CN109159232A - 一种竹或木材的热改性处理工艺 - Google Patents

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    • B27K5/001—Heating

Abstract

本发明公开一种竹或木材的热改性处理工艺，包括如下步骤：S1、干燥：将待处理的竹或木材切割至预定尺寸并在室温下干燥至含水率为10～15％；S2、预处理：将步骤S1中预干燥后的竹或木材置于预处理罐中，加入处理溶液没过竹或木材，抽真空至0.08～0.1MPa，保持15～20min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡5～10min；再加压至1.2～1.4MPa，保持40min后恢复至常压；S3、热处理：将步骤S2中处理后的竹或木材取出置于干燥箱，抽真空至0.4～0.5MPa，升温至120～130℃后保持20～30min；然后加压至0.8Mpa，同时升温至170℃，保持2h；S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出竹或木材。本发明的竹或木材的热改性处理工艺，能提高木材物理性能指标且经济实用。

Description

一种竹或木材的热改性处理工艺
技术领域
本发明涉及木材处理技术领域，尤其涉及一种竹或木材的热改性处理工艺。
背景技术
为了提高竹或木材的耐久性、尺寸稳定性、耐腐性等性能，目前常用手段为物理改性和化学改性。物理改性是在常压下采用180-230℃的高温进行处理，处理过程更为环保、成本较低。然而，在高温下进行热处理，木材的平衡含水率低于1％，木材横断面上含水率梯度变化剧烈，处理后的木材因为干燥失水容易引起变形和开裂。因此在木材热处理之后还要进行调湿处理，使得木材的最终含水率达到4-6％之间。这种热处理方式不仅需要较高的能耗，而且处理后的木材成品的质量损耗率较高、木材弹性模量及抗弯强度下降，力学强度下降明显。对于橡胶木等木材，经过热处理后，更容易被白蚁蛀蚀。而竹子相比木材，其材质更为疏松，其吸湿性更强，若没有控制好含水率，容易发霉、生虫以及开裂。因此现在需要研发出可以针对性提高木材物理性能指标且经济实用的竹或木材的热改性处理。
发明内容：
本发明目的是提供了一种竹或木材的改性处理工艺，要解决现有技术中高温热处理所带来的木材物理性能降低、能耗高、木材容易开裂等技术问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种竹或木材的热改性处理工艺，包括如下步骤：
S1、干燥：将待处理的竹或木材切割至预定尺寸并在室温下干燥至含水率为10～15％；
S2、预处理：将所述步骤S1中预干燥后的竹或木材置于预处理罐中，加入处理溶液没过竹或木材，抽真空至0.08～0.1MPa，保持15～20min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡5～10min；再加压至1.2～1.4MPa，保持20～40min后恢复至常压；
S3、热处理：将所述步骤S2中预处理后的竹或木材取出置于干燥箱，抽真空至0.4～0.5MPa，升温至120～130℃后保持20～30min；然后加压至0.8Mpa，同时升温至170℃，保持2h；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出竹或木材。
在优选的实施例中，所述步骤S2中的处理溶液选自聚丙烯酸酯、脲醛树脂、丙烯酸酯乳液、硅溶胶、水性苯丙乳液、硅酸钠溶液、硫酸铝、氯化钙、硼砂和氯化钡中的一种或多种物质的混合溶液。
在优选的实施例中，所述步骤S2中预处理完成后的竹或木材的增重率为20～30％。
在优选的实施例中，所述步骤S3中升温至120～130℃时，升温速率为20～25℃/h；所述步骤S3中升温至170℃时，升温速率为40～45℃/h。
在优选的实施例中，所述步骤S3中，待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；所述步骤S4中保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下。
在优选的实施例中，所述步骤S2中的处理溶液的pH值为8～10。
在优选的实施例中，所述步骤S2中的处理溶液选自硅溶胶、脲醛树脂-丙烯酸酯乳液-硅酸钠三元复合溶液、聚丙烯酸酯-硅溶胶-水性苯丙乳液三元复合溶液、硅酸钠-硫酸铝-氯化钡三元复合溶液、水性苯丙乳液-硅酸钠-氯化钙三元复合溶液和硅酸钠-硼砂二元复合溶液中的一种。
在优选的实施例中，所述步骤S2中处理溶液的硅酸钠溶液，其SiO2和Na2O的量比为2.0-2.8之间，质量分数为25％～35％，pH值为8～12。
本发明的有益效果如下：经过试验研究发现，蒸汽压强对于热改性的竹或木材的物理性能有着比较显著的影响。在压力条件下采用较低温度处理的木材的物理性能，与常压条件下采用较高温度处理的木材的物理性能相当。因此，提高蒸汽的压力，可以在较低温度处理条件下加快木材的热改性过程，实现高效的热改性处理。
