CN109219504A - 热改性木材产品和生产所述产品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备改性木材产品的方法。更具体地，本发明涉及一种进行热改性的方法，其中热改性木材适合于承载用途。本发明还涉及使用所述方法生产的改性木材产品。

Description

热改性木材产品和生产所述产品的方法
技术领域
本发明涉及一种制备改性木材产品的方法。更具体地，本发明涉及一种进行热改性的方法，其中热改性木材适合于承载用途。本发明还涉及使用所述方法生产的改性木材产品。
背景技术
许多木材品种易遭受外部环境导致的破坏。持续一段时间暴露于水分和/或土壤的未经处理的木材会因各种类型的微生物或昆虫的侵袭而变弱。因此，处理耐用性较差的木材以增加其对水分和真菌侵袭的抗性是重要的。
存在许多不同的会增加对木材的生物腐烂的抗性的处理方法。为了提高生物耐久性和强度而对木材进行化学处理已经使用了很长时间。可以添加许多不同的化学品。这些化学物质通常被称为杀真菌剂，并且其会提供对导致木材变质的生物体的长期抗性。如果应用得当，其可以将木料的生产寿命延长五到十倍。
另一种改进木材的抗性的已知方法是在高温下处理木材以对木材进行热改性。最常见的方法是Thermowood工艺，其中将木材在大气压下用过热蒸汽处理。将木材在最高达约130℃的温度下干燥至绝对干燥，随后升温至为获得改性所需的温度，通常为190℃至212℃。
热改性降低了木材的吸湿性，产生较低的平衡水分含量(EMC)。通过降低真菌的可用水分的降低的EMC和减少真菌和细菌在木材上生长的可能性的化学变化的组合，改进了对生物腐烂的抗性。EMC的降低还改进了木材的尺寸稳定性，从而减少了收缩和膨胀。热改性木材的一个缺点是强度的降低。由于改性过程的缘故，弯曲强度和表面硬度降低，并且木材变得更脆。
由于根据既定标准程序进行了热改性的木材的强度降低，因此不建议将这种木材用于承载目的。
已经有几种尝试来降低热改性对强度性质的负面影响，尽管几乎没有成功。在Plato法中，热处理在两个单独的步骤中进行，其中首先在高压下在热水中处理，随后干燥至绝对干燥，接着在高温下在过热蒸汽中处理木材。
还建议在大气压之外的其他压力下进行实际的热改性。这类方法的实例是例如Firmolin法，其中在高压下在蒸汽中处理木材。通过在高压下处理木材，在低于大气压的温度下引发化学变化如水解。一个相反的尝试是最近开发的Termovuoto法，其中在减压或真空下处理木材。
鉴于现有技术方法的有限的成功，需要一种改进的改性木材产品，其不会受到传统上与热改性木材相关的降低的弯曲强度的影响。
发明内容
出人意料地发现，通过在将木材暴露于木材的改性所需的高温之前，在相对较低的温度下从木材中除去水，可以使弯曲强度的不期望的降低最小化，并且经处理的木材甚至可以适合于承载目的。
因此，本发明的一个目的是提供适合于承载目的的热改性实木材。
本发明的另一个目的是提供一种以有效的方式生产所述改性木材的方法。
这些目的和其他优点通过根据独立权利要求的方法和产品来实现。
本发明的一个实施方案是适合于承载目的的热改性实木材。在本发明的一个实施方案中，使用松木或云杉木。
本发明的一个实施方案是热改性实木材，其根据EN408:2010“TimberStructures.Structural Timber and Glued Laminated Timber.Determination of somePhysical and Mechanical Properties.”测量的特征弯曲强度为至少18N/mm2。特征弯曲强度是所涉及的群体(population)的5-百分数值。
本发明的一个实施方案是热改性实木材，其适合于根据如欧洲标准EN335:2013“Wood Preservatives.Test Method for Determining the Protective Effectivenessagainst Wood Destroying Basidiomycetes,”中所描述的Use Class3.1的地上承载目的。
本发明还涉及一种制备热改性实木材的方法，其中在小于100℃的平均木材温度下将木材干燥至平均水分含量小于5％，随后将木材温度升高至高于140℃。平均水分含量可以使用本领域已知的方法测定。在本发明的一个实施方案中，在小于100℃的平均木材温度下将木材干燥至平均水分含量小于4％，随后将木材温度升高至高于140℃。在本发明的一个实施方案中，在小于100℃平均木材温度下将木材干燥至平均水分含量小于3％，随后将木材温度升高至高于140℃。
在本发明的一个实施方案中，干燥在空气、蒸汽和其他气体的混合物中进行，或者完全在蒸汽中或在流体如水或油中进行。
在本发明的一个实施方案中，干燥在减压下进行。在本发明的一个实施方案中，干燥在真空或接近真空下进行。在本发明的一个实施方案中，干燥在升高的压力下进行。在一个实施方案中，干燥在低于1013mBar的绝对压力下进行。在一个实施方案中，干燥在高于1013mBar的绝对压力下进行。在一个实施方案中，干燥在约1013mBar的绝对压力下进行。
在本发明的一个实施方案中，通过循环空气、蒸汽、气体、液体或这些介质的混合物，通过对流将用于干燥的能量转移到木材。
在本发明的一个实施方案中，通过来自与木材接触的热材料的热量或通过介电加热如使用无线电波或微波的高频加热，将用于干燥的能量传递到木材。
在本发明的一个实施方案中，经处理的木材是软木。在本发明的一个实施方案中，经处理的木材是硬木。在本发明的一个实施方案中，木材来自樟子松(Pinus sylvestris)。在本发明的一个实施方案中，木材来自云杉(Picea abies)。
