加压蒸汽热处理提升地热地板坯料尺寸稳定性的处理方式研究
2022-01-16孔繁旭王艳伟何啸宇张子谷杨志武
孔繁旭, 王艳伟, 何啸宇, 张子谷, 杨志武, 徐 立, 姜 俊, 王 刚
(久盛地板有限公司,浙江 湖州 313009)
木材的吸湿性及其影响的尺寸稳定性,是衡量其加工制品质量的主要指标。木材热处理技术作为一种绿色环保型木材物理处理方法,可以有效降低木材的吸湿能力,然而其力学性能及表面颜色同样会受到影响。总体而言,木材热处理对其性能的影响取决于树种、木材含水率、处理工艺等多个因素。其中,关于介质压强对热处理材性能影响的研究目前为止还比较有限[1];当以蒸汽为保护气体时,高于常压下的木材热处理方面虽有相关理论研究,但产业应用也未见报道。
已有资料显示,蒸汽压强对热处理材内部化学成分变化影响显著,湿法化学分析、元素分析和红外光谱分析都表明高于常压的蒸汽比常压下对木材化学组分的影响更大,可实现木材的高效热处理[2]。通过不同蒸汽压强对热处理材性能影响的研究发现,高于常压的蒸汽热处理材吸湿性较常压条件低,尺寸稳定性好;热处理木材终含水率高,可以缩短其后续调湿平衡时间;在颜色方面,可使其在低于常压条件温度20 ℃~30 ℃条件下木材颜色改变程度相近;虽有部分力学指标降低,但与对照材相比没有显著差异。
木材蒸汽处理过程中释放出很多酸性挥发物,压力容器的密闭条件导致其聚集,进而增加处理环境的酸性;并且环境湿度高,更有利于半纤维素在挥发物聚集形成的酸性条件下的水解,(与常压比)相同温度木材降解则剧烈。由于水蒸汽具有较高的活化能,在其作用下,木材自身成分之间的化学反应会加剧,同时也会和水分子进行反应;蒸汽温度高,会使半纤维素、木质素等聚合物组分的软化点降低,流动性增加;环境湿度高也会进一步促进上述过程[3]。热处理过程中水分子的极性键与木材分子的极性键结合形成新的氢键,木材自身生长应力及后期干燥产生的内应力开始下降;升高蒸汽温度,则应力下降更明显。齐华春等认为,木材在温度高于140 ℃、相对湿度60%以上的过热蒸汽条件下进行干燥,内应力在短时间急剧释放[4]。程万里等发现,随着温度的升高,木材应力松弛急剧增大,残余应力迅速下降,该现象除受温度影响外,受环境相对湿度的影响更为显著。温度越高、相对湿度越大,导致木材非晶领域的纤维素和半纤维素的分子运动加剧,初始阶段的应力迅速减少程度越大[5]。基于上述理论依据,高于常压下的高温木材热处理技术,也可用于压缩木热压后进行应力释放、变形固定处理[6]。
常压、高于常压的蒸汽热处理中,木材化学组分在低于185 ℃的处理温度下降解有限。生产中,据此可以探索较适宜的温度水平,进而合理控制力学强度损失,同时也获得良好尺寸稳定性。同理,还可以考察更多压强水平下热处理材的材性与化学变化[3]。木材高于常压的蒸汽热处理终含水率通常较高。生产中,地热地板坯料热处理工序与调湿(提高含水率)工序通常分开进行,这意味着高于常压热处理条件减少木材调湿时间,有利于减小能耗、降低生产成本[1];但处理过程中产生高温蒸汽的能耗也随之提高,如何平衡多方面生产成本影响、衡量该技术应用产品销售的经济产出,也是一个值得继续探究的问题。鉴于高压设备的使用受限、成本高,开发略高于常压的蒸汽热处理工艺,也更具有实际价值[7]。
基于上述原因,本文以树种红栎、山核桃、樱桃木、圆盘豆、朴木、白栎、黑核桃等7种地热地板坯料为研究对象,初步对其在高于常压的蒸汽环境下进行热处理尝试。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器设备
