CN117580692A - 用于吸湿材料的改性装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对吸湿材料进行热或热机械处理以调整材料性质。本发明涉及一种用于吸湿材料的改性装置。该改性装置包括改性单元(202)和与控制阀(205)相耦合的液体容器(204)，该控制阀(205)连接至至少一个液体孔(203)。该改性装置被配置为加热改性单元(202)中的吸湿材料以从中提取水分，并响应于控制阀(205)的开启，将液体从液体容器通过至少一个液体孔(203)导入改性单元(202)。该改性装置还包括加入到液体中的处理剂(207)，以使处理剂(207)被吸收到吸湿材料中并对其进行改性。处理剂(207)包括以下至少一种成分：防腐剂、染料、颜料、香料、除臭剂、杀虫剂、浸渍成分或阻燃剂。

Description

用于吸湿材料的改性装置
技术领域
本发明涉及对吸湿材料进行热或热机械处理以调节材料特性。
背景技术
吸湿材料通过吸收或吸附的方式很容易从周围环境中吸收水分。木材是一种多用途的吸湿材料，可用于各种目的。除了木材之外，吸湿物质还可以包括植物(包括木本植物)、纤维素纤维、棉花、纸张、蜂蜜、乙醇、甲醇或浓硫酸。在此，将木材和木本植物统称为木材。
木材处理方法分为机械法、物理法、生物法和化学法。锯切、劈裂和加压，即在木材上施加力，是机械处理方法的例子。
干燥是木材的物理处理法。加热是另一种物理处理方法，它可以使木材收缩并减缓其腐烂。在此，将木材视为经过加工的木材产品，而木材板材则是较少经过加工的木材，例如切割下来的树木。高温加热可能会降低木材的所谓耐磨性能，导致开裂。蒸汽是一种物理的木材处理方法，可以防止或抑制木材开裂。
洒水或淋水是生物处理方法的一个例子。这种对木材进行湿存的方法通常在靠近海岸、可获得咸淡水的纸浆和造纸厂中使用。基于真菌、细菌或酶的生物处理方法正在实验室中进行测试，其中一些方法已经进行了试点。
使用防腐剂是化学处理方法之一。某种真菌会导致木材腐烂。防腐剂可以保护木材免受真菌、孢子、昆虫和/或海洋生物的侵害。防腐剂可以涂抹在木材表面上，例如使用刷子。使用渗透增强剂是对吸湿材料进行化学处理的另一个例子。渗透法是基于树脂或相应物质的使用，因此被归类为化学处理方法。树脂是稍微黏稠的有机液体，可能含有甲醛。
有些木材处理方法是不同类型方法的组合。例如，木材的压力浸渍就是一种基于化学防腐剂和压力(具体来说是液压压力)的方法。
木材的压力浸渍是通过在一个浸渍腔中进行以下步骤完成的。首先，将木料制成的木材装入浸渍腔中，通过产生真空将木材细胞内的空气抽空。其次，用防腐剂浸泡木材。然后，使用液压压力将防腐剂强行注入木材内，使得浸渍腔内产生过剩的压力。接着，再次创建真空以将木材中的过量防腐剂去除。最后，在浸渍腔中对木材进行干燥，以达到木材的最终含水率。
TMTM(热力学木材改性)工艺是由一家名叫“Avant Wood”的公司开发的，它代表了本发明的接近的现有技术。TMTM工艺包括在改性单元中加热吸湿材料。更详细地说，该工艺包括在改性单元中执行的以下五个阶段。
1.在改性单元中开始对木材加热，并对木材施加机械压力。加热过程中可能会导致木材开裂或其他损坏，因此使用水来避免木材的损坏。
2.去除水分和木材致密化是下一个工艺阶段。加热和机械压力使木材中的水分被去除。木材的预定含水率和适当的温度对于致密化非常重要。
3.热改性是减少木材的含水率并提高木材的尺寸稳定性的工艺阶段。
4.冷却木材意味着使用水进行冷却，以防止木材在改性过程后出现干燥缺陷。
5.平衡含水率以达到所需的木材含水率。最后，释放木材的机械压力，工艺结束。
TMTM工艺显著提高了木材的质量，如强度和硬度。该工艺改善了木材的尺寸稳定性和透气性。TMTM工艺使木材表面的密度增加，或者使整个木材的密度增加。在这两种情况下，木材的表面耐磨性增加。在TMTM工艺中，可以对不同的木材品种或木本植物进行不同处理，并且该工艺能够生产符合客户要求的木材产品。
