生橡胶木、杉木、松木、杨木或桉木中的一种以上，所述干燥木材的含水率为8～15％。
优选地，步骤S2中所述的升温速率为90～110℃/小时，所述加热的时间为70～120分钟。
更为优选地，步骤S2中所述的温度为125～135℃，所述的压力为0.8～1.2兆帕。
优选地，步骤S2中所述的超绝干状态为木材的含水率为-0.5％～-2％，木材的芯部温度达到110～150℃。
更为优选地，木材的芯部温度达到125～135℃。
优选地，步骤S3中所述的第一压缩处理的时间为30～60秒；所述第一次保压的时间为180～360秒，所述卸压的时间为30～60秒；所述第二压缩处理的时间为15～30秒，所述第一次保压的时间为240～480秒；所述降压的时间为15～30秒。
优选地，步骤S4中所述的温度为185～220℃，所述升温的速率为80～100℃/小时，所述热处理的时间为0.5～6小时；所述压力为1.5～3兆帕。
更为优选地，所述热处理的时间为1～4小时，所述压力为1.5～2.5兆帕。
优选地，步骤S5中所述降温的时间为25～40分钟。
一种根据上述的方法制备的压缩木材。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的方法对木材进行压缩和原位热处理固定变形，由于木材内存在水分，木材内部温度分布不均，而且会在压缩过程中形成较大的水蒸气压力，使木材产生较大的应力及鼓泡。本发明以120～150℃热压温度加热木材70～120分钟，木材内部温度均匀分布，木材处于超绝干状态，在此状态下压缩可形成断面密度分布均匀的压缩，克服鼓泡，减小压缩材内应力。
2.本发明采用双阶段压力压缩木材，两次卸压有效缓解压缩木材内部应力，同时木材内部水蒸气分压减小，防止木材细胞壁破坏。
3.本发明采用原位带压热处理可实现一步法将木材压缩和变形永久固定，操作简单，节省时间和能耗；压缩木在压力压制下进行热处理，木材半纤维素和木质素发生降解，木材稳定性提高，而压缩层的固化有效控制了木材力学强度损失，同时木材的平整度大幅提高。
4.本发明采用冷却水降温，散热效率高，压缩木内外温度梯度控制在5～20℃，热残余应力Y<1.0％(叉尺法)，减小木材变形。
附图说明
图1为实施例1中橡胶木绝干对照材和压缩-热处理材的断面密度分布(VDP)。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
实施例1
(1)将尺寸为1000×110×24mm泰国橡胶木锯材干燥至含水率12％，经双面刨光后得最终厚度为20.5mm；
(2)把20.5mm厚橡胶木板单排整齐地铺装在热压机的压板之间，每次放置4块，共进行3次试验，板材两侧放置18mm厚度规；
(3)开启热压机的加热系统和加压系统，压力设定为1.2兆帕，温度设定为135℃，升温速率100℃/小时，加热90分钟，木材含水率降低至-1.1％，在线测量木材芯部温度达到135℃；
(4)加热阶段结束后压机压力升高至10兆帕，在60秒内将木材压缩至目标厚度，保压300秒，然后在60秒内完全卸压；第一压缩处理阶段结束后压机压力在30秒内升高至6兆帕，保压480秒，然后在30秒内压机压力降低至2兆帕；
(5)热压板温度以100℃/小时的升温速率升高至200℃，压力维持2兆帕，温度达到目标温度后，热处理1.5小时；
(6)热处理结束后上下热压板通入冷却水进行冷却，在40分钟内将压板温度降低至35℃，冷却过程中木材心、表层温差保持在10℃范围内；
(7)压机泄压，张开压板，将木材取出。
图1为橡胶木绝干对照材和压缩-热处理材的断面密度分布(VDP)，木材的VDP是利用意玛X射线剖面密度分析仪DPX-300LTE测试所得，扫描速度0.05毫米/秒，X射线源电压为29千伏。经检测，橡胶木的实际厚度为18.1mm，瞬时回弹为4％，实际压缩率为11.7％，热残余应力为0.6％，24小时冷水浸泡回弹率为6％，橡胶木处理材的抗弯强度和握螺钉力比对照材分别提高了8％和12％。
实施例2
(1)将尺寸为930×120×26mm杨木板材干燥至含水率10％，最终厚度为24mm；
(2)把24mm厚杨木板单排整齐地铺装在热压机的压板之间，每次放置4块，共进行3次试验，板材两侧放置20mm厚度规；
(3)开启热压机的加热系统和加压系统，压力设定为2兆帕，温度设定为120℃，升温速率100℃/小时，加热75分钟，木材含水率降低至-0.9％，在线测量木材芯部温度达到120℃；
(4)加热阶段结束后压机压力升高至12兆帕，在45秒内将木材压缩至目标厚度，保压300秒，然后在45秒内完全卸压；第一压缩处理阶段结束后压机压力在30秒内升高至6兆帕，保压420秒，然后在30秒内压机压力降低至3兆帕；
(5)热压板温度以100℃/小时的升温速率升高至185℃，压力维持3兆帕，温度达到目标温度后，热处理3小时；
(6)热处理结束后上下热压板通入冷却水进行冷却，在30分钟内将压板温度降低至25℃，冷却过程中木材心、表层温差保持在6℃范围内；
(7)压机泄压，张开压板，将木材取出。
