云南思茅松炭化技術(shù)的研究

■韓振華 ■上海建工集團(tuán)工程研究總院，上海 閔行 201114

我國(guó)木結(jié)構(gòu)的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，據(jù)考古發(fā)掘，約在距今六、七千年前，中國(guó)古代人已使用榫卯構(gòu)木為巢。新中國(guó)成立后，由于木結(jié)構(gòu)容易加工，又可就地取材，故發(fā)展迅猛。隨著建設(shè)的加速以及亂砍濫伐和毀林開荒，我國(guó)出現(xiàn)了林業(yè)資源匱乏和木材短缺。到20 世紀(jì)80 年代，我國(guó)的結(jié)構(gòu)用材采伐殆盡，木結(jié)構(gòu)的發(fā)展基本停止。20 世紀(jì)90 年代中期，我國(guó)引進(jìn)了一批國(guó)外成熟和先進(jìn)的木結(jié)構(gòu)建筑，標(biāo)志著木結(jié)構(gòu)在我國(guó)開始了新的發(fā)展。木結(jié)構(gòu)建筑由于其自身優(yōu)點(diǎn)，日漸被國(guó)人追捧，引進(jìn)歐美木結(jié)構(gòu)體系，迅速提高我國(guó)木結(jié)構(gòu)技術(shù)的同時(shí)也造成了對(duì)歐美木材的嚴(yán)重依賴，忽視了我國(guó)國(guó)產(chǎn)人工速生林在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，嚴(yán)重制約我國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

思茅松為松科松屬，又稱“青松”，屬速生樹種，是我國(guó)云南南部林區(qū)的主要樹種之一，僅普洱市林區(qū)蓄積量就達(dá)1 億立方米以上。炭化木，即木材高溫?zé)崽幚?，指在保護(hù)氣體或液體介質(zhì)條件下，溫度在160℃～220℃范圍內(nèi)，對(duì)木材進(jìn)行改性處理的一種環(huán)保型技術(shù)。木材經(jīng)炭化顏色變深，可使某些常用木材達(dá)到類似于熱帶珍稀樹種的效果，滿足消費(fèi)者對(duì)木制品外觀的需求，客觀上保護(hù)了珍稀樹種。開發(fā)適應(yīng)云南當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的木材改性設(shè)備和工藝，可大幅擴(kuò)展思茅松的使用范圍及提高使用價(jià)值，并對(duì)于材性相近的西南地區(qū)的云南松、橡膠木，東北地區(qū)、中南地區(qū)的樟子松、落葉松、馬尾松等高油脂松科木材的生產(chǎn)加工和產(chǎn)品開發(fā)利用，具有示范指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

思茅松(Pinus kesiya var.langbianensis)，規(guī)格為(長(zhǎng)× 寬× 厚)1000mm×250mm×30mm 的弦切板，刨光后調(diào)整至氣干。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

炭化專用設(shè)備，萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，螺旋測(cè)微儀等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)參數(shù)

參考相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合試驗(yàn)條件和前期經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮增加尺寸穩(wěn)定性，改善耐腐性，減小強(qiáng)度損失等目標(biāo)，選用處理溫度、處理時(shí)間、升溫速度為試驗(yàn)三因素，各因素水平確定為:

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 The experiment

(1)處理溫度:炭化木處理溫度是影響處理材最終性能的重要因素。木材在100～150℃下加熱處理，木材的熱分解過程是比較緩慢的，160℃以上處理時(shí)，熱解程度逐漸增大，木材中的半纖維素開始發(fā)生分解，當(dāng)溫度高于250℃以上處理時(shí)，木材內(nèi)部即發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，半纖維素不僅發(fā)生分解，同時(shí)伴隨纖維素的分解，導(dǎo)致木材的力學(xué)性質(zhì)損失嚴(yán)重。高溫?zé)崽幚黼m然改善了熱處理材的耐腐性和尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)也伴隨著強(qiáng)度的降低，考慮到三者之間的交互關(guān)系，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，將熱處理溫度確定為:175℃、185℃、200℃。

(2)處理時(shí)間:熱處理時(shí)間是決定木材性能改善程度的又一重要因素。在均衡尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能以及耐腐性的基礎(chǔ)上，考慮到盡量節(jié)省能源及板材厚度，將熱處理時(shí)間設(shè)定在0.5 -4h 這個(gè)范圍。熱處理時(shí)間不宜過長(zhǎng)，因?yàn)闊釙r(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致試件的重量損失率過大，伴隨著木材的強(qiáng)度也大幅度下降。在前期預(yù)備試驗(yàn)和節(jié)約能源的綜合考慮基礎(chǔ)上將熱處理時(shí)間確定為2h、3h、4h。

(3)升溫速度:升溫速度即溫度梯度決定著處理材質(zhì)量，結(jié)合本試驗(yàn)要求和實(shí)際操作，將參數(shù)確定為5℃/h、10℃/h、15℃/h。

1.3.2 試驗(yàn)步驟

(1)干燥:用普通木材干燥窯，按照思茅松鋸材干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥，至含水率12%左右，取出待用。

