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1、木材超高温热改性,南京林业大学干燥技术研究所 2009年9月,提纲,炭化木的基本知识 国外炭化木产业发展概况 我国炭化木产业发展概况 炭化木生产设备 炭化木生产工艺 炭化木与常规材材性对比 炭化木加工和利用中应注意的问题 炭化木的应用,1 炭化木的基本知识,1.1 什么是炭化木 “炭化木”是我国木材行业对超高温热处理木材的俗称。其基本概念是用160230（常用180212 ）的温度加热处理木材，改良木材的品质，降低木材的吸湿性和吸水性，提高尺寸稳定性、生物耐腐性和耐气候性，从而制成一种性能优良、颜色美观且环境友好的木材产品。确切地讲，“炭化木”应称为超高温热处理、或热改性木材。国外称为“The
2、rmal Modified Wood” 或“Heat-treated Wood” 。,1.2 炭化木的特点 1）环保、安全 木材炭化热处理为纯物理技术，不添加任何化学药剂， 炭化木是环境友好型材料。另外，炭化处理可以改良和提 高速生人工林木材的品质，可替代部分优质天然林木材。 因此，炭化木具有天然林保护及环境保护的意义。 2）防潮性增强 木材经炭化处理后，吸湿性强的半纤维素降解，使木材 的吸湿性及吸水性下降。在同样的空气状态下，炭化木的含 水率要比常规木材低得多：在南方的雨季，室内用的炭化木 含水率低78%，在北方室内低35%。,3）尺寸稳定性提高，不易变形 木材炭化后，其吸湿性和内应力显著下
3、降，因而大 大减少了木材在使用过程中因水分变化而引起的湿胀、 干缩及翘曲变形。 4）耐腐性和耐气候性显著提高 在炭化过程中，木材的化学成分发生变化，生成了 腐朽真菌厌恶的物质-醋酸，而喜欢的营养物质大大减 少，因此从食物链上抑制了腐朽菌的生长，使耐腐性和 耐候性提高。,5）颜色美观、耐久，内外一致，且可以模拟名贵树种颜色。 6）树脂等抽提物挥发，有利于表面涂饰和胶合。 7）力学性能有所变化：顺纹抗压强度、抗弯弹性模量及硬度略有提高；抗弯强度、冲击韧性、剪切强度有所降低。 8）易储存：炭化木吸湿性显著降低，因此仓库中不需要控制温、湿度。,催化,结晶度增加,晶体尺寸增加,挥发,高温,木材,半纤维素
4、,纤维素,木素-碳水化合物络合物中横向连接网络增加,抽提物,降解,醋酸,糖类,吸湿性羟基大大减小,降解,无定形区,结晶区,高温,吸湿的无定 形区减少,腐朽真菌的食物链切断,耐腐性提高,腐朽真菌食物链切断,利于油漆和胶合,降低吸 湿性， 尺寸稳 定性提 高,1.3 木材炭化改性的机理,1.4 炭化木的分类 炭化木分为 室内用：炭化木S 主要体现尺寸稳定性 室外用：炭化木D 主要体现耐腐性,2 国外炭化木产业发展概况,20世纪90年代起，欧洲芬兰、荷兰、法国、德国等分 别将炭化木的研究用于生产。其典型的工艺有： 芬兰的Thermo-wood 荷兰PLATO-wood 法国Retification
5、德国Oil-heat-treatment,芬兰,Thermowood芬兰,荷兰,阶段 1: 水热处理,阶段 2: 干燥,阶段4 : 调湿平衡,阶段 3: 热固化处理,PLATO荷兰,Retification法国,特点：传热、保护介质为氮气,Oil Treated 德 国,欧洲炭化木应用的树种,松木 云杉 桦木 白杨 其他,芬兰是炭化木产业搞得最好的国家。每年生产的炭化木有近10万m3。 炭化树种有：欧洲赤松、云杉、桦木、辐射松、白蜡木、落叶松、桤木、山毛榉等。,3 我国炭化木产业发展概况,我国炭化木产业发展经历了三个阶段，必将 走向第四阶段： 1）进口阶段； 2）零星试制阶段； 3）市场热点、