如上所述，渗透是木材的一种化学处理方法，压力浸渍也是一种已知的木材处理方法。
现有技术的一个缺点是，压力浸渍需要消耗大量能源，因为至少需要在渗透室内进行一次真空操作和一次过压操作。能源的使用会导致成本增加，并且能源生产通常会产生二氧化碳排放。一种廉价和环境友好的木材渗透设备将提高木材的可用性。
发明内容
本发明的一个方面是通过避免压力浸渍来解决先前技术中所述的缺点，从而节省能源。
本发明的一个方面是通过进一步开发热机械改性木材(TMTM)工艺，以更多样化的方式改变吸湿材料的特性。
本发明的一个方面是对木材进行处理，使得在经过该过程后，木材具有预定的尺寸。换言之，木材材料没有被浪费。
本发明的一个方面是在亲水材料的改性过程中利用适当的时机。众所周知，加热会使木材变干，即加热会降低其含水量。含水量的降低导致木材容易吸收液体。换言之，木材容易吸湿。这是改变木材属性的一个适当时机，因此将含有特定成分的液体引入包含木材的改性单元中。
该液体可以包括水或溶剂。该液体进一步包括某些成分，例如加入到液体中的防腐剂。当木材容易吸收液体时，防腐剂会随液体深入渗透到木材中。除了木材之外，纤维素纤维、棉花或其他吸湿材料也可以在改性单元中进行改性。
除了防腐剂之外，或者可以同时使用其他处理剂，例如染料、颜料、浸渍成分或阻燃剂作为处理剂。因为处理剂被加入到液体中，所以处理剂会随液体一起渗透到亲水材料中，并改性材料的性质。
本发明涉及一种用于吸湿材料的改性装置，该改性装置包括一个改性单元、在改性单元中的至少一个液体孔、通过控制阀与至少一个液体孔连接的液体容器。该改性装置被配置为加热改性单元中的吸湿材料，以从吸湿材料中提取水分，并在响应于打开的控制阀，将液体从液体容器通过至少一个液体孔引导至改性单元中。
该改性装置还包括将处理剂添加到液体中，以便在改性单元内将处理剂与液体一起被吸湿材料吸收，并改变吸湿材料的性质。而且，处理剂包括以下至少一种成分：防腐剂、染料、颜料、香料、除臭剂、杀虫剂、浸渍成分、阻燃剂。
附图说明
为了更完整地理解本发明的示例和实施方式，现在参考附图：
图1展示了吸湿材料非常容易吸收液体的时刻；
图2展示了用于吸湿材料的改性装置；
图3展示了改性单元和改性装置的示例；
图4展示了木材改性装置的示例；
图5展示了将水溶性处理剂引入改性单元；
图6展示了将喷雾形式的处理剂引入改性单元；
图7展示了在改性单元之前混合水和处理剂的过程。
具体实施方式
应当理解，以下实施例是示例性的。尽管说明书可以引用“一个”实施例，但不一定要引用相同的实施例，或者所讨论的特征可以应用于多个实施例。
图1展示了根据本发明的一个改性过程，它显示了在吸湿材料非常容易吸收液体的时间点。许多因素会影响改性过程。例如，要处理什么样的吸湿材料？吸湿材料可以是折叠成一堆的棉质纺织品、装在网袋中的纤维素纤维部分，或者木材堆。如果是木材，可以根据树种调整改性过程，例如，使不同树种的过程持续时间和过程中的温度不同。X轴101表示过程持续时间，Y轴102表示温度。对于木材，改性过程通常持续6到38小时，温度通常最高为200摄氏度。改性过程分为五个阶段，就像背景技术中描述的TMTM过程一样，但在某个实施例中，改性过程中不需要任何种类的机械压力。
吸湿材料的加热103是第一个阶段。将吸湿材料放入改性单元中，并开始加热。如果吸湿材料是木材，可以向改性单元中引入液态水或蒸汽，以避免木材受损。如果使用浇水或蒸汽，吸湿材料的含水率会提高，并且可能达到最高点。
在改性过程中，也可以向木材施加机械压力，例如，液压压力施加在吸湿材料上。与TMTM过程相反，在该本发明的改性过程中，机械压力是一个可选的选项。
接下来时水分的去除和致密化104的过程阶段。如果使用浇水或蒸汽，浇水或蒸汽已经停止。通过加热，可能还包括机械压力，去除吸湿材料中的水分，而水分的去除会导致吸湿材料的致密化。温度曲线105显示了改性过程中的温度变化。
