CN108687905B - 一种木材热改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明涉及一种木材改性方法，具体为一种木材热改性方法，本申请开创性的采用先促进纤维素水解，再利用高温促进纤维素结晶的方式，对木材进行热改性，依次进行超声预处理、碱蒸汽热改性、第一次水蒸气改性、酸蒸汽改性、第二次水蒸气改性、采用冷却水降温冷却、最后自然冷却出窑，完成木材改性，本发明极大地改善了热改性木材的弯曲强度，并使得改性后木材所含有的有机释放物减少。

Description

一种木材热改性方法

技术领域

本发明涉及一种木材改性方法，具体为一种木材热改性方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对木材制品的需求也大幅度增加，因此，发展经济林业是缓解木材供应的首要手段，但经济林木密度低、耐久性差，因此，必须通过改性技术延长木材使用寿命。

木材改性研究始于上世纪30年代，主要有热改性、化学改性和被动改性三种，而热改性工艺设备简单、环境友好、经济效益显著，是最具商业化前景的木材改性工艺。目前，芬兰、荷兰、德国等国均已实现热改性木材的工业化生产。

热改性工艺的主要目的，在于促进木材中的纤维素等物质的降解，以去除霉菌等赖以生存的营养环境，并减少吸收水分的羟基结构，热改性工艺中，往往通过第二阶段高温加热来促进纤维素的结晶，降低无定形区面积，现有的热改性工艺有使用过热蒸汽、热油等，但现有的工艺对木材改性效果有限。

因此，开发一种改性效果好，含水率更低的热改性工艺对于缓解木材紧缺具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种木材热改性方法，其步骤包括：

1)超声预处理，将待改性木材放置在容器中，使用超声对待改性木材进行预处理；

2)碱蒸汽热改性：在氨气气氛条件下进行热改性并通入水蒸气，改性温度为70-80℃；改性15-30min后排出氨气；

3)第一次水蒸气改性：缓慢升温至130℃，并通入水蒸气作为保护气，改性30-45min；

4)酸蒸汽热改性：缓慢降温，待温度降低至110℃后开始通入HCl蒸汽，使得木材在HCl蒸汽条件下进行热改性，并维持改性温度在85-100℃范围内，改性15-30min后排出HCl蒸汽；

5)第二次水蒸气改性：继续升温至200℃，并通入水蒸气作为保护气，热改性1-5h后停止加热；

6)冷却：适量通入冷却水降温，维持降温速率为1-2℃/min，并保持通入水蒸气至温度低于105℃；

7)自然冷却出窑。

其中，步骤3、5优选在高于大气压的条件下操作；

其中，步骤3、5的压力为高于大气压0.1mpa。

其中，步骤1可以使用连续方式操作，保证微超声预处理的停留时间不超过1h即可。

其中，步骤1中，微超声预处理的超声频率为30-50KHz,使用频率较低的超声波，可以达到促进结晶纤维素降解的效果，又不至于破坏木材的整体和表面结构。

本发明的技术效果：相比于现有技术中的炭化和热改性，本申请开创性的采用先促进纤维素水解，再利用高温促进纤维素结晶的方式，对木材进行热改性，该思路的改进极大地提高了改性后木材的结晶区域，并大福提高了木材的各方面性能。

本申请中，对纤维素进行降解的手段是使用酸、碱蒸汽进行改性。酸、碱对纤维素的水解是公知技术，本申请将现有技术中的水解技术与水蒸气热改性相结合，在水蒸气进行热改性的同时，分别引入酸蒸汽和碱蒸汽，一方面促进了纤维素的水解程度，另一方面，在酸碱存在的条件下，可以大福提高半纤维素的降解效率。

虽然无法从理论上得到支持，但申请人通过大量实验发现，相比于单独使用酸、碱进行热改性，整条工艺线中既使用酸又使用碱的工艺对热改性的效果会有更大的促进作用，这或许得益于木材中部分杂质各自对酸、碱的敏感性，也或者是酸、碱对不同组分的促进作用不同。

对于部分结晶密度较高的木材结构，虽然延长酸碱蒸汽改性也能提高效果，但申请人呢发现在工艺起始阶段先进行超声预处理能起到意料不到的技术效果，超声也是现有技术中一种公知的促进纤维素降解的技术，理论上认为，超声的局部高能可以打破结晶区域的结晶能垒。在本申请中，超声的作用仅限于促进作用，并不要求在超声阶段就发生大范围的纤维素水解，申请人通过大量的实验发现，低频的超声预处理对最后的改性效果是有益的，但如果使用较高的频率，则可能会导致木材表面微结构的破坏，形成应力缺陷，因此，超声频率的选择应该是经过实验认证的，本申请频率选择为30-50KHz。

