碳化木熱處理工藝原理

      隨著國家天然林保護工程的實施，人工林木材的開發(fā)利用已成為解決木材供需矛盾的重要途徑。蒸汽法木材炭化熱處理工藝的研究，是高效利用木材，提高木材附加值的物理加工手段。炭化木熱處理既具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐腐性、耐候性、環(huán)保性等優(yōu)點，又可通過炭化熱處理改變普通木材的顏色來模仿珍貴木材，提高其使用范圍和附加值，已越來越受到企業(yè)和木材科學(xué)研究人員的關(guān)注。
　　自從上個世紀中葉，不同的木材炭化熱處理改性工藝在法國、芬蘭、荷蘭和德國就發(fā)展起來并產(chǎn)業(yè)化[1]，而國內(nèi)關(guān)于木材炭化熱處理工藝的研究甚少。因此，借鑒國外木材炭化熱處理方法和經(jīng)驗，適時開展我國木材炭化熱處理改性研究尤為重要。
　　1 試驗材料與方法1.1 試驗材料試驗所用的人工林杉木木材，采自浙江省臨安市馬溪木材市場，試驗材規(guī)格：22mm×150 mm×350mm（厚度×寬度×長度），含水率為16%-30%。材料要求：挑選時要盡量注意選少節(jié)或無死節(jié)的試件，試件以徑向板為佳。
　　1.2 設(shè)備MWD-50微機控制電子式木材萬能試驗機、101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱、日本ESPEC調(diào)溫調(diào)濕箱、自制小型木材炭化熱處理裝置。
　　自制小型木材炭化熱處理裝置（原理圖，見圖1）由以下組成部分：（1）蒸汽發(fā)生器，主要提供炭化熱處理過程中所需蒸汽；（2）電熱恒溫烘箱，堆放木料和提供熱源；（3）溫度顯示儀，主要測定木材表、心層的溫度，從而實現(xiàn)連續(xù)檢測，便于控制升溫速度；（4）軸流式風(fēng)機,主要實現(xiàn)裝置內(nèi)介質(zhì)快速循環(huán)；（5）隔板，防止木材與熱源直接接觸產(chǎn)生燃燒，對木材起支撐作用；（6）石棉網(wǎng)，防止木材離熱源面溫度過高，減小木材上下層的溫差；（7）溫度控制儀，測試介質(zhì)溫度，通過介質(zhì)溫度探頭來控制電加熱源；（8）散熱扇，使電機處熱量快速散失，防止電機因溫度過高造成故障。
　　1.3 試驗方法本試驗的實驗方法主要參考芬蘭的VVT和木制品工業(yè)已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)的工業(yè)化規(guī)模的炭化木材生產(chǎn)工藝、過熱蒸汽法干燥木材標準、高溫干燥標準[2]，進行蒸汽法木材（杉木）炭化熱處理工藝的調(diào)整，對炭化熱處理的參數(shù)和升溫速度等進行了實驗優(yōu)化。
　　炭化木的加工主要分為以下三個階段：第一階段：溫度升高及高溫干燥階段。采用蒸汽加熱，干燥窯的溫度迅速升高到100℃上下，此后，溫度逐漸上升到130℃，在這段時間中，進行的是高溫干燥，并且木材內(nèi)部的含水率幾乎降到0。第二階段：炭化熱處理炭化階段。高溫干燥的進行，干燥窯內(nèi)部的溫度上升到185℃到215℃之間。當(dāng)達到所要求的溫度以后，根據(jù)最后炭化木不同的用途保持炭化熱處理炭化溫度2-3h。第三階段：冷卻與含水率調(diào)節(jié)階段。最后一個階段是通過噴蒸來降低溫度，當(dāng)溫度降到80℃到90℃時，調(diào)節(jié)被處理木材的濕度，使其達到含水率4%-7%[2]。
　　2 結(jié)果與討論經(jīng)過大量的探索試驗，得出適用于自制小型炭化熱處理設(shè)備的杉木木材炭化熱處理工藝，具體如下：

（1）木材準備：用含水率測定儀對各木材進行含水率測定，并記錄。經(jīng)測定含水率范圍應(yīng)小于15%的用塑料薄膜包裹防止吸濕,待用；而對于含水率大于15%的待處理木材，應(yīng)先采用常規(guī)干燥方法進行干燥處理，使其含水率低于15%后再進行處理。
　　（2）木材堆垛：按常規(guī)干燥法堆垛，放入炭化熱處理設(shè)備內(nèi)，關(guān)閉干燥室的大門和進、排氣口進行處理。