木材高温热处理技术是将木材放入高温、无氧或者低氧的环境中进行一段时间热处理的物理改性技术。这样生产出来的木材即所谓的炭化木,此法俗称木材炭化技术。炭化温度通常为160~ 240℃,与常规木材干燥方法和传统的烧炭方法不同。
一、木材炭化机理
木材主要由纤维素、半纤维素、木质素和木材抽提物等组成。纤维素在木材细胞壁中起骨架作用,其化学性质和超分子结构对木材的强度有重要影响。纤维素中的羟基和水分子也可形成氢键,不同部位的羟基之间存在的氢键直接影响着木材的吸湿和解吸过程。大量的氢键可以提高木材的强度,减少吸湿性,降低化学反应性等,且纤维素的吸湿性直接影响到纤维的尺寸稳定性和强度。木材经过高温热处理之后,羟基的浓度减少,化学结构发生复杂的变化,使炭化木的吸湿性降低,尺寸稳定性提高,但由于纤维素聚合度的降低,氢键被破坏,使得炭化木的力学强度有所损失。半纤维素是细胞壁中与纤维素紧密联结的物质,起粘结作用,是基体物质,半纤维素吸湿性强、耐热性差、容易水解,在外界条件作用下易于发生变化,是木材中吸湿性最大的组分,是使木材产生吸湿膨胀、变形开裂的因素之一。木材经热处理后,多糖的损失主要是半纤维素,因而可降低木材的吸湿性,减少木材的膨胀与收缩,提高了炭化木的尺寸稳定性。又因为半纤维素在细胞壁中与木质素一起起粘结作用,受热分解后木材的内部强度被削弱。不仅削弱木材的韧性,而且也使抗弯强度、硬度和耐磨性降低。木质素贯穿着纤维,起强化细胞壁的硬固作用。木质素还是影响木材颜色的产生与变化的主要因素。木材具有不同颜色还与细胞壁、细胞腔内填充或沉积的多种抽提物有关。抽提物对木材强度也有一定的影响,含树脂和树胶较多的木材其耐磨性较高。木材经过炭化之后,发色基团和助色基团发生复杂的化学变化,抽提物部分被汽化,使得木材颜色发生改变。
二、炭化木的炭化工艺分以下3个流程:
步骤一)升温,高温窖干
加温加热,窑温度迅速升高到100°C。
然后,等温度升到130°C并保持稳定的时候,木材窑干开始,含水量几乎降到为零。
步骤二)热处理
一旦窑干开始,窑内部的温度要上升到185°C到215°C之间。根据炭化木最后的使用用途,这个温度要持续2-3个小时不等。
步骤三)冷气与湿度调节
最后的阶段是使用水喷淋系统降温;当温度降到80-90°C,再次开始加湿,使木材含水量达到4-7%的可用水平。
三、炭化木加工流程
蒸气处理工艺是比较成熟的,同时应用也比较广。处理过程中,用水蒸气来防止木材燃烧,处理环境中氧气含量控制在3%~ 5%以下。处理过程分为 3 个步骤:1)升温阶段,包括预热、高温干燥及再升温阶段;2)热处理阶段; 3)冷却及平衡阶段。