CN110281321A - 一种环保稳定型木材及其表层热改性方法 - Google Patents

一种环保稳定型木材及其表层热改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环保稳定型木材及其表层热改性方法，该环保稳定型木材的两侧表层分别为外板面层和内板面层，外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值为1.2～1.7，内板面层的含水率与外板面层的含水率比值为1.35～2.2，所述内板面层的含水率为7～15％，所述外板面层的含水率为4～11％，经过所述外板面层的最外层年轮与外板面层的交点处切线与外板面层形成夹角β1，0°≤β1≤30°，经过所述内板面层的最内层年轮与内板面层的交点处切线与内板面层形成夹角β2，60°≤β2≤90°。该方法处理过程无化学污染，生产效率高，成本低，操作简单，具有高效、环保的优点。可大幅提高木材的尺寸稳定性和装饰性能。

Description

一种环保稳定型木材及其表层热改性方法
技术领域
本发明属于木材改性及木制品生产工艺技术领域，更具体地，涉及一种环保稳定型木材及其表层热改性方法。
背景技术
木材是一种天然多孔吸湿性材料，木材在使用过程中会随环境相对湿度的变化而引起木材含水率的变化。又因为木材是一种具有各向异性的天然材料，当木材含水率产生变化时，木材在弦向、径向和顺纹方向将产生不同的尺寸变化。通常纵向最小，全干缩率约为0.1～0.3％，对木材使用变形影响很小，在木材加工使用中可以忽略不计。径向居中，约4.5～8％，弦向最大约8～12％。对于多数靠近髓心的板材，外板面为弦切板，内半面为径切板，而弦向与径向干缩比为2左右，导致内外板收缩不一致的现象，常常造成木制品在使用中产生变形、开裂等质量问题，造成严重的产品质量问题和投诉，给企业蒙受重大经济损失，从而限制了木材的广泛应用。
针对木材尺寸不稳定的材料属性，中国专利“CN108705635A”公布了“一种增强改性人工林木材制备方法”，在相对真空度为0.095～0.098MPa的密封的浸渍罐中，以酚醛树脂溶液及改性硅酸盐溶液为原料制备复合改性剂，对木材进行真空加压浸渍改性，绝对压力为1.0～2.5MPa，加压时间为1～4小时，温度为30～40℃；浸渍改性后再对木材进行干燥。这种方法在改善木材尺寸稳定性的同时，能有效提高木材的阻燃性，但是存在处理过程添加化学药剂容易对环境造成污染的问题，同时也不能解决弦径向干缩比大的问题。
木材热改性技术作为显著提高木材尺寸稳定性最有效的方法之一，且整个处理过程中不添加任何化学物质，收到了广泛关注。中国专利“CN1868704”公布了“木材炭化处理方法”，采用阶梯式连续升温方法，在160～240℃的温度范围对木材进行高热改性后，通入100℃的饱和水蒸气对木材进行调湿回潮处理。该方法虽然能有效提高木材尺寸稳定性，减少木材在处理过程中产生缺陷。但周期长，对力学强度损失大，且依旧无法解决弦径向干缩比大的问题。中国专利“CN108638277A”公布了“一种新型的具有稳定耐久性的木质结构材及其制备方法”，通过控制木材的含水率，使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，形成保护性外壳和芯层，再对木材进行调湿处理。这种方法虽然能够在提高木材尺寸稳定性的同时不影响其力学强度，且周期短，节能环保。但处理过的木材仍然存在弦径向干缩比大的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一环保稳定型木材。
本发明的另一目的在于提供一种上述环保稳定型木材的表层热改性方法。该方法利用非对称热处理方法对弦切板外板面进行热改性处理，然后对热改性后的木材进行含水率调制，克服了现有技术中存的污染问题和得到的改性木材弦径向干缩比大的技术问题。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种环保稳定型木材，所述环保稳定型木材的两侧表层分别为外板面层和内板面层，外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值为1.2～1.7，内板面层的含水率与外板面层的含水率比值为1.35～2.2，所述内板面层的含水率为7～15％，所述外板面层的含水率为4～11％，经过所述外板面层的最外层年轮与外板面层的交点处切线与外板面层形成夹角β1，0°≤β1≤30°，经过所述内板面层的最内层年轮与内板面层的交点处切线与内板面层形成夹角β2，60°≤β2≤90°。
