木材是古老而传统的基础原材料,同时又是国际公认的四大原材料(钢材、水泥、木材、塑料)之一。相对于其他材料而言,木材以其特有的固碳、可再生、可自然降解、可调节室内环境等天然属性,以及强重比高和加工能耗小等加工利用特性,在人们生活上扮演着十分重要的角色,广泛应用于房屋建筑、家具器皿、包装运输等领域。
??另一方面,由于木材本身存在着一些天然缺陷及缺点,如湿胀干缩性、易病性(发霉、变色、腐朽、虫蛀)等,一定程度限制了其使用范围,实际生产上往往需要进行改性。高温热处理技术是一种不添加任何化学试剂,环境友好的木材改性手段,可明显改善木材尺寸稳定性及生物耐久性,提高木材综合性能,目前已实现较为成功的产业化应用。
?高温热处理技术是以蒸汽、湿空气、氮气、炉气等气体或植物油为介质,在~℃(常用~℃)高温条件下对木材进行加热处理,以改良木材品质的方法。
处理后的木材或产品在企业及商业流通时俗称“炭化木”,但其实木材实质物质并没有炭化,因此称之为热处理木材(heat-treatedwood)或热改性木材(thermalmodifiedwood)更为合理。
技术简介
设备及工艺
设备:国产的木材高温热处理设备,按处理室的形状分,可分为矩形和圆筒型;按处理环境的压力分,可分为常压和加压型等。目前多数处理装置以过热状态水蒸气为保护气体,具有热功率大、气流循环速度高且均匀、处理室耐腐蚀等特点。
?工艺:目前国外存在的木材热处理工艺主要有荷兰Plato工艺、法国Retification工艺、法国LesBois工艺、德国热油处理工艺、芬兰ThermoWood工艺等。我国采用的木材热处理工艺多数是在国外热处理方法的基础上发展起来的,且工艺全程主要分为三个阶段。
①干燥阶段:热处理前,通常建议将木材的含水率干燥至12%以下,依据材种及木材厚度的不同,热处理温度从60℃~75℃起,分阶段升温至℃,待木材含水率降至3%~4%时结束。
②热处理阶段:干燥阶段结束后,以较快速度升至℃~℃的目标温度,并根据热处理材实际用途等要求持续一定的保温时间(一般为2h~3h),整个过程以蒸汽作为保护气体。
③冷却与含水率调节阶段:高温处理后木材温度很高,含水率接近为零,必须降温增湿——喷雾化水或蒸汽。一般待室内温度降至80℃~90℃时进行调湿处理,将处理材的终含水率控制在4%~7%,并且建议室内外温度差小于30℃时方可出窑。由于热处理温度和所处理木材的不同,该阶段通常需要5h~15h。
改性效果
经过热处理后的木材,其物理、化学性质会发生一系列改变,这些性质的改变主要是由于木材中半纤维素等组分的热降解造成的。
尺寸稳定性:热处理减少了木材中羟基等亲水基团的数量,使木材水分扩散系数降低,吸湿性能及平衡含水率显著下降,径向、弦向干缩湿胀减小,进而提高了其尺寸稳定性。
生物耐久性:通过热处理可实现对木材的脱油脱脂,从而降低木材中营养物质的含量,最终提高木材抵御微生物及虫害侵蚀的能力,改善生物耐久性。但一般认为当处理温度高于℃以后时,耐久性才会得到显著的提升。
材色变化:材色是热处理木材最直观的性能改变。木材经过热处理后,颜色加深、明度下降,且材色的变化程度一般随处理温度的提升而进一步加深,部分木材显现出接近热带木材及珍贵材的颜色特征。
力学强度:木材细胞壁组分在热处理过程中发生降解或重组,导致其抗弯强度、冲击韧性、硬度等力学性能发生一定的变化。部分研究表明,温和的热处理条件可能会使木材部分性能略有提高,但一般认为当处理温度超过℃时,热处理材总体性能指标会显著降低。
其他性能:除以上变化之外,热处理还会降低木材抽提物含量,使密度减小;模拟加速木材“老化”进程,改善声学性能;降低木材导热率,提高隔热性能等等。
应用及发展前景
目前,木材热处理技术经过持续深入的研究已取得长足的发展,并且建立了相对完整的技术与理论体系,热处理材产品也在地板、装修、室内外家具、门窗建筑等领域得到了广泛的应用。
随着“双碳”目标的提出,人们愈发重视环保低碳、可再生资源的利用。因此,环境友好的木材热处理技术在未来相当长的一段时间里仍具有广阔的发展空间与应用前景。
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