CN116653065A - 一种速生材单板细胞壁增强改性方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及速生材木材提质、增强改性技术的技术领域，公开了一种速生材单板细胞壁增强改性方法及其装置，单板的处理面置于浸渍液的液面之上，其特征在于，所述单板的含水率为3～20％，所述单板的另一面为受压面，当压板接触所述受压面时，所述浸渍液的液面、用于罐装所述浸渍液的容器的壁面、所述压板构成的空间中气压处于稳定状态，而后所述压板加压以使所述受压面受到在其幅面上均一的压力。处理耗时更短、总的生产周期更短，制备得到的单板具有更高的表面硬度和更大的表面接触角；浸渍量更小，能够在一定程度上降低处理成本；所需的压缩量更小，具有更高的材积利用率。
Description
技术领域
本发明涉及速生材木材提质、增强改性技术的技术领域，更具体地，涉及一种速生材单板细胞壁增强改性方法；本发明同时还涉及一种适用于实施该种速生材单板细胞壁增强改性方法的装置。
背景技术
为缓解硬阔叶材资源紧张的现状，我国大力提倡人工速生林木材替代硬阔叶材的应用。但是，速生材力学强度低、尺寸稳定性差等缺陷限制了其应用范围与使用价值。现有技术中，浸渍处理、密实化压缩处理分别是针对速生材的化学改性和物理改性处理方法，也有浸渍-压缩联合处理方法的相关报道。
浸渍处理的各种手段中以真空浸渍的手段为优。常见的实施方式如公开号为CN106881237A，名称为“真空液压浸渍装置及浸渍方法”的中国发明专利申请，其中记载了包括储漆罐、浸漆罐、真空机组、外加压组件、排空组件和内循环组件的真空浸渍装置，以及包括真空去湿、真空浸漆、液压浸渍、滴漆、取出工件的真空浸渍方法。真空浸渍处理能够将具有特定功能的浸渍液注入木材内以使木材具有该种功能，但是浸渍液需要满足一定的浸渍的深度才能使木材获得该种功能，浸渍深度越大则需要的真空度越高、浸渍时间越长。
密实化压缩处理的各种手段中以层状压缩的手段为优。常见的实施方式如公开号为CN107263657A，名称为“木材层状压缩的压缩层厚度控制方法”的中国发明专利申请，其中记载了包括浸泡、70～250℃高温预热、加压压缩、保温、降温、打开压机以得到层状压缩木材的技术方案。层状压缩处理能够提高速生材特定厚度层的密度和力学性能，但是由于该处理在高温条件下进行，且木材受到压力的挤压，所以木材密度的提高是通过挤压减小细胞间隙实现的，往往伴随细胞结构的破坏、细胞壁的破损。同时，需要相对较大的压缩量才能体现于宏观上体现力学性能的提高，因此存在木材材积的浪费的问题。
浸渍-压缩联合处理的方法结合了二者的优点，目的在于获得一种功能性的高密度速生材，同时浸渍处理能够增加速生材细胞壁以避免压缩过程中细胞壁的破损，实现宏观、微观协同提高材料力学性能的目的。常见的实施方式如公开号为CN102990759A，名称为“浸渍压缩强化地板及其制造方法”的中国发明专利申请，其中记载了先对干燥后的木材实施浸渍，而后再对浸渍后的木材实施压缩处理的技术方案。但是，如果对浸渍后的木材实施干燥再压缩，则不可避免干燥与压缩过程在三套不同装置中药剂的流失；如果浸渍后不对木材实施干燥而直接压缩，则由于浸渍的厚度层处于饱水状态而难以被压缩。虽然上述申请提供了不完全干燥的解决方案，但在实际操作中效果不佳，不完全干燥与压缩过程在三套不同装置中依然存在药剂的流失的问题。并且，从结果来看，也未达到优于二者结合的水平。
综上，现有技术中，缺少一种能够降低浸渍量、压缩量，避免浸渍液浪费的浸渍-压缩联合处理方法。
发明内容
本申请提供一种速生材单板细胞壁增强改性方法及其装置，其能够降低浸渍量、压缩量，避免浸渍液浪费。
