CN1310663A - 提高木材渗透性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高木材渗透性的方法,包括在频率(f)约为0.1～24GHz,功率强度(p)约为10W/cm2～100kW/cm2,持续时间约为0.05～600秒的条件下,对含水率(以干重为基础)至少15%的木材进行微波辐照,使木材中的水分蒸发,在木材中产生内压,从而通过部分或完全破坏射线细胞组织,软化和排出木材树脂,沿木材的径向方向形成通道,和/或通过以破坏的射髓为基础,在木材中产生空腔,提高木材的渗透性,所述空腔主要在木材的径向－纵向平面内,其中木材的整体完整性基本得到保持。可产生渗透性至少为未处理木材的渗透性的5倍的木基材料。

Description

提高木材渗透性的方法
本发明涉及木材处理，特别涉及提高木材，尤其是潮湿木材的渗透性的方法。
通过用防腐蚀和其它试剂，例如防火剂，浸渍木材，对木材进行处理，已为人们众所周知。浸渍处理的问题之一是确保试剂已完全或者至少充分浸渍木材。
另外还已知通过利用蒸汽升高木材中的温度和压强，并使一些木材细胞破裂(在快速降低压强之后)，使木材对浸渍作好准备，从而提高木材的自然渗透性。例如，圆木radiata松木蒸汽调节的最新蒸汽处理规范建议在快速降压之前，在温度为127℃，压强为238kPa条件下，根据木材的厚度，使用蒸汽处理木材1.5～18个小时。尽管这种处理确实有助于改善浸渍过程，但是它存在几个缺点，尤其是处理的持续时间长，以及需要高压蒸汽。
已知通过利用微波能量，破坏木材结构，从而干燥木材并形成纤维。在利用微波能量干燥木材的过程中，重要的是不能损坏木材，已对不同的木材种类，提出了特殊的干燥工艺过程。在所有这些工艺过程中，为了避免损坏木材，微波辐射强度很低，低于5～10W/cm2。
在利用微波能量形成纤维的情况下，为了加热木材中的水分，以便快速形成足量的蒸汽，从而完整地破坏木材的结构，在相当高的辐射强度，例如高达150W/cm2的辐射强度下实现木材的破坏。
根据本发明的一方面，提供了一种提高木材渗透性的方法，该方法包括使含水率(以干燥重量为基础)至少为15％的木材受到微波辐射，微波辐射的频率(f)约为0.1～24GHz，功率强度约为10W/cm2～100W/cm2，持续时间约为0.05～600秒，从而使木材中的水分蒸发，在木材中产生内压，以致由于射线细胞组织的部分或完全破坏，木材树脂的软化和移动，木材径向方向上通路的形成和/或通过以破坏的射线细胞为基础，在木材中形成空腔，提高木材的渗透性，所述空腔主要在木材的径向-纵向平面中，在该方法中，基本保持了木材的整体完整性。
还提供了借助上一段落中描述的方法处理的木材。
利用本发明的方法，能够有选择地或者随意地处理木材，并产生具有渗透性不同的区域的木材。于是，根据本发明的另一方面，提供了具有渗透性不同的区域的木材，其中所述区域中的至少一个区域已被处理，以便相对于未处理的木材，增大该区域的渗透性。
通过蒸发木材中所含的水分，产生内压和100℃以上的温度，导致由于下述任意一种或多种原因引发木材结构的改变：木材中射线细胞的破坏；木材树脂的软化和流动，并由开孔至少部分地取代木材树脂；导致空腔主要位于径向-纵向平面内的窄的辐射裂的形成，本发明的微波处理提高了木材的渗透性。在本发明的工艺过程中，可不必基本上干燥木材。本发明可简化诸如浸渍或快速干燥之类的木材在线处理。即，借助本发明的方法形成的窄的辐射裂和空腔可允许某些处理剂的更有效浸渍。和在没有本发明的处理方法的情况下，通常采用的干燥技术相比，窄的辐射裂或空腔还使后续的干燥处理能够更快。例如，由于木材内部积累的超压，当在未经本发明的预处理的情况下，进行快速干燥时，诸如桉树之类的硬木种类(即，难加工木材)会发生内部开裂和毁坏。
本发明的微波处理不必被局限于使木材遭受单一微波频率或功率强度的微波处理。例如，该方法可包括使木材在单个处理过程中受到各种微波频率和功率强度的处理。不管是使用单个功率强度还是使用许多不同的功率强度，最好使功率强度保持不低于10W/cm2。但是，在一个优选实施例中，功率强度被保持在10W/cm2以上。