(2)含水率測(cè)定:檢測(cè)木材含水率，確定熱處理前板材的含水率狀況。

(3)蒸汽保護(hù):待板材全部放入炭化木設(shè)備中，低溫預(yù)熱一段時(shí)間，同時(shí)開啟蒸汽發(fā)生器，向窯中注入的水蒸氣作為保護(hù)氣體。

(4)熱處理:按照試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行木材熱處理，記錄導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度、導(dǎo)熱媒質(zhì)溫度、窯內(nèi)經(jīng)過平衡后的溫度、升溫速率、保溫時(shí)間。

(5)平衡:熱處理結(jié)束后，降溫、調(diào)節(jié)板材含水率至5 -7%。

2 結(jié)果與討論

通過調(diào)整炭化處理試驗(yàn)三因素，即處理溫度、時(shí)間和升溫速度，木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、顏色相對(duì)未處理材隨之發(fā)生了不同程度的變化，按照GB/T 1936.1 -2009，GB/T 1936.2 -2009，GB/T 1940 -2009 等，進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，得出以下結(jié)論:

(1)彈性模量增加:炭化思茅松相對(duì)于未處理材來說，彈性模量有少許上升，上升幅度不大，說明炭化木處理工藝的三因素對(duì)彈性模量影響不顯著。

(2)抗彎強(qiáng)度減少:相對(duì)于未處理材，炭化木抗彎強(qiáng)度下降，并隨著溫度的上升，強(qiáng)度下降的比例隨之上升，160℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度下降了8.7%，190℃下降了19.05%，220℃時(shí)強(qiáng)度下降率達(dá)到了41.30%，強(qiáng)度損失較大，可以根據(jù)熱處理材的最終用途來確定熱處理溫度，使強(qiáng)度達(dá)到使用要求。

(3)尺寸穩(wěn)定性提高:熱處理過程導(dǎo)致木材平衡含水率的降低，高溫處理的木材，含水率穩(wěn)定在4 -7%，而未處理材為10 -12%。當(dāng)木材熱處理溫度達(dá)到200℃以上時(shí)，其平衡含水率會(huì)比未處理材要降低40 -50%。由于熱處理材的平衡含水率的降低，且熱處理改變了木材部分組分的化學(xué)成分，從而使處理材獲得了比未處理材更低的吸濕性，其徑向和弦向的干縮濕脹的性能比未處理材要大大降低。和未處理材相比，尺寸穩(wěn)定性提高，很少有開裂現(xiàn)象發(fā)生。在一定意義上，尺寸的變化可下降40 -50%。

(4)顏色加深:處理材顏色在低溫處理下會(huì)變成黃褐色，隨著溫度的增加，顏色也隨之加深。在處理某些針葉材時(shí)，由于樹脂外流到材表，會(huì)影響材表的顏色。

(5)生物耐久性提高:德國(guó)的D.P.Kamdem 等測(cè)試了熱處理木材抵抗褐腐菌腐蝕的能力，數(shù)據(jù)顯示，19 周后云杉素材的質(zhì)量損失率為48%，松木素材的質(zhì)量損失率為40%，而熱處理后的云杉和松木隨處理溫度的增加，耐腐性也隨之增加，兩者的質(zhì)量損失率均不超過3%。同時(shí)，炭化木耐白腐菌、軟腐菌的性能均有所增長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過各力學(xué)指標(biāo)顯著因素的分析可以得出，結(jié)合炭化木工藝熱源損耗的最小化考慮，以及客戶對(duì)材色的特殊要求，思茅松的最佳工藝 為溫度200 ℃、時(shí)間2 h、升溫速度15℃/h。按照LY/T 1700 -2007《地采暖用木質(zhì)地板》、GB/T 1932 -2009《木材干縮性測(cè)定方法》、GB/T 1936.1 -2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1936.2 -2009《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》、GB/T 1940-2009《木材沖擊韌性試驗(yàn)方法》等，對(duì)最佳工藝條件下制得的炭化思茅松進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下:

表1 炭化思茅松性能檢測(cè)結(jié)果

［1］汪佑宏，顧練百等.馬尾松速生材的表面強(qiáng)化工藝研究［J］.林業(yè)科技開發(fā).2007(11).

［2］朱捷，徐登偉.速生材改性處理研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.木工機(jī)床，2009(06).

［3］陳成，程瑞香.速生楊木改性研究進(jìn)展［J］.森林工程，2014(09).

［4］趙鐘聲.木材薄板橫紋壓縮強(qiáng)化的微觀結(jié)構(gòu)變化與拉伸彎曲性能［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(12).

［5］郎倩，畢增，鄭雪，苗新偉，蒲俊文.交聯(lián)型改性提高速生楊木材的應(yīng)用品質(zhì)及機(jī)理分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，(04).

［6］張洪德，徐國(guó)鋒，牛笑一.耐磨型染色臭冷杉膠合板的工藝性能研究［J］.家具與室內(nèi)裝飾，2013(12).

［7］王晨，徐長(zhǎng)鳴，孫世榮，岳金權(quán).楊木APMP 纖維超聲波處理效果［J］.紙和造紙，2013(05).