可进行原位修复的木材热处理方法及其所得改性木材

摘要

本发明属于木材改性技术领域，具体涉及一种可进行原位修复的木材热处理方法及其所得改性木材，该方法包括如下步骤：将原料木材进行高温热处理，获得热处理木材；将得到的热处理木材置于含有Ca2+离子的盐溶液中真空负压浸渍，干燥后获得浸渍木材A；将得到的浸渍木材A置于含有CO32‑离子的盐溶液中真空负压浸渍，获得浸渍木材B；将得到的浸渍木材B进行脱盐处理，干燥后即得所需的改性木材。本发明方法设计科学合理，制得的改性木材具有优异的表面硬度、抗弯强度和热稳定性，碳酸钙可有效附着在热改性材内部，达到原位修复热处理木材细胞壁的效果，对于木材利用加工和木质材料多样化具有重要价值。

权利要求

1.可进行原位修复的木材热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将原料木材进行高温热处理，获得热处理木材；

原料木材在热处理试验箱中采用蒸汽保护并缓慢升温至100℃，保温30min；继续以5~

20℃/min的升温速率缓慢升温至120 220℃，保温1 4h；

~ ~

2+

S2、将得到的热处理木材置于含有Ca 离子的盐溶液中真空负压浸渍，干燥后获得浸渍木材A；

2+

真空负压浸渍操作为：将含有Ca 离子的盐溶液通过负压抽真空浸渍法导入热处理木

2+

材，温度为30 60℃，真空度为‑0.09 ‑0.01MPa，含有Ca 离子的盐溶液浓度为0.4 2.0mol·‑1 ~ ~ ~L ，抽真空次数为1 10次；

~

2‑

S3、将得到的浸渍木材A置于含有CO3 离子的盐溶液中真空负压浸渍，获得浸渍木材B；

2‑

真空负压浸渍操作为：将含有CO3 离子的盐溶液通过负压抽真空浸渍法导入热处理木

2‑

材，温度为‑310~60℃，真空度为‑0.09~‑0.01MPa，含有CO3 离子的盐溶液浓度为0.4~

2.0mol·L ，抽真空次数为1 10次；

~

S4、将得到的浸渍木材B进行脱盐处理，干燥后即得所需的改性木材。

2.根据权利要求1所述的木材热处理方法，其特征在于：步骤S1中，原料木材选用人工林木材。

2+

3.根据权利要求1所述的木材热处理方法，其特征在于：步骤S2中，含有Ca 离子的盐溶液为CaCl2、CaBr2、CaI2溶液中的一种。

2‑

4.根据权利要求1所述的木材热处理方法，其特征在于：步骤S3中，含有CO3 离子的盐溶液为Na2CO3、K2CO3、（NH4）2CO3溶液中一种。

5.根据权利要求1所述的木材热处理方法，其特征在于：步骤S4中，脱盐处理操作为：对浸渍处理后的木材进行水洗，直至未检出副产物为止。

6.一种改性木材，由如权利要求1‑5任一项所述的木材热处理方法得到。

说明书

可进行原位修复的木材热处理方法及其所得改性木材

技术领域

[0001] 本发明属于木材改性技术领域，具体涉及一种可进行原位修复的木材热处理方法及其所得改性木材。

背景技术

[0002] 木材热处理的基本原理主要是利用高温条件对木材处理一定时间，木材细胞壁物质发生热解和分子结构重组，木材组分发生永久性化学改变，使处理木材吸湿性降低、尺寸稳定性、耐候性提高，从而适用于户外地板、户外装饰墙板、庭院家具、木栅栏等，另一方面，木材热处理又会导致木材力学强度降低和重量减轻，成为其主要缺点。