优选地，所述外板面层的厚度为2～8mm，内板面层的厚度为2～8mm。
所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，包括以下具体步骤：
S1.将木材推送至冷平板和热平板内，将外板面层与250～320℃的热平板接触，内板面层与20～100℃的冷平板接触，施加压力为0.1～0.5MPa，在整个过程中热平板与外板面层紧密贴合并保温；
S2.保温结束后，开启热平板，取出木材，冷却至10～50℃；
S3.在40～60℃和相对湿度60％～85％的条件下，调节内板面层和外板面层的平均含水率，即实现环保稳定型木材的表层热改性。
优选地，步骤S1中所述的热平板的温度为280～300℃；所述冷平板的温度为60～90℃。
优选地，步骤S1中所述的木材为外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值≥1.8的木材。
优选地，步骤S1所述的木材为橡胶木、红橡木、白橡木、水曲柳、刺猬紫檀、黑胡桃、樱桃木、白蜡木。
优选地，步骤S1中所述保温的时间为10～30min；所述木材的初始含水率为0～6％，所述推送的时间为1～5秒。
更为优选地，步骤S1中所述保温的时间为15～25min；所述木材的初始含水率为2～4％，所述推送的时间为2～3秒。
优选地，步骤S3中所述的环保稳定型木材的平均含水率为7～15％；内板面层的含水率为7～15％，外板面层的含水率4～11％。
更为优选地，所述的环保稳定型木材的平均含水率为8～12％；内板面层的含水率为8～12％；外板面层的含水率为5～9％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用非对称热处理方法对弦切板的外板面进行局部热改性处理，通过减少弦切板外板的干缩率，降低弦切板外板面与内板面的弦径向干缩比，从而提弦切板的稳定性。
2.本发明对热改性后的弦切板进行含水率调制，从而减少木材在使用过程中的含水率变化，从而提高木材稳定性。
3.本发明采用非对称局部高温激烈热处理，热改性时间短，由于只对局部热改性，所需能耗低。整个处理过程不添加化学药物，克服了现有技术中存在的污染问题、能耗大和处理周期长的技术不足。
4.本发明可大幅提高木材的尺寸稳定性，处理过程无化学污染，生产效率高，成本低，操作简单，具有高效、环保的优点。该方法能改善木材的尺寸稳定性和装饰性能，同时克服热处理木材抗弯强度和握螺钉力差的缺点。
附图说明
图1为环保稳定型木材高效节能热改性制备过程示意图。
图2为本发明环保稳定型木材的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1为环保稳定型木材高效节能热改性制备过程示意图。从图1中可知，弦切板的外板面层2与预热至目标温度的热平板接触，内板面层3与预热至目标温度的冷平板接触，经过后期保温、降温和水分调制阶段制得环保稳定型木材。
图2为本发明环保稳定型木材的结构示意图。其中，1为木材(弦切板)，2为外板面层，3为内板面层；木材1的两侧表层分别为外板面层2和内板面层3；β1为经过外板面层最外层年轮与外板面层交点的切线与外板面层形成的夹角，0°≤β1≤30°，β2为经过内板面层最内层年轮与内板面层交点的切线与内板面层形成的夹角，60°≤β2≤90°。
实施例1
本实施例对泰国橡胶木进行改性处理，使用的橡胶木为弦切板，β1为25°，β2为70°，弦径向干缩比2.14，初含水率为0％。
(1)预热：热平板升温至目标温度280℃，使温度稳定在目标温度280℃，冷平板温度60℃。
(2)投料：将泰国橡胶木推入冷、热平板内，并让木材的外板面层与热平板接触，木材的内板面层与冷平板接触，木材推入的时间为3秒。
(3)保温：木材推入冷、热平板内后，闭合热平板，使热平板与木材外板面层接触进行热处理，保持热平板目标温度280℃，保持冷平板温度60℃；施加压力为0.1MPa，保证在整个过程中热平板与木材外板面层紧密贴合，保温时间15分钟，制备过程如图1所示。
(4)降温：待保温结束后，开启热平板，立即取出试件，远离热源，冷却至30℃。
(5)调制：在温度为40℃、相对湿度为60％的恒温恒湿设备中，调节木材平均含水率至10％，即得环保稳定型木材，所制得环保稳定型木材的结构示意图如图2所示。