本发明的微波处理还可用于有选择地或者随意地提高木材的一个或多个部分的渗透性。例如，可使用预定持续时间，并且间隔规定时间间隔的能量脉冲或者随机脉冲处理木材。或者，可把微波射向待处理木材的一个或多个部分。如果多个木材部分待处理，则可根据最终产品的计划应用，随机地或者按照预定的方式选择这些待处理部分。即，取决于所要求的柔韧性，强度，渗透性和产品的其它所需特性。由这种选择性处理或随机处理产生的木材包括渗透性不同的区域，其中处理后的木材部分至少构成一个区域，未处理的木材部分构成另一区域，其中处理后的木材部分的渗透性高于未处理的木材部分的渗透性。
本发明的方法最好被应用于湿材的处理。本领域中的技术人员会明白，这里及在整个说明书中使用的术语“湿材”概指锯伐之后的湿潮木材。当然，湿材中的水分量将随植物种类的不同而变化，但是一般认为湿材的含水率约为30％～200％(以木材的干重为基础)。本发明的方法还适用于含水率较低，例如15％～30％的木材的处理。
木材能够吸收大量的微波能量。微波能量使木材细胞中的水分变热并沸腾。在细胞中产生汽压，导致细胞壁的破裂。和主要的木材组织(管胞，韧形木纤维)的细胞相比，射线细胞的细胞壁较薄，射线细胞先于主要木材组织的细胞，被微波能量破坏。受损的射线细胞沿径向方向形成通路，便于从外表面向内输送液体和蒸汽。射线细胞约占木材体积的5％～35％，因此射线细胞的破裂显著增大了木材的渗透性。
于是，本发明的处理方向导致射线细胞的破裂，同时基本保持木材的总体完整性。即，可在不会导致被处理木材中的主要木材组织(通常指的是木材的纹理或纤维)的细胞受到重大破坏的情况下，使射线细胞破裂，如下文所述，被处理木材径向方向上的抗扭强度一般会降低，但是抗挠强度基本不受影响。就持续时间约4秒的处理而言，例如，约0.4GHz的较低频率(f)最好和约6kW/cm2的功率密度(p)一起使用。例如约10GHz的较高频率最好和约0.24kW/cm2的较低功率密度一起使用。最好是约1～2.4GHz的频率和约2.4 kW/cm2～1kW/cm2的功率密度一起使用。
如上所述，增大施加给木材的微波能量的强度会使木材中的汽压增大到使管胞(韧形木纤维)壁开始破裂的射线体积(ray volume)的程度。切线方向上，木材的抗拉强度比径向方向上，木材的抗拉强度小2～3倍，随着内压的增大，例如对应于微波能量强度的增大，木材会沿着主要的木材组织方向受到破坏。这将导致在径向-纵向平面内延伸的辐射裂。此外，随着切线方向上木材的抗拉强度的降低，随着温度(和压强)的增大，会在相当低的压强下，在木材中形成辐射裂。于是，被处理的木材径向方向上的抗扭强度一般会降低，但是抗挠强度基本不受影响。
当受到微波能量的作用时，木材中的任何树脂在熔化和沸腾之前，先被软化。木材中的汽压迫使软化树脂离开木材射髓，在木材中留下小孔或空腔。这是一种特别有效的增大具有大量树脂的木材的渗透性的手段。
对于在持续时间约12秒的处理中，树脂的软化及其从radiata松木中排出来说，优选使用约0.4GHz的频率，和约2 kW/cm2的功率强度。如果使用约10GHz的更高频率，则优选使用约0.08 kW/cm2的功率密度。最好是约1～6GHz的频率和约0.08～0.13kW/cm2的功率密度一起使用。
本发明基本保持了木材的完整性或总体结构，但是增大了木材的渗透性，渗透性的增大将在后续处理中增强浸渍。适于木材处理的微波频率的范围限于约0.1GHz～24GHz。在小于约0.1GHz的频率下，不可能在木材中产生足以破坏细胞壁的足够能量，因为在要求的功率密度下，发生电击穿(穿通)，木材被碳化。在高于24GHz的频率下，微波在湿材中的穿透深度小于约10～15mm。通常这不能获得提供要求效果所需的能量(温度)的充分分布。
所需的功率密度将随着所选的微波频率而变化。在约24GHz的频率下，微波强度约为10W/cm2就足够了。但是，在约0.1GHz的微波频率下，为了快速加热和破坏木材细胞，要求微波强度高达100kW/cm2，优选高达50 kW/cm2，最好高达10 kW/cm2。微波频率(f)和功率强度(p)的优选范围分别为f=0.4GHz～10GHz,p=6 kW/cm2～0.24kW/cm2，最好f=1GHz～6GHz,p=2.4kW/cm2～0.4kW/cm2。