热改性106是当温度达到最高点且吸湿材料极其干燥时的过程阶段。换句话说，吸湿材料的含水率较低，因此非常容易吸收任何液体。时间点107是吸湿材料开始冷却的时刻。在TMTM过程中，使用水进行冷却。两个过程之间的一个重要区别是，在TMTM过程中，蒸汽只包含水。相反，在根据该发明的改性过程中，蒸汽可以包含处理剂。
由于处理剂，可以对吸湿材料的特性产生很多影响。例如，可以使用染料或颜料对材料进行着色，另外或者同时，可以使用防腐剂、杀虫剂或浸渍成分来增加材料的耐久性。杀虫剂是一种能够杀死害虫，或者预防或减少害虫造成的损害的成分或混合物。害虫可能是昆虫、老鼠或其他动物、不受欢迎的植物(杂草)、真菌、细菌或病毒等。经热处理的木材可能具有气味，为此，在某些实施例中，处理剂包括除臭剂(抗溴化剂)和/或香料。
向改性单元中加水结束了热改性106阶段。在一个实施例中，根据从改性单元获得的湿度测量结果确定时间点107。
由于向改性单元中加入水，冷却108开始进行。加热已经停止或将在这个阶段停止。温度曲线105显示了温度的下降过程。
湿度稳定109是最后的过程阶段。随着时间的推移，吸湿材料达到了预定的湿度含量。如果对吸湿材料施加机械压力，吸湿材料将从中释放出来。最后，将吸湿材料从改性单元中取出。
图2显示了用于吸湿材料201的改性装置200。改性装置200使得前面图中描述的改性过程成为可能。改性装置200包括改性单元202、改性单元202中的至少一个液体孔206、以及一个液体容器204。图中显示了改性单元202和液体容器204的剖面图。
在一个实施例中，改性单元202由多层砖块制成，呈立方体形状，而液体容器204则呈桶状。在一个实施例中，改性单元202有一个门，用于将吸湿材料201放入改性单元202，并将吸湿材料201从中取出(图中未显示门)。在一个实施例中，改性单元202是一个能够加热空气并循环加热后的空气的干燥炉。
液体容器204经由耦合的控制阀205连接到至少一个液体孔203。改性装置200被配置为在改性过程中执行以下操作：将吸湿材料201在改性单元202中加热以从中提取水分，然后，在控制阀205打开的情况下，引导液体206从液体容器204通过至少一个液体孔203进入改性单元202。
改性装置200还包括添加到液体206中的处理剂207。在一个实施例中，处理剂207首先以液体形式添加到水中，然后将水和处理剂207煮沸，使它们从液体形式变为气体形式。在一个实施例中，液体容器204具有用于沸腾水和处理剂207的电阻。在一个实施例中，液体容器204是一个压力容器，液体206包括过热蒸汽，即蒸汽的温度高于液体容器204中的压力下的沸点。
假设吸湿材料201的质量已知，并且改性装置202的加热能力已知，可以估计吸湿材料201变得足够易吸收液体206的时间点。
在许多实施例中，使用测量数据来确定打开控制阀205的适当时间点。在一个实施例中，控制阀205是手动打开和关闭的。在另一种实施例中，改性过程是自动化的，计算机使用电机控制开启和关闭控制阀205。
在控制阀205打开时，液体206进入改性单元202，处理剂207与液体206一起被吸湿材料201吸收，从而对其进行改性。处理剂207的成分确定了吸湿材料201的改性方式。处理剂207包括以下至少一种成分：防腐剂、染料、颜料、香料、除臭剂、杀虫剂、浸渍成分、阻燃剂。例如，如果处理剂207包括防腐剂和染料，染料可以改变吸湿材料201的颜色，而防腐剂可以保护吸湿材料201不受腐烂、发霉或其他缺陷的影响。
图3是一个横截面示意图，显示了改性单元202和改性装置的一个例子。在一个实施例中，改性装置200包括一个风扇301和一个加热器302，用于加热改性单元202内部的吸湿材料201，以便风扇301能将空气吹向加热器302。改性单元202包括一个隔热层303，以防止热量泄漏。
