CN211917151U - 一种利用超临界co2改善木材渗透性的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的是一种利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，主要包括高压处理罐和储气罐，木材置于高压处理罐中，在处理罐内将CO₂加压至超临界状态并处理木材，维持压力并保持一段时间，然后迅速泄压，使加压罐中超临界CO₂迅速降至常压或液态CO₂；通过迅速泄压，木材内部的超临界CO₂迅速膨胀为气态CO₂，急速增加木材细胞腔内的压力，在超高压力的作用下破坏木材纹孔膜、薄壁细胞等脆弱组织，进而打通木材内部的联系通道，提高木材的渗透性。利用本方法和设备能够高效、快速、高品质的改善木材的渗透性，同时脱除木材内部的部分水分；改性处理后的木材干燥速度快、干燥质量好，进行木材其它浸渍改性的效果优异。

Description

一种利用超临界CO2改善木材渗透性的设备

技术领域

本实用新型涉及的是一种利用超临界CO2改善木材渗透性的设备，属于属于木材预处理技术领域。

背景技术

木材是世界上四大建筑材料（塑料、水泥、钢铁、木材）中唯一可以再生利用的绿色环保材料，高效的木材加工和利用对国民经济发展及生态环保建设及其重要。高效的木材加工利用包括木材良好的干燥和材性改良，砍伐直接获得的木材只有经过干燥至合适的含水率后才能够用于建筑、家具、地板、工艺及装饰用品，否则在加工和使用的过程会出现干缩、开裂、离缝、虫蛀等缺陷。

对木材材性的改良方法，例如防腐、阻燃、防霉、乙酰化等浸渍改性处理，可以提高其物理力学性能、耐久性、尺寸稳定性等，有效延长其使用寿命，进而达到减少木材消耗量的目的。无论是木材干燥还是材性改良，都与木材的渗透性密切相关，木材的渗透性提高，水分更容易从木材中脱除，改性剂等也就更容易进入到木材内部。因此，提高木材的渗透性能够明显的提高其干燥速度和干燥质量，其防腐、阻燃、防霉、乙酰化等浸渍改性处理的效果也更为明显。

传统的木材渗透性改善技术包括水煮、气蒸、浸泡及抽提等方法，存在着改性处理时间长，改性成本高，改性效果差、不均匀等问题，尤其是木材内部层面的渗透性难以提高。近年来为了改善木材干燥质量和改性处理效果，相关研究人员进行了各种其他方面的尝试，例如：专利申请号为200710143652.0的发明专利所公开的木材内部微爆破方法，把木材置于压力罐内，通过加压泵向罐内及木材内部施加压力，然后迅速打开喷放阀门，完成木材爆破处理来改善木材的渗透性。然而，未经改性处理的木材通常渗透性较差，尤其木材含水率较高时，外加压力很难进入到木材的内部，实际操作时，爆破现象往往只发生在木材的表层，无法实现木材内部的爆破，导致处理效果差、且不均匀。此外，该发明专利技术方案中采用的罐内压力过小（0.1MPa～2.0MPa），很难破坏实体木材内部的微观孔隙，实现渗透性改善。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有木材渗透性改善技术存在的上述缺陷，提出一种利用超临界CO₂改善木材渗透性的处理设备，能够高效、快速、高品质的改善木材的渗透性，同时脱除木材内部的部分水分，改性处理后的木材干燥速度快、干燥质量好，进行木材其它浸渍改性的效果优异。

本实用新型的技术解决方案：一种利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，包括高压处理罐、材车、控制箱、泄压管道、储气罐、高压CO₂联通管道；其中高压处理罐设于储气罐的前侧，高压处理罐的前侧设有高压处理罐密封门，底部设有处理罐支架及罐外轨道，其中罐外轨道设于高压处理罐密封门的前侧，并与高压处理罐内部的罐内轨道相对应设置，材车设于罐内轨道的上方；高压处理罐的顶部设有高压处理罐排气阀，内壁表面设有处理罐电加热系统；储气罐的底部设有1组储气罐支脚，储气罐的顶部设有储气罐排气阀，储气罐的内壁表面设有储气罐电加热系统；储气罐的底部还设有排水箱，排水箱的进水口与储气罐之间通过进水阀连接，排水箱的底部排水口设有排水阀。

