CN115319877A - 一种木材表面密实化处理方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种木材表面密实化处理方法，包括热压处理的步骤，所述热压处理的步骤是对板材的冷冻层实施的，所述冷冻层是所述板材中包括表面的厚度层。该种方法不需要在热压后实施压缩固定的处理，因而具有相对较高的生产效率。

Description

一种木材表面密实化处理方法

技术领域

本发明涉及木材密实化压缩处理的技术领域，具体为一种木材表面密实化处理方法。

背景技术

高温热压是一种传统的提高木材密度、强度的物理改性手段，通过湿热处理使木材的某一厚度层(也可以是木材的整个厚度层)软化至屈服强度小于热板压力而在热板的压迫下发生密实化的压缩。但是，木材的压缩密实化是木材自弹性态向塑性态转变并受压力作用的结果，而木材的二态之间的转换是可逆的，当温度、压力等外界作用力消失后，木材仍旧由塑性态回至弹性态，并导致压缩的结果发生逆转，即压缩的回弹。所以，现有技术的压缩处理都需要进一步实施压缩固定，例如热板炭化处理、高温热处理、饱和蒸汽处理等。

在中国专利数据库中，公开号为CN102107447B，名称为“一种木质板材及其制备方法”的发明专利(浙江世友木业有限公司，涂登云)公开了以140～200℃的热压温度对素板材坯料的两个含水率处于6～20％的表层进行压缩密实，之后再通过160～200℃、200～225℃两个阶段的炭化对压缩的结果实施固定的技术方案。该专利公开的技术方案是典型的压缩-炭化固定的传统密实化处理工艺。

在中国专利数据库中，公开号为CN101214675B，名称为“木材热压炭化强化方法”的发明专利(涂登云)公开了对含水率处于5～50％的刨光的木材以200～260℃的热压温度在120～240分钟的保温时间内进行热压与炭化的技术方案。该专利公开的技术方案是典型的热板热压、原位热板炭化的传统密实化处理工艺。类似的处于方法还有公开号为CN101966713B，名称为“一种木材密实化的方法及密实化木材”的发明专利(中国林业科学研究院木材工业研究所)公开的技术方案，以软化剂促进木材的某一厚度层(也可以是木材的整个厚度层)快速软化至屈服强度小于热板压力，热压温度介于软化剂的沸点温度以下30℃至软化剂的沸点温度以上150℃之间，10～240s的预热之后在热压温度下保持10～360min。

在中国专利数据库中，公开号为CN109877928B，名称为“木材表面热处理防腐方法及经过表面热处理的木材”的发明专利(浙江优尼家装饰科技有限公司)公开了表面活化→浸渍增强→初级热处理→二级热处理→热压增强→降温的技术方案。该专利公开的技术方案是通过热压前浸渍处理以降低热压后的压缩回弹。

在中国专利数据库中，公开号为CN1281391C，名称为“软材单板材料及表面硬度提高的木材制品”的发明专利(中国林业科学研究院木材工业研究所)公开了对浸渍有酚醛树脂的单板实施压缩率超过45％的热压处理。热压前浸渍的酚醛树脂可以大幅降低热压后的压缩回弹。

然而，不论上述何种方法，压缩固定的处理往往需要消耗大量的能耗，还使得生产周期大幅延长。特别的，浸渍处理往往需要在真空环境下，会在一定程度上提高生产成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术问题，从而提供一种木材表面密实化处理方法。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种木材表面密实化处理方法，包括热压处理的步骤，所述热压处理的步骤是对板材的冷冻层实施的，所述冷冻层是所述板材中包括表面的厚度层。

