CN111421633B - 基于高周波无胶压密新型硬木 - Google Patents

基于高周波无胶压密新型硬木 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于高周波无胶压密新型硬木，该新型硬木的平均密度为0.82‑1.6g/cm3，平均硬度为34‑51.2MPa，密度差小于0.48g/cm3，硬度差小于1.7MPa，该新型硬木是通过木材预处理、加热压缩处理、固化处理、冷却处理和养生处理等步骤制成的，本发明提供的基于高周波无胶压密新型硬木具有非常高的平均硬度和平均密度；密度和硬度分布均匀，内部蜂窝状结构面积小，空气、树脂和单宁化合物的含量极低；硬木的内外部吸水率低，不惧水煮和水侵，性质稳定。

Description

基于高周波无胶压密新型硬木
技术领域
本发明属于硬木加工制造领域，特别涉及一种基于高周波无胶压密新型硬木。
背景技术
硬木坚硬细密，色泽华丽，花纹优美细腻，是做家具和木制品的上乘材料，但其生长缓慢，木质结构细密紧致，因而这些木材的价格昂贵。而软质木材生长速度快，其内部由许多辐射排列的扁平细胞组成，细胞腔内含有树脂和单宁化合物且充满空气，质地轻软，富有弹性，但物理力学性能较差，例如，密度低、硬度低、易产生干缩变形、易腐蚀。为了提高软质木材的上述性能，需对木材进行表面处理和热处理；为了满足生产加工的需要，有时也需要对硬木进行压缩处理，需要压缩成更硬的木头。
现有的表面处理、热处理或压缩技术获得的硬木均容易出现脱胶、脱漆等情况，且其内部容易朽化、开裂，硬度低，容易吸水开裂。为了提高硬木的硬度，需要利用胶将多个硬木层叠起来制成复合板，但是制备的复合板存在甲醛、苯系物，有害健康，因此提供一种硬度高、无胶的硬木是目前急需解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于高周波无胶压密新型硬木，该新型硬木的平均密度为0.82-1.6g/cm3，平均硬度为34-51.2MPa，密度差小于0.48g/cm3，硬度差小于1.7MPa，所述新型硬木是通过如下制备方法得到的
1)木材预处理：将木材进行预处理，控制木材的平均含水率为10-20％；
2)加热压缩处理：将经过预处理的木材利用高周波加热至木材平均温度为100-110℃，保温5-7min，按第一压缩率Y进行压缩；
3)固化处理：将经过加热压缩处理的木材利用高周波加热至木材平均温度为180-220℃，保温5-8min，进行固化处理；
4)冷却处理：用水冷技术将经过固化处理的木材表面以5-15℃/min的速度冷却，冷却至木材平均温度为70-90℃；
5)养生处理：将经过冷却处理的木材放置室温，养生13-15天，得到新型硬木。
经过预处理的钢板如果不立即进行加热压缩处理，需要将经过预处理的木材用锡纸或塑料缠绕，进而保证经过预处理的木材的含水率。
本发明中加热压缩处理和固化处理所用的高周波加热可在同一设备上实施，也可在不同设备上实施，加热过程中木材的上下表面可通过金属板进行加热。
冷却处理过程中，根据木材的大小和材质，可以适当冷却到30-50℃。在实际生产中，当需要冷却到较低温度时，通过延长传送带的长度来实现。并且冷却时需要在木材的上下表面放置温度为180-220℃的金属板，金属板与木材的面积比优选为1.4-1.6：1。保证冷却效果的同时，不会造成资源的浪费。水冷技术中为用水对木材上的金属板进行冷却，所用水温为16-17℃，冷却后水温为35℃，如果冷却后水的温度超过35℃，冷却效果差。由于金属板表面温度高，大量的水浇注金属板上时，金属板的温度还可以通过蒸汽带走，进而对木材进行匀速降温，提高降温效果。
需要指出的是，冷却时的金属板和高周波加热时的金属板可以为相同或者不同的金属板。
木材的平均含水率是在木材的表面及内部不同层测量的含水率取平均值；木材的平均温度是在木材的表面及内部不同的层测量的温度取平均值。
