CN116100639A - 一种基于弱相增强的分层压缩速生材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于弱相增强的分层压缩速生材，包括位于上表面和下表面的表层以及位于两表层之间的芯层，所述速生材的密度自表层向芯层逐渐降低，所述表层为去除全部或部分木材弱相组织后的速生材层，所述芯层为未去除木材弱相组织的速生材层，所述表层和所述芯层通过木材自身纤维连接。本发明还公开了一种基于弱相增强的分层压缩速生材的制造方法，包括以下步骤：将速生材依次进行定厚处理、封端处理、碱处理和热压处理，得到基于弱相增强的分层压缩速生材。本发明具有吸水膨胀率低且力学性能优异的优点。

Description

一种基于弱相增强的分层压缩速生材及其制造方法
技术领域
本发明涉及压缩速生材领域，尤其涉及一种基于弱相增强的分层压缩速生材及其制造方法。
背景技术
我国是人工速生林种植和蓄积第一大国，然而速生材质轻、易脆、强度低等缺点阻碍了其在家居产品、木结构建筑材料中的直接应用。压缩木是将强度较低的速生木材经过固定的温度和压力等机械外力进行密实化处理。经过密实化处理后，具有毛细多孔有限膨胀胶体的木材在内部结构上发生了巨大变化，物理力学性能也随之变化。其中最显著的变化表现在力学强度增强，质地更加均匀，从而有效地改善了木材的品质，提高了木材的利用价值，拓展了木材的应用范围。
高效制备尺寸稳定性好的压缩木材，降低压缩木吸水回复率成为当前亟待解决的问题之一。解决方法主要是水煮软化和高温处理等方式，采用水热处理法，即利用蒸煮软化法对木材进行软化处理并压缩后，必须对木材进行再干燥处理和变形固定处理，因此会增加处理成本，而且处理工艺复杂。而高温处理是一种良好的压缩木后期定型方法。但相关研究表明，过高的温度(135℃以上)会使木材产生热解反应，其力学性能逐渐下降，限制了压缩木材的适用范围。
目前在制备压缩木材的工艺中，已有人采用碱处理技术对木材进行预处理，即通过碱性混合溶液蒸煮法热处理木材，对蒸煮后(7h)的木材进行高温压缩(温度为100℃、整体压缩率为80％、保压时间为24h、压力为12MPa)，达到所需的压缩率后停止压缩，得到压缩木材，在该制备方法中，碱性混合溶液对整个木材表层和内层的木质素和半纤维素都进行了全部和部分去除，木材细胞壁从内到外完全坍塌，木材完全致密化。这种制备方法不仅材料损失大、制备时间冗长，材料的吸水回复率也大。其次，相关试验的试件尺寸较小，由于木材的力学性能存在尺寸效应，所以无法满足横向受力居多而发生弱相层破坏的木结构承重构件(梁)材料的制造。因此，开发一种不易发生回弹变形且力学性能优异的压缩木材制备方法仍是一个普遍关注的研究领域之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸水膨胀率低且力学性能优异的基于弱相增强的分层压缩速生材及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于弱相增强的分层压缩速生材，包括位于上表面和下表面的表层以及位于两表层之间的芯层，所述速生材的密度自表层向芯层逐渐降低，所述表层为去除全部或部分木材弱相组织后的速生材层，所述芯层为未去除木材弱相组织的速生材层，所述表层和所述芯层通过木材自身纤维连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述表层与芯层厚度比为1：2～1：5。
所述表层的厚度为5～30mm。
所述速生材为密度低于600kg/cm3的木材，或杨木、松木和杉木中的一种。
所述表层采用碱性混合溶液去除全部或部分弱相组织，所述弱相组织为木质素和半纤维素。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种基于弱相增强的分层压缩速生材的制造方法，包括以下步骤：
S1、将速生材按照预设目标尺寸进行预处理和封端处理，得到封端处理后的速生材；
S2、将封端处理后的速生材置于在碱性混合溶液中浸渍处理，去除表面全部或部分木材弱相组织，得到表面去除全部或部分弱相的速生材；
S3、表面去除全部或部分木材弱相的速生材进行热压处理，室温陈放即可得到基于弱相增强的分层压缩速生材；所述热压处理包括以下步骤：设定压缩率为20％～50％，先在20～60s内升温至100～180℃并升压至1～6MPa，保温保压30～60min后，在30～60s降温降压至室温室压。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述碱性混合溶液为亚硫酸钠、氢氧化钠、次氯酸钠及双氧水的两种或多种混合溶液。