在本申请的第一个方面，提供了一种速生材单板细胞壁增强改性方法，单板的处理面置于浸渍液的液面之上，所述单板的含水率为3～20％，所述单板的另一面为受压面，当压板接触所述受压面时，所述浸渍液的液面、用于罐装所述浸渍液的容器的壁面、所述压板构成的空间中气压处于稳定状态，而后所述压板加压以使所述受压面受到在其幅面上均一的压力。
在一些实施方式中，所述单板的厚度不小于2mm，所述处理面是木材的切割背面。
在一些实施方式中，所述浸渍液的溶液温度为60～120℃，所述受压面受到的压力为4～12MPa。
在一些实施方式中，当所述压板进入所述容器后，通过允许所述浸渍液离开所述容器以维持所述浸渍液的液面、用于罐装所述浸渍液的容器的壁面、所述压板构成的空间中的气压；当所述压板接触所述受压面时，所述容器处于密闭状态。
在一些实施方式中，所述改性方法包括第一浸渍液压力浸渍过程和第二浸渍液压力浸渍过程；
所述第一浸渍液压力浸渍过程是以所述处理面浮于第一浸渍液的液面之上的方式放置所述单板，所述第一浸渍液的温度为60～100℃，再对所述受压面施加压力；
所述第二浸渍液压力浸渍过程是将具有80～120℃的第二浸渍液替换所述第一浸渍液，再对所述受压面施加压力。
在一些实施方式中，所述第一浸渍液压力浸渍过程的加压时间为30～40min，所述第二浸渍液压力浸渍过程的加压时间为25～35min。
在一些实施方式中，完成所述单板的放置至所述压板接触所述单板的受压面的过程的耗时不超过3min。
在一些实施方式中，至少所述单板的处理面经过去除抽提物的预处理。
在本申请的第二个方面，提供了一种速生材单板细胞壁增强改性装置，包括具有开口的容器、四周缘与所述容器的壁面相配合的压板、设置在所述容器的壁面上的浸渍液入口和浸渍液出口，所述容器能够罐装浸渍液，所述容器的底板是与外部热源连通的热板，所述压板是与外部压力源连通的冷板，所述压板能够朝向所述底板加压或远离所述底板泄压，所述浸渍液入口和所述浸渍液出口通过管路分别与药剂池、药剂回收池连通。
在一些实施方式中，所述浸渍液入口通过第一入口管路和第二入口管路分别与第一药剂池、第二药剂池连通，所述浸渍液出口通过第一出口管路和第二出口管路分别与第一药剂回收池、第二药剂回收池连通。
在一些实施方式中，所述压板进入所述容器内部后，所述压板的四周缘与所述容器的壁面形成密封。
区别于分步法的制备方法，本发明技术方案在压板施加压力之前，浸渍液几乎尚未进入单板中，因此，可以认为浸渍液的浸渍与单板的压缩是同步进行的。换言之，压板施加的压力使单板的处理面发生压缩，为了给木材的压缩提供压缩空间，已经存在于处理面一定厚度层中的浸渍液被迫向内(即朝向受压面)迁移，从而，通过本发明的方法与装置能够同时完成浸渍与密实化压缩的处理。由此，本发明的速生材单板细胞壁增强改性方法至少具备以下优点：
1、在一个处理工序中完成浸渍与压缩，因此处理耗时更短；并且无须经历不同处理设备之间的材料迁移，所以总的生产周期更短。
2、处理效果优于分步法，制备得到的单板具有更高的表面硬度(强度)和更大的表面接触角(疏水性)。
3、浸渍量更小，且不存在处理过程中的浸渍液流失，因此能够在一定程度上降低处理成本；所需的压缩量更小，因此具有更高的材积利用率。
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的速生材单板细胞壁增强改性装置的结构示意图。
图2为本申请实施例2的速生材单板细胞壁增强改性方法的实施方法示意图。
图中：100、容器，200、压板，300、单板，110、浸渍液入口，120、浸渍液出口，130、底板，111、第一入口管路，112、第二入口管路，121、第一出口管路，122、第二出口管路，310、处理面，320、受压面。
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