材料:红栎(Quercusrubra)、山核桃(Caryasp.)、樱桃木(Prunussp.)、圆盘豆(Cylicodiscussp.)、朴木(CeltisoccidentalisMagnifica)、白栎(Quercusalba)、黑核桃(Juglansnigra)7种实木地热地板坯料,具体规格、数量及含水率如表1所示,木材无翘曲,表面无开裂、虫眼、变色等可见缺陷。
表1 实验材料及其基本情况
仪器设备:全自动碳化罐,型号DN 1 500 mm×4 000 mm,山东诸城市安泰机械有限公司制造;HK-30型木材测试仪,哈尔滨宇达电子技术有限公司制造;数显游标卡尺,精度0.01 mm,温州三和量具仪器有限公司制造;电子天平,精度0.001 g,常熟市双杰测试仪器厂制造;电热恒温鼓风干燥箱,精度±1 ℃,上海锦屏仪器仪表有限公司制造;恒温恒湿箱,温度偏差±2 ℃,湿度偏差+2/-3%,南京泰斯特试验设备有限公司制造。
1.2 试验方法
1.2.1 高于常压的蒸汽热处理工艺设置
高于常压的蒸汽热处理工艺实验共分为2组,但工艺参数及码垛方式有不同。2组实验中材堆顶部设置足够重物,尽量避免木材处理过程产生翘曲,罐体内部尾端风机沿罐体深度方向形成气流循环,试材沿其轴向依次码放,垂直于罐体深度方向并列码放试材间需留有一定间距,使其形成气流循环通道。码垛方式上,实验1不同层试材间设置隔条;实验2不同层试材间不设置隔条,材堆试材码放顺序为:重物、钢板、黑胡桃、圆盘豆、樱桃木、钢板、山核桃、红栎、白栎、朴木、钢板。罐体内部压力通过蒸汽发生器提供及排气阀控制。
实验1工艺步骤:常温下快速升温至80 ℃,保持30 min;快速升温至120 ℃,保持30 min;上述两个步骤均将排气阀开启。然后升压至相对压强0.05 MPa,120 ℃条件下保持10 min;升温至180 ℃,然后升压至0.15 Mpa,在该条件下保温10 min;升压至0.3 Mpa,保温110 min;间隔打开排气阀泄压,30 min内将罐体内部压强降至常压;泄压结束后,通过喷淋水至罐壁迅速蒸发吸热的方式,50 min内将罐体内部温度迅速降温到80 ℃;打开罐门,热处理结束。
实验2工艺步骤:常温下快速升温至100 ℃,然后升压至0.02 MPa;升温至140 ℃,然后升压至0.05 MPa;升温至160 ℃然后升压至0.1 MPa;升温至173 ℃,然后升压至0.2 MPa,保温30 min;升压至0.3 MPa,然后保温60 min。罐体排气开关在整个过程保持关闭状态,泄压、降温工序同实验1。
1.2.2 高于常压的蒸汽热处理材检测指标
每个树种地热地板坯料蒸汽热处理后,在材堆有代表性位置随机取3片试材作为检测试材。首先,按照水表对应的树种档位检测每片试材近端部及中间位置区域,作为试材含水率初步估计值;然后,于3个位置分别锯解终含水率检测试样,使用绝干法精准测量其含水率,对表测值进行校正;最后,使用水表检测同种树种其他试材的含水率,按照校正公式处理其检测数据,作为工艺实验结果参考。终含水率及其标准偏差讨论时所用数据为绝干法测量的数值。
尺寸稳定性检测包括耐热尺寸稳定性和耐湿尺寸稳定性两个指标。依据GB/T 35913—2018《地采暖用实木地板技术要求》锯制尺寸稳定性测试试样。除了锯制终含水率检测试样的试材外,每个树种剩余试材中,随机取6片试材作为尺寸稳定性检测试材。每片试材在试样长度方向两个边部分别锯制耐热尺寸稳定性和耐湿尺寸稳定性检测试样,具体操作及测量方法详见标准规定。
2 结果与讨论
2.1 终含水率及其标准偏差
