致密木材及制备过程的制作方法

本发明涉及一种压缩的木质构件，它能提供尺寸稳定性而不破坏或破碎未处理木材的微孔结构。所述方法包括在经过特殊调湿后压缩木材以增高木材密度。

背景技术：

现有技术中经常尝试通过增高木材密度来改进木材属性。这类工艺均致力于保持或增加木材的含水量和/或限于薄木厚度。

卡姆克(kamke)等人的美国专利us7,404,422包括这样一种方法：提高木材的温度和含水量，然后进行机械吸附，即将水快速吸出木材细胞壁。该方法是使用密度较低的薄木或复合板进行。

迪乌夫(diouf)等人也提出了一种增高薄木密度的方法，参阅“effectsofthermo-hygro-mechanicaldensificationonthesurfacecharacteristicsoftremblingaspenandhybridpoplarwoodveneers(热湿机械致密化对颤杨和杂交杨木薄木的表面特性的影响)”，《appliedsurfacescience(应用表面科学)》第257卷第8期第3558页(2011年2月1日)。该方法采用热湿机械致密化，其中包括引入热量、蒸汽和压力以增高密度。该文献指出，在200℃(约390°f)以上的温度下，木材会发生明显的变色。

阿鲁达(arruda)等人提出了另一种增高木材密度的方法，参阅“utilizationofathermomechanicalprocesstoenchancepropertiesofhardwoodusedforflooring(利用热机械方法提高用于地板的硬木强度)”，《cienciadamadeira(巴西木材科学杂志)》第6卷第3期(2015年)。这类方法是在厚度为20至25mm的30mm×30mm方形木材样品上进行。但未对经加热和压力的样品进行预处理。处理前，根据样品，样品的处理前含水量为9.49％至12.48％，处理后含水量为5.36％至9.36％。

技术实现要素：

现有技术中成功尝试增高木材密度的共同特征是在压制之前需要引入水分以增加和/或保持木材中的高含水量。本发明人认识到，在现有工艺中施加热量，水变成蒸汽，因此蒸汽将聚集在木材的多孔结构中。随着蒸汽逸出，木材的微孔结构受到损坏。

通过本文提供的方法能够解决细胞结构损伤和木材表面变深等问题。该方法的结果是一种经处理的木质构件，其密度比未处理的木材大约10％至约150％，其中，木材的微孔结构基本上完整。另外，这种经处理的木质构件表现出尺寸稳定性，并且显著减少或消除由现有工艺导致的木材表面变深。

一种制备密度增高的经处理的木质构件的方法包括：

(a)提供含水量低于约19％的木质构件；

(b)预热木质构件；

(c)可选地，向木质构件的表面上施水；

(d)在压制时间内对木质构件施加压力；以及

(e)提供木质构件的后处理调湿。

附图说明

图1是表示相似木种的密度比较的图表；

图2是表示处理后时间内的干燥侧隙的图表。

图3是表示垂直密度分布的图表。

具体实施方式

所述制备密度增高的经处理木质构件的方法可用于多种不同的木种。例如，该方法可以与硬木或软木配合使用。但密度的增高取决于各种因素，包括原木密度、未处理的木材密度以及其他因素。可以包括多种不同木材中的任何一种。合适的实例包括但不限于红橡木、白橡木、山核桃木、胡桃木、山杨木、椴木、枫木、白杨木、松木、樱桃木和白蜡木。

经处理的木质构件相较于未处理木材的优势在于，如在各种温度和湿度条件下的尺寸稳定性增强，强度增高，以及对于地板应用尤为重要的抗凹性，这正是目前现有木地板的缺陷。

经处理的木质构件相较于未处理木材的优势包括在各种温度和湿度条件下的尺寸稳定性增强、强度增高和/或提高抗凹性。众所周知，容易产生凹痕和其他物理变形是几乎所有应用中木质产品的缺陷，例如包括地板、建筑、橱柜、装饰线脚、饰面、台面、家具、墙壁、天花板、地板。因此，本发明的方法的经处理的木质构件的改进属性使其可用于木材表面裸露或遭受物理损害的任何应用。

当经处理的木材用于地板时，它可以本身用作实心硬木地板，也可用作地板组件，例如工程硬木的贴面板、层压板或任何其他心材，例如塑料地板基材。地板也可包括榫卯结构、连接部分或锁定轮廓，其中多数是本领域技术人员公知的技术。

根据本发明的方法要处理的木材品类和类型，致密化的增强可以比未处理的木材提高约10％至约150％。这包括约40％至约100％的相对密度增高。密度增高通常在整体木材厚度上均匀。这可以通过垂直密度分布图来观察。经处理的木材的密度通常高于50pcf(磅/立方英尺)。合适的密度可为约50pcf至约85pcf，或约60pcf至约70pcf。

经处理的木材的厚度小于未处理的木材。例如，经处理的木材的厚度可以比未处理的木材小约30％至约70％。经处理的木质构件的厚度可以大于约0.025英寸，如大于约0.25英寸，包括约0.5英寸至约8英寸以及约0.5英寸至约3英寸的范围。也可提供各种其他合适的厚度。