[0003] 木材热处理技术的商业化应用主要始于欧洲国家，但近些年来国内热处理技术及商业化推广应用有明显提升，热处理技术或工艺渐进成熟。因国内天然林资源严重短缺，部分木材加工企业开始将目光转向资源丰富的人工林速生木材的开发利用，但人工林木材因生长速度快导致密度较低、强度等级差、尺寸稳定性低，热处理技术虽然可以改善其尺寸稳定性，但若直接对其进行热处理则木材强度会进一步降低，无法很好的满足使用要求。针对人工林木材密度低、强度差、不宜直接用于热处理改性的问题，催生了木材热处理与化学增强改性技术或热处理与物理增强改性技术联合改性的一体化技术。

[0004] 现有技术中，未发现能够对热处理木材细胞壁的裂纹、孔洞进行原位修复的木材热处理方法，这会导致热处理木材的表面强度、抗弯强度有一定的损失，也不能对热稳定性进行一定幅度的加强，进而不利于木材热处理技术的商业化推广应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种可进行原位修复的木材热处理方法及其所得改性木材。

[0006] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

[0007] 可进行原位修复的木材热处理方法，包括如下步骤：

[0008] S1、将原料木材进行高温热处理，获得热处理木材；

[0009] S2、将得到的热处理木材置于含有Ca2+离子的盐溶液中真空负压浸渍，干燥后获得浸渍木材A；

[0010] S3、将得到的浸渍木材A置于含有CO32‑离子的盐溶液中真空负压浸渍，获得浸渍木材B；

[0011] S4、将得到的浸渍木材B进行脱盐处理，干燥后即得所需的改性木材。

[0012] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S1中，原料木材选用人工林木材。

[0013] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S1中，将原料木材置于热处理试验箱中，缓慢升温至目标温度，继续在同一温度下进行保温，获得热处理木材。

[0014] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S1中，原料木材在热处理试验箱中采用蒸汽保护并缓慢升温至100℃，保温30min；继续以5～20℃/min的升温速率缓慢升温至120～220℃，保温1～4h。

[0015] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S2中，真空负压浸渍操作为：将含有Ca2+离子的盐溶液通过负压抽真空浸渍法导入热处理木材，温度为30～60℃，真空度为‑0.092+ ‑1
～‑0.01MPa，含有Ca 离子的盐溶液浓度为0.4～2.0mol·L ，抽真空次数为1～10次。

[0016] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S2中，含有Ca2+离子的盐溶液为CaCl2、CaBr2、CaI2溶液中的一种。

[0017] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S3中，真空负压浸渍操作为：将含有2‑
CO3 离子的盐溶液通过负压抽真空浸渍法导入热处理木材，温度为30～60℃，真空度为‑
2‑ ‑1
0.09～‑0.01MPa，含有CO3 离子的盐溶液浓度为0.4～2.0mol·L ，抽真空次数为1～10次。

[0018] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S3中，含有CO32‑离子的盐溶液为Na2CO3、K2CO3、NH4CO3溶液中一种。

[0019] 进一步地，如上所述木材热处理方法，步骤S4中，脱盐处理操作为：对浸渍处理后的木材进行水洗，直至未检出副产物为止。

[0020] 一种改性木材，由上述的木材热处理方法得到。

[0021] 本发明的有益效果是：

[0022] 1、本发明制得的改性木材具有优异的表面硬度、抗弯强度和热稳定性，碳酸钙可有效附着在热改性材内部，达到原位修复热处理木材细胞壁的效果。

[0023] 2、本发明提供的木材热处理方法设计科学合理，方法整体操作简便，可行性较强，对于木材利用加工和木质材料多样化具有重要价值。

[0024] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0026] 图1为本发明中木材热处理方法的流程框图；