1、本发明的竹或木材的热改性处理工艺，在进行热处理前，先采用改性溶液进行预处理，然后再进行热处理，有效提高最终处理后的竹或木材的物理性能，提高竹或木材的防白蚁、抗冲击性、韧性和硬度等指标；
2、本发明的竹或木材的热改性处理工艺，在压力条件下采取较低的温度，最终得到的改性后的竹或木材可以保持较高的平衡含水率，竹或木材在横断面上的含水率变化梯度平缓，减少了因为高温热处理的干燥失水引起竹或木材材质内部发生变形和开裂的几率；
3、本发明的处理工艺采取高压高湿以及相对低温的处理条件，所处理后的竹或木材具有平衡含水率较高、传热块，能耗小，碳化温度较低的优点。
附图说明
图1为本发明的竹或木材热处理工艺的流程步骤图。
具体实施方式
现阐述本发明的选定实施例，本领域技术人员根据本公开的本发明的实施例的下属说明仅是示例性的，并不是为了限制本发明的方案。
实施例1
本实施例中采用橡胶木为实验材料，具体的处理工艺包括如下步骤：
S1、干燥：将待处理的橡胶木切割至80cm*10cm*2.5cm，并在室温下干燥至含水率为10％；
S2、预处理：将步骤S1中预干燥后的10块橡胶木置于预处理罐中，加入pH值为8～10的脲醛树脂-丙烯酸酯乳液-硅酸钠三元复合的处理溶液没过所有的橡胶木，抽真空至0.08MPa，保持15min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡5min；再加压至1.2MPa，保持40min后恢复至常压；预处理完成后的橡胶木的增重率为20～25％；其中处理溶液脲醛树脂-丙烯酸酯乳液-硅酸钠三元复合溶液中三种物质的摩尔质量比为1：1.2：2，溶液固定含量为20％；所含有的硅酸钠溶液，其SiO2和Na2O的量比为2.0，质量分数为25％，pH值为8。
S3、热处理：将步骤S2中处理后的橡胶木取出置于干燥箱，抽真空至0.4MPa，升温速率为20℃/h，升温至120℃后保持20min；然后加压至0.8Mpa，升温速率为40℃/h，升温至170℃，保持2h；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出橡胶木。
实施例2
本实施例中采用桉树木材为实验材料，具体的处理工艺包括如下步骤：
S1、干燥：将待处理的桉树木材切割至80cm*10cm*2.5cm，并在室温下干燥至含水率为15％；
S2、预处理：将步骤S1中预干燥后的桉树木材置于预处理罐中，加入pH值为10的处理溶液硅溶胶没过桉树木材，抽真空至0.1MPa，保持20min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡10min；再加压至1.4MPa，保持40min后恢复至常压；预处理完成后的桉树木材的增重率为22～25％；硅溶胶(工业级)，固体含量为32％，粘度为12s，pH值为9.5。
S3、热处理：将步骤S2中预处理后的桉树木材取出置于干燥箱，抽真空至0.5MPa，以升温速率25℃/h升温至130℃后保持30min；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；然后加压至0.8Mpa，以升温速率45℃/h升温至170℃，保持2h；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出桉树木材。
实施例3
S1、干燥：将待处理的竹片切割至80cm*10cm*1.5cm，并在室温下干燥至含水率为10～15％；
S2、预处理：将步骤S1中预干燥后的竹片置于预处理罐中，加入pH值为8.5的硅酸钠溶液并没过所有的竹片，抽真空至0.08MPa，保持15min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡5min；再加压至1.2MPa，保持20min后恢复至常压；预处理完成后的竹片的增重率为25～26％；硅酸钠溶液的质量分数为28％，其中SiO2和Na2O的量比为2.8之间，pH值为12。
S3、热处理：将步骤S2中预处理后的竹片取出置于干燥箱，抽真空至0.4MPa，以升温速率为25℃/h升温至120℃后保持20mi；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；然后加压至0.8Mpa，以升温速率为40℃/h升温至170℃，保持2h；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出竹片。
实施例4
S1、干燥：将待处理的杨木切割至80cm*10cm*2.5cm，并在室温下干燥至含水率为10～15％；
S2、预处理：将步骤S1中预干燥后的杨木置于预处理罐中，加入处理溶液pH值为9～10的硅酸钠-硫酸铝-氯化钡三元复合溶液没过杨木，抽真空至0.08MPa，保持15min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡5min；再加压至1.2MPa，保持20min后恢复至常压；其中硅酸钠溶液的质量分数为26％，pH值为10，SiO2和Na2O的量比为2.5；预处理完成后的杨木的增重率为25～28％