在经过酸碱降解纤维素工序后，最后通过高温阶段使得纤维素发生结晶。有研究认为，高温使得木素间化学键锻炼，并有新的交联产生，这些变化使得水的吸附点变少，并提高了木材的性能，高温改性在现有技术中已有明确的记载，本申请中，高温改性使得木材中的纤维素再一次发生结晶，使得改性后木材中的结晶区域大于改性前，无定形区域大幅减少，并通过有益的化学反应，使得木材中各结构组成形成有效的立体网状结构，并释放出不必要的有机废物。

本发明通过独特的工艺设计，使得木材中的无定形区域大幅减少，使得改性后的木材不容易吸水、霉变、具有较好的力学强度以及较少的有机释放物。

具体实施方式

实施例1：

将橡胶木放置在超生处理装置中进行微超声预处理，工艺采用连续式工艺，超声频率35KHz，超声时间0.25h；

超声处理完成后在氨气气氛下进行热改性，改性温度为70-80℃；改性完毕15min后排出碱蒸汽并维持升温速率10℃/min升温至130℃，升温完毕后通入水蒸气作为保护气，维持改性温度130℃热改性15min以进行第一次水蒸气热改性；

第一次水蒸气改性完成后，排出水蒸气的同时，缓慢降温，待温度降低至110℃后开始通入HCl蒸汽，使得木材在HCl蒸汽条件下进行热改性，并维持改性温度在85-100℃改性15min，改性完毕后排出HCl蒸汽并维持升温速率10℃/min升温至200℃，升温完毕后通入水蒸气作为保护气并通入水蒸气作为保护气以进行第二次水蒸气热改性，热改性1h后，停止加热；

并适量通入冷却水降温，维持降温速率为1℃/min，并保持通入水蒸气至温度低于105℃；

自然冷却出窑。

实施例2：

其他工艺与实施例1相同，区别在于不使用超声预处理。

实施例3

其他工艺与实施例1相同，区别在于不进行碱蒸汽热改性和第一次水蒸气热改性，超声预处理后直接进行酸蒸汽预处理及后续步骤。

实施例4

其他工艺与实施例1相同，区别在于不进行酸蒸汽热改性和第一次水蒸气热改性，碱蒸汽热改性后直接进行第二次水蒸气热改性及后续步骤。

实施例5

其他工艺与实施例1相同，区别在于不进行酸蒸汽热改性、碱蒸汽热改性和第一次水蒸气热改性，超声预处理后直接进行第二次水蒸气热改性。

对比例1

在实施例5的基础上，不再进行超声预处理，而直接进行传统的水蒸汽热改性，工艺条件与实施例5相同。

表1实施例1-5、对比例1测试结果表(结果为十次实验结果平均值)

从上表可以看出，全工艺的实施例1效果最好，相比于实施例2可以证明，超声预处理可以一定程度上提高木材的改性效果，而相比于实施例3和实施例4，同时具有酸碱工艺的实施例1相比于只使用酸和只使用碱的工艺具有更好的效果，只有超声预处理的实施例5效果仅略好于现有技术中的对比例1，说明超声预处理虽然一定程度上促进了纤维素的降解，但程度有限，对改性效果提升有限。

Claims (4)

1.一种木材热改性方法，其步骤包括：

1)超声预处理，将待改性木材放置在容器中，使用低频超声对待改性木材进行预处理；

2)碱蒸汽热改性：在氨气气氛条件下进行热改性并通入水蒸气，改性温度为70-80℃；改性15-30min后排出氨气；

3)第一次水蒸气改性：缓慢升温至130℃，并通入水蒸气作为保护气，改性30-45min；

4)酸蒸汽热改性：缓慢降温，待温度降低至110℃后开始通入HCl蒸汽，使得木材在HCl蒸汽条件下进行热改性，并维持改性温度在85-100℃范围内，改性15-30min后排出HCl蒸汽；

5)第二次水蒸气改性：继续升温至200℃，并通入水蒸气作为保护气，热改性1-5h后停止加热；

6)冷却：适量通入冷却水降温，维持降温速率为1-2℃/min，并保持通入水蒸气至温度低于105℃；

7)自然冷却出窑；

所述步骤1)中，超声预处理的超声频率为30-50KHz。

2.根据权利要求1所述的木材热改性方法，其特征在于，所述步骤3)、5)在高于大气压的条件下进行。

3.根据权利要求2所述的木材热改性方法，其特征在于，所述步骤3)、5)的压力为高于大气压0.1MPa。

4.根据权利要求1-3任一项所述的木材热改性方法，其特征在于，所述步骤1)使用连续方式操作，所述超声预处理的停留时间不超过1h。