一種基于常壓升溫負(fù)壓保溫工藝的木材熱改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型木材改性方法，以調(diào)節(jié)木材的外觀顏色和尺寸穩(wěn)定性，屬于木材改性領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]木材熱改性也稱為木材熱處理，是將木材在200°C左右的惰性環(huán)境中進(jìn)行加熱處理的一種方法。在這一溫度水平下，木材中的半纖維素發(fā)生部分降解，纖維素的結(jié)晶度增加，木素的化學(xué)組分也發(fā)生重組，使木材中的水分和親水基團(tuán)減少，發(fā)色基團(tuán)發(fā)生變化，以調(diào)節(jié)其材色，增加其尺寸穩(wěn)定性。
[0003]木材熱改性的實(shí)驗(yàn)室探索起源于上世紀(jì)30年代，而產(chǎn)業(yè)化推廣則始于上世紀(jì)90年代。按處理介質(zhì)的壓力水平分類，目前主要有常壓型，負(fù)壓型，加壓型和混合型四種工藝。
[0004]常壓型工藝以水蒸汽，氮?dú)饣驘嵊蜑榧訜峤橘|(zhì)，在對(duì)木材進(jìn)行加熱的同時(shí)排除或減少處理環(huán)境中的氧含量，以防止木材在高溫下發(fā)生過(guò)度氧化，也降低處理過(guò)程中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。芬蘭的Thermowood工藝是典型的常壓熱處理工藝(參見(jiàn)圖1)。該工藝主要以北歐松木、云杉、樺木和白楊為處理對(duì)象，由3個(gè)階段構(gòu)成，木材首先在最高為130°C的條件下進(jìn)行干燥(階段1)，干燥時(shí)間根據(jù)木材的初含水率進(jìn)行調(diào)整。在接下來(lái)的熱處理階段(階段2)，木材在185?215° C的溫度下進(jìn)行加熱處理，具體選用溫度取決于木材種類與產(chǎn)品用途。在這個(gè)階段木材細(xì)胞壁的化學(xué)組分發(fā)生降解與重組導(dǎo)致木材性能的變化。熱處理階段的時(shí)長(zhǎng)為2?3h，之后進(jìn)入冷卻與調(diào)濕階段(階段3)，窯內(nèi)溫度通過(guò)噴霧化水而降低，木材在此過(guò)程中也吸收一定水分，最終將含水率控制在4?7%。常壓工藝的主要不足在于加熱介質(zhì)的制備增加了處理的成本，同時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的廢水，廢油回收處理。
[0005]加壓工藝采用壓力蒸汽或水為處理介質(zhì)，其密閉的高濕環(huán)境有利于促進(jìn)木材中半纖維素的水解，可以在較低的溫度水平下實(shí)現(xiàn)較好的改性效果;但是由于木材水解產(chǎn)物偏酸性，因而酸性的高濕環(huán)境也加劇了對(duì)處理裝置的侵蝕，壓力水平的提高還意味著在運(yùn)行過(guò)程中需要考慮更多安全性問(wèn)題。典型的加壓熱處理工藝如圖2所示。
[0006]負(fù)壓型處理工藝通過(guò)抽真空的方法來(lái)降低處理裝置中的氧含量，處理窯內(nèi)壓力一般在0.15?0.35atm左右，因而無(wú)需制備蒸汽、氮?dú)饣驘嵊偷榷栊越橘|(zhì)，處理過(guò)程中的排放物水平也較低，但是空氣量的減少同時(shí)也降低了處理環(huán)境的導(dǎo)熱介質(zhì)量，使得對(duì)流傳熱變得困難。為了提高傳熱效率，一般情況下，是提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在0.2atm的壓力條件下需達(dá)到1930rpm，而常壓時(shí)僅需635rpm即可達(dá)到相同的傳熱效果。同時(shí)負(fù)壓環(huán)境同時(shí)對(duì)半纖維素的降解起到了一定的抑制作用，因而該工藝處理的溫度水平一般達(dá)到225-230°C，高于其它工藝(參見(jiàn)圖3)。有些負(fù)壓處理技術(shù)方案在窯內(nèi)加裝加熱板，通過(guò)傳導(dǎo)方式對(duì)木材進(jìn)行加熱，但是由于加熱板本身需要占據(jù)窯內(nèi)的一定空間，處理窯的有效容積受到了顯著損失。
[0007]混合型處理工藝將熱處理在兩個(gè)不同裝置中分步驟完成，第一步先將木材置于高壓水或蒸汽環(huán)境中進(jìn)行處理，處理后木材的含水率較高，因而在進(jìn)行第二步處理前先要將木材置于干燥窯內(nèi)進(jìn)行干燥，將含水率降至10%左右，之后再將木材放入以常壓蒸汽或氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣的環(huán)境中進(jìn)行處理。混合處理工藝將熱處理過(guò)程分解為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的步驟，通過(guò)裝置配比和工藝的優(yōu)化可用較小的裝置實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)量，但是總體上它在裝置和工藝上都比其它工藝復(fù)雜得多，因而目前很少被采用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)需加熱或保護(hù)介質(zhì)、能夠快速加熱、能耗低、實(shí)施設(shè)備簡(jiǎn)單、無(wú)安全隱患的基于常壓升溫負(fù)壓保溫工藝的木材熱改性方法。