S3、热处理：将步骤S2中预处理后的杨木取出置于干燥箱，抽真空至0.5MPa，以升温速率为22℃/h升温至130℃后保持25mi；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；然后加压至0.8Mpa，以升温速率为42℃/h升温至170℃，保持2h；；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出杨木。
实施例5
S1、干燥：将待处理的松木切割至80cm*10cm*2.5cm，并在室温下干燥至含水率为10～15％；
S2、预处理：将步骤S1中预干燥后的松木置于预处理罐中，加入硅酸钠-硼砂二元复合处理溶液没过松木，抽真空至0.09MPa，保持18min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡8min；再加压至1.3MPa，保持30min后恢复至常压；其中硅酸钠溶液的SiO2和Na2O的量比为2.6，质量分数为25％，pH值为9；预处理完成后的松木的增重率为26～28％。
S3、热处理：将步骤S2中预处理后的松木取出置于干燥箱，抽真空至0.5MPa，以升温速率为24～25℃/h升温至125℃后保持25min；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；然后加压至0.8Mpa，同时以升温速率为40～42℃/h升温至170℃，保持2h；
S4、冷却：停止加热，保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下；向干燥箱中通入适量冷却水降温，直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出松木。
对比例1
本对比例中采用橡胶木为实验材料，具体的处理工艺包括如下步骤：
S1、干燥：与实施例1中相同；
S2、预处理：采用去离子水作为处理溶液，常压状态，将步骤S1中预干燥后的橡胶木浸泡在去离子水中，每隔10min取出检测，当橡胶木的增重率为20～25％时从去离子水中取出；
S3、热处理：将步骤S2中预处理后的橡胶木取出置于干燥箱，全程保持常压，以升温速率20℃/h升温至180℃后保持20min，然后以升温速率40℃/h升温至200℃，保持2h；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出橡胶木。
对比例2
本对比例中采用桉树木材为实验材料，具体的处理工艺包括如下步骤：
S1、干燥：与实施例2中相同；
S2、预处理：采用去离子水作为处理溶液，常压状态，将步骤S1中预干燥后的桉树木材浸泡在去离子水中，每隔10min取出检测，当桉树木材的增重率为22～25％时从去离子水中取出；
S3、热处理：将步骤S2中预处理后的桉树木材取出置于干燥箱，全程保持常压，以升温速率25℃/h升温至180℃后保持20min，然后以升温速率45℃/h升温至200℃，保持2h；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出桉树木材。
对比例3
本对比例中采用竹片为实验材料，具体的处理工艺包括如下步骤：
S1、干燥：与实施例3中相同；
S2、预处理：采用去离子水作为处理溶液，常压状态，将步骤S1中预干燥后的竹片浸泡在去离子水中，每隔10min取出检测，当竹片的增重率为20～30％时从去离子水中取出；
S3、热处理：将步骤S2中预处理后的竹片取出置于干燥箱，全程保持常压，以升温速率25℃/h升温至180℃后保持20min，然后以升温速率40℃/h升温至200℃，保持2h；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出竹片。
对比例4
采用橡胶木为实验材料，具体步骤包括：
S1、干燥和S2、预处理：各条件均与实施例1相同；
S3、热处理：将步骤S2中处理后的橡胶木取出置于干燥箱，全程保持常压，以升温速率20℃/h升温至180℃后保持20min，然后以升温速率40℃/h升温至200℃，保持2h；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；
S4、冷却：与实施例1相同。
对比例5：
采用橡胶木为实验材料，具体步骤包括：
S1、干燥和S2、预处理：各条件均与实施例1相同；
S3、热处理：将步骤S2中处理后的橡胶木取出置于干燥箱，保持常压，升温速率为20℃/h，升温至120℃后保持20min；升温速率为40℃/h，升温至200℃，保持2h；待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；
S4、冷却：与实施例1相同。