[0027] 图2为本发明实施例中热处理木材CaCO3填充率对比图；

[0028] 图3为本发明中实施例和对比例的表面硬度对比图；

[0029] 图4为本发明中实施例和对比例的抗弯强度对比图；

[0030] 图5为本发明中实施例和对比例的热稳定性对比图；

[0031] 图6为本发明中实施例1扫描电镜图(放大倍数为1000)；

[0032] 图7为本发明中实施例1扫描电镜图(放大倍数为6000)；

[0033] 图8为本发明中实施例2扫描电镜图(放大倍数为1000)；

[0034] 图9为本发明中实施例2扫描电镜图(放大倍数为6000)；

[0035] 图10为本发明中对照例1扫描电镜图(放大倍数为1000)；

[0036] 图11为本发明中对照例2扫描电镜图(放大倍数为1000)。

具体实施方式

[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 如图1所示，本发明提供一种可进行原位修复的木材热处理方法，包括如下步骤：

[0039] S1、将原料木材进行高温热处理，获得热处理木材；

[0040] S2、将得到的热处理木材置于含有Ca2+离子的盐溶液中真空负压浸渍，干燥后获得浸渍木材A；

[0041] S3、将得到的浸渍木材A置于含有CO32‑离子的盐溶液中真空负压浸渍，获得浸渍木材B；

[0042] S4、将得到的浸渍木材B进行脱盐处理，干燥后即得所需的改性木材。

[0043] 本发明的具体实施例为：

[0044] 实施例1

[0045] 本实施例提供一种可进行原位修复的木材热处理方法，具体操作为：

[0046] 原料：将杨木锯切制成试样，尺寸为：长100mm×宽20mm×厚5mm。将杨木置于室温下放置7d，然后置于干燥箱中，于103℃下干燥6h，使得木材的含水率降低到10％(含水率≤15％均适用于本实施例)。

[0047] 热处理：

[0048] 1)将干燥处理后的木材置于热处理试验箱(上海一恒科技有限公司，PXR‑9)，加热升温，以20℃/min的升温速率使温度升高到200℃，保温时间为1.5小时，进行热处理；其中，采用水蒸汽为保护气体(热处理试验箱内水槽中添加足量的水，随着箱内温度升高，水分挥发产生水蒸汽，起到保护保护气体的作用。除了在试验箱内放置水产生水蒸汽之外，也可以向箱内通入水蒸汽、氮气等保护气体)。保温处理结束后，停止加热，待木材温度降低至室温后取出；将木材置于恒温恒湿试验箱中，进行调湿处理，调节木材的含水率为10％，制得热处理木材。

[0049] 2)将热处理木材浸泡在浓度为0.4mol·L‑1、0.8mol·L‑1、1.2mol·L‑1、1.6mol·‑1 ‑1L 、2.0mol·L 的CaCl2溶液中，然后置于真空试验箱(上海一恒科技有限公司，DZF‑6020)，真空负压浸渍处理；溶液浓度为60℃，抽真空次数为4次，真空度为‑0.09Mpa，保压时间为4小时。保压结束后，卸压，采用60℃干燥处理6小时；

[0050] 3)将干燥后的木材置于浓度为0.4mol·L‑1、0.8mol·L‑1、1.2mol·L‑1、1.6mol·‑1 ‑1L 、2.0mol·L 的Na2CO3溶液中，然后置于真空试验箱，真空负压浸渍处理；溶液浓度为60℃，抽真空次数为4次，真空度为‑0.09Mpa，保压时间为4小时。保压结束后，卸压，采用60℃干燥处理6小时。

[0051] 4)将干燥后的木材置于水中脱盐处理，直至无氯离子检出；将脱盐处理结束后的木材，采用60℃干燥处理6小时，获得改性木材。

[0052] 本实施例中，改性木材的扫描电镜结果如图6和图7所示。

[0053] 实施例2

[0054] 本实施例除了热处理的步骤1)中保温时间为3小时之外，其余与实施例1相同。

[0055] 本实施例中，改性木材的扫描电镜结果如图8和图9所示。

[0056] 对比例1

[0057] 原料：将杨木锯切制成试样，尺寸为：长100mm×宽20mm×厚5mm。将杨木置于室温下放置7d，然后置于干燥箱中，于103℃下干燥6h，使得木材的含水率降低到10％。(含水率≤15％均适用于本实施例)