6、良莠不齐阶段；,1）进口阶段,上世纪末、本世纪初，我国从欧洲的芬兰进口炭化木， 又叫芬兰木。 因为价格很高（每m31万多元），在市场上销售量不大。 主要为欧洲赤松、云杉。 生产炭化木的设备（炭化窑或炭化罐），由于价格太贵 （容量为3035m3的炭化窑，售价约40万欧元），故基本 上打不进中国市场。,2）零星试制阶段,本世纪初（约0304年），少数防腐木生产厂家（主要 是从鹰潭木材防腐厂分离出的），摸索试制炭化木。 他们试制的共同特点： 缺乏理论指导，摸索试验、修改试制； b. 炭化设备多为原防腐罐改造； c. 批量较小（多为几个立方米），订货加工，形不成规模。 d. 炭化不均匀，引起颜色和材性
7、不均匀。,3）市场热点、良莠不齐阶段,2004年以来，特别是2007年4月第三届上海国际建筑木 结构防腐技术产品展览会以来，炭化木成为木材行业的热 点，不少原来生产防腐木的工厂兼或改生产炭化木。产品质 量良莠不齐。 有四种类型： 表面炭化木； b. 简易的深度炭化木； c. 压板加热炭化木皮； d. 科学生产的炭化木。,a. 表面炭化木,用喷灯烧或火烤，使板材表面炭化，呈焦黄（或黑） 色。也有的在木材表面炭化前后，用钢丝刷（或硬板刷）刷、 擦炭化的表面。擦去较软的早材，板面上只留下凸起的深色 的晚材花纹，立体感很强，起装饰作用。,表面炭化木只适用于木材表面防潮或装饰。其物理、力 学性能及耐候性
8、、耐腐性与普通干木材无大差异。严格来 讲，不能算是炭化木。,表面炭化,浮雕效果,b. 简易的深度炭化木,用简易罐体（通常尺寸不大）对装入其中的一堆木材进 行炭化。 * 罐内没有风机鼓动的强制气流循环,靠罐内壁的环形导热油管对木材辐射及微弱的自然对流 加热。 * 这种炭化罐虽然投资少，但由于没有强制气流循环，故 木材炭化严重不均匀（颜色差异大，材性不均匀）。 * 加热管传热效率低。,c. 压板加热炭化木皮,在热压机中，用接触加热方法对实木复合地板的表层薄 板加热炭化。,d. 科学生产的炭化木,d-1. 炭化窑,d-2. 炭化罐,随着市场的成熟，用户对炭化木了解的加深，行业必将 走向优胜劣汰的第4
9、阶段。,4 炭化木生产设备,国内、外炭化木生产的设备可分为窑式和罐式两大类。 各有特点，但都有共同要求。,4.1 对炭化设备的要求 1） 设备应有强大的热功率： 热媒温度要高用导热油； 导热油流量要大管道粗； 散热器散热面积要大多组翅片式散热器；,2） 流过材堆的气流速度要高。 有利于传热和均匀炭化。 3） 壳体及设备应保温、气密、耐腐蚀。 壳体密闭及保温性好。 罐（窑）内设备用不锈钢和铝材，耐温、湿度及酸性气体 腐蚀。 4） 罐（窑）内应充满水蒸气或惰性气体，以保护木材、防 止着火，且对木材强度有利。,4.2 炭化窑,干燥、热改性一体化处理窑的特点： 热源：导热油 保护气体：饱和水蒸汽 加热
10、管：轧片式不锈钢管覆铝翅片的排管组装式 风机：横轴型、五台 雾化水系统：降温及调湿处理 隔条：铝合金 设备容量：30 m3,四、 炭化木生产设备,四、炭化木生产设备,导热油炉,四、炭化木生产设备,热油管控制阀,铝合金隔条,4.3 炭化罐,兼木材的二次干燥和炭化于一体。 类型：导热油加热、侧向通风强制循环全金属罐。 容量：1516m3，材堆长宽高=8 1.8 2.0m。 罐壳：优质碳素钢内衬不锈钢耐腐层外包矿渣棉。 风机：8号铸铝、可逆循环轴流风机4台。风机轴特殊气密装置。 散热器：不锈钢衬管、铝翅片的轧片式排管，位于材堆两侧。 保护气体：水蒸气。 温湿度及压力控制： 干燥阶段常压，用干湿球控制
11、罐内温湿度。 炭化阶段罐内0.20.4MPa（表压），用压力控制器控制。 用温度传感器控制散热器供油管上的电动阀。,5 炭化木生产工艺,工艺过程分为一次干燥、二次干燥、升温炭化、降温 调湿和冷却出罐5个阶段。,1） 一次干燥 从生材干燥到约1012%的含水率。最好在常规窑内完成。 2） 二次干燥 从1012%干燥到约34%的含水率，在炭化罐内完成。 温度约从6075开始，分阶段升至120130 ，干、湿 球温差逐步拉大至2030 。待木材含水率降至约34% 结束。 关键：防开裂,3） 升温炭化 木材含水率降至34%后，度过开裂危险期。较快升温至 炭化温度（180220 ），并保持34h，对木材