将上述实施例1-5和对比例1-5中处理后的竹或木材，按照下述的力学性能检测方法检测各项指。力学性能检测参考标准：按照GB/1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》测定抗弯弹性模量；按照GB/T1936.1-2009《木材抗弯强度测定方法》测定抗弯强度，测定的试件规格均为300mmx20mmx20mm(LxRxT)；分别测得各竹或木材试件在热改性处理前后的绝干之类，计算其质量损失率。不同热处理工艺的试件取3个检测，每次检测重复操作三遍，然后每个热处理下的检测结果取平均值，分别得出下表1所示的实施例1-5和对比例1-5中不同热改性处理工艺下的木材或竹片的质量损失率、抗弯强度(modulus of rupture，M0R)和抗弯弹性模量(modulus of elasticity，MOE)。
表1不同处理工艺下的试材性能的检测结果
对比表1中实施例1和对比例4、5的检测数据，在常压下200℃橡胶木的热处理改性后的MOR和MOE检测结果比较接近0.8Mpa压力条件下170℃的热处理改性后的结果；可知热处理时的压强对于热改性处理后的竹或木材的物理性能有比较显著的影响。也即提高热处理的蒸汽压力，可以有效的加快竹或木片的热改性过程，减少热处理的时间，降低热处理过程中的能耗。
对比表1中实施例1和对比例1、实施例2和对比例2、实施例3和对比例3的检测数据，可知热处理前采用预处理溶液对待处理的竹或木材进行浸泡处理也有利于提高竹或木材的物理性能。本发明实施例1中，将热处理前的橡胶木在脲醛树脂-丙烯酸酯乳液-硅酸钠复合溶液浸泡处理，实施例1处理后的橡胶木的MOR和MOE检测结果明显优于对比例1。
从表l数据可知，经过压力条件热改性处理的竹或木材，热改性材的质量减小。对比实施1和对比例1中的数据，可知同等温度条件，压力越大，质量损失率也越大。
通过实施例1-5和对比例1-5的各项检测数据可以证明，压力条件下采用相对较低温度的热处理工艺，与常压相对较高温度的热处理工艺相比，木材内部的升温速率比常压处理快。因此，在木材本身含水率相同的情况下，采用预处理溶液先浸泡，再进行压力条件下的相对较低温度的热改性处理，木材的处理效率提高、炭化木材的整体均匀性提高、物理性能也能得到提高。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或等同替换，但以上变更、修改或等同替换，均在本申请的待授权或待批准之权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、干燥：将待处理的竹或木材切割至预定尺寸并在室温下干燥至含水率为10～15％；
S2、预处理：将所述步骤S1中预干燥后的竹或木材置于预处理罐中，加入处理溶液没过竹或木材，抽真空至0.08～0.1MPa，保持15～20min；然后加压至1.0Mpa，保持平衡5～10min；再加压至1.2～1.4MPa，保持20～40min后恢复至常压；
S3、热处理：将所述步骤S2中预处理后的竹或木材取出置于干燥箱，抽真空至0.4～0.5MPa，升温至120～130℃后保持20～30min；然后加压至0.8Mpa，同时升温至170℃，保持2h；
S4、冷却：停止加热，向干燥箱中通入适量冷却水降温，直至干燥箱内部温度降至130℃以下，待温度降至50℃以下时，取出竹或木材。
2.根据权利要求1所述的竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，所述步骤S2中的处理溶液选自聚丙烯酸酯、脲醛树脂、丙烯酸酯乳液、硅溶胶、水性苯丙乳液、硅酸钠溶液、硫酸铝、氯化钙、硼砂和氯化钡中的一种或多种物质的混合溶液。
3.根据权利要求2所述的竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，所述步骤S2中预处理完成后的竹或木材的增重率为20～30％。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，所述步骤S3中升温至120～130℃时，升温速率为20～25℃/h；所述步骤S3中升温至170℃时，升温速率为40～45℃/h。
5.根据权利要求4所述的竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，所述步骤S3中，待温度升至130℃时向干燥箱内通入过热蒸汽；所述步骤S4中保持通入过热蒸汽直至干燥箱内部温度降至130℃以下。
6.根据权利要求4所述的竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，所述步骤S2中的处理溶液的pH值为8～10。
7.根据权利要求6所述的竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，所述步骤S2中的处理溶液选自硅溶胶、脲醛树脂-丙烯酸酯乳液-硅酸钠三元复合溶液、聚丙烯酸酯-硅溶胶-水性苯丙乳液三元复合溶液、硅酸钠-硫酸铝-氯化钡三元复合溶液、水性苯丙乳液-硅酸钠-氯化钙三元复合溶液和硅酸钠-硼砂二元复合溶液中的一种。
8.根据权利要求7所述的竹或木材的热改性处理工艺，其特征在于，所述步骤S2中处理溶液的硅酸钠溶液，质量分数为25％～35％，其中SiO2和Na2O的量比为2.0-2.8之间，pH值为8～12。
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