参考图1所示的一种速生材单板细胞壁增强改性装置，包括具有开口的容器100、压板200、设置在容器100的壁面上的浸渍液入口110和浸渍液出口120。
容器100是金属的矩形浸渍槽，能够罐装浸渍液，包括底板130和四个壁面。优选的，底板130是与壁面独立的单独板件，在本实施例中，底板130是与外部热源连通的热板，例如，底板130是热压板，外部热源是高温液压油，通入底板130内部并提供底板130高温并控制底板130的实时温度。底板130通过焊接或其它密封的连接方式与壁面相互连接以围构成容器100的罐装空间。使用的壁面优选为具有保温功能的金属板件。
浸渍液入口110和浸渍液出口120通过管路、液压泵、流量传感器等分别与药剂池、药剂回收池连通。从而浸渍液可以通过浸渍液入口110进入容器100中，并通过浸渍液出口120离开。特别的，浸渍液出口120通过压力阀控制，当浸渍液出口120处的液体压力达到阈值后浸渍液出口120开启。在一些实施方式中，药剂池、药剂回收池可以是同一个容体，即浸渍液从药剂池中通过浸渍液入口110进入容器100，并通过浸渍液出口120回到药剂池中，以便于浸渍液的循环利用。
浸渍液入口110可以通过一路管路与一个药剂池连通，浸渍液出口120可以通过一路管路与一个药剂回收池连通，浸渍液入口110也可以通过第一入口管路111和第二入口管路112分别与第一药剂池、第二药剂池连通，浸渍液出口120也可以通过第一出口管路121和第二出口管路122分别与第一药剂回收池、第二药剂回收池连通。当然，第一药剂池和第一药剂回收池可以是同一个容体，第二药剂池和第二药剂回收池可以是同一个容体。
压板200是与外部压力源连通的冷板，例如，压板200平行地设置于底板130的上方，受到液压油缸的驱动能够朝向(下行)或远离(上行)底板130移动，但压板200没有与任何热源连接，或者压板200与冷水源连接，以保证压板200始终处于相对较低的温度，例如室温。压板200的四周缘与容器100的壁面相配合，具体来说，是当压板200进入容器100内部后，压板200的四周缘与容器100的壁面形成密封，即当压板200进入容器100内部后，在关闭浸渍液入口110和浸渍液出口120的情况下，容器100处于密封状态。压板200的四周缘与容器100的壁面的密封配合可以通过润滑液体、润滑油封闭二者的接触面实现，或者采用其它现有技术的手段。为了使压板200的下行与下行移动更为稳定，压板200的四周缘上具有引导块，容器100的内壁上开设有与引导块位置相对应的引导槽。相同的，引导块与引导槽的接触面填充有润滑液体、润滑油。
实施例2～5
参考图2所示，本实施例提供了一种速生材单板细胞壁增强改性方法，处理的单板300的厚度不小于2mm，优选为2～20mm，幅面以1200mm×150mm为例，含水率3～20％；使用的浸渍液为纳米硅溶液。
首先，向底板130内通入热油以使底板130具有60～120℃的温度，浸渍液通过浸渍液入口110进入容器100，到达设定的液位后关闭浸渍液入口110，通过安装在容器100的壁面上的温度传感器或其它手段观察浸渍液的温度直至该温度恒定，一般情况下，该温度较底板130的温度低1～3℃。
随后，将单板300以处理面310面对浸渍液的液面的姿态放置单板300，即单板300由旋切或刨切工艺制备得到，则切割背面是指旋切背面或刨切背面，以该面作为处理面310；单板300由锯切工艺制备得到，则优选旋切面作为处理面310。由单板300的厚度、含水率而定，单板300可能浮于浸渍液的液面之上，也可能部分浸没在浸渍液中。