作为优选，所述冷冻层是对所述板材的至少表面实施冷冻处理的步骤而形成的。

作为优选，通过调湿处理的步骤提高所述板材的包括表面的厚度层的含水率，并对所述板材的至少表面实施冷冻处理的步骤，以形成所述冷冻层。

作为优选，所述调湿处理的步骤通过辊涂或擦湿所述板材的表面的方式实现。

作为优选，将所述板材的包括表面的厚度层的含水率提高至40％～60％。

作为优选，对所述板材的至少表面实施冷冻处理的步骤，并通过调湿处理的步骤提高所述板材的包括表面的厚度层的含水率，以形成所述冷冻层。

作为优选，所述调湿处理的步骤通过喷洒的方式实现。

作为优选，所述调湿处理的步骤中使用水溶液是NaOH溶液。

作为优选，所述冷冻层的厚度为1mm～4mm。

作为优选，所述热压处理的步骤中，热压温度是100℃～150℃，热压压力是1MPa～3MPa，压缩进给速度是0.5mm/min～2mm/min。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本申请的技术方案通过对板材中包括表面的厚度层实施的冷冻处理，借由水变冰引发的体积膨胀以破坏木材细胞的支撑结构，使木材更容易被压溃、软化，从而能够缩短热压处理的生产耗时。

2、在冷冻状态下直接压缩的木材在热压条件(温度、压力)消除后，会在很大程度上丧失回弹的能力，即其压缩回弹率相对较小。

3、由于冰融化成水的过程中需要吸收大量的热量，因此热压过程中的热量传递能够形成较为明确的分层递进，从而制得的表面密实层的密度最大值出现的板材的接近表面的位置，所制得的密实化板材能够在最大程度上利用压缩得到的高密度、高硬度。

4、本申请的技术方案中，调湿处理的步骤能够提高板材表面的含水率，令高含水率的厚度层位于板材中较为靠近表面的位置，所以能够进一步加强表面密实化板材的表面厚度层的密度以及表面硬度。

5、本申请的技术方案中，优选的，调湿处理的步骤中使用水溶液是NaOH溶液，能够降解半纤维素、脱除一些抽提物，以疏通木材的内部通道，并促进木材的软化，从而可以在相同的热压时间内实施更大压缩量的密实化处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1的表面密实化板材的结构示意图。

图2为本申请实施例1至5的表面密实化板材的剖面密度分布图。

图3为本申请实施例6至8的密实化单板的剖面密度分布图。

图中：1、表面密实化板材，2、表面密实化层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1：

一种木材表面密实化处理方法，包括热压处理的步骤，热压处理的步骤是对板材的冷冻层实施的，冷冻层是板材中包括表面的厚度层。冷冻层是对板材的至少表面实施冷冻处理的步骤而形成的。

本实施例的技术方案中，通过对板材中包括表面的厚度层实施的冷冻处理，借由水变冰引发的体积膨胀以破坏木材细胞的支撑结构，使木材更容易被压溃。与此同时，对冷冻的木材直接加热、加压能够提高木材软化速度，使其更快的达到能够被压缩的屈服强度，缩短热压处理的生产耗时。所以，本实施例的方法具有更高的生产处理效率。

在实验过程中，发明人还意外的发现，经过冷冻而直接压缩的木材在热压条件(温度、压力)消除后，会在一定程度上丧失回弹的能力，即解除压力后的压缩回弹率相对较小。所以，当该方法用于板材的表面密实化处理或对用于板材表面贴面的薄单板的整体密实化处理时，相对较小的压缩率，几乎不需要对压缩后的材料实施额外的压缩固定处理。实际上，以本实施例的技术方案制得的密实化板材在未经压缩固定处理的情况下，压缩回弹率能够达到与现有技术的压缩工艺加上炭化处理这一压缩固定方法处理后的密实化板材的压缩回弹率相当的水平。

对于上述现象，发明人初步的理解是，木材细胞的支撑结构被机械式的破坏，使得木材丧失一定的弹性变形能力，所以在吸湿环境条件下，压缩后的材料的压缩回弹率也相对较低。

进一步的，本实施例的技术方案所制得密实化板材的表面密实层的剖面分层密度分析实验的结果显示，密度最大值出现的板材的表面附近的厚度层处，这样的好处是，密实化的板材能够在最大程度上利用压缩得到的高密度、高硬度。