例如一块2m*65cm*10cm的木材，在木材的上下表面不同位置分别测量三个含水率值分别为S1至S6，测量的温度值分别为t11至t16，然后在木材厚度分别为2cm，4cm，5cm，6cm和8cm的层上分别取3个点测量其含水率和温度，含水率为S7至S21，温度为t17至t31，然后求平均
Figure BDA0001916194570000031
木材
Figure BDA0001916194570000032
含水率和木材的温度可通过常规方法进行测试。本发明中所指平均值都通过以上方法进行测量。
进一步的改进，冷却处理的水流速为0.9-1.3m/s。通过对水流速进行限定，可以提高气化比例，提高降温效果。
进一步的改进，冷却处理过程中，当将木材表面温度冷却至85-90℃，进行风冷却，风速为9.2-9.7m/s，风的温度为55-60℃。
优选地，风向与木材的上下表面均成55-58°夹角。
风源分别位于加热木材的上表面和下表面，对于木材上表面，风源是从上向与木材上表面呈55-58°夹角的方向吹风，而对于木材下表面，风源是从下向与木材下表面呈55-58°夹角的方向吹风。
随着木材表面温度降低，水蒸汽的蒸发速度降低，为了保证木材表面的匀速降温，当木材表面温度降至85-90℃，需要进行风冷；由于水冷过程产生的水蒸汽会接触木材表面，因此风冷却起到干燥的作用。对风的温度和风向进行了控制，提高水蒸气蒸发速率，提高干燥效率，防止回弹。
进一步的改进，加热压缩处理过程中，将经过预处理的木材维持预设加热速率v1、预设温度差ΔT1的情况下进行加热，其中，v1＝5-7℃/min，ΔT1＝4-7℃，高周波的频率为8-10.5MHz。
进一步的改进，固化处理过程中将经过加热压缩处理的木材维持预设加热速率v2、预设温度差ΔT2的情况下进行加热，其中，v2＝20-25℃/min，ΔT2＝2-5℃，高周波的频率为2.8-16.5MHz。
本发明中所指温度差为对木材上下表面、各厚度层测量的所有温度中最高温度和最低温度差，合理控制温度差提高压缩效果。合理控制木材的含水率差也在本申请保护的范围内，目的也是提高压缩效果。
进一步的改进，加热压缩处理和固化处理之间还包括升温压缩处理，具体方法为：将经过加热压缩处理的木材利用高周波加热至木材平均温度为150-155℃，保温5-10min，高周波的频率为15-17MHz，加热速度为15-20℃/min，再用水冷却至木材平均温度为100-110℃，冷却速度为3-5℃/min，然后再进行第二次压缩。
在进行加热压缩处理后，还对木材进行升温压缩处理，目的是对木材吸水的结构进行再压缩，清除掉了压缩后木材可能存在的吸水情况，显著提高其稳定性，减低其吸水性能。二次压缩的压缩率＝5-10％。
为了提高木材含水率的均匀性，木材预处理的具体方法为：将木材的表面加工平整，利用高周波对木材进行干燥，干燥至木材的平均含水率为10-20％，高周波的频率为2-2.5MHz，木材的平均温度为55-60℃。
进一步的改进，第一压缩率Y通过如下公式获得：
Figure BDA0001916194570000041
压缩率＝(木材压缩前的厚度-压缩后的厚度)/压缩前的厚度*100％。密度单位ρ为g/cm3。
进一步的改进，固化处理具体方法为：
41)将经过压缩处理的木材利用高周波加热至木材平均温度为135-140℃，保温2-5min，高周波的频率为14.2-16.5MHz；
42)再利用高周波继续将木材加热至木材平均温度为180-220℃，保温2-3min，高周波的频率为3.7-4.3MHz；
43)停止加热，将木材用风冷却至木材平均温度为165-170℃，保温2-3min，风速为6.8-8m/s；
44)再利用高周波继续将木材加热至木材平均温度为180-220℃，保温3-5min，高周波的频率为2.8-3.5MHz。
本发明对固化进行具体的限定，显著提高固化效果。
进一步的改进，养生处理具体方法为：将经过冷却处理的木材放置于水平干燥面上，向木材上表面施加5.5-7.2Mpa的压力，养生3天后，以每天减少1.2-1.5Mpa的压力直至压力为0，继续养生10-13天。
养生处理可以在仓库中进行，要保持干燥避光。