进一步的，所述的高压处理罐通过泄压管道和高压CO₂联通管道连接储气罐，其中泄压管道连通高压处理罐底部与储气罐底部之间的泄压口，泄压管道的中部设有瞬间泄压阀门；高压CO₂联通管道连通高压处理罐的顶部进气口与储气罐的底部出气口，高压CO₂联通管道靠近储气罐的位置设有加压泵，加压泵的后端设有高压CO₂流动控制阀门；

进一步的，所述的材车的上表面堆放若干块木材，每层木材之间通过不锈钢垫条隔开，重载钢板设于最上层的木材顶部；材车的底部设有2排滚轮，与罐内轨道及罐外轨道相配合。

进一步的，所述的控制箱连接处理罐电加热系统和储气罐电加热系统，用于控制高压处理罐和储气罐内部的温度；控制箱还同时连接瞬间泄压阀门、高压处理罐排气阀、储气罐排气阀、加压泵、高压CO₂流动控制阀门、排水阀和进水阀，用于控制高压处理罐和储气罐内部的压力及排水箱的排水过程。

本实用新型的优点：

1）在进行木材渗透性改善处理的同时能够脱除木材中的水分，重复周期越多水分脱除越大，木材的含水率越低，即：在同一设备既可以进行木材渗透性改善同时可以进行木材脱水处理，一机两用，节约人力、物力，提高设备的利用效率，降低企业设备成本；

2）超临界CO₂改性处理过程温度低，且氧气含量极低，不会导致木材表面氧化，处理过程中木材颜色变化极小，能够有效保留木材的天然纹理和色泽；

3）由于超临界CO₂流体具有类似气体的扩散性及液体的溶解能力，同时兼具低黏度，低表面张力等特性，其扩散系数是液体的近百倍，使得超临界CO₂流体能够迅速渗透进入木材内部微孔隙内，进而对木材内部组织结构进行充分渗透和改善；

4）超临界CO₂的流体压力为7.39-40MPa，远高于传统空气加压方法的0.1-2 MPa的空气压力；此外，瞬间泄压时超临界CO₂流体迅速膨胀，导致木材细胞腔内压力急剧增加，在原超临界CO₂流体压力的基础上，进一步加大了木材内外的压力差，利用双压作用由内向外迅速降压，能够有效的破坏纹孔膜、薄壁细胞组织，渗透性改性程度深、均匀、效果好；

5）使用超临界CO₂ 流体对木材进行改性能够消除气液界面的张力，改性过程能够有效防止木材因毛细管表面张力导致的缺陷；

6）改性过程中CO₂与木材组分发生化学反应进而实现CO₂固定，具有固碳作用，可将其他生产过程中产生的CO₂ 废气进行有效处理回用，实现节能减排；

7）能够有效的脱除木材中的有机抽提物和其他降低木材渗透性的物质，进一步提高木材的渗透性；

8）CO₂临界条件低（温度31.26℃、压力72.9atm），化学性质稳定，无色、无味、无毒、安全，且价格便宜，纯度高，容易获得；因此使用超临界CO₂进行改性可有效降低成本；改性过程的压力和温度都容易调节，操作简便；超临界CO₂流体的极性还可以根据木材特性和工艺而改变，适用各种不同的加工需求，推广价值高。

附图说明

附图1是本实用新型利用超临界CO2改善木材渗透性的设备的结构示意图。

附图2是本实用新型利用超临界CO2改善木材渗透性的设备的压力控制系统和排水系统的结构示意图。

图中1是高压处理罐、2是处理罐电加热系统、3是超临界CO₂、4是重载钢板、5是木材、6是不锈钢垫条、7是材车、8是控制箱、9是罐内轨道、10是处理罐支架及罐外轨道、11是泄压管道、12是瞬间泄压阀门、13是储气罐支脚、14是储气罐、15是储气罐电加热系统、16是高压处理罐排气阀、17是高压处理罐密封门、18是高压CO₂联通管道、19是储气罐排气阀、20是加压泵、21是高压CO₂流动控制阀门、22是排水阀、23是排水箱、24是进水阀。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1~图2所示的木材渗透性改善设备，其结构包括高压处理罐1、储气罐14、压力控制系统、电加热系统、材料装卸系统、排水系统和控制系统，其中高压处理罐1设于储气罐14的前侧，高压处理罐1通过压力控制系统连接储气罐14，材料装卸系统设于高压处理罐1的内部和前侧高压处理罐密封门17处，电加热系统设于高压处理罐和储气罐14的内部，排水系统设于储气罐14的底部，控制系统设于高压处理罐1的前侧。