优选地，所述碱性混合溶液为亚硫酸钠、氢氧化钠和双氧水的混合溶液，所述双氧水为溶剂，其余组分为溶质，所述亚硫酸钠、氢氧化钠的质量比为0.8～1.5：1～1.4。
优选地，所述碱性混合溶液为亚硫酸钠、氢氧化钠、次氯酸钠、过氧化氢和双氧水的混合溶液，所述双氧水为溶剂，其余组分为溶质，按质量百分比浓度计，亚硫酸钠为2.52％～5.0％，氢氧化钠为5.0％～8.0％，次氯酸钠为1％～3％，过氧化氢为4.0％～7.0％，双氧水为77％～96.48％。
优选地，所述碱性混合溶液为亚硫酸钠、氢氧化钠、次氯酸钠和双氧水的混合溶液，所述双氧水为溶剂，其余组分为溶质，所述亚硫酸钠、氢氧化钠和次氯酸钠的质量比为1：1：0.2，按质量百分比浓度计，所述次氯酸钠为1％～3％。
优选地，所述浸渍处理包括以下步骤：
将封端处理后的速生材置于碱性混合溶液中浸渍6h～12h后，在80℃～120℃温度下，在常压或0.6MPa～3MPa压力下蒸煮1h～12h进行脱木质素和半纤维素处理，再置于清水中在80℃～120℃温度下蒸煮1h～2h去除残留化学试剂，得到表面去除全部或部分木材弱相组织的速生材。
优选地，当在常压条件下进行脱木质素和半纤维素处理时，蒸煮时间为6h～12h，当0.6MPa～3MPa压力下进行脱木质素和半纤维素处理时，蒸煮时间为1h～10h。
优选地的，所述预处理为定厚处理。
本发明的基本原理是：
本发明的一种基于弱相增强的分层压缩速生材及其制造方法，通过去除木材表面层的木材弱相组织(本发明中的木材弱相组织指的是半纤维素、木质素)，并结合压缩技术实现表层力学弱相的“夹芯化”增强。当木材作为受力构件时(抗弯)，其主要受力部位为两个表层，其中一个表层受到拉应力作用，另外一个表层承受压应力作用，表层最容易产生破坏，从宏观层面看是弱相部位。从化学成分的角度考虑，木材主要由纤维素、半纤维素和木质素三大主成分构成，其中纤维素类似“钢筋”，承受各种力学载荷，而木质素和半纤维素在水热的作用下，容易软化和分解，是细胞璧化学组份中的弱相。本发明通过物理化学定向脱除的方法，去除木材上、下表层中的弱相组织(即半纤维素和木质素)，而芯层是没有去除弱相组织的素材，再通过热压定型的方法使木材表层中的“钢筋”(纤维素分子链)排布得更加紧密，速生材表层和芯层通过木材自身纤维连接，两层之间不具有明显的分层界面，则能够对木材起到最大的增强效果。碱处理在脱除木材表层中的木质素和半纤维素的同时，也会使木材细胞壁丧失一定的刚度，减小表层被压缩后内部的释放应力。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明制备的弱相增强分层压缩速生材工艺简单，能耗低，尺寸稳定性高。制备的分层压缩木材具有比天然木材和整体压缩木材更高的力学强重比。
本发明的制备方法，通过封端处理使得碱处理溶液仅仅除去了表层的弱相，而不是对木材内层和外层的木质素和半纤维素都进行了全部或部分去除，木材芯层的细胞壁并未完全坍塌，木材未完全致密化，在热压处理后不需要进行额外的干燥步骤，仅仅只需要进行室温陈放即可，降低了工艺流程。
本发明的制备方法，由于通过去除弱相和压缩进行了表面密实化处理，在整体压缩率为20％～50％，保温保压时间为30～60min条件下得到的压缩速生材仍然具有良好的强度和弹性模量，木材表面密度提高，静曲强度最高可增强至163.54MPa，弹性模量最高可增强至17263.57MPa。将本发明制备的弱相增强分层压缩速生材在完全浸入温度20～25℃的清水环境下放置7天，取出后烘至绝干状态，以此流程循环7次。木材横纹压缩的吸水膨胀率最低为1％，没有发生翘曲膨胀等形变等，具有较高的尺寸稳定性。
本发明的制备方法，由于对木材的压缩率的要求不高，因此，不同于现有技术需要对木材整体压缩，压缩难度小，可制备更大尺寸的压缩速生材。
附图说明
图1是本发明分层压缩杨木的示意图
图2是本发明分层压缩杨木的剖面密度图。
图3是天然杨木的细胞腔内细胞图(100um)。
图4a是本发明分层压缩处理后的杨木细胞腔内细胞图(200um)。
图4b是本发明分层压缩处理后的杨木细胞腔内细胞图(30um)。
图5是本发明具体实例与天然杨木的载荷-位移曲线对比图。