进一步的改进，加热压缩处理和升温压缩处理过程中，利用高周波分别对木材的中间区域和四周区域进行加热，中间区域高周波的频率与四周区域高周波的频率比为1：0.88-0.94；固化处理过程中利用高周波分别对将经过加热压缩处理的木材的中间区域和四周区域进行加热，中间区域高周波的频率与四周区域高周波的频率比为1：0.93-0.96。
木材的中间区域和四周区域可以根据木材的大小进行限定，为了提高加热和固化温度的均匀性，一般选择中间区域和四周区域的面积比为2：9。
由本发明提供的基于高周波无胶压密新型硬木具有非常高的平均硬度和平均密度；密度和硬度分布均匀，内部蜂窝状结构面积小，空气、树脂和单宁化合物的含量极低；硬木的内外部吸水率低，不惧水煮和水侵，性质稳定。
附图说明
图1为木材压密前和压密后结构示意图；
图2为木材压密前和压密后细胞壁变化图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
本发明实施例1提供一种基于高周波无胶压密新型硬木，该新型硬木的平均密度为1.25g/cm3，平均硬度为34.1MPa，密度差为0.48g/cm3，硬度差为1.7MPa，所述新型硬木是通过如下制备方法得到的：
1)木材预处理：将密度ρ＝0.6的木材进行预处理，控制木材的平均含水率为10％；
2)加热压缩处理：将经过预处理的木材利用高周波维持预设加热速率v1、预设温度差ΔT1的情况下进行加热，加热至木材平均温度为100℃，保温7min，按45％压缩率进行压缩，v1＝5℃/min，ΔT1＝4℃，高周波的频率为6MHz；
3)固化处理：将经过加热压缩处理的木材利用高周波维持预设加热速率v2、预设温度差ΔT2的情况下进行加热，加热至木材平均温度为180℃，保温8min，进行固化处理，v2＝20℃/min，ΔT2＝2℃，高周波的频率为15.5MHz；
4)冷却处理：用水冷技术将经过固化处理的木材表面以5℃/min的速度冷却，冷却至木材平均温度为70℃，冷却处理的水流速为4.5m/s，当木材表面温度冷却至120℃，进行风冷却，风速为9.2m/s，风的温度为55℃；
5)养生处理：将经过冷却处理的木材放置于水平干燥面上，向木材上表面施加5.5Mpa的压力，养生3天后，以每天减少1.2Mpa的压力直至压力为0，继续养生10天，得到新型硬木。
本发明实施例2-4所提供的基于高周波无胶压密新型硬木与实施例1的区别为参数的变化，具体参数见表1。
表1实施例2-4提供的基于高周波无胶压密新型硬木的参数
Figure BDA0001916194570000071
Figure BDA0001916194570000081
实施例5
本发明实施例5提供一种基于高周波无胶压密新型硬木，该新型硬木的平均密度为1.56g/cm3，平均硬度为49.5MPa，密度差为0.25g/cm3，硬度差为0.82MPa，所述新型硬木是通过如下制备方法得到的：
1)木材预处理：将密度ρ＝0.6的木材进行预处理，控制木材的平均含水率为10％；
2)加热压缩处理：将经过预处理的木材的中间区域和四周区域分别利用高周波并维持预设加热速率v1、预设温度差ΔT1的情况下进行加热，加热至木材平均温度为100℃，保温7min，按45％压缩率进行压缩，v1＝5℃/min，ΔT1＝4℃，中间区域高周波的频率为9.8MHz，四周区域高周波的频率为8.8MHz；
3)升温压缩处理：将经过加热压缩处理的木材的中间区域和四周区域分别利用高周波加热至木材平均温度为150℃，保温5min，中间区域高周波的频率为16MHz，四周区域高周波的频率为15MHz，加热速度为15℃/min，再用水冷却至木材平均温度为100℃，冷却速度为3℃/min，然后再进行第二次压缩，第二次压缩的压缩率为5％；
4)固化处理具体方法为：
41)将经过升温压缩处理的木材的中间区域和四周区域分别利用高周波维持预设加热速率v2、预设温度差ΔT2的情况下进行加热，加热至木材平均温度为135℃，保温5min，中间区域高周波的频率为15.6MHz，四周区域高周波的频率为14.6MHz，v2＝20℃/min，ΔT2＝2℃