所述的材料装卸系统包括材车7、高压处理罐1内部的罐内轨道9及底部的处理罐支架及罐外轨道10，其中罐外轨道设于高压处理罐密封门17的前侧，并与高压处理罐1内部的罐内轨道9相对应设置，材车7设于罐内轨道9的上方，材车7的上表面堆放若干块木材5，每层木材5之间通过不锈钢垫条6隔开，重载钢板4设于最上层的木材5顶部；材车7的底部设有2排滚轮，与罐内轨道9及罐外轨道相配合，用于将木材平稳输送至高压处理罐1内部进行改性。

所述的压力控制系统包括泄压管道11和高压CO₂联通管道18，其中泄压管道11连通高压处理罐1底部与储气罐14底部之间的泄压口，泄压管道11的中部设有瞬间泄压阀门12，用于将超临界CO₂瞬间泄压完成木材改性；高压CO₂联通管道18连通高压处理罐1的顶部进气口与储气罐14的底部出气口，高压CO₂联通管道18靠近储气罐14的位置设有加压泵20，加压泵20的后端设有高压CO₂流动控制阀门21，用于将储气罐14内部的气态CO₂压缩为高压液态CO₂输入至高压处理罐1；还包括高压处理罐1顶部的高压处理罐排气阀16和储气罐14顶部的储气罐排气阀19，用于压力过高时放出部分气体维持气压平衡。

所述的电加热系统包括高压处理罐1的内壁表面的处理罐电加热系统2及储气罐14的内壁表面的储气罐电加热系统15，用于将罐体温度提升至超临界CO₂的相应条件，并满足相应工艺需求；处理罐电加热系统2和储气罐电加热系统15采用盘管式换热器，沿高压处理罐1及储气罐14的内壁表面紧密排列设置。

所述的排水系统包括储气罐14底部的排水箱23，排水箱23的进水口与储气罐14之间通过进水阀24连接，排水箱23的底部排水口设有排水阀22，用于将木材改性完成后产生的水分及时排出。

所述的控制系统即控制箱8，通过导线连接处理罐电加热系统2和储气罐电加热系统15，用于控制高压处理罐1和储气罐14内部的温度；控制箱8还同时通过导线连接瞬间泄压阀门12、高压处理罐排气阀16、储气罐排气阀19、加压泵20、高压CO₂流动控制阀门21、排水阀22和进水阀24各个阀门并分别控制其开闭，用于控制高压处理罐1和储气罐14内部的压力及排水箱23的排水过程。控制箱8采用现有技术中结构原理已充分公开的阀门控制箱加装电加热控制开关组合而成，阀门控制箱采用型号为DKX-ZG的电动阀门控制柜，可实现集中控制多个阀门，并加装TB-900型温控器，可分别检测并调节处理罐电加热系统2和储气罐电加热系统15的工作温度和升降温速度。采用市场中通用的阀门控制箱和温控开关均可实现本实用新型的技术目的。

超临界CO₂改善木材渗透性的处理方法，包括如下步骤：

1）材料装载：将厚度均匀（10~100mm），含水率较高（大于40%）的木材5整齐堆放在材车7上，每层木材之间用厚度为5mm的不锈钢垫条6隔开，每层不锈钢垫条6的间距为500mm，用于超临界CO₂的流通；木材5堆放安装完毕后，在最上层放置5mm厚的重载钢板4向木材堆加压，最后把材车7推入高压处理罐1的内部，关闭高压处理罐密封门17；

2）高压处理罐加热加压：根据工艺要求，将储气罐14内部的CO₂经过加压泵20压缩至液态后注入高压处理罐1，完全淹没罐内待处理的木材5；开启处理罐电加热系统2对液态CO₂进行加热，通过控制箱8控制加热升温速度为4-6℃/h，高压处理罐1内的液态CO₂开始逐渐膨胀，压力逐步升高，最终到达临界压力7.39MPa；通过控制罐内温度和通过高压处理罐排气阀16释放一定的CO₂来维持处理罐内压力恒定，最终使罐内温度达到临界温度，罐内压力达到临界压力，使处理罐内CO₂的处于超临界状态；本实用新型适用的CO₂超临界条件为：温度：31.26-60℃，压力：7.39-40MPa；

3）木材超临界CO₂处理：根据工艺要求，通过控制箱8控制处理罐内的温度和压力，使罐内的木材5处于超临界CO₂ 3之中，处理时间为5~10分钟；由于超临界CO₂流体具有类似气体的扩散性及液体的溶解能力，同时兼具低黏度，低表面张力等特性，其扩散系数是液体的近百倍，使得超临界CO₂流体能够迅速扩散进入木材内部细胞腔等微孔隙内，进而对木材内部组织结构可以进行渗透改善；