12、热处理。 罐内压力逐步升至0.20.4MPa 压力蒸汽炭化。 这阶段控制罐内温度和压力两参数。 关键：控制板材颜色,4） 降温调湿 木材炭化后含水率很低（常压炭化为0.5%以下，0.4MPa压 力炭化为3.5%以下），温度很高（接近180）。必须降 温增湿喷雾化水和蒸汽。 待温度降至约116 ，开始调湿处理，使木材含水率升至 45%，温度降至约112结束。 这阶段继续喷雾化水和喷蒸汽，压力逐步降至常压。 关键：初期防着火，后期控制终含水率 5） 冷却出罐 这阶段温度降至约70可微开罐门。罐内、外温差降至30才可出罐。 关键：防开裂,6） 压力罐炭化工艺的特点 与常压蒸汽相比，木材在压力蒸汽中的
13、平衡含水率较高。如 在1.73105Pa压力和121的温度下，木材平衡含水率为 10%，而在同样温度的常压蒸汽中，木材平衡含水率4%。 在4105Pa压力，180 温度下炭化时，木材平衡含水率约 为33.5%，而同样温度的常压蒸汽下为0.5%，木材少干燥 约3%的含水率。 在随后的调湿处理中，木材又少增湿了3%含水率。一正一 负可节约6%含水率的能耗。对木材的力学强度也有利。,不同蒸汽压力下，木材平衡含水率与温度的关系 （自 H. Rosen, 1983）,处理前后对比：,五、试材、工艺和产品,含水率及处理质量检验流水线:,五、试材、工艺和产品,五、试材、工艺和产品,五、试材、工艺和产品,热改
14、性实木地板半成品,1, 5 白蜡木 2 柞木 3 桦木 4, 7, 8 香樟 6 荷木,2,3,4,5,6,7,8,1,五、试材、工艺和产品,实木复合地板用3mm 厚热改性木材薄板：,五、试材、工艺和产品,热改性针叶锯材：,花旗松,樟子松,红松,铁杉,五、试材、工艺和产品,6 炭化木与常规材材性对比,国外资料,6-1 处理温度对密度的影响 ， 松木,6-2 处理温度对强度的影响,6-2-1 处理温度对弯曲强度的影响 ， 松木,6-2-2 处理温度对横弯弹性模量的影响 ， 松木,6-2-3 处理温度对顺纹抗压的影响，云杉,6-3 处理温度对硬度的影响，松木,6-4 相对湿度对热处理云杉平衡含水率
15、的影响,6-5-1 相对湿度对云杉径向湿胀率的影响,6-5-2 相对湿度对云杉弦向湿胀率的影响,6-6 热处理对蒸汽渗透性的影响，云杉,6-7 热处理和未处理松木试样的热释放率,6-8 热处理对松木耐腐性的影响,6-9-1 刨光松木板材自然暴露的含水率 （雨水）,6-9 耐气候性,6-9-2 热处理温度对松木室外暴露颜色变化的影响 （晒变色）,6-9-3 热处理温度对松木板材轮裂和霉变的影响,6-10 热处理温度对松木板材颜色的影响,6-11 松木试样的有机释放物,国内生产试验资料,物理性能： 吸湿性和尺寸稳定性: 上述四种地板坯料, 尺寸: 154040(mm) 试样数量: 20 (改性材1
16、0, 对照材10) 平衡条件: (30, RH=30%) (30, RH=93%) 计算公式: 吸湿率： 弦向湿胀率： （表征 “尺寸稳定性”）,1= (30, 30%)环境 2= (30, 93%)环境 G=重量 B=弦向尺寸,物理性能：,平衡含水率: 白蜡木地板坯料, 尺寸、试样数量: 同上 平衡条件: (30, 30%) (30, 65%) (30, 93%),导热性能: 地采暖地板的关键性能, 白蜡木实木地板 (厚度18mm) 实木复合地板 (12.5mm) 强化地板 (8mm) 测量水泥地面和三种地板表面的温度变化情况,材性测试,地采暖系统：,高温热处理实木地板与常规地板性能对比结果,1、导热效能对比,用导热效能代表地板的传热效果。导热效能越大，说明地板的导热性能越