42)再利用高周波分别对经过步骤41)获得木材的中间区域和四周区域维持预设加热速率v2、预设温度差ΔT2的情况下进行加热，将木材加热至木材平均温度为180℃，保温2min，中间区域高周波的频率为4MHz，四周区域高周波的频率为3.8MHz；
43)停止加热，将木材用风冷却至木材平均温度为165℃，保温2min，风速为6.8m/s；
44)再利用高周波分别对步骤43)获得的木材的中间区域和四周区域维持预设加热速率v2、预设温度差ΔT2的情况下继续加热，将木材加热至木材平均温度为180℃，保温3min，中间区域高周波的频率为3.2MHz，四周区域高周波的频率为3MHz；
5)冷却处理：用水冷技术将经过固化处理的木材表面以5℃/min的速度冷却，冷却至木材平均温度为70℃，冷却处理的水流速为1m/s，当木材表面温度冷却至87℃，进行风冷却，风速为9.2m/s，风向与木材的上表面成55°夹角，风的温度为55℃；
6)养生处理：将经过冷却处理的木材放置于水平干燥面上，向木材上表面施加5.5Mpa的压力，养生3天后，以每天减少1.2Mpa的压力直至压力为0，继续养生10天，得到新型硬木。
本发明实施例6-9所提供的基于高周波无胶压密新型硬木与实施例5的区别为参数的变化，具体参数见表2。
表2实施例6-9提供的基于高周波无胶压密新型硬木的参数
Figure BDA0001916194570000101
Figure BDA0001916194570000111
对照例1-14分别对实施例1和实施例5各步骤的参数进行考察，考察结果分别见表3-4。
表3对照例1-7提供的基于高周波无胶压密新型硬木的参数
Figure BDA0001916194570000112
Figure BDA0001916194570000121
Figure BDA0001916194570000131
表4对照例8-14提供的基于高周波无胶压密新型硬木的参数
Figure BDA0001916194570000132
Figure BDA0001916194570000141
Figure BDA0001916194570000151
基本性能考察
对本发明实施例1-9和对照例1-14提供的无胶压密新型硬木的平均密度
Figure BDA0001916194570000153
密度差Δρ、平均硬度H、硬度差ΔH，树脂含量SZ、单宁化合物含量DN、蜂窝状态组织结构含量FW等基本性能进行考察，考察结果见表5，加工前木材的尺寸为2m*60cm*10cm，平均密度
Figure BDA0001916194570000154
和平均硬度H均为在新型硬木的上下表面、厚度分别为2cm，4cm，5cm，6cm和8cm的层测量的各密度的平均值和各硬度的平均值，(当测量某一具体厚度的硬度和密度时，可以通过切削或打孔等方式进行加工，然后再进行测定)；硬度差ΔH为测量各硬度中最大值和最小值的差，密度差Δρ为测量各密度中最大值和最小值的差。
表5本发明各方法制备的新型硬木基本性能
Figure BDA0001916194570000152
Figure BDA0001916194570000161
吸水性能考察
参照GB/T 1934.1-2009《木材吸水性测定方法》，测量实施例1-9和对照例1-14提供的新型硬木在6h的平均吸水率(％)、吸水率差(％)和吸水厚度膨胀率(％)，检测结果见表6，平均吸水率为在新型硬木的上下表面、厚度分别为2cm，4cm，5cm，6cm和8cm的层测量的各吸水率的平均值(当测量某一具体厚度的吸水率时，可以通过切削或打孔等方式进行加工，然后再进行测定)；吸水率差为测量各吸水率中最大值和最小值的差；吸水厚度膨胀率(％)＝(浸泡前厚度-浸泡后厚度)/浸泡前厚度。
表6本发明各方法制备的新型硬木吸水率测试结果
Figure BDA0001916194570000162
Figure BDA0001916194570000171
从表5和表6中可以看出本发明提供的基于高周波无胶压密新型硬木的平均密度和平均硬度显著提高，且密度差、硬度差、吸水率差小，表明本发明制备的新型硬木的硬度、密度分布均匀，内部外均具有非常好的性能，且新型硬木内部的树脂含量、单宁化合物含量和蜂窝状态组织结构含量显著降低，进一步保证了新型硬木的稳定性。
