CN108638277B - 一种具有稳定耐久性木质结构材的制备方法及木质结构材 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的具有稳定耐久性的木质结构材的制备方法及木质结构材，属于木材保护与改性技术领域。包括表层热改性形成的保护性外壳和芯层，芯层为在制备过程中通过工艺控制形成温度停滞区所制得的支撑性骨架。其制备方法首先将木材进行锯解与刨光，然后对其进行干燥并控制其含水率，通过工艺方法在木材表层与芯层之间形成含水度梯度，之后采用平板式热压机对木材表面进行加热处理并在加热过程中控制芯层温度，最后对木材进行调湿处理。本发明的主要用途是通过对木材初始含水率水平和内部含水率梯度的科学控制，调节木材表层和芯层的升温速率，在芯层形成常规工艺所没有的温度停滞区，在提高木材尺寸稳定性的同时不影响其力学强度。

Description

一种具有稳定耐久性木质结构材的制备方法及木质结构材

技术领域

本发明涉及木材保护与改性技术领域，更具体地说，涉及一种具有稳定耐久性的木质结构材的制备方法及木质结构材。

背景技术

木材是一种应用广泛的生物质材料，具有强重比高，色泽纹理美观等优点，但木材易受真菌和昆虫的侵害，在受潮时会吸水发生膨胀、变形甚至开裂，是木材应用的主要制约因素。木材热处理也称木材热改性，是提高木材尺寸稳定性和生物耐久性的有效途径，它将木材置于200℃左右的温度下加热处理，使木材中的半纤维素发生降解，由于木材中的亲水基团主要存在于半纤维素中，因而半纤维素降解后木材中的亲水基团数量下降，使木材与水的结合能力降低，木材的尺寸稳定性得以提高。此外，半纤维素含量和亲水性的降低也使木材中的营养物质和水分减少，不利于真菌的生长，木材的生物耐久性也因此获得增强。但是木材热处理工艺也存在不足，半纤维素的降解使木材的内部结构受到一定程度的破坏，木材的力学强度，特别是抗弯强度出现较为显著的下降，使热处理材的应用限制在非结构用材，难以用作承重部件。

中国专利申请号：201711212238.0，申请日：2017 年11月28 日，发明创造名称为：一种对板材用木材进行碳化处理的方法，该申请案的首先选择中密度的木材并切割成长方体型；将切割后的木材使用加热油加热并放入压力机中对木材进行压紧；将压紧后的木材再次进行加热以及加压，最后对木材进行脱油制得成品。

中国专利申请号：201711212371.6，申请日：2017 年11月28 日，发明创造名称为：一种提高木材碳化效果的方法，该申请公开了一种提高木材碳化效果的方法，首先选择高密度的木材并切割成长方体型；将切割后的木材放入热空气罐内并进行热空气加热，然后对木材进行压紧；将一次压紧后的木材使用油进行加热；再次进行压紧降温后，进行脱油处理制得成品。

现有技术没有考虑到木材加热过程中温度性的提高所导致的力学性能下降的问题，而热处理材稳定性的提高与力学性能的下降之间存在一定不可调和性，因为两者是由同一机理引起的，即都是由半纤维素的降解引起，半纤维素降解程度越高，木材的稳定性改善就越好，但强度下降就越显著。目前现有技术已有一些方法尝试解决这一问题，如先将木材压缩后再进行热处理，通过密度的提高解决强度下降的问题，或者热处理后通过向木材中添加化学药剂来进行增强处理，但这些方法都属于联合改性工艺，由几个不同阶段构成，使工艺变得复杂化，延长了周期，增加了成本，也可能带来新的环境排放问题。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中的木材内部温度升温过快、不易控制内部温度、木材强度显著下降等不足，通过对木材初始含水率水平和内部含水率梯度的科学设置而制备一种新型的木质结构材，解决了上述现有技术的问题。

技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种具有稳定耐久性木质结构材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将木材锯解为厚度大于5cm的板材，并进行表面刨光；

步骤2，对木材进行干燥，将其含水率平均值控制在15%~17%范围，通过加大干燥窑内气流循环速度以适度增加木材表层水分蒸发速度，在木材表层与芯层之间形成含水度梯度，表层含水率低于芯层4%~6%；

步骤3，采用平板式热压机对木材上下表面进行加热处理，所述平板式热压机上下压板温度为200℃~220℃，压力为0.2MPa~0.3MPa，加热过程监测木材表芯层温度，待表层温度达到180℃后持续1~2h后停止加热，加热过程中须确保芯层温度不超过140℃；