将板材的外板面层锯截成5mm×20mm×20mm(径×弦×纵)，内板面层锯截成5mm×20mm×20mm(弦×径×纵)的试件用做含水率及弦径向干缩比测定。采用GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》，测定内、外板面层的含水率分别为12％和7％，木材内板面层含水率与外板面层含水率比值为1.71。参照GB/T 1932-2009《木材干缩性测定方法》测定内外板面层从气干状态到全干状态下的干缩率，利用公式(1)计算弦径向干缩比。改性处理后的泰国橡胶木弦径向干缩比为1.67。
实施例2
本实施例使用的橡胶木为弦切板，β1为20°，β2为65°，弦径向干缩比1.98，初含水率为2％。
(1)预热：热平板升温至目标温度290℃，使温度稳定在目标温度290℃，冷平板温度65℃。
(2)投料：将木材推入冷、热平板内，并让木材的外板面层与热平板接触，木材的内板面层与冷平板接触，木材推入的时间为3秒。
(3)保温：木材推入冷、热平板内后，闭合热平板，使热平板与木材外板面层接触进行热处理，保持热平板目标温度290℃，保持冷平板温度70℃；施加压力为0.2MPa，保证在整个过程中热平板与木材外板面层紧密贴合，保温时间15分钟，制备过程如图1所示。
(4)降温：待保温结束后，开启热平板，立即取出试件，远离热源，冷却至30℃。
(5)调制：在温度为50℃、相对湿度为75％的恒温恒湿设备中，调节木材平均含水率至11％，即得环保稳定型木材，所制得环保稳定型木材的结构示意图如图2所示。将板材的外板面层锯截成5mm×20mm×20mm(径×弦×纵)，内板面层锯截成5mm×20mm×20mm(弦×径×纵)的试件用做含水率及弦径向干缩比测定。采用GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》，测定板内、外板面层的含水率，结果分别为13％、8％，木材内板面层含水率与外板面层含水率比为1.63。参照GB/T 1932-2009《木材干缩性测定方法》测定内外板面层从气干状态到全干状态下的干缩率，利用公式(1)计算弦径向干缩比。改性处理后的泰国橡胶木弦径向干缩比为1.32。
实施例3
本实施例使用的水曲柳为弦切板，β1为27°，β2为64°，弦径向干缩比1.83，初含水率为2％。
(1)预热：热平板升温至目标温度270℃，使温度稳定在目标温度290℃，冷平板温度80℃。
(2)投料：将水曲柳木材推入冷、热平板内，并让木材的外板面层与热平板接触，木材的内板面层与冷平板接触，木材推入的时间为3秒。
(3)保温：木材推入冷、热平板内后，闭合热平板，使热平板与木材外板面层接触进行热处理，保持热平板目标温度290℃，保持冷平板温度80℃；施加压力为0.1MPa，保证在整个过程中热平板与木材外板面层紧密贴合，保温时间20分钟，制备过程如图1所示。
(4)降温：待保温结束后，开启热平板，立即取出试件，远离热源，冷却至30℃。
(5)调制：在温度为40℃、相对湿度为60％的恒温恒湿设备中，调节木材平均含水率至8％，即得环保稳定型木材，所制得环保稳定型木材的结构示意图如图2所示。
将板材的外板面层锯截成5mm×20mm×20mm(径×弦×纵)，内板面层锯截成5mm×20mm×20mm(弦×径×纵)的试件用做含水率及弦径向干缩比测定。采用GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》，测定木材内、外板面层的含水率，结果分别为9％、7％，木材内板面层含水率与外板面层含水率比为1.28。参照GB/T 1932-2009《木材干缩性测定方法》测定内外板面层从气干状态到全干状态下的干缩率，利用公式(1)计算弦径向干缩比。改性处理后的水曲柳木材弦径向干缩比为1.59。
实施例4
本实施例对白蜡木进行改性处理，使用的白蜡木为弦切板，β1为5°，β2为61°，弦径向干缩比1.92，初含水率为0％。
依据实施例1方法，所得环保稳定型木材的两侧表层分别为外板面层和内板面层，测得外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值为1.58，内板面层的含水率与外板面层的含水率比值为1.41，所述内板面层的含水率为11.6％，所述外板面层的含水率为8.2％。
实施例5