木材预处理效果考察
对预处理中木材干燥条件及含水率情况进行考察，考察结果见表7。其中平均含水率是在木材的表面及内部不同层测量的含水率取平均值，含水率差为测量各含水率的最大值与最小值之差。
表7木材预处理效果考察结果
Figure BDA0001916194570000181
从表中可以看出，本发明提供的预处理干燥方法时间短，含水率差小，经过本发明提供的预处理方法可以使得经过预处理的木材的含水率更加均匀。

Claims (6)

1.一种基于高周波无胶压密硬木，其特征在于，所述硬木的平均密度为0.82-1.6 g/cm3，平均硬度为34-51.2MPa，密度差小于0.48 g/cm3，硬度差小于1.7 MPa，所述硬木是通过如下制备方法得到的：
木材预处理：将木材进行预处理，控制木材的平均含水率为10-20%；
加热压缩处理：将经过预处理的木材利用高周波加热至木材平均温度为100-110℃，保温5-7min，按第一压缩率Y进行压缩；
固化处理：将经过加热压缩处理的木材利用高周波加热至木材平均温度为180-220℃，保温5-8min，进行固化处理；
冷却处理：用水冷技术将经过固化处理的木材表面以5-15℃/min的速度冷却，冷却至木材平均温度为70-90℃；水冷技术的水流速为0.9-1.3m/s；水冷技术中为用水对木材上的金属板进行冷却，所用水温为16-17℃，冷却后水温为35℃；
养生处理：将经过冷却处理的木材放置室温，养生13-15天，得到所述硬木；养生处理具体方法为：将经过冷却处理的木材放置于水平干燥面上，向木材上表面施加5.5-7.2Mpa的压力，养生3天后，以每天减少1.2-1.5 Mpa的压力直至压力为0，继续养生10-12天；
加热压缩处理和固化处理之间还包括升温压缩处理，具体方法为：将经过加热压缩处理的木材利用高周波加热至木材平均温度为150-155℃，保温5-10min，高周波的频率为15-17MHz，加热速度为15-20℃/min，再用水冷却至木材平均温度为100-110℃，冷却速度为3-5℃/min，然后再进行第二次压缩；
加热压缩处理和升温压缩处理过程中，利用高周波分别对木材的中间区域和四周区域进行加热，中间区域高周波的频率与四周区域高周波的频率比为1：0.88-0.94；固化处理过程中利用高周波分别对将经过加热压缩处理的木材的中间区域和四周区域进行加热，中间区域高周波的频率与四周区域高周波的频率比为1：0.93-0.96；
所述第一压缩率Y通过如下公式获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，ρ表示密度。
2.根据权利要求1所述的基于高周波无胶压密硬木，其特征在于，金属板与木材的面积比为1.4-1.6：1。
3.根据权利要求1所述的基于高周波无胶压密硬木，其特征在于，冷却处理过程中，当木材表面温度冷却至85-90℃，进行风冷却，风速为9.2-9.7m/s，风的温度为55-60℃。
4.根据权利要求1所述的基于高周波无胶压密硬木，其特征在于，加热压缩处理过程中，将经过预处理的木材维持预设加热速率v1、预设温度差∆T1的情况下进行加热，其中，v1=5-7℃/min，∆T1=4-7℃，高周波的频率为8-10.5MHz。
5.根据权利要求1所述的基于高周波无胶压密硬木，其特征在于，固化处理过程中将经过加热压缩处理的木材维持预设加热速率v2、预设温度差∆T2的情况下进行加热，其中，v2=20-25℃/min，∆T2=2-5℃，高周波的频率为2.8-16.5MHz。
6.如权利要求1所述的基于高周波无胶压密硬木，其特征在于，木材预处理的具体方法为：将木材的表面加工平整，利用高周波对木材进行干燥，干燥至木材的平均含水率为10-20%，高周波的频率为2-2.5MHz，木材的平均温度为55-60℃。
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