在规定频率和功率强度范围内，微波处理的持续时间为0.05～600秒，优选0.1～600秒，一般小于250秒，优选小于100秒，最好约为1～20秒。根据使用的微波发生器的功率确定增大木材渗透性的微波处理的最小持续时间。木材工业中使用的最大能量发生器一般为500kW。实验表明木材中产生径向-纵向辐射裂的最高超压必须约为400kPa，从实用的观点来看，难以在小于0.05秒的时间内产生增大木材渗透性的条件。高于600秒的微波木材处理不可能产生用于浸渍的优质木材，但是，可和很低的微波频率和功率强度的组合一起使用较长的一段时间。但是，商业上，这样长的处理时间通常是不可接受的。
为了在木材的不同区域中实现木材改性(例如渗透性的提高)，使用不同频率的微波辐射。例如，如果木材的横截面为100×100mm，则可利用2.4GHz的频率实现微波改性。随后在深度20mm范围内对木材改性，在该范围内，改性只限于射线细胞。如果采用0.915GHz的频率，则可通过射线细胞的改性或破坏，以及径向-纵向平面内大量空腔的形成，实现木材中心区域中的改性。
如果电场强度矢量E的方向平行于细胞的长度方向，则木材细胞具有最大的微波能量吸收。木材射髓通常沿径向方向(垂直于主要的木材组织(管胞，韧形木纤维))排列，从而当矢量E沿径向方向取向时，射线细胞将具有最大的微波能量吸收。当矢量E的方向平行于木材射髓并且垂直于主要木材组织时，和木材的其它组织相比，射线细胞将受热更快，并吸收更多的能量，这使得能够在不破坏主要木材组织的情况下，破坏射线细胞。本发明的方法还能够降低能耗。
木材的介电性取决于矢量E相对于主要木材组织方向的取向。矢量E的方向平行于主要木材组织时的湿材介电损耗因子的值比矢量E的方向垂直于主要木材组织时的湿材介电损耗因子的值约高1.6～2.2倍。此外，当矢量E的方向从垂直于主要木材组织的方向改变为平行于主要木材组织的方向时，微波穿透深度降低约1.5～2倍，木材的吸收能力相应地增大。因此，可通过在优选的与木材组织的垂直方向和与木材组织的平行方向之间移动矢量E的方向，控制对木材施加微波能量的效果。
在高温下，使用微波能量增大渗透性的效率更高，优选在约80～110℃的木材温度下执行本发明的方法，最好在约90～100℃的温度下执行本发明的方法。可借助任何适当的方式，例如通过对流，接触或导电方法，加热木材。最好在约0.1～24GHz的频率和约0.1～10W/cm2的功率密度下，借助微波能量加热木材。可在任何适当的时段内，例如从约20～600秒内进行微波预热。
为了增强微波能量对射线细胞破坏或树脂软化的选择性影响的效果，最好在高于100℃的木材温度下，使用高能量密度的能量脉冲。这有助于避免木材主体的过热。
在高强度微波处理中，木材表面可能过热和碳化。为了减轻这种情况，最好利用气流或空气流冷却木材表面，气流流速优选不低于1m/sec，最好不低于2m/sec。对木材表面施加气流或空气流还可从辐照区域除去蒸汽，粉尘和水分，还可避免微波施加器中的水汽凝结。
对于均匀改性来说，可在利用特定频率的微波辐照的同时，使木材以恒速通过微波辐照区域。在某些情况下，有利的是可提供具有处理和未处理区域的木材，或者具有处理程度不同，于是渗透性不同的各个区域的木材。为了控制木材改性，不论是均匀改性还是非均匀改性，在根据需要，在处理过程中变化微波辐照的强度和频率，从而提供所需的效果。这可由本领域的技术人员容易地确定。
根据本发明的另一方面，提供了由含水率(以干重为基础)至少15％的未处理木材的微波处理形成的木基材料，木基材料具有主要在其径向-纵向平面内的许多空腔，这些空腔由射线细胞的完全或部分破坏形成，并在未处理木材的微波处理中把破坏的射髓发展成为空腔，木基材料径向和纵向方向上的渗透性至少为未处理木材径向和纵向方向上的渗透性的5倍，其中木基材料中基本保持了未处理木材的总体完整性。
