木材超高温热处理技术

    木材是一种重要的可再生资源之一，木材的综合利用水平关系到全球经济及社会的可持续发展。但近年来，天然林木材资源在世界范围内短缺，主要是木材资源转向了人工林。由于人工林轮伐期短，木材中幼龄材所占比例较大，半纤维素和木素含量高，材质较差，起且密度低，尺寸稳定性及耐久性差，因而限制了其使用途径。 研究人员曾尝试各种办法来提高木材的尺寸稳定性，如在木材表面涂饰或粘贴贴面材料的外包法，而更多的是采用药剂浸注法，将木材的羟基封闭，从而减小木材的吸湿性，改善其尺寸稳定性。 然而，在最近20年，随着生活质量的提高，国外有各种报告，对使用化学药剂处理材的安全性提出质疑。目前，美国和欧盟都在制定一些规定，在规定场合限制化学药剂处理木材的使用，尤其是操场、甲板、野餐桌、篱笆、天井家具、名胜风景及儿童容易接触到的场合。欧盟将全面执行《关于限制经过砷防腐处理的木材进入市场的指令》，涵盖了出口木材与各种木制品。类似的限制在日本和澳大利亚也都有规定。
    各国严厉的保护条例，促进了安全及目标适应的研究与开发。在各种处理技术中，非化学药剂处理的木材制品正在获得越来越广阔的市场空间，其中木材的超高温热处理技术也占据了重要的位置。 木材超高温热处理及工艺 一般木材干燥中,温度<100度为常规干燥,100--150度为高温干燥,>150度为超高温干燥.木材的热处理就是利用木材在接近或高于200度的超高温低氧含量环境中,持续处理一定时间后,使木材中半纤维素降解,木材细胞壁中羟基减少,木材的吸湿性能下降,尺寸稳定性及耐生物破环性得到改善.因此,超高温热处理的木材被作为一个新型材料被广泛关注. 处理工艺对于材料的影响至关重要,如处理温度、处理时间、加热速率、木材树种、试件的重量与尺寸、初含水率等参数,都会影响产品的最终性能。处理工艺的确定主要是依产品的使用目的，在吸水性能改善与力学性能降低之间优化，找到可接受的平衡点。根据处理所使用介质不同，处理工艺主要分为三种。 1 蒸汽处理工艺 芬兰对超高湿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，用水蒸汽来防止木材燃烧，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）升温过程、包括预热、高温干燥及再升温阶段；2）实际热处理阶段；3）冷却及平衡阶段。 所处理的木材树种包括松木、云杉、桦木及杨木。因为树种不同，其化学组成和细胞结构不同，所以热处理参数选择和最终效果均有所不同。 1).松木是热处理较适宜的材种之一，通常用于室外，且热处理工艺较剧烈。存在的问题是松木处理后流出的松脂，给处理设备及后期加工带来麻烦。但同时，脱脂松木的使用途径有所扩大。 2).桦木处理的目的是获得良好的颜色及表面质量。 3).杨木热处理后可用于室内，特别是用于桑拿房的装修。 经热处理后的木材与未处理材相比，最显著的变化是平衡含水率的降低，继而与其相关的胀缩性均有所改善。试验证明，当处理温度超过200度时，松木的耐候性和耐腐性较好，桦木和杨木处理后最大的变化是，木材含水率变化对其尺寸稳定性的影响显著改善。总体结果表明，材质较均匀的径向材处理效果较好，而含有节子或弦向材处理后则缺陷较多。 荷兰采用的蒸汽处理工艺有所不同，包括2个阶段：1）热解过程，将生材或汽干材在160--190度的高压环境下进行处理，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度，处理时间依木材种类，厚度等因素而异。 对处理木材耐腐性的试验结果显示，其耐腐性有显著提高；另外处理后材料的吸湿性下降，且吸湿曲线与解吸曲线的间距明显大于未处理材，从而减小了在不同气候条件下，弦径向胀缩差引起变形的发生。 法国直接利用生材进行蒸汽处理。在干燥窑内，木材被加热到230度。蒸汽主要来自木材中的水分。经超高温处理后，木材的吸湿性较未处理材低，一般的湿环境下，含水率只有4%---5%，而未处理材在相同环境下约为10%---12%。 2 惰性气体处理工艺 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，致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度进行处理。结果显示：处理后木材的吸湿性能明显降低，且高温处理（230--240度）过程可破坏腐朽菌所需求的营养成分，耐腐性能更好；但同时，处理也会造成木材颜色变暗，强度降低，MOR损失40%，且木才脆性增加。 3 热油处理工艺 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。研究结果显示，在处理温度为220度时，可获得较好的耐久性和最小的吸油量。同时发现，为获得木材最高的耐久性和最大的强度，处理温度宜在180---200度间，吸油量也在厅控较小范围内。所处理的木材种类以云杉和松木为主，在经过220度约4h的处理后，木材纤维饱和点降为14%，而通常的纤维饱和点为29%。此方法的缺点是，处理成本较高，且存在着废油的净化及废弃处理问题。 4 结论与展望 使用环保，安全，无污染材料生产的制品越来越受到世人的追捧，也符合国际上环境与发展的主题。超高温热处理木材正是这样一种无污染。环保。安全且可持续的材料，是人工林木材拓展实木加工利用的有效途径之一，应引起足够重视。超高温热处理技术，可解决木材的尺寸稳定性问题，将极大地促进人工林木材的使用范围，为人工林木材发掘出更大的潜在市场机会。因此，不论是从对外贸易，还是从对人们身体健康及环境保护，都应大力发展无化学药剂处理的木材制品，相信在不久的将来，这一符合环境与发展资料源理念的新型材料，在国爱的经济建设中将发挥重要的作用。