云南思茅松炭化技术的研究
2015-12-02韩振华上海建工集团工程研究总院上海闵行201114
■韩振华 ■上海建工集团工程研究总院,上海 闵行 201114
我国木结构的历史源远流长,据考古发掘,约在距今六、七千年前,中国古代人已使用榫卯构木为巢。新中国成立后,由于木结构容易加工,又可就地取材,故发展迅猛。随着建设的加速以及乱砍滥伐和毁林开荒,我国出现了林业资源匮乏和木材短缺。到20 世纪80 年代,我国的结构用材采伐殆尽,木结构的发展基本停止。20 世纪90 年代中期,我国引进了一批国外成熟和先进的木结构建筑,标志着木结构在我国开始了新的发展。木结构建筑由于其自身优点,日渐被国人追捧,引进欧美木结构体系,迅速提高我国木结构技术的同时也造成了对欧美木材的严重依赖,忽视了我国国产人工速生林在木结构中的应用,严重制约我国现代木结构的发展。
思茅松为松科松属,又称“青松”,属速生树种,是我国云南南部林区的主要树种之一,仅普洱市林区蓄积量就达1 亿立方米以上。炭化木,即木材高温热处理,指在保护气体或液体介质条件下,温度在160℃~220℃范围内,对木材进行改性处理的一种环保型技术。木材经炭化颜色变深,可使某些常用木材达到类似于热带珍稀树种的效果,满足消费者对木制品外观的需求,客观上保护了珍稀树种。开发适应云南当地实际情况的木材改性设备和工艺,可大幅扩展思茅松的使用范围及提高使用价值,并对于材性相近的西南地区的云南松、橡胶木,东北地区、中南地区的樟子松、落叶松、马尾松等高油脂松科木材的生产加工和产品开发利用,具有示范指导意义。
1 材料与方法
1.1 试验材料
思茅松(Pinus kesiya var.langbianensis),规格为(长× 宽× 厚)1000mm×250mm×30mm 的弦切板,刨光后调整至气干。
1.2 试验设备
炭化专用设备,万能力学试验机,电热恒温鼓风干燥箱,螺旋测微仪等。
1.3 试验方法
1.3.1 试验参数
参考相关文献,结合试验条件和前期经验,综合考虑增加尺寸稳定性,改善耐腐性,减小强度损失等目标,选用处理温度、处理时间、升温速度为试验三因素,各因素水平确定为:
表1 试验设计Tab.1 The experiment
(1)处理温度:炭化木处理温度是影响处理材最终性能的重要因素。木材在100~150℃下加热处理,木材的热分解过程是比较缓慢的,160℃以上处理时,热解程度逐渐增大,木材中的半纤维素开始发生分解,当温度高于250℃以上处理时,木材内部即发生剧烈的化学反应,半纤维素不仅发生分解,同时伴随纤维素的分解,导致木材的力学性质损失严重。高温热处理虽然改善了热处理材的耐腐性和尺寸稳定性,同时也伴随着强度的降低,考虑到三者之间的交互关系,在试验设计过程中,将热处理温度确定为:175℃、185℃、200℃。
(2)处理时间:热处理时间是决定木材性能改善程度的又一重要因素。在均衡尺寸稳定性、力学性能以及耐腐性的基础上,考虑到尽量节省能源及板材厚度,将热处理时间设定在0.5 -4h 这个范围。热处理时间不宜过长,因为热时间过长,会导致试件的重量损失率过大,伴随着木材的强度也大幅度下降。在前期预备试验和节约能源的综合考虑基础上将热处理时间确定为2h、3h、4h。
(3)升温速度:升温速度即温度梯度决定着处理材质量,结合本试验要求和实际操作,将参数确定为5℃/h、10℃/h、15℃/h。
1.3.2 试验步骤
(1)干燥:用普通木材干燥窑,按照思茅松锯材干燥基准进行干燥,至含水率12%左右,取出待用。
(2)含水率测定:检测木材含水率,确定热处理前板材的含水率状况。
(3)蒸汽保护:待板材全部放入炭化木设备中,低温预热一段时间,同时开启蒸汽发生器,向窑中注入的水蒸气作为保护气体。
(4)热处理:按照试验参数,进行木材热处理,记录导热油进出口温度、导热媒质温度、窑内经过平衡后的温度、升温速率、保温时间。
(5)平衡:热处理结束后,降温、调节板材含水率至5 -7%。
2 结果与讨论
通过调整炭化处理试验三因素,即处理温度、时间和升温速度,木材的抗弯弹性模量、抗弯强度、冲击韧性、颜色相对未处理材随之发生了不同程度的变化,按照GB/T 1936.1 -2009,GB/T 1936.2 -2009,GB/T 1940 -2009 等,进行对比检测,得出以下结论:
(1)弹性模量增加:炭化思茅松相对于未处理材来说,弹性模量有少许上升,上升幅度不大,说明炭化木处理工艺的三因素对弹性模量影响不显著。
(2)抗弯强度减少:相对于未处理材,炭化木抗弯强度下降,并随着温度的上升,强度下降的比例随之上升,160℃时,抗弯强度下降了8.7%,190℃下降了19.05%,220℃时强度下降率达到了41.30%,强度损失较大,可以根据热处理材的最终用途来确定热处理温度,使强度达到使用要求。
(3)尺寸稳定性提高:热处理过程导致木材平衡含水率的降低,高温处理的木材,含水率稳定在4 -7%,而未处理材为10 -12%。当木材热处理温度达到200℃以上时,其平衡含水率会比未处理材要降低40 -50%。由于热处理材的平衡含水率的降低,且热处理改变了木材部分组分的化学成分,从而使处理材获得了比未处理材更低的吸湿性,其径向和弦向的干缩湿胀的性能比未处理材要大大降低。和未处理材相比,尺寸稳定性提高,很少有开裂现象发生。在一定意义上,尺寸的变化可下降40 -50%。
(4)颜色加深:处理材颜色在低温处理下会变成黄褐色,随着温度的增加,颜色也随之加深。在处理某些针叶材时,由于树脂外流到材表,会影响材表的颜色。
(5)生物耐久性提高:德国的D.P.Kamdem 等测试了热处理木材抵抗褐腐菌腐蚀的能力,数据显示,19 周后云杉素材的质量损失率为48%,松木素材的质量损失率为40%,而热处理后的云杉和松木随处理温度的增加,耐腐性也随之增加,两者的质量损失率均不超过3%。同时,炭化木耐白腐菌、软腐菌的性能均有所增长。
3 结论
通过各力学指标显著因素的分析可以得出,结合炭化木工艺热源损耗的最小化考虑,以及客户对材色的特殊要求,思茅松的最佳工艺 为温度200 ℃、时间2 h、升温速度15℃/h。按照LY/T 1700 -2007《地采暖用木质地板》、GB/T 1932 -2009《木材干缩性测定方法》、GB/T 1936.1 -2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2 -2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T 1940-2009《木材冲击韧性试验方法》等,对最佳工艺条件下制得的炭化思茅松进行检测,结果如下:
表1 炭化思茅松性能检测结果
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