速生材强化改性.doc

速生木材强化改性初探 王传耀（福建农林大学材料工程学院，福州 350002）摘要：初步探讨了国内尚处于研发阶段的超高压密闭压缩处理方法与机理，其试制优化工艺：将原木段微波干燥（含水率≤12%），再置于具有超高压力（20MPa-60Mpa）的处理罐中，实施全木段均匀压缩4-5min后降温（60℃）降压出料，并进行汽蒸（180-200℃）处理，可形成具有中高密度且较稳定的改性木材 杉木、杨木等软质材，经高压处理，气干密度均提高2倍.关键词:速生材；超高压法；强化改性Reinforced modification of fast-growing woodWANG Chuan-Yao (College of Materials Engineering, Fujian Agricultural and Forestry University, Fuzhou, 350002, China)Abstract： The compressing method with supper high pressure in confined room which is stll at development satge in our country and its mechanism were discussed. The primary processing is as follows: putting the wood log with moisture content less than 12% dried by microwave drier into jug with supper high pressure(20MPa-60Mpa), closing the door, the wood log is under the pressure for about 4-5min, then decresed the temperatur to 60℃,reducing the pressure slowly to enviormental pressure, open the door then taking out the treated wood log，and is steamed in 180-200℃.After treated, the density of softwood such as chinese fir and poplar could be increased 2 times.Key words: fast-growing wood ; supper-high pressure method ; reinforced modification我国是世界上木材资源相对短缺的国家，尤其是天然林资源紧缺。

自从国家实施天然林保护工程以后，大力营造人工林已成为解决我国木材供需矛盾的重要途径据国家发改委预计，到2015年，我国国内木材供需缺口将达1.4-1.5亿m3木材加工中大部分转向利用人工林速生材及其改性材是大势所趋近年国家发改委等部门联合发布的《关于加快推进木材节约和代用工作的意见》提到，2010年初步建立适应社会主义市场经济的木材节约和代用法律法规及标准、政策体系和信息服务体系，加快木材节约和代用新技术、新工艺、新产品的研究开发、示范推广，使我国木材和木材代用品的生产和消费向节材型和环保型方向发展，木材综合利用率提高到65%以上，木材防腐比例提高到占国内商品木材产量的5%左右，年均节省木材4000万m3-5000万m3，能有效地缓解我国木材供求矛盾作者简介：王传耀（1948-）男，福建福州人，教授，主研木工机械、木材保护.（0591-28598857，13003838927）人工林木材替代天然林木材前景广阔目前我国木材资源结构正由以天然林为主向以人工林为主转变，全国已成林人工林面积达 4667万公顷，预计到2015年，我国人工林木材可占到木材总供给的50％左右（2004年 l2月5日《光明日报》）。

最新报道，中国在人工造林面积和人工林保存面积方面，为世界创下了两项全新的纪录：目前，中国人工林保存面积超过8亿亩，占世界人工林面积的1/3据联合国全球森林资源最新评估，全球年均减少森林面积约1亿亩，而中国年均增加森林面积6000多万亩，人工林面积年均增加量占全球年均增量的53%，是全球森林资源增长最快的国家[1]这为我国木材加工步入可持续发展提供了资源保障为克服人工林木材密度低、材质松软、材性变异大等缺陷，提高其在木地板、家具、建材等方面的应用价值，以替代天然林木材，中国林科院木材工业研究所率先于2000年前，通过与中日政府 间JICA渠道合作，开展利用人工林最主要材种——杉木、杨树替代天然林木材的关键技术的研究，采用物理和化学处理方法，使材质较大改善：如软质的人工林杉木木材表面硬度比未处理前可提高2倍至4倍，高于水曲柳，而与天然林柞木材相近；人工林杨木材平均密度较大提高，平均硬度提高约 1倍，尺寸稳定性也得到明显改善，较大的开拓了人工林速生材强化改性的发展步伐1 一种超高压强化木材的改性技术国内常用速生材强化改性工艺方法有常压软化压缩法、浸渍压缩法，或两者并用，以提高速生材的密度来改善速生材的物理力学性能。

由于这些方法的设备相对简单，工艺已较成熟，得到较广泛的应用笔者在常压软化压缩法与浸渍压缩法的基础上，借鉴国外采用的高压密闭压缩处理法，着手研究探讨一种超高压强化木材的适用改性技术，已在工艺与主设备上取得一些突破国外采用高压密闭压缩处理法主要工艺为：将试材装入有压缩装置及模具的高温高压处理罐中，用高温高压进行蒸汽软化并压缩 ，再在压缩状态下用高温高压进行汽蒸处理后，冷却出料木材可进行整树利用，经压缩密实后 ，随密度增加，强度 、冲击韧性 、硬度和耐磨性等物理力学性能均得到显著提高，可广泛替代珍贵天然林的多种用途但这类方法的设备较复杂 ，试验设备也要大投入，因此初步研究受限制，还有待继续完善1.1 超高压密闭压缩处理法是一种较为优化和环保的新型处理方法（1）超高压密闭压缩处理生产工艺流程如下：①剥皮原木段→微波干燥并软化→②再采用具有超高压力（20MPa-60MPa）的高压处理罐中，实施全木段均匀压缩4-5min→③降至常压并强制冷却至 60℃出料→④再经高温蒸汽（180-200℃）稳定处理（2）超高压密闭压缩处理具体工艺方法：①将质地较疏松的人工速生林树种杉木、杨木、桉树、桐木等等规格木段（长度1.3-6.5米，直径0.3-1.2米），经微波干燥至含水率≤12%，在密闭蒸汽（或微波）环境中中软化。