再后，驱动压板200下压，由于当压板200进入容器100后容器100将处于密封状态，所以压板200在沿容器100的壁面下行的过程会迫使控制浸渍液出口120的压力阀打开通过流出部分浸渍液以使浸渍液的液面、用于罐装浸渍液的容器的壁面、压板构成的空间中气压处于稳定状态，直至压板200接触单板300的受压面320。特别的，完成单板300的放置至压板200接触单板300的受压面320的耗时不超过3min，理论上应当尽量缩短这一耗时。
再后，使压力阀处于常关状态，并驱动压板200朝向底板130一侧加压，压力为4～12MPa，加压时间为30～40min。压板200的幅面大于单板300的幅面，所以压板200在受压面上施加的压力在受压面的幅面各处是均一的。此时，浸渍液的液面相当于具有一定温度的下压板，起到热板的作用，压板200则作为施加压力的冷板，从而能够替代热板-冷板的单面热压密实化处理系统，实现对处理面310的热压密实化处理。起到替代热板作用的浸渍液的液面同时在压力作用下向单板300内渗透纳米硅溶液。进入单板300的纳米硅溶液能够沉积在细胞腔内或附着于细胞壁上，从而起来强化细胞壁的作用。
最后，压板200远离底板130一侧移动以泄压，排出浸渍液或不排出浸渍液的情况下，取出单板300。在需要的情况下，对单板300实施现有技术的任意一种形式的干燥，至含水率为10～12％。
实施例2～5的速生材单板细胞壁增强改性方法的工艺参数参照表1所示。
表1.实施例2～5的速生材单板细胞壁增强改性方法的工艺参数
| 实施例 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 单板 | 杨木旋切单板 | 杉木刨切单板 | 桉木锯切单板 | 杨木锯切单板 |
| 单板厚度(mm) | 2 | 10 | 16 | 20 |
| 初含水率(％) | 3～5 | 7～10 | 12～15 | 17～20 |
| 底板温度(℃) | 65±2 | 75±2 | 95±2 | 115±2 |
| 压板压力(MPa) | 11.5～12 | 8.5～9 | 6～6.5 | 4～4.5 |
| 加压时间(min) | 30 | 33 | 36 | 40 |
实施例6～9
实施例6～9与实施例2～5的区别在于，单板300的处理面310经过去除抽提物的预处理，采用的方法是超临界CO2流体处理法。
实施例10～13
本实施例提供了一种速生材单板细胞壁增强改性方法，包括第一浸渍液压力浸渍过程和第二浸渍液压力浸渍过程。处理的单板300的厚度不小于2mm，优选为2～20mm，幅面以1200mm×150mm为例，含水率3～20％；使用的浸渍液包括两种，第一浸渍液为氯化钙溶液(CaCl2)，第二浸渍液为碳酸氢铵溶液((NH4)2CO3)。
第一浸渍液压力浸渍过程的实施方法为：
首先，向底板130内通入热油以使底板130具有60～100℃的温度，第一浸渍液通过第一入口管路111进入容器100，到达设定的液位后关闭浸渍液入口110，并使第一浸渍液的温度恒定。第二入口管路112常关。
随后，将单板300置于第一浸渍液的液面上。
再后，驱动压板200下压，由于当压板200进入容器100后容器100将处于密封状态，所以压板200在沿容器100的壁面下行的过程会迫使控制浸渍液出口120的压力阀打开，部分第一浸渍液通过第一出口管路121流出，以使浸渍液的液面、用于罐装浸渍液的容器的壁面、压板构成的空间中气压处于稳定状态，直至压板200接触单板300的受压面320。第二出口管路122常关。
再后，使压力阀处于常关状态，并驱动压板200朝向底板130一侧加压，压力为4～12MPa，加压时间为15～20min。起到替代热板作用的浸渍液的液面同时在压力作用下向单板300内渗透第一浸渍液。相较于纳米硅溶液，第一浸渍液能够较为顺利地进入单板300内。
最后，压板200远离底板130一侧移动以泄压，通过第一出口管路121排出第一浸渍液后取出单板300。