在一个实施例中，改性装置200包括以下至少一种仪表来确定将液体206和处理剂207引入改性单元的时间点：改性单元202中的温度计304、改性单元202中的湿度计305、以及时钟306。
在一个实施例中，改性装置200包括一个压缩装置307，用于对吸湿材料201施加压力，以使其排出其中的水分。压缩装置307可以是液压压力机或其他类型的机械压力机。
在一个实施例中，改性装置200包括用于将吸湿材料201移入改性单元202和移出改性单元202的导轨、滚轮或其他机械装置。
图4显示了改性装置200的三个视图401-403的示例。这里的亲水性材料201是一个包含相同尺寸锯木制品(如木板)的木材堆404。在一个实施例中，木材制品在使用改性装置200之前具有预定的尺寸，改性装置200会使木材制品收缩。由于收缩程度是已知的，使用改性装置200将得到具有最终预定尺寸的木材制品。
换句话说，不需要对销售给客户的木材制品进行锯切或刨平。改性装置200的这个优点可以节省木材材料，并减少劳动需求。在一个实施例中，木材制品在改性装置200中获得防腐剂和最终颜色处理。然后，木材制品就可以直接用于，例如，露台建筑或房屋覆盖板。
在所有的视图401-403中，都是从侧面观察木材堆404。
第一视图401显示了木材堆404放置在改性单元202的底部部分405上。在这个实施例中，改性单元202由两个可拆卸的部分组成。底部部分405包括支撑件，例如支撑件406，在其上可以使用叉车将木材堆404放置上去。底部部分405用虚线表示，并且它被沉入由混凝土制成的地板407中。木材堆404的各层之间使用木质板条(例如板条408)进行分隔。由于板条的存在，流体可以进入木材堆404的各层之间，并对每块木材产生影响。
第二视图402显示了当一个重物409放置在木材堆404上时的情况。重量409施加力于木材堆404，以从木材堆404中提取水分。由于重力作用始终相同，因此重物409在改性装置200中提供相同的施力。重物409包括一个塑料托盘410、一块充当称重材料的铁板411(用虚线表示)以及铁板411周围的隔热层(未显示)。由于隔热层的存在，加热能量不会浪费在加热铁板411上。在一个实施例中，使用EPS(膨胀聚苯乙烯)作为隔热层，并用玻璃纤维外壳保护其外表面。包括塑料托盘410在内的重物409可以通过叉车在木材堆404上移动。至少还有一个与之对应的重物412放置在木材堆404上，用于进行热机械木材加工。
第三视图403显示了放置在底部部分405上并可从其上取下的改性单元202的顶部部分413。木材堆404和改性单元202内的其他物体用虚线表示。顶部部分413包括一个屋顶414，四面墙壁(例如墙壁415)连接到屋顶上。顶部部分413有一个供加热器302和鼓风机301使用的空间。该空间位于屋顶414附近，用于至少一个加热器和鼓风机。在一种实施例中，加热器302是一个电阻加热器组件416。
如第三视图403所示，顶部部分413与钢丝绳417连接到一台电动绞车上，该电动绞车固定在建筑物的天花板上，并能够升起顶部部分413(电动绞车和天花板未在图中显示)。顶部部分413还与电线418连接到主电源，以使顶部部分413中的加热器302和鼓风机301可用。这种实施例的优点是，多个改性单元(例如改性单元202)可以非常接近地放置在大厅地板上，因此可以同时处理大量木材。
图5从鸟瞰的角度显示了将处理剂207引入改性单元202。在改性装置200的这个实施例中，液体容器204既可以用于水501也可以用于处理剂207，并且液体容器204是以下任一流体储存设备之一：液体储罐、压力锅、蒸汽发生器。液体容器204内的液体206包括可溶于水的处理剂207。
液体容器204通过控制阀205与液体管道502连接。液体管道502包括至少一个液体孔203，用于将处理剂207和水501引入改性单元202。在此示例中，液体管道502包括延伸到改性单元202中的三个喷嘴503-505，并有同样数量的液体孔。
