木材熱處理或將成為趨勢，木材熱處理研究及產業化進展
發布日期：2021-6-2 類別:公司新聞 瀏覽量: 3937 times
木材高溫熱處理又稱木材炭化，通常是指在 160～250 ℃的溫度下，利用蒸汽、氮氣、水或導熱油為加熱介質對木材處理數小時后，使木材組分發生物理化學變化，緩和木材內部生長應力和干燥應力的一種純物理木材改性方法。木材經過高溫處理后，消除了木材成分中的親水性羥基基團，同時生成其他疏水性基團，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，達到改善木材尺寸穩定性、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藥劑，污染問題少，工藝簡單，處理后的木材不會對人和居住環境產生任何危害。木材熱處理拓寬了木材的應用L域，對我國木材加工行業，尤其是實木家具、實木地板、實木門窗、建筑外墻板、戶外景觀和家具、樂器等行業的發展具有重大意義。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，提高尺寸穩定性
吸濕性的降低和穩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發生變化，這是造成木材應用缺陷的主要原因，木材經過熱處理可顯著降低木材的吸濕性，從根本上穩定了木材在應用過程中的綜合性能表現。木材經熱處理后，吸濕性顯著下降，吸濕滯后性更加顯著，隨著環境濕度的增加，熱處理材與未處理材吸濕性的差異不斷增大，如經 190 ℃蒸汽處理的楊木，在環境濕度由11.1%增至95.8% 的過程中，平衡含水率與對照材的差值由0.71%逐步擴大至 8.82%，表明其在高濕環境下也能保持較好的穩定性。吸濕性的下降可顯著提高熱處理材的尺寸穩定性，如杉木在230 ℃處理5 h后心材和邊材的尺寸穩定性分別提高了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，表現為熱處理材的弦向抗脹系數大于徑向抗脹系數，使木材在宏觀上表現出更為均勻的性質。
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，一般認為只有當處理溫度高于 200 ℃以后，熱處理材的耐久性才會顯著提高。在常壓蒸汽處理條件下，當處理溫度達到 215 ℃時，木材的耐腐性可達到歐盟標準( CEN/TS 15083-1) 的“耐腐”或“強耐腐”級別，但此時由于細胞壁組分的熱解程度加深，木材的質量損失率可達 20%。在氮氣或負壓條件下的熱處理試驗也表明，只有當木材質量損失率達到 12%以上時熱處理材才表現出足夠的耐久性。熱處理材對真菌的抵御能力具有選擇性。在培養基試驗中，它對白腐菌和褐腐菌都表現出較好的抵卸性，對藍變菌的抵御能力也較強，但不能防止或減輕木材表面的霉變，對白蟻的侵害也不具備防護能力，且熱處理材在土壤接觸試驗中的耐久性表現不如培養基試驗。
3、調節木材顏色
熱處理對木材的顏色有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，部分木材顯現出接近熱帶材的外觀特征。如對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節木材材色，以普通材種模擬珍貴材種的外觀。在歐洲等發達GJ市場，由于對進口熱帶材的合法性來源要求越來越嚴格，熱帶材的市場供應量顯著下降，該類應用有逐步增多的趨勢。材色調節的另一個用途是遮蔽木材原有的缺陷，這對疫材的利用具有重要價值。
4、影響力學強度
在熱處理過程中由于木材細胞壁組分發生降解或重組，力學性能指標會發生變化，其中抗彎強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性能指標，在熱處理后出現明顯下降，它表明熱處理顯著降低了木材的韌性，使材質變脆。相比而言，熱處理對其他力學性能的影響較為復雜。木材表面硬度沒有發生明顯變化，甚至略有上升。多數研究認為，溫和的處理條件會提高木材的彈性模量，使木材具有更高的剛性。木材的順紋抗壓強度在熱處理后也會有所上升。通過對熱處理工藝的J確控制，可以將熱處理材的力學性能損失降到Z低，甚至某些指標還可能有所上升。但無論熱處理材的力學性能指標開始如何變化，當處理溫度超過 200 ℃ 以后力學性能指標總體呈快速下降趨勢，此時由于木材的強度損失過大，加工和使用性能顯著惡化。
5、改善聲學性能
木材在長期使用后會經歷自然“老化”過程，聲學性能獲得改善，表現為木材的比動態彈性模量上升，損耗因子下降，木材機械振動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，改善木材的聲學性能指標，同時縮短正常“老化”所需要的漫長周期。該類熱處理的溫度水平相對較低，一般在 160 ℃ 左右，因為在這個溫度水平下木材的聲學性能和機械力學性能之間可達到一個較好的平衡。該類熱處理對環境濕度也有一定要求，在 60% ～75%的相對濕度條件下改性效果較佳，更高的環境濕度反而會顯著降低木材的聲學品質。熱處理材在樂器上的應用不僅限于發聲的音板，由于具有出色的尺寸穩定性、對材色的調JN力以及部分力學性能的提升，其應用也包括其他具有裝飾、封閉甚至受力功能的樂器構件，如吉他的指板、邊板和背板等。
6、 影響木材加工性能
木材經過熱處理后韌性下降，脆性增加，這對其加工性能具有顯著影響，在切削過程中易產生局部劈裂，產生崩邊等邊緣加工缺陷，切削過程中產生的粉塵也更為細小。就切削表面質量而言，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計上的差異。雖然水潤濕性試驗顯示熱處理材表面的潤濕性低于未處理材，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際性能表現，更取決于所應用的基材和涂料類型。涂飾試驗表明，涂料對熱處理材表面的滲透與未處理材沒有顯著區別，漆膜附著力也因基材或涂料的不同而有差異。對樺木、樟子松落葉松熱處理材的膠合試驗表明，室內用白乳膠和室外用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、 良好的環境屬性
熱處理由于無需添加任何化學藥劑一直被視為一種環境友好的木材改性方法。基于生命周期的環境影響評價表明，由于使用壽命的延長，采用熱處理材外墻掛板的環境友好性優于未經處理的外墻掛板，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境指標具有潛在優勢。熱處理木材可滿足地板產品的VOCs室內釋放標準。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。熱處理對環境的影響主要體現在處理過程中。由于木材細胞壁組分，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酸，同時也包括少量的苯酚和糠醛等物質，其中乙酸含量Z高，可達排放總量的75%左右。酸性物質的排放對熱處理兼具環境和工藝兩方面的影響，它一方面對生產排氣凈化和處理窯殼體密閉性提出了一定要求; 另一方面，由于酸性物質可以促進木材組分在高溫下的水解，因而調節處理環境的酸性也是控制木材的熱改性水平的一個手段。
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