步骤4，对木材在温度20℃，相对湿度65%条件下进行调湿处理。

作为本发明更进一步的改进，如果木材在使用过程中仅上下表面与环境接触，则采用上述步骤，若木材在使用中4个侧面都与环境接触，则在步骤3完成后还需进行左右侧边的热处理，其步骤为：

步骤1，在木材上下表面处理完成后，将木材至于温度70℃，相对湿度96%的环境中调节木材含水率至20.8%；

步骤2，在温度70℃，相对湿度87%的环境中对木材进行干燥，通过调高窑内气流循环速度，增大表层水分挥发速度，使含水率平均值控制在15%~17%范围，且木材表层与芯层之间含水率梯度差值在4%~6%；

步骤3，采用平板式热压机对木材左右侧边进行加热处理，所述平板式热压机上下压板温度为200℃~220℃，压力为0.2MPa~0.3MPa，加热过程监测木材表芯层温度，待表层温度达到180℃后持续1~2h后停止加热，加热过程中须确保芯层温度不超过140℃。

一种具有稳定耐久性的木质结构材，其特征在于通过上述的制备方法制备而成。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）本发明所采用的方法对木材表面进行了热改性，使其具有较好的稳定性与耐久性，形成保护性外壳，而芯层未发生显著化学变化，强度保持不变，成为支撑性骨架，克服了现有热处理材强度显著下降的缺点。

（2）传统热处理需要专门配备热处理窑并制备传热介质，投资与运行成本都较为可观，而本方法在普通热压机上即可完成，处理设备简单，无需专门的处理装置和对流加热介质，降低了额外投资。

（3）本发明制备方法开放式的处理环境起到了冷却的作用，提高了处理的安全性，使木材在加热时芯层热量能够向环境持续释放，进一步降低其升温速率。

本发明方法原理简单，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明木质结构材的结构示意图；

图2为本发明制备方法的步骤图；

图3为使用本发明原料制备方法对规格为40cm×10cm×10cm（长×宽×高）的花旗松试材进行平板加热处理时表层和芯层温度变化图；

图4为未经本发明原料制备方法对规格为100cm×10cm×10cm（长×宽×高）的花旗松试材进行平板加热处理时表层和芯层温度变化图。

图中标号说明：1-表层保护性外壳；2-芯层支撑性骨架。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明方法作详细描述。

步骤1，对木材进行锯解和刨光。在木材树种与规格方面，使用厚度大于5cm的针叶树刨光板材。厚度大于5cm是考虑木材作承重用途，对断面尺寸有一定要求。此外，在技术上较高的厚度规格也易在木材表芯层形成足够温度差。刨光的表面有利于木材和加热板的紧密结合，提高传热效果。

步骤2，木材预处理，对木材进行干燥，将其含水率平均值控制在15%~17%范围，通过加大干燥窑内气流循环速度以适度增加木材表层水分蒸发速度，在木材表层与芯层之间形成含水度梯度，表层含水率低于芯层4%~6%。而传统热处理工艺中，木材初始含水率一般在3%左右，且木材芯部与表层含水率应力求一致，以使水分在木材中分布均匀，防止木材由于含水率分布不均而产生内部应力。本方法反其道而行之，有意提高木材的初始含水率，并在表芯层形成一定含水率梯度。含水率越高木材的比热就越大，单位升温所消耗的热量越多，木材表层含水率低，升温速度就相对较快，芯层含水率高，升温速度相对较慢，两者的差异有助于在处理过程中拉开表芯层的温度。更重要的是，在总含水率水平较高的情况下，木材内部有足够的水分在加热过程中蒸发，在达到100℃时发生沸腾，在此过程中大量吸热，使芯部温度水平在一段时间内保持稳定，形成温度停滞区，进一步拉大表芯层的温度差。同时，在热处理条件水平下，木材表层的无定形组织（半纤维素和木素）快速达到玻璃态转化点，流动性增强，使得木材可以承受因表芯层含水率差异带来的内应力。同时，针叶材较为均匀的细胞结构也有助于提高其抗应力水平，因而处理材最终的表面质量也能够得到保障。需要注意的是，在这一步处理中也不能将木材的初始含水率水平和表芯层含水率梯度进一步提高，以防止木材表芯层出现过高应力而发生破坏。