第二浸渍液压力浸渍过程的实施方法为：
首先，使底板130具有80～120℃的温度，第二浸渍液通过第二入口管路112进入容器100，到达设定的液位后关闭浸渍液入口110，并使第二浸渍液的温度恒定。第一入口管路111常关。
随后，再次放入单板300，将单板300置于第二浸渍液的液面上。
再后，再次驱动压板200下压，由于当压板200进入容器100后容器100将处于密封状态，所以压板200在沿容器100的壁面下行的过程会迫使控制浸渍液出口120的压力阀打开，部分第二浸渍液通过第二出口管路122流出，以使浸渍液的液面、用于罐装浸渍液的容器的壁面、压板构成的空间中气压处于稳定状态，直至压板200接触单板300的受压面320。第一出口管路121常关。
再后，使压力阀处于常关状态，并驱动压板200朝向底板130一侧加压，压力为4～12MPa，加压时间为10～15min。起到替代热板作用的浸渍液的液面同时在压力作用下向单板300内渗透第二浸渍液。进入单板300内的第二浸渍液能够与第一浸渍液反应生成能够沉积在细胞腔内或附着于细胞壁上的CaCO3，从而能够起到增强细胞壁的作用。
最后，压板200远离底板130一侧移动以泄压，排出浸渍液或不排出浸渍液的情况下，取出单板300。在需要的情况下，对单板300实施现有技术的任意一种形式的干燥，至含水率为10～12％。
实施例10～13的速生材单板细胞壁增强改性方法的工艺参数参照表2所示。
表2.实施例10～13的速生材单板细胞壁增强改性方法的工艺参数
实施例14～17
实施例14～17与实施例10～13的区别在于，单板300的处理面310经过去除抽提物的预处理，采用的方法是超临界CO2流体处理法。
对照组1～4的速生材单板细胞壁增强改性方法的工艺参数参照表3所示。对照组1～4采用现有技术的手段，例如，首先采用真空浸渍的方法实施单板的浸渍，浸渍液为纳米硅溶液，浸渍深度2mm；随后将单板的浸渍层的含水率干燥至40～50％；再后通过热板压缩的方法实施密实化处理，压缩层厚度为1.0mm，实际压缩量为1.0mm。
表3.对照组1～4的速生材单板细胞壁增强改性方法的工艺参数
| 实施例 | 对照组1 | 对照组2 | 对照组3 | 对照组4 |
| 单板 | 杨木旋切单板 | 杉木刨切单板 | 桉木锯切单板 | 杨木锯切单板 |
| 单板厚度(mm) | 2 | 10 | 16 | 20 |
| 初含水率(％) | 3～5 | 7～10 | 12～15 | 17～20 |
实施例2～17的速生材单板细胞壁增强改性方法制备得到的改性单板的理化性能参数参照表3所示。
表3.实施例2～17的改性单板的理化性能参数
在相同的压缩量或者更小的压缩量的情况下，本发明的技术方案能够获得厚度更大的压缩层是因为，浸渍与压缩是同时发生的，借由压板的压力在发生密实化并提供浸渍液浸渍压力的同时，为进一步密实化提供压缩空间而形成新的浸渍液渗透的驱动力。与此同时，随着浸渍液的渗透，单板更大的厚度层的含水率被提高而发生软化，反过来促进了压缩的进程。实施例2、6、10、14受限于单板厚度，实际上形成了整体压缩。
反观现有技术采用的分步法，以浸渍深度为1mm为例，则仅有厚度为1mm的厚度层的含水率大幅提高至能够被压缩的程度，且由于半干燥工序的存在，压缩的过程也不会进一步促使已经存在于该1mm厚度中的浸渍液进一步向内迁移，所以有且仅有该厚度层能够被压缩。
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体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体考虑为所公开的申请主体的一部分。
Claims (10)