表2给出了试材经高于常压的蒸汽热处理后的终含水率平均值及其标准偏差,表3以表格形式给出了实验2中的材堆试材竖直方向上的码放顺序。由表1可见,实验1中各树种试材含水率较低,平均值较接近、标准差较小;实验2中各树种试材内部及试材与试材间含水率差异较大,表现为平均值分布不均、同种试材间标准差较大,如樱桃木含水率9.04%,黑胡桃含水率4.19%,两者差值接近5%。与常压下热处理相比,含水率并未表现高于常压情况且仍较低,推测是由于工艺温度较高(实验1、2热处理温度分别为180 ℃、173 ℃)。即使常压热处理工艺中,180 ℃也是较高的温度,木材也常伴随着颜色过深、开裂、抗弯强度降低等不利于后续生产的情况——生产工艺中经与尺寸稳定性指标相权衡后,热处理温度均低于160 ℃。考虑到高于常压的过热蒸汽热处理工艺在相同温度下,可能具有比常压热处理更好的效果,其处理温度是否需要进一步降低还需实验探讨。
表2 蒸汽热处理材的终含水率平均值及其标准偏差
表3 实验2工艺下材堆木材码放顺序
笔者所在团队已通过过热蒸汽对压缩木进行变形固定处理,研究蒸汽压强对其尺寸稳定性及压缩回弹率的影响。该实验中,通过不设置隔条,单层与单层试材之间设置钢板对压缩木进行热处理,实验结果证明该方法可成功对压缩木变形进行固定,其尺寸稳定性及变形回弹率也可有效控制,木材表面由于与钢板紧密接触、氧化程度低,高温下木材颜色过深现象也有一定改善[8-10]。考虑后期可能进行批量生产,试材单层与单层之间设置钢板成本较高,因此实验2过程中以多层木材内部之间紧密接触,多层与多层木材之间设置钢板方式对试材进行热处理。表2中的实验2结果表明,近钢板处试材水分有明显偏高或偏低的现象。其中,樱桃木于中心钢板上方,平均含水率偏高,标准差也高;黑胡桃、山核桃和朴木于顶层与底层钢板附近,朴木和黑胡桃平均含水率均偏低,但其标准差相对较高。实验后观察得知,樱桃木所在试材处存在大量的水渍,原因可能由于工艺后期温度下降过快造成蒸汽凝结成水积聚在中心钢板上方,造成樱桃木终含水率异常偏高。而实验1条件下不同层试材采取设置隔条的方式对其进行热处理,是其含水率均匀性较好的原因。
实验2试材间紧密接触,处理过程中试材水分由内部迁移至表面的主要途径为宽度方向与气道接触的侧端面及长度方向的端面;木材长度方向水分扩散系数大,但迁移距离远,水分宽度方向迁移距离近,水分扩散系数小。这两个原因造成木材在处理过程中干燥不完全,终含水率在长度与宽度方向均存在较大梯度;而与钢板(热板)单面相接触的树种温度较高,内部与侧端面存在较高的温度梯度,这有利于其内部的水分迁移,但由于单面受热,内部温度分布不均,从而终含水率偏差较大。若以单层与单层试材之间设置钢板方式,试材与其上下两片钢板贴合,厚度方向存在由木表面指向木材中心的较高温度梯度,这有利于厚度方向水分向中心迁移——这与中心层密实化的层状压缩木压制过程热压板预热阶段相似——使得宽度方向中心层水分与表层水分也存在着较高的含水率梯度;此外温度高、水分扩散系数大,也促进木材内部水分迁移。
因此,从实验2的终含水率及标准偏差结果可知其码垛方式不合理。后续实验可考虑采用双层施加钢板方式进行处理;生产上常压热处理为提高生产效率,采用双层坯料紧密接触,然后设置隔条的处理方法,也可尝试在高于常压下的热处理。
2.2 尺寸稳定性
表4主要所示为试材经高于常压的蒸汽热处理后的尺寸稳定性指标,包括不同树种试材长度和宽度方向的耐热和耐湿尺寸稳定性指标,并给出了地暖地板国家标准的长度和宽度方向上两个指标的允许最大值;此外,随机挑选多个工厂生产批次下对应树种实木地暖地板产品,对其尺寸稳定性进行检测,作为高于常压的蒸汽热处理工艺效果的对照。图1给出了宽度方向尺寸稳定性指标的对比。
