木材熱處理或?qū)⒊蔀橼厔?shì)，木材熱處理研究及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-6-2 類別:公司新聞 瀏覽量: 3956 times
木材高溫?zé)崽幚碛址Q木材炭化，通常是指在 160～250 ℃的溫度下，利用蒸汽、氮?dú)狻⑺驅(qū)嵊蜑榧訜峤橘|(zhì)對(duì)木材處理數(shù)小時(shí)后，使木材組分發(fā)生物理化學(xué)變化，緩和木材內(nèi)部生長(zhǎng)應(yīng)力和干燥應(yīng)力的一種純物理木材改性方法。木材經(jīng)過高溫處理后，消除了木材成分中的親水性羥基基團(tuán)，同時(shí)生成其他疏水性基團(tuán)，此外，游離醋酸的生成，使腐朽菌喜愛的食物明顯減少，因而從食物鏈上抑制了腐朽菌的生長(zhǎng)，達(dá)到改善木材尺寸穩(wěn)定性、耐腐朽性和耐久性等目的。在木材熱處理過程中，由于不添加任何化學(xué)藥劑，污染問題少，工藝簡(jiǎn)單，處理后的木材不會(huì)對(duì)人和居住環(huán)境產(chǎn)生任何危害。木材熱處理拓寬了木材的應(yīng)用L域，對(duì)我國(guó)木材加工行業(yè)，尤其是實(shí)木家具、實(shí)木地板、實(shí)木門窗、建筑外墻板、戶外景觀和家具、樂器等行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。為人工速生材、普通材，甚至疫材提供了一種有效的改性增值手段。
1、降低吸濕性，提高尺寸穩(wěn)定性
吸濕性的降低和穩(wěn)定性的提高是熱處理木材Z基本和Z重要的性能提升。干縮濕脹是木材的固有特性，在這一過程中隨著含水率的變化，木材外觀尺寸和主要物理性能都會(huì)發(fā)生變化，這是造成木材應(yīng)用缺陷的主要原因，木材經(jīng)過熱處理可顯著降低木材的吸濕性，從根本上穩(wěn)定了木材在應(yīng)用過程中的綜合性能表現(xiàn)。木材經(jīng)熱處理后，吸濕性顯著下降，吸濕滯后性更加顯著，隨著環(huán)境濕度的增加，熱處理材與未處理材吸濕性的差異不斷增大，如經(jīng) 190 ℃蒸汽處理的楊木，在環(huán)境濕度由11.1%增至95.8% 的過程中，平衡含水率與對(duì)照材的差值由0.71%逐步擴(kuò)大至 8.82%，表明其在高濕環(huán)境下也能保持較好的穩(wěn)定性。吸濕性的下降可顯著提高熱處理材的尺寸穩(wěn)定性，如杉木在230 ℃處理5 h后心材和邊材的尺寸穩(wěn)定性分別提高了73%和71%。不僅如此，木材徑、弦向的干縮差異在熱處理后也有所縮小，表現(xiàn)為熱處理材的弦向抗脹系數(shù)大于徑向抗脹系數(shù)，使木材在宏觀上表現(xiàn)出更為均勻的性質(zhì)。
2、提高生物耐久性
熱處理可以顯著改善木材的生物耐久性。耐久性的提高與處理溫度水平顯著相關(guān)，一般認(rèn)為只有當(dāng)處理溫度高于 200 ℃以后，熱處理材的耐久性才會(huì)顯著提高。在常壓蒸汽處理?xiàng)l件下，當(dāng)處理溫度達(dá)到 215 ℃時(shí)，木材的耐腐性可達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)( CEN/TS 15083-1) 的“耐腐”或“強(qiáng)耐腐”級(jí)別，但此時(shí)由于細(xì)胞壁組分的熱解程度加深，木材的質(zhì)量損失率可達(dá) 20%。在氮?dú)饣蜇?fù)壓條件下的熱處理試驗(yàn)也表明，只有當(dāng)木材質(zhì)量損失率達(dá)到 12%以上時(shí)熱處理材才表現(xiàn)出足夠的耐久性。熱處理材對(duì)真菌的抵御能力具有選擇性。在培養(yǎng)基試驗(yàn)中，它對(duì)白腐菌和褐腐菌都表現(xiàn)出較好的抵卸性，對(duì)藍(lán)變菌的抵御能力也較強(qiáng)，但不能防止或減輕木材表面的霉變，對(duì)白蟻的侵害也不具備防護(hù)能力，且熱處理材在土壤接觸試驗(yàn)中的耐久性表現(xiàn)不如培養(yǎng)基試驗(yàn)。
3、調(diào)節(jié)木材顏色
熱處理對(duì)木材的顏色有Z直觀的影響。熱處理后木材明度下降，顏色加深，且隨著處理溫度的上升，材色變化也更加明顯，部分木材顯現(xiàn)出接近熱帶材的外觀特征。如對(duì)水曲柳熱處理材的材色分析表明，熱處理材在材色尤其是明度上接近名貴木材，其中 185 ℃工藝的處理材與柚木的材色十分接近，因而熱處理材也普遍被用來調(diào)節(jié)木材材色，以普通材種模擬珍貴材種的外觀。在歐洲等發(fā)達(dá)GJ市場(chǎng)，由于對(duì)進(jìn)口熱帶材的合法性來源要求越來越嚴(yán)格，熱帶材的市場(chǎng)供應(yīng)量顯著下降，該類應(yīng)用有逐步增多的趨勢(shì)。材色調(diào)節(jié)的另一個(gè)用途是遮蔽木材原有的缺陷，這對(duì)疫材的利用具有重要價(jià)值。
4、影響力學(xué)強(qiáng)度