图6是本发明一种弱相增强分层压缩速生材制造方法流程图。
图中各标号表示：1、表层；2、芯层。
具体实施方式
以下将对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。
如图1所示，本发明的一种基于弱相增强的分层压缩速生材，包括位于上表面和下表面的表层1以及位于两表层1之间的芯层2，速生材的密度自表层1向芯层2逐渐降低，表层1为去除全部或部分木材弱相组织后的速生材层，芯层2为未去除木材弱相组织的速生材层，表层1和芯层2通过木材自身纤维连接。
本实施例的基于弱相增强的分层压缩速生材的制造方法，包括以下步骤：
S1、将速生材按照预设目标尺寸进行预处理和封端处理，得到封端处理后的速生材；
S2、将封端处理后的速生材置于在碱性混合溶液中浸渍处理，去除表面全部或部分木材弱相组织，得到表面去除全部或部分弱相的速生材；
S3、表面去除全部或部分木材弱相的速生材进行热压处理，室温陈放一定时间即可得到基于弱相增强的分层压缩速生材；热压处理包括以下步骤：设定压缩率为20％～50％，先在20～60s内升温至100～180℃并升压至1～6MPa，保温保压30～60min后，在30～60s降温降压至室温室压。
实施例1：
如图6所示，本实施例的一种弱相增强分层压缩速生材的制备方法，包括以下步骤：
一、定厚处理：
根据分层压缩木材的目标尺寸，将速生木材通过纵解、横截、刨平和砂光等预处理，得到厚度为29.5mm的速生木材。
二、封端处理：
将步骤一得到的速生木材通过封端材料(本实施例为聚丙烯蜡，在其他实施例可采用其他封端材料，如石蜡、油漆)对木材端部进行密封，由于木材纵向渗透性远大于横向渗透性，相差几百倍。本步骤封端处理的作用在于：1、避免端部与表层的渗透深度出现较大差异。(单位时间内，溶液无法渗透至较长试样的中间部位)；2、避免木材的中间层被碱处理。(本发明仅对木材表层进行碱处理)，即避免后续碱性溶液处理过程中，碱性溶液不会去除木材端部表面的弱相组份。
三、碱性混合溶液处理：
(1)将亚硫酸钠和氢氧化钠两种溶液按照1:1进行混合，得到去木质素碱性混合溶液；
所述碱性混合溶液中亚硫酸钠的质量百分比浓度为5.0％；所述碱性混合溶液中氢氧化钠的质量百分比浓度为2.52％；所述碱性混合溶液中水的质量百分比浓度为92.48％。
(2)将木板置于碱性混合溶液中充分浸渍12小时，然后在100℃的条件下，蒸煮8h脱木质素和半纤维素处理后，置于清水环境中在100℃的条件下蒸煮1小时去除残留化学试剂，得到碱性混合溶液处理后的木板。
在其他实施例中，可采用压力浸渍进行碱性混合溶液处理也可取得相同或相似的技术效果：如将木板置于装有碱性混合溶液的压力浸渍罐中进行蒸煮脱木质素和半纤维素处理，处理时间1～10小时，处理温度80℃～120℃，处理压力0.6～3.0MPa，处理时，浸渍罐同时进行一定速率的旋转。
四、热压处理：
将步骤三得到碱性混合溶液处理后的速生木材置于热压机中按照压缩率30％进行升压(时间：60s，压力：5.5MPa,温度180℃)、保压(时间：60min，压力：5.5MPa，温度180℃)、降压(时间：30s，压力：0MPa(或正常气压)，温度20℃)三个阶段后冷却至室温，室温陈放一定时间即可得到分层压缩木材。
实施例2：
按照实施例1所述的方法制备分层压缩木材，不同的是，步骤三中的碱性混合溶液是由亚硫酸钠、氢氧化钠和次氯酸钠按照1:1:0.2进行混合，所述碱性混合溶液中次氯酸钠的质量百分比浓度为1％～3％。
实施例3：
按照实施例1所述的方法制备分层压缩木材，不同的是，步骤四中木材的压缩率为50％。
对比例1
未经过任何处理的速生杨木。
对比例2
按照实施例1所述的方法制备整体压缩杨木，不同的是，步骤四中木材的压缩率为73％。
性能测试
板材尺寸按以下方式检测：在制备压缩木过程中，用厚度规控制压缩木的最终厚度，计算出压缩率。
吸水回复率：将试件置入清水中7天，取出后置于室内干燥至气干状态，放入干燥箱中在103℃下干燥至绝干状态，测量其厚度，并根据下述吸水回复率的计算公式计算。
吸水回复率的计算公式为：
式中：LI:素材的绝干厚度；
L0:压缩木试件的绝干厚度；
LC:压缩木吸湿或吸水处理后试件的绝干厚度。
力学性能测定：参照国标GB1936.1-2009进行木材抗弯强度和静曲强度的测定。
上述实施例1～4获得的压缩木材以及对比例素材的性能测定结果如表1所示。
表1