表4 蒸汽热处理材的地热地板坯料的尺寸稳定性
图1 不同工艺蒸汽热处理材的不同树种木材宽度方向尺寸稳定性对比
从表中可看出,无论是地暖地板产品,还是实验1、2处理后的地热地板坯料,尺寸稳定性方面基本都满足国家标准要求;而朴木较其他材种,吸湿、解吸能力强,尺寸稳定性均值未达到标准要求。在与经工厂低温(低于160 ℃)热处理工序处理后的地暖地板尺寸稳定性进行对比,结果表明两种工艺下耐湿尺寸稳定性与耐热尺寸稳定性表现有一定差异。耐热尺寸稳定性,实验1、2处理后高于常压的过热蒸汽热处理试材明显优于地热地板产品尺寸稳定性;耐湿尺寸稳定性,实验1、2试材与地热地板产品尺寸稳定性优势并不明显。图1单独显示出了地热地板、实验1、2的耐湿尺寸稳定性指标对标。可见,地暖地板耐湿尺寸稳定性均低于0.4%,不同树种的大小接近;实验1条件下的不同树种地热地板坯料的尺寸稳定性表现为较大的波动,实验2条件下更甚,其中朴木耐湿尺寸稳定性超过1%;实验2耐干尺寸稳定性明显低于实验1,如过热蒸汽处理后樱桃木(实验1含水率2.16%,实验2含水率9.04%),而对比黑胡桃(实验1含水率1.75%,实验2含水率4.19%),这使得黑胡桃耐干尺寸稳定性实验1略高于实验2,而樱桃木耐干尺寸稳定性实验1远远低于实验2。
笔者认为该现象可以从以下角度解释,耐热尺寸稳定性指标较高原因是地热地板产品水分经回潮后一般不低于7%,普遍高于两种工艺下的终含水率,虽然检测过程中经20℃、相对湿度65%下水分平衡,但24 h的平衡时间里各工艺检测试件是否能平衡、检测的可靠性仍待验证[11-13];地热地板产品热处理工艺成熟,热处理后水分平衡与回潮、地板产品经表面涂装后内部水分与环境水分交换能力降低,均使其尺寸稳定性指标波动小;两组高于常压的过热蒸汽热处理工艺现为试探性工艺,且不同树种的过热蒸汽热处理特性了解仍不全面,终含水率及标准偏差分布不均匀,受其影响木材内部存在较大应力,使得不同试材间与环境水分交换后尺寸稳定性有较大差异。
3 结论
以高于常压的过热蒸汽对7种树种地热地板坯料进行2组热处理实验,探究不同材种热处理材的终含水率及尺寸稳定性情况。实验1工艺下(最高温度180 ℃,试材层与层之间设置隔条),热处理材含水率低,不同树种含水率波动范围小(1.33%~2.13%),标准偏差小(同种试材不超过0.42%);尺寸稳定性(除朴木外)均满足《地采暖用实木地板》国家标准的规定要求,与地暖地板产品相比,耐热尺寸稳定性明显较优,耐湿尺寸稳定性优势并不明显。
实验2工艺下(最高温度173 ℃,试材中心层设置钢板、不设置隔条),热处理材含水率相对较高、不同树种含水率波动范围大(4.19%~9.04%),标准偏差大(同种木材最高达4.34%);尺寸稳定性(除朴木外)均满足“标准”要求,与地暖地板产品相比,耐热尺寸稳定性也明显较优,耐湿尺寸稳定性优势同样并不明显,并且指标的数值较实验1的更不稳定。
因此,高于常压的蒸汽热处理地热地板坯料的工艺需进一步优化。待处理试材多层之间紧密贴合的码放方式不可行,会造成热处理材处理不完全、以致其终含水率分布不均、尺寸稳定性指标数值有较大波动,或可采取试材层与层之间均设置钢板方式以考察其处理效果;设置隔条虽可使试材处理较完全,热处理材含水率分布也较均匀,但含水率数值较低,不满足文献中提到的高于常压的蒸汽热处理方式具有降低调节终含水率调节时间的优势,需要对热处理工艺中温度、压强继续匹配探讨研究,考察较低温度条件下的以该方式热处理后坯料的终含水率及尺寸稳定性情况。