②再将木段包覆特殊耐压橡胶介质后，装进具有密闭保温或常温的超高压处理罐内，抽入过热水，加压至20MPa-60MPa，实施全木段均匀压缩4-5min，至具有中高密度的木材③减压降温，抽出水，开堵头卸去包覆特殊耐压橡胶，进行高温（180-200℃）汽蒸处理稳定，以减小反弹回复率处理木材密度提高到中高密度（0.46g/cm3以上），从而较大提高其硬度与强度，可代替高强度与高硬度的珍贵木材在建筑结构、地板木、中高档家具、装修装潢、雕刻等领域的用途；并具有在潮湿环境应用回复率较小的优点同时根据需要还可添加稳定剂、染色剂、阻燃处理剂等，实现多功能改性1.2 木材超高压强化处理的结果与机理木材的超高压强化处理则属于一种工艺简化且无污染的“绿色技术”一般压缩与浸渍木需要5道以上的工序，重组木需要10道以上的工序，而这种超高压强化处理原木仅需3道工序，且一般工艺（需要特殊染色处理工艺等例外）与化学药物无关，纯用物理方法，符合环保要求，它可以让速生林木的密度、强度等综合物理性能大幅度提高以下是在某企业支持下在高压处理罐上作的小试结果,工艺条件为常温、单位压力30MPa,加压时间4-5min 表1 杉木等高压处理气干密度变化对比表Table1 Correlation table for air-dry density fluctuations of China fir dealed with high-pressure树种Trees处理前气干密度ρ气干 /g.cm-3 Air-dry density处理后气干密度ρ气干 /g.cm-3Air-dry density after treated with high-pressure杉木China fir杨木poplar0.3530.3510.9010.936从表1看出，杉木、杨木等软质材，经高压处理，气干密度均提高2倍，达到0.90以上（其静曲强度也提高33%以上），超过花梨（0.76）、酸枝（0.85）、乌木（0.90），略小于紫檀（1.0）。

超高压强化处理原木的机理：其基本原理是通过超高压力使材料产生塑性变形以达到整体强化的效果这种技术来源于军工，向民品的扩展最初应用于生物食品领域，而初步应用于木材处理从木材学的传统理论来看，木材的可塑性与温度和含水率有直接关系，即木材的压缩应该经120℃以上的高温蒸煮并使其含水率达到20%左右的情况下实施，这样使木素产生充分的塑性流动，以消除压缩木中的内应力，减少回弹性但是超高压强化处理木材时，塑性变形可在常温下产生的采用包覆耐压橡胶模具时，它要求木材含水率≤12%（由于压缩时水分不能外排）经处理的木材原有的木纤维等主要组分并没有发生改性变化，不是靠木素产生的塑性流动和药物处理的压缩固化，而是靠在超高压条件下由类似液压“柔”力均匀收缩迫使木材的细胞管腔塑性变形而向内收紧，使木材克服非均质性的内应力转向均质性方面改变，从而提高原木的密度，得到原木自身相对增强的效果因此它一般情况下，并不需要以借助任何化学药物为前提处理，也就不存在环境污染问题在未采用汽蒸处理的条件下，试制品就具有在自然环境中历经一年回复率较小的优点2 结论与讨论 应用超高压密闭压缩处理方法是速生材强化的一种较为优化和环保的新型处理方法，国内尚处于最新研究阶段。

其优化初步工艺为：将原木段微波干燥（含水率≤12%），再采用具有超高压（20MPa-80Mpa）压力的处理罐中，实施全木段均匀压缩4-5min，并进行汽蒸（180-200℃）处理，再降至常压低温（60℃）出料，可形成具有中高密度且稳定的木材超高压化处理是用纯粹的物理方法自身增强的技术，与树脂、甲醛等化学药物无关，它是利用木材的自身纹理结构进行超强压力传导，均匀收缩木材的细胞间隙，以达到向心性致密，并加深了纹理的色泽，使木材表面和深层整体强化，从而大幅度提高木材的密度、强度等物理性能，同时其阻燃性、胀缩性和耐磨性等都有很大程度的改善尤其对质地稀松、细胞孔隙大的人工速生林，经增强技术处理后的效果最为明显，因此该技术对原木处理具有广泛的实用性与推广价值由于采用高压密闭压缩法处理，设备较复杂与昂贵，需要一定投入如以月产500 m3压缩木计，主设备投入在500万元以上，总投入需达1000万元以上；另因小试条件有限，许多配套有待完善为形成工业化生产能力，尚需进行更深入研究与调试如需完善配套微波干燥工艺与汽蒸处理工艺，进一步完善生产线研发调试；同时研发双向与四向加压模具以实现直接加工板方材，满足提高出材率的要求。

汽蒸处理后再干燥的方法优于电热干燥 、常规干燥和自然干燥 ，可较大提高木材的尺寸稳定性木材宜先压缩然后在压缩状态下进行汽蒸处理，在相同汽蒸处理条件下 ，柳杉木先压缩再汽蒸后压缩木材的回复率很小，在 200℃、1 min或 180℃、8min处理后压缩变形可完全固定当温度为 180℃。