利用意玛X射线剖面密度分析仪DPX-300LTE测试所得，扫描速度0.05毫米/秒，X射线源电压为29千伏，经检测，杨木的实际厚度为20.2mm，瞬时回弹为5％，实际压缩率为15.8％，热残余应力为0.8％，24小时冷水浸泡回弹率为9％。杨木处理材的抗弯强度和握螺钉力比对照材分别提高了15％和22％。
实施例3
(1)将尺寸为980×105×23.5mm的马尾松板材干燥至含水率15％，最终厚度为22mm；
(2)把22mm厚的马尾松木板单排整齐地铺装在热压机的压板之间，每次放置4块，共进行3次试验，板材两侧放置20mm厚度规；
(3)开启热压机的加热系统和加压系统，压力设定为0.6兆帕，温度设定为150℃，升温速率100℃/小时，加热100分钟，木材含水率降低至-1.6％，在线测量木材的芯部温度达到148℃；
(4)加热阶段结束后压机压力升高至8兆帕，在45秒内将木材压缩至目标厚度，保压300秒，然后在45秒内完全卸压；第一压缩处理阶段结束后压机压力在30秒内升高至4兆帕，保压420秒，然后在30秒内压机压力降低至1.5兆帕；
(5)热压板温度以100℃/小时的升温速率升高至230℃，压力维持1.5兆帕，温度达到目标温度后，热处理4小时；
(6)热处理结束后上下热压板通入冷却水进行冷却，在40分钟内将压板温度降低至40℃，冷却过程中木材心、表层温差保持在18℃范围内；
(7)压机泄压，张开压板，将木材取出。
利用意玛X射线剖面密度分析仪DPX-300LTE测试所得，扫描速度0.05毫米/秒，X射线源电压为29千伏。经检测，马尾松木板的实际厚度为20.06mm，瞬时回弹为3％，实际压缩率为8.8％，热残余应力为0.9％，24小时冷水浸泡回弹率为4％。马尾松处理材的抗弯强度和握螺钉力比对照材分别提高了6％和7％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.铺装：将干燥木材单排整齐地铺装在热压机的压板之间，木材两侧放置厚度规；
S2.加热：将热压板升温至120～150℃，压力维持在0.5～2兆帕，对木材进行加热使其达到超绝干状态；
S3.双阶段压力压缩处理：加热阶段结束后，升压至8～12兆帕进行第一次压缩处理，将木材压缩至需求厚度，第一次保压后卸压；然后再升压至4～6兆帕进行第二次压缩处理，第二次保压后降压至1.5～3兆帕；
S4.热处理：将热压板升温至160～250℃，压力维持在1.5～3兆帕，进行热处理；
S5.消除应力：热处理结束后，使用冷却水将热压板降温至20～45℃，降温过程中将木材芯层和木材表层的温差控制在5～20℃；
S6.卸载：压机泄压，张开压板，将木材取出，即为压缩木材。
2.根据权利要求1所述的木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，步骤S1中所述的木材为速生橡胶木、杉木、松木、杨木或桉木中的一种以上，所述干燥木材的含水率为8～15％。
3.根据权利要求1所述的木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，步骤S2中所述的升温速率为90～110℃/小时，所述加热的时间为70～120分钟。
4.根据权利要求1所述的木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，步骤S2中所述的温度为125～135℃，所述的压力为0.8～1.2兆帕。
5.根据权利要求1所述的木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，步骤S2中所述的超绝干状态为木材的含水率为-0.5％～-2％，木材的芯部温度达到110～150℃。
6.根据权利要求1所述的木材压缩-原位带压热一体化的处理方法，其特征在于，步骤S3中所述的第一压缩处理的时间为30～60秒；所述第一次保压的时间为180～360秒，所述卸压的时间为30～60秒；所述第二压缩处理的时间为15～30秒，所述第二次保压的时间为240～480秒；所述降压的时间为15～30秒。
7.根据权利要求1所述的木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，步骤S4中所述的温度为185～220℃，所述升温的速率为80～100℃/小时，所述热处理的时间为0.5～6小时；所述压力为1.5～3兆帕。
8.根据权利要求7所述的木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，所述热处理的时间为1～4小时，所述压力为1.5～2.5兆帕。
9.根据权利要求1所述的木材压缩-原位带压热处理一体化的方法，其特征在于，步骤S5中所述降温的时间为25～40分钟。
10.一种根据权利要求1～9任一项所述的方法制备的压缩木。
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