吸水回复率(％) 静曲强度(MPa) 弹性模量(MPa)
实施例1 2.2 163.5 15230.7
实施例2 9.61 130.3 12332.5
实施例3 23.7 121.2 17263.6
对比例1 67.72 6434.53
对比例2 108 12285
从表1的结果可以看出，本发明制备的分层压缩木材，最大静曲强度和弹性模量显著提高。压缩增强后速生杨木的最大静曲强度是杨木素材的1.6倍，最大弹性模量是杨木素材的2.2倍。
从图2可知，本发明实施例1制备的分层压缩木材的密度呈现“马鞍形”说明速生材的密度自表层1向芯层2逐渐降低。综合图3杨木素材的木材细胞腔内细胞图，图4分层压缩杨木的木材细胞腔内细胞图，图4(a)的放大倍数为200μm，图4(b)的放大倍数为30μm，可知木材的薄壁组织和部分管孔呈现不同程度的密实化，且成分层结构，但是没有明显的分层界面。
从图5可知，压缩增强后的速生杨木与素材相比，破坏载荷和延性有了较大的提升。具体为：与杨木素材相比，最大静曲强度和弹性模量分别提高了241.4％，236.7％；与整体压缩杨木相比，最大静曲强度和弹性模量分别提高了151.4％，140.5％。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于弱相增强的分层压缩速生材，包括位于上表面和下表面的表层(1)以及位于两表层(1)之间的芯层(2)，其特征在于：所述速生材的密度自表层(1)向芯层(2)逐渐降低，所述表层(1)为去除全部或部分木材弱相组织后的速生材层，所述芯层(2)为未去除木材弱相组织的速生材层，所述表层(1)和所述芯层(2)通过木材自身纤维连接。
2.根据权利要求1所述的分层压缩速生材，其特征在于：所述表层(1)与芯层(2)厚度比为1:2～1:5。
3.根据权利要求2所述的分层压缩速生材，其特征在于：所述表层(1)的厚度为5～30mm。
4.根据权利要求3所述的分层压缩速生材，其特征在于：所述速生材为杨木、松木和杉木或其它密度低于600kg/m3的木材。
5.根据权利要求3所述的分层压缩速生材，其特征在于：所述表层(1)采用碱性混合溶液去除全部或部分弱相组织，所述弱相组织为木质素和半纤维素。
6.一种基于弱相增强的分层压缩速生材的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将速生材按照预设目标尺寸进行预处理和封端处理，得到封端处理后的速生材；
S2、将封端处理后的速生材置于在碱性混合溶液中浸渍处理，去除表面全部或部分木材弱相组织，得到表面去除全部或部分弱相的速生材；
S3、表面去除全部或部分木材弱相的速生材进行热压处理后，室温陈放得到基于弱相增强的分层压缩速生材；
所述热压处理包括以下步骤：设定压缩率为20％～50％，先在20～60s内升温至100～180℃并升压至1～6MPa，保温保压30～60min后，在30～60s降温降压至室温室压。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述碱性混合溶液为亚硫酸钠、氢氧化钠、次氯酸钠及双氧水的两种或多种混合溶液。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述碱性混合溶液为亚硫酸钠、氢氧化钠的混合溶液，亚硫酸钠、氢氧化钠的质量比为0.8～1.5:1～1.4。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述碱性混合溶液为亚硫酸钠、氢氧化钠、次氯酸钠、过氧化氢和双氧水的混合溶液，按质量百分比浓度计，亚硫酸钠为2.52％～5.0％，氢氧化钠为5.0％～8.0％，次氯酸钠为1％～3％，过氧化氢为4.0％～7.0％，双氧水为77％～96.48％。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的制造方法，其特征在于：所述浸渍处理包括以下步骤：
将封端处理后的速生材置于碱性混合溶液中浸渍6h～12h后，在80℃～120℃温度下，常压或0.6MPa～3MPa压力下蒸煮1h～12h进行脱木质素和半纤维素处理，再置于清水中在80℃～120℃温度下蒸煮1h～2h去除残留化学试剂，得到表面去除全部或部分木材弱相组织的速生材。
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