步骤3，采用平板式热压机对木材上下表面进行加热处理，将上下压板温度调至200℃~220℃，待压板温度达到设定温度后，将木材放置于压板之间，闭合压机，使压板紧密贴合木材，压力控制在0.2MPa~0.3MPa，使木材被紧密压贴的同时避免被压溃变形。监测木材表芯层的温度，待表层温度达到180℃并持续1~2h后停止加热，其间注意监测芯层温度，确保芯层温度不超过140℃。

步骤4，调湿处理。如木材在使用中仅上下表面与环境接触，则步骤3完成后即可对木材在温度20℃，相对湿度65%条件下进行调湿处理，使其含水率与使用环境相协调。

如木材在使用中4个侧面都裸露在环境中，则还需进行左右侧边的热处理。方法是，在步骤3上下表面加热处理完毕后，将木材置于温度70℃，相对湿度96%的环境中调节木材含水率至20.8%，然后在温度70℃，相对湿度87%的环境进行干燥，在此期间适当调高窑内气流循环速度，增大表层水分挥发速度，使含水率平均值再次在15%~17%范围，且木材表层与芯层之间含水率梯度差值在4%~6%，按照步骤3的加热处理工艺对木材左右侧边进行加热处理，待表层温度达到180℃并持续1~2h后停止加热，其间注意监测芯层温度，确保芯层温度不超过140℃，完成后在温度20℃，相对湿度65%条件下对木材进行调湿处理，与其含水率与使用环境相协调。

经该方法制备所得的木质结构材在表层经热改性形成保护性外壳，内部未发生显著化学变化，故强度保持不变而形成支撑性骨架，如图1所示。

图2为对规格为40cm×10cm×10cm（长×宽×高）的花旗松试材进行平板加热处理时表层和芯层温度变化图。按照本发明的试材预处理方法，控制试材初始含水率15.5%，表芯层初始含水率梯度4%，加热板设定温度220℃。试验数据显示，木材表芯层之间一直保持较大温度差，表层木材温度最终达到192.2℃，芯层温度控制在124.5℃，远低于木材发生热改性的临界温度（160℃）。从图2中可以看出，试验过程中，芯层温度在第80min到第170min间保持不变，即约有90min维持在100℃左右，形成了显著的温度停滞区。处理结束后木材未发生显著开裂和变形。

图3为对规格为100cm×10cm×10cm（长×宽×高）的花旗松试材进行平板加热处理时表层和芯层温度变化图。按传统试材预处理方法，控制试材初始含水率3.8%，表芯层初始含水率相同，加热板设定温度180℃。图3中的试验数据显示，即使在加热板温度显著降低的情况下（由220℃降到180℃），木材内部升温速率显著上升，中间未出现明显升温停滞区，在试验开始270min后达到140℃，试验中止，此时表层温度仅为166.7℃。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有稳定耐久性木质结构材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将木材锯解为厚度大于5cm的板材，并进行表面刨光；

步骤2，对木材进行干燥，将其含水率平均值控制在15%~17%范围，通过加大干燥窑内气流循环速度以适度增加木材表层水分蒸发速度，在木材表层与芯层之间造成含水率梯度，表层含水率低于芯层4%~6%；

步骤3，采用平板式热压机对木材上下表面进行加热处理，所述平板式热压机上下压板温度为200℃~220℃，压力为0.2MPa~0.3MPa，加热过程监测木材表芯层温度，待表层温度达到180℃后持续1~2h后停止加热，加热过程中监测芯层温度，确保芯层温度不超过140℃；

步骤4，对木材在温度20℃，相对湿度65%条件下进行调湿处理。

2.根据权利要求1所述的一种具有稳定耐久性木质结构材的制备方法，其特征在于，当使用过程中木材4个侧面都暴露时，所述步骤3包括木材左右侧边的加热处理过程，其步骤为：

步骤1，在木材上下表面处理完成后，将木材置于温度70℃，相对湿度96%的环境中调节木材含水率至20.8%；

步骤2，在温度70℃，相对湿度87%的环境中对木材进行干燥，通过调高窑内气流循环速度，增大表层水分挥发速度，使含水率平均值控制在15%~17%范围，且木材表层与芯层之间含水率梯度差值在4%~6%；

步骤3，采用平板式热压机对木材左右侧边进行加热处理，所述平板式热压机上下压板温度为200℃~220℃，压力为0.2MPa~0.3MPa，加热过程监测木材表芯层温度，待表层温度达到180℃后持续1~2h后停止加热，加热过程监测芯层温度，确保芯层温度不超过140℃。

3.一种具有稳定耐久性的木质结构材，其特征在于通过权利要求1-2任一项所述的制备方法制备而成。

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