经处理的木质构件的顶面和底面的变色可能明显小于现有工艺中所见的变色。例如，经处理的木质构件的表面颜色与未处理的木材的表面颜色的色差(δe)可以小于20。为了提供最小的变色，可将过程/压制温度降低到约400°f。

可以看出，致密化过程还具备其他益处。本发明的方法在该过程完成之后能够减少顺弯、瓦弯和其他木料缺陷(例如平面扭曲)。可以看出，本方法在压制之前融补四散的结疤。同样，与未处理的材料相比，压制后的材料表面“平滑”。通过本发明的方法将锯痕、粗纤维和其他表面缺陷压平。

本发明的方法与现有方法之间的重要区别在于，对木材进行预处理以减少含水量(mc)。现有技术中尝试增高木材密度却未曾降低压缩前木材的mc。

全过程包括：(a)提供含水量(mc)低于约19％的木材；(b)预热；(c)可选地，表面施水；(d)施加压力；可选地，先冷却经处理的木质构件；(e)提供后处理调湿。

提供mc降低的木质构件(木材的初始含水量)

与生木相比，经受本处理的木质构件的含水量(mc)降低。mc的降低可以通过任何合适的方法(例如窑处理)来实现。木质构件的mc将低于约19％或低于约15％。合适的mc范围包括约3％至约19％、约5％至约15％、约5％至约12％以及约5％至约10％。

预热

预热步骤也可以通过任何合适的方法进行。本发明包括预热步骤，以在整体木材厚度上增高木材的温度，也可以导致进一步降低mc。可以在任何合适的温度范围内进行预热，包括约250°f至约500°f。应用预热的时长应当足以获得约250°f至约500°f的心材温度。木质构件的mc在预热完成时可约为5％或更低，例如约2％至约5％

可选的施水

视需要，可以仅将水施加到木质构件的表面上。使用时，水可以液体或蒸汽的形式施加。施水可以提供额外的抗性和/或减少木质构件中的瓦弯和/或顺弯。

施加压力

在施加压力的过程中，也可以施加热量以维持木质构件的预热心材温度。可以通过任何公知的装置来施加压力，如加热的压板机、连续压机、一系列研磨机或其组合。压制时间可为约10秒至约60分钟，例如约30秒至约10分钟。可以基于木材的品种和期望密度增高来选择压力。合适的压力范围包括约500psi至约5000psi，例如约1500psi至约3500psi。压制过程可以包括单个压制循环或多个压制循环。视需要，可以在压制后冷却木质构件。

后处理调湿

后处理调湿对于维持木质构件的尺寸稳定性十分重要。后处理可以包括引入蒸汽、湿度、热量或其组合。后处理调湿应能提高木材的mc。mc可以是任何合适的建筑材料的mc并且可以取决于木质构件的最终期望用途。例如，mc可为约5％至约10％，或约7％至约8％。

通过下述实例充分说明本发明的特征和优势，这些实例仅出于说明性目的而提供而非以任何方式构成本发明的限制。

实施例

材料外观变色

·条件

o对照

o在375f下预热1.5小时

o在475f下预热1.5小时

o对照

o在375f下预热1.5小时，并在375f和3000psi下压制4分钟

o在425f下预热1.5小时，并在425f和3000psi下压制4分钟

o每板三个样品每组均有未经处理的对照

o每个条件重复三次

o使用x-ritesp64型光谱仪测量样本顶面和底面的变色

o

·材料

o红橡木

o山核桃木

o13英寸×5.5英寸4/4木料

下列变色表指示在425f下进行处理的变色比在375f下进行处理的变色更加明显。

抗冲击性

材料

·红橡木、胡桃木、山核桃木和椴木

·重16盎司的15英寸落球

·用三丰(mitutoyo)测深仪测量的最大深度

·每组重复三次

·每次重复落球6次(样本)

下表指明压力增大，即密度增高，抗凹性增强。

图1显示出几种经处理的样品和对照品的密度增高(质量/(宽度、长度和厚度))。

环境室–4.6％emc条件

红橡木对照材料和致密化的5/8英寸×5英寸xrl材料经过机加工精制成成品地板。使用机械紧固件将该材料安装到环境室中已经调到4.6mcosb底层地板上。在地板木板接缝的侧缝处使用一组侧隙规进行测量。在1天、7天、14天和21天之后初步完成这一过程(今明将收集28天的数据)。结果如图2所示。

垂直密度分布(vdp)

使用x射线分析仪测量2英寸×2英寸样本在整体厚度上的密度，以测量在整体材料厚度上.001”频率下的密度。使用型号qdp-01x的quintek测量系统来测量vdp。图3显示出红橡木和山核桃木的vdp变化下降。

詹氏(janka)测试

通过通常称为詹氏测试的测试来测量抗凹性。根据astmd143-14，测量使0.444英寸的钢球以其一半直径嵌入到木材样品中的力量。致密值代表六个样品的平均值，而对照值代表《woodhandbook(木材手册)》中公布的值。下表中的詹氏硬度值表明，压凹致密样品所需的力明显更大：

尽管本文描述了本发明目前的优选实施方案，但本领域技术人员应当领会在不背离本发明精神的范围内可对它们作出更改和修改，并旨在包括所有这些落入本发明保护范围内的更改和修改。

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