由于在木基材料的整个主体内，具有间隔均匀的许多空腔，因此木基材料的渗透性均匀。但是，在另一实施例中，木基材料具有与空腔密度较低或者不包括任何空腔的区域交替的空腔密度较高的区域。更具体地说，交替区域可在木基材料的纵向，径向和/或切向方向上交替。此外，可有选择的，或者随意地在木基材料中形成交替区域。这些区域的特殊安排一般取决于最终产品的预期用途。
与未处理木材相比，木基材料的渗透性的增大是相当显著的。因此，和未处理木材相比，木基材料对处理溶液的吸收量也显著增加。通常，木基材料的处理溶液吸收量约为120～550l/m3。更具体地说，木基材料对铜-铬-砷溶液的吸收量约为190～520l/m3。另外，根据本发明的木基材料对诸如木馏油之类的处理物质具有良好的吸收性。最好，在木馏油中浸泡30分钟之后，根据本发明的木基材料对木馏油的吸收量约为115～220kg/m3。
在根据本发明的木基材料中，基本保持了未处理木材的总体完整性。即，如上所述，在木基材料中，不存在主要木材组织的细胞的显著破坏。但是，和未处理木材相比，木基材料的机械性质通常会降低。特别地，可预料到和未处理的木材相比，木基材料的弹性模量(MOE)和断裂模量(MOR)都将降低。在下面的例子中将更详细地考虑和讨论这些因素。
本发明适用于圆木，锯木，桁条和不同形式的其它木材及坯料。提高木材渗透性的方法可在木材的任何干燥过程之前使用。该方法适用于任意种类的木材，不过特别适用于具有大量射线细胞的硬干木材种类，例如欧洲栎。
下面将参考附图，进一步举例说明本发明，其中：
图1是用于执行本发明的方法的设备的示意图；
图2是图解说明切向方向上，radiata松木的射线细胞的放大100倍的显微照片；
图3和4分别是微波处理后，切向方向上，radiata松木的放大200倍和700倍的显微照片；
图5是微波处理后，木材横切面的放大20倍的显微照片。
参见图1，设备10包括微波发生器12，微波发生器12使微波能量通过波导管14垂直射向由传送机滚轮对18和20形成的处理通道16，传送机滚轮对18和20分别位于波导管14的上游和下游。
波导管通向处理通路16的上侧，并与吸收通过一段木材24的微波能量的水载荷22相连。
传送机以获得所需处理时间的预定速度沿着处理通路，对着波导管14传送该段木材。
如箭头26所示，波导管14使微波垂直射向该段木材。于是，电场强度矢量E的方向垂直于该段木材(即，垂直于主要的木材组织)。本领域的技术人员将认识到可借助电学或机械方法，把矢量E的方向改变为平行于主要的木材组织。
现在参见图2-4，显微照片的切向-纵向剖面清楚地说明了木材的纹理和从左向右延伸的单个纤维(管胞)28(图2和3)，以及从上向下延伸的单个纤维(管胞)28(图4)。图中还清楚地表示了相对于显微照片的剖面，近似横向延伸的许多射髓30。图2是微波处理前得到的radiata松木的横截面，每个射髓中的单个射线细胞清晰可见。
图3和图4中的横截面是为了破坏单个射线细胞，从而增大木材的渗透性，而在频率2.45GHz，微波功率强度为250W/cm2，处理时间为7秒的条件下，在设备10中进行微波处理后的木材的横截面。从图2和3中还可看出，木材的总体结构或完整性得到了保持。
相对于周围的木材来说，在木材的径向-纵向平面内延伸的树脂通道具有较高的微波吸收能力。于是，借助微波处理，树脂软化和熔化，并在汽压的作用下，被压出到木材表面，留下空的通道。至少一部分树脂还通过小孔转移到相邻的木材细胞中。空的通道可显著增大木材的渗透性，从而显著增大木材对化学物质渗透的敏感性。
在图5的横截面中，能够看到在频率为2.4GHz，功率密度为500W/cm2，处理时间为8秒的条件下，在设备10中对木材进行微波处理之后，在radiata松木的径向-纵向平面内形成的辐裂32。
例子
例1
对于Radiata松木和Messmate木材，研究了微波处理对弹性模量(MOE)和最大抗弯强度(断裂模量-MOR)的影响。得到下述结果：
Radiata松木
提高Radiata松木的渗透性的微波处理的工艺参数：
MW频率   -0.922GHz
MW功率   -18～36kW
电场强度矢量E方向-垂直于木材纹理
传送机速度16mm/s
空气温度100～120℃
发现增大微波强度会导致Radiata松木MOE和MOR的降低(％)，如下表所示：
表1