[0009]本發(fā)明所述的基于常壓升溫負(fù)壓保溫工藝的木材熱改性方法，它包括下述步驟:
a、將木材鋸材在常壓空氣環(huán)境中進(jìn)行加熱:將木材放置在處理窖內(nèi)加熱至115-125°C，保持50-70min，對(duì)木材進(jìn)行預(yù)熱并降低木材的含水率;然后以8-12° C/h升溫速率將木材溫度升至 150° C-190°C；
b、保溫降壓:對(duì)處理窯進(jìn)行抽真空，降低窯內(nèi)壓力至0.2?0.3atm，并保持溫度不變，保溫時(shí)間在1?3h;
c、降溫復(fù)壓:停止加熱，逐漸降低處理窯的溫度，并向處理窯內(nèi)通入空氣，將壓力逐漸恢復(fù)到常壓水平。
[0010]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的特色主要在于常壓升溫和負(fù)壓保溫。
[0011]常壓升溫即木材在常壓空氣環(huán)境中進(jìn)行加熱，該步驟可分為兩個(gè)階段，第一階段加熱至115-125°C，并保持50-70min，對(duì)木材進(jìn)行預(yù)熱并降低木材的含水率。第二階段將木材溫度升至150°C-190°C (僅調(diào)節(jié)材色一般升溫至160° C左右，調(diào)節(jié)材色并提高尺寸穩(wěn)定性一般升溫至180° C左右)，升溫速率約在8-12° C/h。由于處理環(huán)境中氧氣的存在，木材中化學(xué)組分發(fā)生的降解與重組水平可達(dá)到傳統(tǒng)負(fù)壓處理工藝在更高處理溫度下的效果。本方法的處理溫度不超過(guò)200°C，因?yàn)楦哂谠摐囟群竽静牡慕到馑俣蕊@著加劇，使木材的力學(xué)強(qiáng)度損失過(guò)大，而且此時(shí)木材內(nèi)可燃性有機(jī)揮發(fā)物的產(chǎn)生量顯著增加，給處理工藝帶來(lái)安全隱患。
[0012]負(fù)壓保溫即木材溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后對(duì)處理窯進(jìn)行抽真空，降低窯內(nèi)壓力至0.2?0.3atm，并保持處理溫度不變。該步驟的負(fù)壓環(huán)境可以起到兩個(gè)作用:(1)降低處理環(huán)境中的氧含量，避免木材在持續(xù)高溫環(huán)境中出現(xiàn)過(guò)度降解，同時(shí)保證處理環(huán)境的安全性；(2)在本方法中，窯內(nèi)開(kāi)始抽真空時(shí)木材已達(dá)到處理溫度，此時(shí)提高處理環(huán)境的真空度可以增加處理裝置的保溫性，減少木材的熱消耗，降低了保溫階段的能耗。本發(fā)明完全不同于現(xiàn)有的負(fù)壓處理工藝，現(xiàn)有的負(fù)壓處理工藝是在負(fù)壓下對(duì)木材加熱升溫，真空度的提高使木材的對(duì)流加熱出現(xiàn)困難，成為制約木材達(dá)到目標(biāo)處理溫度的主要因素。本發(fā)明是在保溫階段采用負(fù)壓方法，有效防止了處理窯散熱過(guò)快。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案主要適用于室內(nèi)產(chǎn)品的闊葉材樹(shù)種，可調(diào)節(jié)木材的材色并顯著提高木材的尺寸穩(wěn)定性。本方法主要優(yōu)點(diǎn):
1)本方法無(wú)需制備任何加熱或保護(hù)介質(zhì)(蒸汽，熱油，氮?dú)獾?，簡(jiǎn)化了處理系統(tǒng)，降低了成本，也大大降低了對(duì)裝置的腐蝕。
[0014]2)本方法在常壓和負(fù)壓條件下進(jìn)行，不存在因高壓產(chǎn)生的安全隱患。
[0015]3)本方法的兩種壓力條件可以在同一裝置中實(shí)現(xiàn)，無(wú)需分別制備不同裝置，是一種“一體化”的處理工藝。
[0016]4)本方法克服了傳統(tǒng)負(fù)壓工藝由于傳熱介質(zhì)不足帶來(lái)的導(dǎo)熱困難或需要附加加熱板的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)快速加熱。
[0017]5)本方法可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)負(fù)壓工藝在較高溫度下的改性水平，縮減了加熱時(shí)間，降低了能耗。
[0018]上述的基于常壓升溫負(fù)壓保溫工藝的木材熱改性方法，步驟c中，當(dāng)溫度低于100°C時(shí)向處理窯內(nèi)通入空氣，將壓力逐漸恢復(fù)到常壓水平，同時(shí)向處理窯內(nèi)噴霧化水。這樣可以調(diào)節(jié)木材的含水率。
[0019]上述的基于常壓升溫負(fù)壓保溫工藝的木材熱改性方法，步驟a中以8-12°C/h升溫速率升溫過(guò)程中，向處理窯內(nèi)噴霧化水。在升溫過(guò)程中可適當(dāng)向處理窯內(nèi)噴霧化水，水在高溫下迅速氣化，可以調(diào)節(jié)處理窯的濕度，防