木材高温热处理技术

床头柜

  木材是一种天然生物材料，作为一种建筑和室内家具装饰用材，木材具有许多优点，如木材质轻而强度高；易于加工，加工所需能量较低，不易污染环境；对热、电的绝缘性好；有良好的声学性质；木质材料对振动有较强的缓冲作用；木材在破坏前有预兆；木质资源材料有天然的美丽的花纹、光泽和颜色，有特殊的装饰效果。作为室内用材，木材有调节居室相对湿度的功能。

  但是，作为一种天然生成的有机体，木材也存在着一些不良的固有特性，其中，木材的湿胀干缩以及由于各向尺寸变化不一致而引起的翘曲、开裂等种种变形是木材加工、利用中遇到的一个最棘手的问题。许多研究者一直在努力研究和积极探索使木材尺寸稳定化的方法，积累了经验，取得了一定的效果。人们公认水分的存在与变化是导致木材尺寸不稳定的根本原因。
  高温热处理木材是指用160～230℃（常用180～210℃）的温度加热处理木材，其以良好的生物耐久性、耐候性、尺寸稳定性及安全、环保等一系列突出的优点，正日益广泛地应用于地板、室内外装饰、木扶梯，公园设施、家具制造等诸多方面。目前，欧洲国家已经建立了5种典型的木材热处理工艺（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），并获得了相关专利。
  我国针对木材高温热处理技术的研究尽管起步较晚，但在各相关高校、科研机构及企业届的共同努力之下，已取得长足的进步。现就木材热处理设备、工艺及热处理木材的特性简介如下：
  一、高温热处理设备
  目前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。其中常压高温热处理设备结构与木材干燥室相似，主要区别包括：热功率大、处理室内散热器的散热面积大、气流循环速度高且均匀，此外，设备（罐）壳体及内部设备应耐腐蚀，内壁需整体焊接，不能采用铆接或螺栓联接。壳体的气密性和保温性要好，以防漏气和浪费热能；工作时设备内应充满（过热状态的）水蒸气作为保护气体，基本不含空气，以保护木材，防止氧化着火。
  如图所示，为潍坊富顺节能科技有限公司研发的木材高温热处理设备照片。该装备采用圆筒形结构，快开门、最大装载量15立方，常压运行以确保操作的安全性，可远程控制系统（PC端；手机端）省时省工省力；也减少了过度依赖技术人员的弊端；整体用不锈钢制作，电加热，同时整套系统应配有蒸汽发生器，以满足高温热处理的工艺要求。

  二、高温热处理工艺

  如图所示，高温热处理木材的加工主要分为以下三个阶段：
  ①干燥阶段
  干燥阶段是整个热处理过程最长的一个阶段。该阶段也称为高温干燥阶段。干燥室的温度迅速升高到100℃上下，此后，温度逐渐上升到130℃。在这个阶段中木材的含水率几乎降低到0，之后才是真正的木材热解阶段。
  干燥阶段所用的时间主要取决于木材的初含水率，树种和木材的厚度。原材料是否经过干燥都可以。合理的干燥对防止木材内部产生开裂是非常重要的。
  ②热处理阶段
  热处理阶段在高温干燥阶段后立刻开始。设备内部温度逐渐增加到180～210℃。在干燥和热处理炭化过程中所用的蒸汽是作为保护蒸汽。这些保护蒸汽主要防止木材燃烧，同时对木材内部发生的化学变化产生影响。当达到要求的热处理温度后，根据产品的最终用途保温2到3小时。
  ③冷却与含水率调节阶段
  在此阶段要合理调节降温速度以防止木材表裂、内裂及劈裂等缺陷的产生。此外还需根据热处理木的最终用途对木材进行重新调湿到适当的含水率。当温度降到80～90℃时，调节环境的湿度，将被处理材的终含水率控制在4～7%。终含水率对木材的性质有着重要的影响。含水率过低的木材也并不适合加工应用。由于热处理的温度和所处理木材的不同，调节阶段需要5～15小时。
  三、高温热处理木材的特性
  热处理后木材的一些化学性质和物理性质发生了永久的改变。这些性质的改变是由于半纤维素的热解所引起的。所要的那些反应在温度大约为150℃时发生，随着热处理的进行，温度的升高，反应继续进行。结果表明，经过热处理后的木材由湿度不同而导致的干缩和湿胀减小，生物耐腐蚀性提高，材色加深，抽提物随着热处理从木材中被抽提出，木材重量变轻，平衡含水率降低，PH值降低，隔热性能提高。此外，对于针叶材，处理后油脂均布，有利于油漆。
  ①密度
  热处理木材的密度比未处理材稍低，随着热处理温度的升高木材的密度略降低，这主要是由于热处理过程中木材发生了化学变化而引起。
  ②强度
  木材的强度和木材的密度有很高的相关度，木材经过热处理密度会有所降低。因此，热处理木在某些情况下强度稍低。然而强重比并没有改变。木材的强度与含水率（在纤维饱和点以下）也有很大关系。由于较低的平衡含水率，热处理木材拥有较好的强度。
  ③平衡含水率
  热处理木和未处理素材相比，在不同的相对湿度的条件下，热处理木材的平衡含水率降低。在处理温度为220℃时，木材的平衡含水率为未处理时的一半。
  ④尺寸稳定性
  对木材进行热处理可以显著地降低木材的径向和弦向尺寸的不稳定性，有效地减少木材的干缩湿胀，从而使得最终的木制品有很高的尺寸稳定性。此外，与其他的木材不同，热处理木材没有干燥应力，这是非常明显的优点，特别是在劈断木材和制作木制品时。
  ⑤导热性能
  热处理木材的热导率与未处理素材相比降低20%到25%。因此，热处理木材非常适合应用于做地板、外门、扶梯、窗户和芬兰蒸汽浴室内部设施。
  ⑥颜色
  热处理木材的颜色受热处理温度和热处理时间的影响。热处理的温度越高，处理后材色越深。所有的针叶树材，颜色的一致性受到密度、早晚材的正常变异的影响。

  杉木180、200、220℃保温3小时后颜色变化

  桦木160、180、200℃保温3小时后颜色变化
  在木材干燥阶段消耗的能量最多，大约占用来加热能量的80%。热处理的整个过程所需要的总的能源消耗量仅比普通的木材干燥高25%。消耗的电能也是如此。由于木材进行热处理不需要任何化学试剂，只用到了水和热能，因此热处理木完全是无毒环保型材料。热处理过程也不会有大量的废水产生，产生的废水中的固体物质采用特殊的容器溶解，余下的部分进行废水处理。
  综上木材的高温热改性技术仍是当前木材各类改性方法中实用性最强、经济效益显著，且环境友好的改性方法。