现有技术中，热板接触板材表面的同时发生热量、温度的传递，随着热量、温度的递进，板材中的水分逐渐向板材的厚度层内侧迁移，所以在密实化压缩的初期，因板材的表面含水率低、表面以下的某一厚度层的含水率高而使表面以下的某一厚度层首先达到屈服强度，这一现象导致了从剖面分层密度来看，密实层的密度最大值并不出现在表面，而是在表面以下的某一厚度层。在这种情形下，虽然板材的强度得到了增强，但是从对表面硬度的提高的角度出发，表面密实化的处理在一定程度上是无效的，或者说需要提高压缩率来同步提高表面的密度。通过本实施例的技术方案制得的密实化板材的密度最大值发生在更靠近表面的位置，发明人认为这是由于冰融化成水的过程中需要吸收大量的热量，所以在热压过程中，热量的传递是明确的逐个厚度层进行并传递的。具体来说，当表面的厚度层完成化冰、软化进而被压缩后，热板才得以更接近次厚度层，随后又需要在次厚度层完成化冰后，次厚度层才会发生软化进而被压缩。换言之，在一个方面，化冰的过程阻隔了表面的厚度层在受热、压缩过程中水分、温度向表面以下的厚度层迁移，并需要在第一个厚度层(假定将表面的厚度视为第一个厚度层)完成压缩后，才开始次厚度层的压缩进程；在另一个方面，水变冰的过程引发的结构坍塌使得板材更容易达到屈服强度，所以协同促进了第一个厚度层在相对较短的时间内(次厚度层完成化冰之前)完成压缩。

具体来说，本实施例的处理对象是厚度23mm的杨木板材，初始含水率12～16％。将板材通过液氮冷冻隧道(该隧道是现有技术的任意一种形式)对板材的表面喷涂液氮而使其表面发生冷冻。通过控制液氮喷涂浓度、在隧道中的通过和/或停留时间能够控制板材的冷冻层的厚度。本实施例中，控制冷冻层的厚度是1.2±0.2mm。

使用平板热压机作为热压设备，以提供温度与压力。平板热压机的下压板为冷板，常温(室温，约25～30℃)；上压板为热板，温度是145±2℃。令热板、冷板之间的间距为24mm，将表面形成冷冻层的板材直接送至热板、冷板之间，快速闭合热板至接触板材的表面。预热5s后加压，热压压力是3MPa，压缩进给速度(热板下降速度)是0.5mm/min，经过1min的下压后压板下压0.5mm，板材总厚度降至22.5mm，整体压缩率2.2％，制得如图1所示的表面密实化板材1。参照图2所示，从剖面密度分布曲线可以得知，压缩几乎发生在原1.2mm厚(实际测量值)的冷冻层上，压缩后的表面密实化层2的厚度是约0.7mm，所以冷冻层的压缩率41.7％。

最后，在20℃/90％RH的环境下将表面密实化板材的含水率平衡至12％。

当然的，本领域技术人员根据以上描述，并结合现有技术的教导，能够掌握并实施板材双面冷冻压缩或整体冷冻压缩的处理方法。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于，通过调湿处理的步骤提高板材中包括表面的厚度层的含水率提高至50±3％。调湿处理的步骤是通过辊涂实施的，具体是将板材通过多个阵列的饱水的海绵辊，海绵辊将水辊涂在板材的表面。在其他一些实施方式中，也可以手工擦湿板材的表面。由于表面调湿处理后没有经过包裹养生的阶段，所以水分仅停留在板材的十分表面，一般来说，仅0.2mm～0.5mm的厚度层的含水率能够提高到40％～60％的水平。

随后，以与实施例1相同的方式对板材的至少表面实施冷冻处理的步骤以形成冷冻层，但是控制冷冻层的厚度是2.0±0.2mm。

再后，以与实施例1相同的方式对板材实施热压，区别在于，热板温度是140±2℃，预热5s后加压，热压压力是2MPa，压缩进给速度是1mm/min，经过1min的下压后压板下压1mm，板材总厚度降至22mm，整体压缩率4.4％。压缩几乎发生在原2.0mm厚的冷冻层上，形成的表面密实化层2的厚度是约1mm，冷冻层压缩率50％。

在本实施例中，高含水率的厚度层位于板材的表面，所以在表面密实化层2中，密度峰值出现在更为接近表面的厚度层，从而能够进一步加强表面密实化板材1的表面厚度层的密度以及表面硬度。