[0058] 热处理：

[0059] 1)将干燥处理后的木材置于热处理试验箱，加热升温，以20℃/min的升温速率使温度升高到200℃，保温时间为1.5小时，进行热处理；其中，采用水蒸汽为保护气体(热处理试验箱内水槽中添加足量的水，随着箱内温度升高，水分挥发产生水蒸汽，起到保护保护气体的作用。除了在试验箱内放置水产生水蒸汽之外，也可以向箱内通入水蒸汽、氮气等保护气体)。保温处理结束后，停止加热，待木材温度降低至室温后取出，制得热处理木材。

[0060] 本对比例中，热处理木材的扫描电镜结果如图10所示。

[0061] 对比例2

[0062] 本对比例除了热处理的步骤1)中保温时间为3小时之外，其余与对比例1相同。

[0063] 本对比例中，热处理木材的扫描电镜结果如图11所示。

[0064] 本发明相关性能检测如下：

[0065] 一、CaCO3填充率

[0066] 分别取实施例1、实施例2作为试件，尺寸为200mm×150mm×30mm(长×宽×厚)；根据处理前后木材的质量差，计算CaCO3填充率(WPG，％)：

[0067]

[0068] 其中，M0为改性处理前木材的绝干重，M1为改性处理后木材的绝干重，测定和计算结果的平均值如图2所示。由图2可以得知：

[0069] 1)实施例1和实施例2制备的改性木材，其CaCO3填充率随着CaCl2和NaCO3溶液浓度的增加而增加。

[0070] 2)当溶液浓度超过1.2mol·L‑1后改性木材CaCO3填充率增幅不再显著提高。

[0071] 二、改性木材表面硬度

[0072] 分别取实施例1中得到的改性木材(CaCl2溶液浓度为1.2mol·L‑1，Na2CO3溶液浓度‑1为1.2mol·L ，)和对比例1、对比例2中得到的材料作为试件，尺寸为100mm×20mm×5mm(长×宽×厚)；

[0073] 采用邵氏硬度计测试试样表面硬度(HD)：将测试木材样品置于相对湿度为65％，温度为20℃的恒温恒湿箱中进行含水率的平衡。试样平衡含水率后，采用邵氏硬度计(HS‑D，温州宝仪)对试样表面进行硬度测试。在每个试样表面随机选取10个位置进行测试，每个实验组重复3次。表面硬度值HD计算公式如下：

[0074]

[0075] 式中：L为邵氏硬度计的压足与试样表面完全贴合时针尖相对压足面的位移，单位：mm。

[0076] 测定结果如表1所示。

[0077] 表1改性木材的表面邵氏硬度

[0078] 编号 密度(kg/cm3) 表面邵氏硬度(平均值)实施例1 443.11 49.65
实施例2 418.08 50.38
对比例1 410.88 41.95
对比例2 392.07 43.30

[0079] 由表1可以得知：

[0080] 实施例1制备的改性木材相比对比例1和对比例2，木材的密度和表面邵氏硬度明显提高。

[0081] 三、改性木材的抗弯强度

[0082] 由图3可以得知：

[0083] 实施例1制备的改性木材相比对比例1和对比例2，木材的抗弯强度明显提高。

[0084] 四、改性木材的热稳定性

[0085] 由图4可以得知：实施例1制备的改性木材相比对比例1和对比例2，木材的最大热降解速率分别下降2.95％/min和2.54％/min；残炭率增加显著，改性木材的热稳定性提高。

[0086] 本发明中改性木材表面强度显著提高，经过CaCO3原位修复后的热处理木材相比未修复热处理木材提高18％左右，木材抗弯强度提高14％左右，热降解过程中最大质量损失率下降19％左右，热解残重率提升9％左右，热处理木材的利用价值大大提高。

[0087] 以上公开的本发明优选实施例只是利于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。