在本发明的一个实施方案中，在热处理步骤之前对待处理的木材进行分选，并且将具有某些特性或性质的木材或木板包括在根据本发明的处理内或或排除在外。
在本发明的一个实施方案中，发现根据本发明处理的木材根据欧洲标准EN338:2016“Structural timber–strength classes”在处理之前具有强度等级C18或更高。
在本发明的一个实施方案中，发现根据本发明处理的木材根据欧洲标准EN338:2016“Structural timber–strength classes”在处理之前具有强度等级C22或更高。
在本发明的一个实施方案中，根据本发明处理的板在处理之前当在其平坦侧面上弯曲时具有至少10N/mm2的最小局部刚度。
在本发明的一个实施方案中，根据本发明处理的木材在处理之前具有至少10N/mm2的动态弹性模量。
附图说明
图1.Thermowood D处理的常规方案。
图2.根据本发明的特定处理方案。将木材在低温下预干燥。
图3.根据EN 408测定的未经处理的木板、根据常规Thermowood D方案处理的木板和根据基于本发明的特定方案处理的木板的刚度和弯曲强度。
具体实施方式
木材的弯曲强度，例如根据本发明的热改性木材，可以使用本领域已知的方法测量。特别地，尺寸木材的弯曲强度可以根据EN408Timber structures-Structural timberand glued laminated timber-Determination of some physical and mechanicalproperties来测量。根据EN 408测试的结果用于根据欧洲标准EN 384Structural timber-Determination of characteristic values of mechanical properties and density来确定特征值。不同强度等级的要求定义于欧洲标准EN 338Structural timber-Strengthclasses。
根据本发明的热改性可以在预干燥的木材以及生坯(green)、未干的木材上进行。在根据本发明的方法中使用的木材的初始水分含量通常为至少10％。在本发明的一个实施方案中，水分含量为10％至20％。在另一个实施方案中，水分含量为11％至15％，例如12％至14％。在另一个实施方案中，水分含量为约12％。在一个实施方案中，水分含量接近纤维饱和点。木材的水分含量以及纤维饱和点可以使用本领域已知的方法测定。
干燥步骤所需的时间取决于所使用的木材的性质，但对于软木而言通常在5小时至96小时的范围内。
在热改性步骤期间，木材在大气压下在160℃至250℃的温度下或在高于大气压的压力下在120℃至250℃的温度下加热。
在本发明的一个实施方案中，木材可以在热改性步骤期间或之后致密化。致密化可以通过向木材施加压力来进行。致密化可以在1-3kg/cm2的压力下进行，并且最大压缩应为木材的厚度的约10％。
为了致密化，优选同时施加压力和热量，因为该组合会改进木材的致密化。致密化可以离线、在线或同时(in-line)进行，即与根据本发明方法同时。如果使用离线致密化，则可以在热改性步骤之后使用热压。如果使用同时致密化，则可以使用基于辊或板的系统。致密化可以在热改性步骤期间或在热改性步骤之后进行。
通过使木材致密化，木材的表面将变得更加固定，即表面上的纤维具有较小的与水分反应并保持其原始形式的倾向。这也引起纤维在木材的表面上的松散的趋势降低。表面密度以及因此的木材的硬度也将得到改进。
所生产的热改性木材还可以用于承载目的。
本文所使用的术语“实木材”定义为任何种类木材品种的实木材组分，包括指状连接以及层压产品。
所生产的热改性木材产品可以用于生产许多不同的产品，例如包层、装饰(盖板)、窗和门型材、灯杆、码头、细木工、家具等。
实施例
材料的热处理
锯下的45×145mm挪威云杉木板根据标准Thermowood D方案以及根据本发明的特定方案进行热处理。两种方案均在212℃的温度下使用3h平台期。将来自相同批次的一组木板保持未经处理以用作参考材料。
标准Thermowood处理
标准Thermowood D方案的设计如图1所示。77h方案包括初始加热至100℃，在最高达130℃的升高的温度下的干燥阶段，加热至平台温度，在212℃下的3h处理，冷却，和调节。
在130℃干球温度和99℃湿球温度下的HT-干燥阶段结束时的气候对应于平衡水分含量(EMC)＝1％至2,5％。
根据本发明的特定处理
该特定处理方案基于通过在低温下将其干燥至非常低的MC来降低或消除材料的水解的想法。干燥在90℃干球温度下进行，其中湿球温度逐渐降低至50℃，对应于EMC2.5％。
测试中的低温干燥阶段为52.5h，随后是28h的HT-干燥阶段，然后将温度升高至最高达212℃。图2示出该特定处理的趋势曲线。
弯曲测试的结果
弯曲强度测试的结果总结在表1中。承载使用的批准的临界值用粗体标记。
表1.EN 408弯曲测试的测试结果的总结
测试结果显示，通过在处理之前对原料进行预分选，可以进一步改进强度值。表2显示在移除具有通过Metriguard纵向机器应力评定设备机械地测定的低局部初始刚度的木板之后获得的强度值：
表2.移除低刚度木板的EN 408弯曲测试的测试结果。
移除具有最低局部刚度的木板使弯曲强度值略微增加。
然而，应力分级通过机械弯曲平面进行，而弯曲测试沿边进行。通过使用更先进的应力分级程序，预料到特征强度值的更大增加。
弯曲强度的改进如图3中的图表所示。
鉴于以上对本发明的详细描述，其他修改和变化对于本领域技术人员而言将变得显而易见。然而，应该显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现这样的其他修改和变化。