本实施例对黑胡桃进行改性处理，使用的黑胡桃为弦切板，β1为30°，β2为60°，弦径向干缩比1.83，初含水率为2％。
依据实施例2方法，所得环保稳定型木材两侧表层分别为外板面层和内板面层，测得外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值为1.29，内板面层的含水率与外板面层的含水率比值为1.62，所述内板面层的含水率为13.5％，所述外板面层的含水率为8.3％。
实施例6
本实施例对刺猬紫檀进行改性处理，使用的刺猬紫檀为弦切板，β1为30°，β2为90°，弦径向干缩比1.86，初含水率为2％。
依据实施例3方法，所得环保稳定型木材的两侧表层分别为外板面层和内板面层，测得外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值为1.25，内板面层的含水率与外板面层的含水率比值为1.43，所述内板面层的含水率为11.2％，所述外板面层的含水率为7.8％。
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)

1.一种环保稳定型木材，其特征在于，所述环保稳定型木材的两侧表层分别为外板面层和内板面层，外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值为1.2～1.7，内板面层的含水率与外板面层的含水率比值为1.35～2.2，所述内板面层的含水率为7～15％，所述外板面层的含水率为4～11％，经过所述外板面层的最外层年轮与外板面层的交点处切线与外板面层形成夹角β1，0°≤β1≤30°，经过所述内板面层的最内层年轮与内板面层的交点处切线与内板面层形成夹角β2，60°≤β2≤90°。
2.根据权利要求1所述的环保稳定型木材，其特征在于，所述外板面层的厚度为2～8mm，内板面层的厚度为2～8mm。
3.根据权利要求1或2所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.将木材推送至冷平板和热平板内，将外板面层与250～320℃的热平板接触，内板面层与20～100℃的冷平板接触，施加压力为0.1～0.5MPa，在整个过程中热平板与外板面层紧密贴合并保温；
S2.保温结束后，开启热平板，取出木材，冷却至10～50℃；
S3.在40～60℃和相对湿度60％～85％的条件下，调节内板面层和外板面层的平均含水率，即实现环保稳定型木材的表层热改性。
4.根据权利要求3所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，步骤S1中所述的热平板的温度为280～300℃；所述冷平板的温度为60～90℃。
5.根据权利要求3所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，步骤S1中所述的木材为外板面层的弦向干缩率与内板面层的径向干缩率的比值≥1.8的木材。
6.根据权利要求3所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，步骤S1所述的木材为橡胶木、红橡木、白橡木、水曲柳、刺猬紫檀、黑胡桃、樱桃木或白蜡木。
7.根据权利要求3所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，步骤S1中所述保温的时间为10～30min；所述木材的初始含水率为0～6％，所述推送的时间为1～5秒。
8.根据权利要求7所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，步骤S1中所述保温的时间为15～25min；所述木材的初始含水率为2～4％，所述推送的时间为2～3秒。
9.根据权利要求3所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，步骤S3中所述的环保稳定型木材的平均含水率为7～15％；内板面层的含水率为7～15％，外板面层的含水率4～11％。
10.根据权利要求9所述的环保稳定型木材的表层热改性方法，其特征在于，所述的环保稳定型木材的平均含水率为8～12％；内板面层的含水率为8～12％；外板面层的含水率为5～9％。
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