实施例3：

实施例3与实施例2的区别在于，调湿处理的步骤中使用水溶液是NaOH溶液。NaOH溶液能够降解半纤维素、脱除一些抽提物，以疏通木材的内部通道，并促进木材的软化。所以，采用NaOH溶液调湿板材表面的情况下，可以在相同的热压时间内实施更大压缩量的密实化处理。NaOH溶液的涂布方式采用辊涂、擦涂或淋涂的方式，在板材表面0.2mm～0.5mm的厚度层上形成NaOH溶液浸渍层，并且，通过控制辊涂的道数或擦涂、淋涂的时间以便将NaOH溶液浸渍层的含水率大约控制在45±3％的范围内。

随后，采用与实施例1相同的方式对板材中至少表面实施冷冻处理的步骤以形成冷冻层，但是控制冷冻层的厚度是2.0±0.2mm。再后，仍旧采用与实施例1相同的方式对板材实施热压，区别在于，热板温度是130±2℃，预热5s后加压，热压压力是2MPa，压缩进给速度是1mm/min，经过1.5min的下压后压板下压1.5mm，板材总厚度降至21.5mm，整体压缩率6.5％。压缩几乎发生在原2.0mm厚的冷冻层上，形成的表面密实化层2的厚度是约0.6mm，冷冻层压缩率70％。

实施例4：

实施例4与实施例1、2的区别在于冷冻处理的步骤与调湿处理的步骤的先后顺序，本实施例是先对板材的表面实施冷冻处理的步骤，再通过调湿处理的步骤提高板材的包括表面的厚度层的含水率，以形成适于压缩的冷冻层。

具体来说，首先材料与实施例2相同的方式对板材实施冷冻处理的步骤，发生冷冻的板材表面的厚度达到1mm。随后，以喷洒雾化水的方式对板材的冷冻表面实施调湿处理的步骤，洒水量以不使最表面的冷冻层发生融化为准，例如250g/㎡～300g/㎡。通过此方法，可以提高厚度在1.1mm的包括表面的厚度层的含水率，但是在1.1mm的厚度上，含水率是阶梯式降低的，由表及里含水率自55±3％降至36±3％，含水率的梯度能够有利于保证热压后的表面硬度，即具有峰值密度的厚度层的区域更宽。再后，采用与实施例1相同的方式对板材实施热压，区别在于，热板温度是120±2℃，预热5s后加压，热压压力是2MPa，压缩进给速度是0.5mm/min，经过1.2min的下压后压板下压0.6mm，板材总厚度降至22.4mm，整体压缩率2.6％。压缩几乎发生在原1.1mm厚的冷冻层上，形成的表面密实化层2的厚度是约0.5mm，冷冻层压缩率55％。

实施例5：

实施例5与实施例4的区别在于，调湿处理的步骤中使用水溶液是NaOH溶液。

采用与实施例4相同的方式对板材实施冷冻处理的步骤，发生冷冻的板材表面的厚度达到2mm。随后，通过多次喷洒雾化NaOH溶液提高表面大约2.1mm的厚度层的含水率，静置5～10min以使NaOH溶液发生进一步的渗透。再后，由于NaOH溶液的喷洒量相对较大，所以板材表面会发生一定程度的化冰，此时需要对板材实施二次冷冻处理，使发生冷冻的板材表面的厚度达到2.5mm。最后采用与实施例4相同的方式对板材实施热压处理的步骤，区别在于，热板温度是110±2℃，预热5s后加压，热压压力是2MPa，压缩进给速度是0.5mm/min，经过3min的下压后压板下压1.5mm，板材总厚度降至21.5mm，整体压缩率6.5％。压缩几乎发生在原2.5mm厚的冷冻层上，形成的表面密实化层2的厚度是约1mm，冷冻层压缩率60％。

实施例6：

实施例6与实施例1的区别在于，本实施例的处理对象是厚度3mm的杨木单板，初始含水率12～13％。将单板通过液氮冷冻隧道对单板的表面喷涂液氮，因为单板的厚度较小所以能够使其整体发生冷冻。

平板热压机的上、下压板均为热板，温度是145±2℃。令上、下压板之间的间距为4mm，将表面形成冷冻层的板材直接送至热板、冷板之间，快速闭合上压板至接触单板的表面。无预热加压，热压压力是2MPa，压缩进给速度(热板下降速度)是0.5mm/min，经过1min的下压后压板下压0.5mm，单板总厚度降至2.5mm，整体压缩率16.7％。从剖面密度分布曲线可以得知，压缩发生在单板的整个厚度上，但是峰值密度出现在两个表面以下的内侧厚度层处。