图6显示了改性单元202的内部，并示出了将以气溶胶形式的处理剂207引入改性单元202。在改性装置200的这个实施例中，包括一个蒸汽发生器601用于用水501冷却吸湿材料201，和与蒸汽发生器601连接的注水阀602。控制阀205控制将液体容器204中的液体206引入改性装置202，而处理剂207包含在流体206中。
该实施例提供了以下使用选项：a)仅使用水501进行冷却，不使用处理剂207；b)仅使用处理剂207，不使用水501；c)同时使用处理剂207和水501。选项b)在流体容器204包含溶剂且处理剂207是基于溶剂的情况下非常有用。
在一个实施例中，注水阀602和/或控制阀205是一种开关阀。
在一个实施例中，注水阀602和/或控制阀205是一种渐开/渐闭阀。
在一个实施例中，处理剂207以气溶胶形式(通过液体孔)引入改性单元202。图中的点表示气溶胶，包括一个气溶胶603。风扇301放置在可以在改性单元202的内部将气溶胶和水蒸汽501混合的位置上。
处理剂207在许多使用情况下包含防腐剂。在改性装置200中可用的防腐剂可分为溶剂型防腐剂和水基型防腐剂两类。在一个实施例中，溶剂型防腐剂包括煤焦油和/或铜。在另一个实施例中，水基型防腐剂包括铬铜砷、铬铜硼、酸铬铜、锌、氧化铜、萘酸铜、乙二醇和/或硅酸盐。
在一个实施例中，加热器301是一个具有液体循环的散热器604。当在液体循环中使用油时，散热器604可以加热到500℃。在一个实施例中，液体循环与热交换器605相连，通过管道将产生的热能引入热交换器605(图中省略了管道)。这种实施例的优点是，通过利用废热，可以以环保的方式加热散热器604。
图7显示了在改性单元202之前水501和处理剂207的混合。水501(即水蒸汽)存储在蒸汽发生器601中。蒸汽发生器601通过水管701和注水阀602与混合管道702相连。处理剂207包含在存储在液体容器204中的液体206中。液体容器204通过液体管道703和控制阀205与混合管道702相连。
如果注水阀602和控制阀205都打开，水501将流入混合管道702，而液体206也将流入混合管道702。然后，水501被加入到液体206中，通过至少一个液体孔203将包括水501的液体206引入改性单元202中。
该实施例的优点是，混合管道702在改性装置200中提供了一个浓度计704的位置，浓度计704可以测量液体206中处理剂207的浓度。由于注水阀602和控制阀205的存在，通过打开和关闭控制阀205和/或注水阀602，可以调节液体206中处理剂207的浓度。
改性装置200具有以下优点，这些优点与上述所描述的一个或多个图纸和实施例相关。
改性装置200的一个优点是，在使用改性装置200处理时，即使是低评级的木材品种也可用于许多木制品中。处理过程增强了由这些低评级木材品种制成的木材的硬度、强度和耐磨性能。
另一个优点是，改性装置200具有高能效，因为改性装置200可以在常规大气压下使用，并且改性时间相对于现有技术方案来说很短。
另一个优点是，除了硬度、强度和耐磨性外，还可以改变其他属性。其他属性包括广泛的颜色调色板和增强的耐用性，以防止任何类型的木材损坏。通过在过程中使用染料或颜料，可以设定木材的颜色。改性装置200在使用防腐剂和/或浸渍成分的过程中使木材更加耐用和防水。
另一个优点是，通过使用改性装置200避免了过度使用浸渍或防护剂成分。
以上描述的大多数实施例、特征和示例都可以彼此结合使用。本发明在下列权利要求中进行了具体说明。

Claims (15)

1.一种用于吸湿材料的改性装置(200)，所述改性装置包括：
改性单元(202)；
所述改性单元中的至少一个液体孔(203)；以及
经由与控制阀(205)与至少一个液体孔口(203)连接的液体容器(204)；