4）瞬间泄压改性：迅速打开连接高压处理罐1和储气罐14之间的泄压管道11上的瞬间泄压阀门12，处理罐内及木材内部的超临界CO₂迅速膨胀为气态CO₂，急速增加木材细胞腔内的压力，在木材内外高压力差的作用下破坏木材细胞壁上纹孔膜及薄壁细胞等组织，进而打通木材内部的联系通道，改善木材的渗透性；

5）集水排水处理：在上述步骤4）瞬间泄压改性的同时，由于高压CO₂排挤细胞腔内的水分，木材渗透性改善的同时还从木材细胞腔内带出大量的水分，水分流进储气罐14时会与气态CO₂自动分离，通过打开进水阀24，将水分流入储气罐14底部的排水箱23后，再通过打开排水阀22排出；

6）周期性改性处理：根据生产及工艺需求，重复上述步骤2）-5）5-15个周期，可以对不同规格、不同树种的木材进行周期性渗透性改善处理，直至达到工艺和技术要求；

7）材料卸载：改性处理结束后，使高压处理罐1内压力恢复至常压，打开高压处理罐密封门17，拉出材车7，卸下重载钢板4，逐层卸下木材5。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方案，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，包括高压处理罐（1）、材车（7）、控制箱（8）、泄压管道（11）、储气罐（14）、高压CO₂联通管道（18）；其中高压处理罐（1）设于储气罐（14）的前侧，高压处理罐（1）通过泄压管道（11）和高压CO₂联通管道（18）连接储气罐（14），材车（7）设于高压处理罐（1）的内部，控制箱（8）设于高压处理罐（1）的前侧；其特征在于：所述的高压处理罐（1）内部填充有超临界CO₂（3）。

2.根据权利要求1所述的利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，其特征在于：所述的高压处理罐（1）的前侧设有高压处理罐密封门（17），高压处理罐（1）的底部设有处理罐支架及罐外轨道（10），其中罐外轨道设于高压处理罐密封门（17）的前侧，并与高压处理罐（1）内部的罐内轨道（9）相对应设置，材车（7）设于罐内轨道（9）的上方；高压处理罐（1）的顶部设有高压处理罐排气阀（16），高压处理罐（1）的内壁表面设有处理罐电加热系统（2）。

3.根据权利要求1或2所述的利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，其特征在于：所述的材车（7）的上表面堆放若干块木材（5），每层木材（5）之间通过不锈钢垫条（6）隔开，重载钢板（4）设于最上层的木材（5）顶部；材车（7）的底部设有2排滚轮，与罐内轨道（9）及罐外轨道相配合。

4.根据权利要求1所述的利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，其特征在于：所述的储气罐（14）的底部设有1组储气罐支脚（13），储气罐（14）的顶部设有储气罐排气阀（19），储气罐（14）的内壁表面设有储气罐电加热系统（15）。

5.根据权利要求1或4所述的利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，其特征在于：所述的储气罐（14）的底部还设有排水箱（23），排水箱（23）的进水口与储气罐（14）之间通过进水阀（24）连接，排水箱（23）的底部排水口设有排水阀（22）。

6.根据权利要求1所述的利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，其特征在于：所述的泄压管道（11）连通高压处理罐（1）底部与储气罐（14）底部之间的泄压口，泄压管道（11）的中部设有瞬间泄压阀门（12）。

7.根据权利要求1所述的利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，其特征在于：

所述的高压CO₂联通管道（18）连通高压处理罐（1）的顶部进气口与储气罐（14）的底部出气口，高压CO₂联通管道（18）靠近储气罐（14）的位置设有加压泵（20），加压泵（20）的后端设有高压CO₂流动控制阀门（21）。

8.根据权利要求1所述的利用超临界CO₂改善木材渗透性的设备，其特征在于：所述的控制箱（8）连接处理罐电加热系统（2）和储气罐电加热系统（15），用于控制高压处理罐（1）和储气罐（14）内部的温度；控制箱（8）还同时连接瞬间泄压阀门（12）、高压处理罐排气阀（16）、储气罐排气阀（19）、加压泵（20）、高压CO₂流动控制阀门（21）、排水阀（22）和进水阀（24），用于控制高压处理罐（1）和储气罐（14）内部的压力及排水箱（23）的排水过程。

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