Claims (14)

1.适合于承载目的的热改性实木材。
2.根据权利要求1所述的热改性实木材，其具有至少18N/mm2的特征弯曲强度。
3.根据权利要求2所述的热改性实木材，其中弯曲强度根据EN408:2010测量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热改性实木材，其适合于地上承载目的。
5.根据权利要求4所述的热改性实木材，其中地上使用的适合性根据如欧洲标准EN335:2013中所描述的Use Class 3.1来定义。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热改性木材，其中所述木材是松木或云杉木。
7.制备热改性实木材的方法，其中在小于100℃的平均木材温度下将木材干燥至平均水分含量小于5％，随后将木材温度升高至高于140℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在小于100℃的平均木材温度下将木材干燥至平均水分含量小于5％，随后在大气压下将木材温度升高至高于160℃，其中将木材在高于160℃的温度下保持至少一小时，随后冷却至环境温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在小于100℃的平均木材温度下将木材干燥至平均水分含量小于5％，随后在大气压下将木材温度升高至高于160℃且低于250℃的温度，其中将木材在高于160℃且低于250℃的温度下保持至少一小时，随后冷却至环境温度。
10.根据权利要求7所述的方法，其中在小于100℃的平均木材温度下将木材干燥至平均水分含量小于5％，随后在高于大气压的压力下将木材温度升高至高于120℃，其中将木材在高于120℃的温度下保持至少一小时，随后冷却至环境温度。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中干燥在低于1013mBar的绝对压力下进行。
12.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中干燥在高于1013mBar的绝对压力下进行。
13.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中干燥在约1013mBar的绝对压力下进行。
14.通过根据权利要求1至13中任一项所述的方法可获得的热改性实木材。
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Ripoll de Medeiros et al. Effects of thermal treatment and weathering in the resistance against termites of a fast-growing pine wood

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