在所述改性装置中，在正常大气压下在改性单元中加热所述吸湿材料，以从吸湿材料中提取水分，并且响应于控制阀(205)的开启，
通过至少一个液体孔将液体(206)从液体容器引导至改性单元中，
其特征在于，该改性装置还包括
添加到液体(206)中的处理剂(207)，以便在改性单元(202)内使处理剂与液体一起被吸湿材料吸收，并改变吸湿材料；处理剂(207)包括以下至少一种成分：防腐剂、染料、颜料、香料、除臭剂、杀虫剂、浸渍成分、阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，在所述改性装置中，用于加热吸湿材料的配置是改性单元(202)作为一个干燥炉，能够加热空气并循环改性单元内加热的空气。
3.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，所述改性装置包括加热器(302)和风扇(301)，用于加热改性单元(202)内的吸湿材料，其中风扇(301)能将空气吹向加热器(302)。
4.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，所述改性装置包括以下至少一种仪器来确定导流液体的时刻：改性单元(202)内的温度计(304)、改性单元内的湿度计(305)、以及时钟(306)。
5.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，所述改性装置包括压缩装置(307)，用于对吸湿材料(201)施加压力，以从吸湿材料中提取水分。
6.根据权利要求5所述的改性装置，其特征在于，所述压缩装置(307)为液压机。
7.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，该改性装置包括可在吸湿材料上移动的重物(409)，通过重物的施加压力，从吸湿材料中提取水分。
8.根据权利要求7所述的改性装置，其特征在于，重物(409)包括托盘(410)、重物材料(411)和围绕重物材料(411)的隔热层。
9.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，所述改性装置的改性单元(202)包括可相互分离的底部部分(405)和顶部部分(413)。
10.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，所述改性装置中的液体容器(204)用于处理剂(207)和水(501)。
11.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，所述改性装置包括用于利用水冷却吸湿材料(201)的蒸汽发生器(601)和与蒸汽发生器耦合的注水阀(602)。
12.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，改性装置中的处理剂(207)以气溶胶形式导入改性单元(202)。
13.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，加热器(302)是以下设备之一：电阻加热器组件(416)，具有液体循环的散热器(604)。
14.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，蒸汽发生器(601)通过注水阀(602)与混合管道(702)相耦合，液体容器(204)通过控制阀(205)与混合管道相耦合。
15.根据权利要求1所述的改性装置，其特征在于，处理剂(207)至少包含以下一种成分之一作为防腐剂：煤焦油、铜、铜铬砷、铜铬硼、酸式铬酸铜、锌、氧化铜、萘酸铜、乙二醇、硅酸盐。
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