                              MOE        MOR
        传送机速度(mm/s)  切向  径向  切向  径向
对照                      100   100   100   100
18Kw    16                74    96    77    94
27      16                62    93    65    90
36      16                51    92    54    87
Messmate
提高Messmate木材的渗透性的微波处理的工艺参数：
MW频率   -0.922GHz
MW功率   -36～57kW
电场强度矢量E方向-垂直于木材纹理
传送机速度12mm/s
空气温度100～120℃
发现增大微波强度会导致Messmate松木MOE和MOR的降低(％)，如下表所示：
表2
                             MOE         MOR
        传送机速度(mm/s)  切向  径向   切向和径向
对照                      100   100     100
36Kw    12                83     86     85
48      12                77     82     80
57      12                -       -     76
微波处理之后，测定强度性质(即弹性模量-MOE和断裂模量-MOR)的最小降低(％)，如下所示：
表3
                MOE        MOR
            切向  径向  切向  径向
Radiata松木  26    4     23    6
Messmate     17    12    15    15
例2
研究了微波处理前和微波处理后，Messmate的渗透性，得到下述结果：
Messmate(含水率12％，炉干密度740kg/m3)
空气渗透率(cm3(空气)/cm大气压)
微波处理之后291-1995
对照        1.7
渗透性增大(倍数)-171～1174
例3
研究了微波处理前和微波处理后，各种木材种类的吸收量，得到下述结果：
木材的渗透性是非常不稳定的，于是，把CCA(铜-铬-砷溶液)吸收量用作微波处理之后，可变渗透性的指数：
压力浸渍之后的吸收量(l/m3)
               对照     微波处理之后
Douglas冷杉心材60-90    375-426
Radiata松木    120-140  361-516
Messmate       18       192-255
桉树桩         46       340-400
在木馏油中浸泡30分钟后的吸收量(kg/m3)
Messmate   38 119-169
桉树桩     55 162-220
例4
通过使卸载的直径为120mm的湿潮圆形radiata松木在设备10中经受微波处理，使该松木对浸渍防腐剂作好准备。从工业应用的观点来看，选择0.915GHz的微波频率，因为该频率可确保温度在圆木的横截面中的均匀分布。
发生器12的微波功率输出被设定为50kW，以便产生420W/cm2的能量密度，传送机被设定为获得9秒的处理时间，即，圆木的各个部分通过微波波导管的时间。
例5
在频率为2.45GHz,20kW的微波功率输出(产生800W/cm2的能量密度)，和3秒的处理时间的条件下，利用图1的设备10，使横截面为5×5cm的白木质松树锯木对浸渍作好准备。
在例4和例5中，在没有损坏木材的总体结构或完整性的情况下，显著提高了木材的渗透性。
利用本发明的微波处理，能够使木材样本的渗透性比处理前的木材样本的渗透性提高100倍以上。例如，在频率为2.4GHz，功率强度约为10W/cm2，处理时间为35秒条件下处理的松木木材样本的温度增高到95～100℃。在附加的功率强度约为500W/cm2，持续时间为3秒的处理之后，射线细胞被破坏，树脂被软化并被排出，从而主要在样本的径向-纵向平面内形成开孔，窄的辐射裂和空腔。径向方向上，木材样本的渗透率约为初始的未处理样本的渗透率的120倍。