最后，在20℃/90％RH的环境下将表面密实化单板的含水率平衡至10％。

实施例7：

调湿处理的步骤中，在单板表面喷洒一次雾化水，以提高单板的两个表面0.2mm～0.5mm厚度的含水率至50±3％，随后按照实施例6的方式处理单板。密实化单板的厚度、压缩率与实施例6相同，压缩也发生在单板的整个厚度上，但从剖面密度分布曲线可以得知，具有峰值密度的厚度层较实施例6更靠近两个表面。

实施例8：

实施例8与实施例7的区别在于，调湿处理的步骤中使用水溶液是NaOH溶液。密实化单板的厚度、压缩率与实施例6、7相同，压缩也发生在单板的整个厚度上，但从剖面密度分布曲线可以得知，除了具有峰值密度的厚度层较实施例6更靠近两个表面之外，形成峰值密度厚度层的厚度也较实施例7更大。

实施例1至5的表面密实化板材的剖面密度分布图参见图2所示，实施例6至8的密实化单板的剖面密度分布图参见图3所示。实施例1至8的表面密实化板材的压缩回弹率参见表1所示。其中，对照组1是对厚度为23mm、初始含水率20％的杨木板材实施180℃的热压处理后得到的压缩率为3％(整体压缩率)的表面密实化板材；对照组2是将对照组1的表面密实化板材实施180℃/4h的炭化处理后得到的经压缩固定的表面密实化板材。

表1.表面密实化板材的压缩回弹率

组别	冷冻层压缩率	整体压缩率	压缩回弹率	吸湿回弹率
					实施例1	41.7％	2.2％	20.1％	8.3％
实施例2	50％	4.4％	23.8％	10.6％
					实施例3	70％	6.5％	27.9％	11.4％
实施例4	55％	2.6％	19.2％	9.5％
					实施例5	60％	6.5％	29.3％	13.7％
实施例6	16.7％	16.7％	15.4％	9.2％
					实施例7	16.7％	16.7％	13.8％	6.9％
实施例8	16.7％	16.7％	17.6％	8.1％
					对照组1	/	3％	85.7％	59.8％
对照组2	/	3％	28.6％	12.4％

其中，压缩回弹率是将表面密实化板材、密实化单板浸泡于冷水中24h后，测量其吸水回弹量，并按照以下公式计算压缩回弹率：

压缩回弹率＝吸水回弹量/压缩量。

吸湿回弹率是将表面密实化板材、密实化单板置于30℃/90％RH的环境中1周后，测量其吸湿回弹量，并按照以下公式计算吸湿回弹率：

吸湿回弹率＝吸湿回弹量/压缩量。

以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

Claims (10)

1.一种木材表面密实化处理方法，包括热压处理的步骤，其特征在于，所述热压处理的步骤是对板材的冷冻层实施的，所述冷冻层是所述板材中包括表面的厚度层。

2.根据权利要求1所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，所述冷冻层是对所述板材的至少表面实施冷冻处理的步骤而形成的。

3.根据权利要求1所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，通过调湿处理的步骤提高所述板材的包括表面的厚度层的含水率，并对所述板材的至少表面实施冷冻处理的步骤，以形成所述冷冻层。

4.根据权利要求3所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，所述调湿处理的步骤通过辊涂或擦湿所述板材的表面的方式实现。

5.根据权利要求3所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，将所述板材的包括表面的厚度层的含水率提高至40％～60％。

6.根据权利要求1所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，对所述板材的至少表面实施冷冻处理的步骤，并通过调湿处理的步骤提高所述板材的包括表面的厚度层的含水率，以形成所述冷冻层。

7.根据权利要求6所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，所述调湿处理的步骤通过喷洒的方式实现。

8.根据权利要求4或5或7所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，所述调湿处理的步骤中使用水溶液是NaOH溶液。

9.根据权利要求1所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，所述冷冻层的厚度为1mm～4mm。

10.根据权利要求1所述的木材表面密实化处理方法，其特征在于，所述热压处理的步骤中，热压温度是100℃～150℃，热压压力是1MPa～3MPa，压缩进给速度是0.5mm/min～2mm/min。

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