在熱處理過程中由于木材細(xì)胞壁組分發(fā)生降解或重組，力學(xué)性能指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，其中抗彎強(qiáng)度受熱處理影響較大。沖擊韌性也是受熱處理影響顯著的力學(xué)性能指標(biāo)，在熱處理后出現(xiàn)明顯下降，它表明熱處理顯著降低了木材的韌性，使材質(zhì)變脆。相比而言，熱處理對(duì)其他力學(xué)性能的影響較為復(fù)雜。木材表面硬度沒有發(fā)生明顯變化，甚至略有上升。多數(shù)研究認(rèn)為，溫和的處理?xiàng)l件會(huì)提高木材的彈性模量，使木材具有更高的剛性。木材的順紋抗壓強(qiáng)度在熱處理后也會(huì)有所上升。通過對(duì)熱處理工藝的J確控制，可以將熱處理材的力學(xué)性能損失降到Z低，甚至某些指標(biāo)還可能有所上升。但無論熱處理材的力學(xué)性能指標(biāo)開始如何變化，當(dāng)處理溫度超過 200 ℃ 以后力學(xué)性能指標(biāo)總體呈快速下降趨勢(shì)，此時(shí)由于木材的強(qiáng)度損失過大，加工和使用性能顯著惡化。
5、改善聲學(xué)性能
木材在長(zhǎng)期使用后會(huì)經(jīng)歷自然“老化”過程，聲學(xué)性能獲得改善，表現(xiàn)為木材的比動(dòng)態(tài)彈性模量上升，損耗因子下降，木材機(jī)械振動(dòng)的傳播性能獲得提高。熱處理可以起到類似天然“老化”的效果，改善木材的聲學(xué)性能指標(biāo)，同時(shí)縮短正常“老化”所需要的漫長(zhǎng)周期。該類熱處理的溫度水平相對(duì)較低，一般在 160 ℃ 左右，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度水平下木材的聲學(xué)性能和機(jī)械力學(xué)性能之間可達(dá)到一個(gè)較好的平衡。該類熱處理對(duì)環(huán)境濕度也有一定要求，在 60% ～75%的相對(duì)濕度條件下改性效果較佳，更高的環(huán)境濕度反而會(huì)顯著降低木材的聲學(xué)品質(zhì)。熱處理材在樂器上的應(yīng)用不僅限于發(fā)聲的音板，由于具有出色的尺寸穩(wěn)定性、對(duì)材色的調(diào)JN力以及部分力學(xué)性能的提升，其應(yīng)用也包括其他具有裝飾、封閉甚至受力功能的樂器構(gòu)件，如吉他的指板、邊板和背板等。
6、 影響木材加工性能
木材經(jīng)過熱處理后韌性下降，脆性增加，這對(duì)其加工性能具有顯著影響，在切削過程中易產(chǎn)生局部劈裂，產(chǎn)生崩邊等邊緣加工缺陷，切削過程中產(chǎn)生的粉塵也更為細(xì)小。就切削表面質(zhì)量而言，熱處理使木材的表面粗糙度較未處理材略有下降，但也有研究表明兩者并不存在統(tǒng)計(jì)上的差異。雖然水潤(rùn)濕性試驗(yàn)顯示熱處理材表面的潤(rùn)濕性低于未處理材，暗示熱處理材的界面性能低于未處理材，但熱處理材的涂飾與膠合的實(shí)際性能表現(xiàn)，更取決于所應(yīng)用的基材和涂料類型。涂飾試驗(yàn)表明，涂料對(duì)熱處理材表面的滲透與未處理材沒有顯著區(qū)別，漆膜附著力也因基材或涂料的不同而有差異。對(duì)樺木、樟子松落葉松熱處理材的膠合試驗(yàn)表明，室內(nèi)用白乳膠和室外用PU 膠都能與熱處理材很好膠合，膠合試件的浸漬剝離率和煮沸剝離率都為 0%。
7、 良好的環(huán)境屬性
熱處理由于無需添加任何化學(xué)藥劑一直被視為一種環(huán)境友好的木材改性方法。基于生命周期的環(huán)境影響評(píng)價(jià)表明，由于使用壽命的延長(zhǎng)，采用熱處理材外墻掛板的環(huán)境友好性優(yōu)于未經(jīng)處理的外墻掛板，與其他建材相比，熱處理材掛板在氣候變化和人體健康兩類環(huán)境指標(biāo)具有潛在優(yōu)勢(shì)。熱處理木材可滿足地板產(chǎn)品的VOCs室內(nèi)釋放標(biāo)準(zhǔn)。歐洲赤松熱處理材的VOCs排放水平僅為氣干材的 1 /9 ～ 1 /7，主要成分為醛類和羧酸，其中糠醛的釋放是熱處理材特征性氣味的主要來源。熱處理對(duì)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在處理過程中。由于木材細(xì)胞壁組分，特別是半纖維素的降解，在處理過程中存在一定量 VOCs的排放，主要成分為乙酸和甲酸等有機(jī)酸，同時(shí)也包括少量的苯酚和糠醛等物質(zhì)，其中乙酸含量Z高，可達(dá)排放總量的75%左右。酸性物質(zhì)的排放對(duì)熱處理兼具環(huán)境和工藝兩方面的影響，它一方面對(duì)生產(chǎn)排氣凈化和處理窯殼體密閉性提出了一定要求; 另一方面，由于酸性物質(zhì)可以促進(jìn)木材組分在高溫下的水解，因而調(diào)節(jié)處理環(huán)境的酸性也是控制木材的熱改性水平的一個(gè)手段。
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