发现处理后木材的密度，相应于木基材料的密度将降低，这取决于特定的微波处理规程。对于Radiata松木来说，降低比例最高约为15％，对于Douglas冷杉来说，最高达9.4％，对于Messmate来说，最高达13.4％。
这样，能够形成新型的木材产品“Torgvin”，它具有位于木材产品径向-纵向平面中的大量空腔。此外，可通过辐照样本的选定区域，或者通过利用间歇或脉冲辐照，生产具有处理区域和未处理区域的材料。和天然木材相比，根据本发明的材料，或者用根据本发明的方法生产的材料，具有很高的渗透性，增大的柔韧性，改变的收缩性和机械性质及降低的密度。
在整个说明书内及随后的权利要求中，除非上下文要求，否则单词“包含”应理解为暗示包括陈述的整数或一组整数，而不是意味着排除任意其它整数或整数组。
本领域的技术人员应理解，除了具体说明的之外，这里描述的说明实现各种变化和修改。应明白本发明包括落入本发明精神和范围之内的所有这种变化和修改。本发明还单独地或者整体地包括在本说明书中指出的所有步骤，特征，合成物和化合物，以及任意两个或多个所述步骤或特征的任意和所有组合。

Claims (15)

1．一种提高木材渗透性的方法，包括在频率(f)约为0.1～24GHz，功率强度(p)约为10W/cm2～100kW/cm2，持续时间约为0.05～600秒的条件下，对含水率(以干重为基础)至少15％的木材进行微波辐照，使木材中的水分蒸发，在木材中产生内压，从而通过部分或完全破坏射线细胞组织，软化和排出木材树脂，沿木材的径向方向形成通道，和/或通过以破坏的射髓为基础，在木材中产生空腔，提高木材的渗透性，所述空腔主要在木材的径向-纵向平面内，其中木材的整体完整性基本得到保持。
2．按照权利要求1所述的方法，其中在木材的处理过程中，所述微波辐照的电场强度矢量E的方向垂直于木材纹理，并且最好平行于木材的径向方向。
3．按照权利要求1所述的方法，其中使木材处理过程中的所述微波处理的电场强度矢量E的方向，在垂直于木材纹理的方向和平行于木材纹理的方向之间改变。
4．按照权利要求1所述的方法，其中在单个处理中，使木材经受一个以上的微波频率和/或功率强度的作用，以便提供具有不同或相同渗透性的区域的处理木材。
5．按照权利要求1所述的方法，其中以预定持续时间的，由设定的时间间隔分隔的脉冲的形式，或者以随机脉冲的形式，对木材施加微波辐照，以便提供具有处理和未处理区域的处理木材。
6．按照权利要求1所述的方法，其中在辐照前，木材的含水率约为基于木材干重的15％～200％。
7．按照权利要求1所述的方法，其中微波辐照的持续时间小于250秒。
8．按照权利要求7所述的方法，其中微波辐照的持续时间约为1～20秒。
9．按照权利要求1所述的方法，其中在木材温度约为80～110℃的条件下，对木材进行辐照。
10．按照权利要求9所述的方法，其中借助对流，接触或导电方法，或者借助微波能量，加热木材。
11．按照权利要求1所述的方法，其中在微波辐照过程中，使木材表面受到速度至少约为1m/sec的气流或空气流的作用。
12．当用按照权利要求1-11任一所述的方法处理后的木材。
13．由含水率(以干重为基础)至少15％的未处理木材的微波处理产生的木基材料，所述木基材料具有许多主要位于其径向-纵向平面中的空腔，在未处理木材的所述微波处理过程中，通过完全或部分破坏射线细胞，并通过使破坏的射髓扩展成空腔，形成所述许多空腔，所述木基材料的径向方向和纵向方向上的渗透性至少为未处理木材的5倍，其中在木基材料中，基本保持了未处理木材的整体完整性。
14．按照权利要求13所述的木基材料，具有与所述空腔密度较低的，或者不包括任何所述空腔的区域相互交替的所述空腔密度较高的区域。
15．按照权利要求14所述的木基材料，其中所述交替区域在所述木基材料的纵向，径向和/或切向方向上交替排列。
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