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木材炭化技术简述
2017-6-8

    木材高温热处理技术是将木材放人高温、无氧或者低氧的环境中进行一段时间热处理的物理改性技术。这样生产出来的木材即所谓的炭化木,此法俗称木材炭化技术。炭化温度通常为160~240℃,与常规木材干燥方法和传统的烧炭方法不同。

一、木材炭化机理

木材主要由纤维素、半纤维素、木质素和木材抽提物等组成。纤维素在木材细胞壁中起骨架作用,其化学性质和超分子结构对木材的强度有重要影响。纤维素中的羟基和水分子也可形成氢键,不同部位的羟基之间存在的氢键直接影响着木材的吸湿和解吸过程。大量的氢键可以提高木材的强度,减少吸湿性,降低化学反应性等,且纤维素的吸湿性直接影响到纤维的尺寸稳定性和强度。木材经过高温热处理之后,羟基的浓度减少,化学结构发生复杂的变化,使炭化木的吸湿性降低,尺寸稳定性提高,但由于纤维素聚合度的降低,氢键被破坏,使得炭化木的力学强度有所损失。

半纤维素是细胞壁中与纤维素紧密联结的物质,起粘结作用,是基体物质,半纤维素吸湿性强、耐热性差、容易水解,在外界条件作用下易于发生变化,是木材中吸湿性最大的组分,是使木材产生吸湿膨胀、变形开裂的因素之一。木材经热处理后,多糖的损失主要是半纤维素,因而可降低木材的吸湿性,减少木材的膨胀与收缩,提高了炭化木的尺寸稳定性。又因为半纤维素在细胞壁中与木质素一起起粘结作用,受热分解后木材的内部强度被削弱。不仅削弱木材的韧性,而且也使抗弯强度、硬度和耐磨性降低。

木质素贯穿着纤维,起强化细胞壁的硬固作用。木质素还是影响木材颜色的产生与变化的主要因素。木材具有不同颜色还与细胞壁、细胞腔内填充或沉积的多种抽提物有关。抽提物对木材强度也有一定的影响,含树脂和树胶较多的木材其耐磨性较高。木材经过炭化之后,发色基团和助色基团发生复杂的化学变化,抽提物部分被汽化,使得木材颜色发生改变。

二、木材炭化技术的国内外研究现状

木材炭化热处理在20世纪早期已经开始研究,最早关于木材炭化热处理的论文发表于1920年。根据炭化处理介质的不同,炭化工艺主要分为蒸气处理工艺、惰性气体处理工艺、热油处理工艺。蒸气处理工艺是比较成熟的,同时应用也比较广。我国在木材炭化方面的研究相对比较晚,在尺寸稳定性改性处理方面,主要集中在高温高压水蒸处理方法。

芬兰对超高温热处理木材的研究开始较早,经过十几年的发展,生产技术已经比较成熟。处理过程中,用水蒸气来防止木材燃烧,处理环境中氧气含量控制在3%~5%以下。处理过程分为3个步骤:1)升温阶段,包括预热、高温干燥及再升温阶段;2)热处理阶段;3)冷却及平衡阶段。

荷兰采用的蒸气处理工艺有所不同,包括2个阶段:1 ) 将生材或气干材在160~190℃的高温环境下进行处理再用传统窑干干燥,使处理后的木材达到较低含水率(约10%); 2)将干燥好的产品再次加热至170~190℃,处理时间依木材种类、厚度等因素而异。

法国的木材超高温热处理,其研究初衷是为了改进木材在不同气候条件的尺寸稳定性,通过超高温热处理,使木材的吸湿性发生改变。处理过程是在充满氮气的特殊处理室中进行,要求室内含氧量低于2%,含水率12%左右的木材被缓慢加热到210~240℃进行处理。

德国和加拿大的木材热处理是在热油(植物原油,如油菜籽、亚麻籽、葵花籽油等)中进行的,使木材在处理过程中与氧气充分隔离,且热传递效率高。

三、炭化木综合性能研究

木材炭化处理的树种较多。1990年,俄罗斯的学者研究欧洲赤松和桦木在80、lO0、l15、130、140%分别处理48h和96h,然后储存观察其吸湿性和老化后表面腐蚀度的关系。结果表明,处理温度越高,处理时间越长,吸湿性降低越大。在储存过程中,随着老化现象的进一步发展,表面腐蚀度增大,吸湿性能也随之增加。随后,M—Inoue等人的研究证明:热处理后木材尺寸稳定性提高,其原因是高吸湿性的半纤维素转变成了低吸湿性的糠醛类物质。

李大纲等人对热处理消除水曲柳木材弯曲变形内应力的影响进行了研究,对弯曲木制品进行了不同温度处理下的曲率半径回复试验,比较了木材在温度 l00、140、l60、l80、200℃下分别处理2、4、6、8h后,再经24℃水浸泡 24h,60℃水浸泡4h,100℃沸水煮lh后的曲率半径回复率。结果表明:弯曲木的曲率半径回复率随热处理时间的增加而减小,随处理温度的提高而减小。

木材炭化对提高尺寸稳定性方面的研究非常广泛。1937 年,德国的学者研究了热处理木材的干缩湿胀性能,发现干木材被加热,吸湿性明显降低,湿木材经热处理后吸湿性并没有减小。结论还显示,在有氧存在的情况下,热处理材的强度下降比无氧存在的情况下更为明显。马世春对蒸气处理改善木材尺寸稳定性进行了初探,发现木材经过蒸气处理及干燥后,制成的木地板在潮湿或干燥的自然环境中使用, 其尺寸稳定性优良,大大提高了木地板的质量。

木材经过炭化处理后的各项物理力学性能的研究涉及到越来越多的方面,如防腐性、力学强度、化学结构、化学成分的变化等。1946年的研究结果表明:炭化木材在防腐性和尺寸稳定性提高的同时伴随着力学强度的损失,抗干缩湿胀率提高40%,静曲强度减20%,具有良好的尺寸稳定性。密度获得合理分布,表面硬度和耐磨耗度均比未处理材有大幅度的提高。

2001年,法国研究了一种无毒的木材防腐处理技术,木材在180~280℃高温下进行热处理,使木腐菌的营养成分破坏、丧失,从而达到防腐的目的,该法申请了专利,并商业化生产。 

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