1.一种速生材单板细胞壁增强改性方法，单板的处理面置于浸渍液的液面之上，其特征在于，所述单板的含水率为3～20％，所述单板的另一面为受压面，当压板接触所述受压面时，所述浸渍液的液面、用于罐装所述浸渍液的容器的壁面、所述压板构成的空间中气压处于稳定状态，而后所述压板加压以使所述受压面受到在其幅面上均一的压力。
2.根据权利要求1所述的速生材单板细胞壁增强改性方法，其特征在于，所述单板的厚度不小于2mm，所述处理面是木材的切割背面。
3.根据权利要求1所述的速生材单板细胞壁增强改性方法，其特征在于，所述浸渍液的溶液温度为60～120℃，所述受压面受到的压力为4～12MPa。
4.根据权利要求1所述的速生材单板细胞壁增强改性方法，其特征在于，当所述压板进入所述容器后，通过允许所述浸渍液离开所述容器以维持所述浸渍液的液面、用于罐装所述浸渍液的容器的壁面、所述压板构成的空间中的气压；当所述压板接触所述受压面时，所述容器处于密闭状态。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的速生材单板细胞壁增强改性方法，其特征在于，所述改性方法包括第一浸渍液压力浸渍过程和第二浸渍液压力浸渍过程；
所述第一浸渍液压力浸渍过程是以所述处理面浮于第一浸渍液的液面之上的方式放置所述单板，所述第一浸渍液的温度为60～100℃，再对所述受压面施加压力；
所述第二浸渍液压力浸渍过程是将具有80～120℃的第二浸渍液替换所述第一浸渍液，再对所述受压面施加压力。
6.根据权利要求5所述的速生材单板细胞壁增强改性方法，其特征在于，所述第一浸渍液压力浸渍过程的加压时间为30～40min，所述第二浸渍液压力浸渍过程的加压时间为25～35min。
7.根据权利要求1所述的速生材单板细胞壁增强改性方法，其特征在于，完成所述单板的放置至所述压板接触所述单板的受压面的过程的耗时不超过3min。
8.一种速生材单板细胞壁增强改性装置，其特征在于，包括具有开口的容器、四周缘与所述容器的壁面相配合的压板、设置在所述容器的壁面上的浸渍液入口和浸渍液出口，所述容器能够罐装浸渍液，所述容器的底板是与外部热源连通的热板，所述压板是与外部压力源连通的冷板，所述压板能够朝向所述底板加压或远离所述底板泄压，所述浸渍液入口和所述浸渍液出口通过管路分别与药剂池、药剂回收池连通。
9.根据权利要求8所述的速生材单板细胞壁增强改性装置，其特征在于，所述浸渍液入口通过第一入口管路和第二入口管路分别与第一药剂池、第二药剂池连通，所述浸渍液出口通过第一出口管路和第二出口管路分别与第一药剂回收池、第二药剂回收池连通。
10.根据权利要求8所述的速生材单板细胞壁增强改性装置，其特征在于，所述压板进入所述容器内部后，所述压板的四周缘与所述容器的壁面形成密封。
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| CN202310764875.8A CN116653065A (zh) | 2023-06-27 | 2023-06-27 | 一种速生材单板细胞壁增强改性方法及其装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN103341893A (zh) * | 2013-07-04 | 2013-10-09 | 中南林业科技大学 | 一种木质板材平压浸渍填充改性方法和装置 |
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2023
- 2023-06-27 CN CN202310764875.8A patent/CN116653065A/zh active Pending
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