一种木材强化处理的设备和方法与流程

本发明涉及一种木材强化处理的设备和方法。

背景技术：

随着天然林保护不断加强，森林采伐由天然林向人工林快速转变。然而，人工林中一些品质较差的树种，如落叶松、樟子树、桦木、马尾松等没有得到高效利用。为实现人工林木材资源的有效配置，人工林木材的改性越来越重要。因此，未来木材改性的重点仍是抵挡木材的高档化，从提高木材的密度、强度，改善木材的尺寸稳定性等方面提高木材的利用率，延长木材的使用寿命。

目前，传统的木材改性技术主要包括木材塑合、木材浸渍、木材热处理、木材乙酰化等其他的木材改性方法。该类木材改性技术均是通过改变木材的物理和化学性质来实现木材性能的强化。但是，现有的木材改性技术工艺复杂，且对木材性能的优化具有一定的局限性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种木材强化处理的设备和方法，采用该设备进行木材强化处理，能够提高木材的密度、强度和尺寸稳定性。

本发明第一方面提供了一种用于木材强化处理的设备，包括阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽，以及供电部件，所述阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽的侧壁均设置至少一个孔洞；所述孔洞用于支撑待处理木材，并使木材的一端位于阳极水槽内，中段位于浸泡水槽内，另一端位于阴极水槽内；所述供电部件用于提供电场力，使得阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽内盛放的具有不同电负性的矿物粒子进入待处理木板的内部。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述供电部件包括与电源和导线连接的至少一组电极，每组电极包括正电极和负电极。优选地，电极的组数与待处理的木材的数量相同，例如3个待处理的木材，则电极的组数为3组。每组电极对应1个待处理的木材。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述电源为直流稳压输出电源。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述电极的材料选自钛网、钢丝网和铜丝网中的一种或多种。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，1#水槽和2#水槽的孔洞的高度可以相同或不同，只要能支撑待处理木材，并使木材的一端位于阳极水槽内，中段位于浸泡水槽内，另一端位于阴极水槽内，保证木材不会因倾斜而滑落即可。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述孔洞均设置防漏液垫片，防漏液垫片的材料具有较宽的选择范围，以能够保证不会产生液体泄露即可，例如但不限于防漏橡胶垫圈。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述1#水槽和2#水槽的材质具有较宽的选择范围，以不会与抗菌剂a和抗菌剂b反应为目的。例如但不限于：不锈钢、聚四氟乙烯、塑料等。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述设备还包括排液阀，用于排放阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽内的液体。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述设备还可以包括滑轮，用于移动设备。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，至少所述阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽中的一个设有高度调节支架。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述孔洞的大小可以根据木材的尺寸进行调整，无特别限定。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，所述正电极和负电极的形状和结构可以具有较宽的选择范围，以能够紧扣木材为目的，例如但不限于一端为开口的柱状结构，可以通过所述开口把电极卡进需要处理的木材的一端。

本发明第二方面提供了一种木材强化处理的方法，包括以下步骤：

s1、将经过导电液浸泡处理的待处理木材穿过阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽的孔洞，且所述待处理木材的一端位于阳极水槽内，中段位于浸泡水槽内，另一端位于阴极水槽内；

s2、将供电部件分别与待处理木材的两端连接，然后向阳极水槽内注入带有正电的悬浮液，向浸泡水槽内注入导电液，并向阴极水槽内注入带有负电的悬浮液，且阳极水槽内的悬浮液与阴极水槽内的悬浮液具有不同电负性；

s3、对待处理木材进行第一通电；

s4、将浸泡水槽内的导电液更换为含钙离子的液体，并对待处理木材进行第二通电。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，将供电部件分别与待处理木材的两端连接的过程包括：与电源和导线连接的正电极和负电极分别与待处理木材的两端连接。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，带有正电的悬浮液选自纳米碳酸钙颗粒悬浮液和/或纳米硅酸钙颗粒悬浮液。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，纳米碳酸钙颗粒悬浮液中纳米碳酸钙的含量为5-10重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，纳米硅酸钙颗粒悬浮液中纳米硅酸钙的含量为5-15重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，在带有正电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：d<20nm的颗粒占总纳米颗粒的5-15重量％。

根据本发明所述的设备的一些实施方式，在带有正电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：20nm≤d≤60nm的颗粒占总纳米颗粒的15-25重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，在带有正电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：60nm<d<100nm的颗粒占总纳米颗粒的25-35重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，在带有正电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：d≥100nm的颗粒占总纳米颗粒的40-55重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，带有负电的悬浮液为由水溶性纳米硅溶胶颗粒形成的悬浮液。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，在悬浮液中，纳米硅溶胶的含量为5-15重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，在带有负电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：d<20nm的颗粒占总纳米颗粒的5-15重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，在带有负电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：20nm≤d≤60nm的颗粒占总纳米颗粒的15-25重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，在带有负电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：30nm<d<100nm的颗粒占总纳米颗粒的20-30重量％。

根据本发明所述的方法的一些实施方式在带有负电的悬浮液中，纳米颗粒的粒径d分布为：d≥100nm的颗粒占总纳米颗粒的40-55重量％。

在本发明中，带有正电的悬浮液和带有负电的悬浮液的溶剂可以为水，但并不限于此。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，所述导电溶液为水和/或饱和氯化钠。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，所述含钙离子的液体为碱性含钙离子的液体，更优选为饱和氢氧化钙溶液。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，带有正电的悬浮液、带有负电的悬浮液、导电溶液和含钙离子的液体的用量确保能够浸没待处理的木材的上表面。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，当待处理木材的直径d<10cm时，输出电压设置为80v。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，当10cm≤d≤15时，输出电压设置为110v。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，当15cm<d<20cm时，输出电压设置为150v。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，当20cm≤d<25cm时，输出电压设置为180v。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，当d≥25cm时，输出电压设置为220v。

在本发明中，直径d是指待处理木材的最大直径。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，s3中的第一通电时间为1.5-2.5h。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，s4中的第二通电时间为2-5h。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，所述干燥的条件包括：温度为70-80℃，时间为48-96h。所述干燥可以在干燥炉中进行。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，s1中的导电液为水和/或饱和氯化钠溶液。优选地，浸泡时间为12-48h。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，所述木材可以为经过加工或未加工的木材。

根据本发明所述的方法的一些实施方式，所述木材可以为但不限于杨木、松木和樟木中的一种或多种。

根据本发明所述的方法的一些具体实施方式，木材强化处理的方法，包括以下步骤：

s1、将待处理的木材在导电液中进行浸泡预处理；

s2、将经过浸泡预处理的木材分别穿过阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽的孔洞，且所述待处理木材的一端位于阳极水槽内，中段位于浸泡水槽内，另一端位于阴极水槽内，并进行固定；

s3、将电极分别固定在位于所述阳极水槽和阴极水槽内的木材两端；

s4、向阳极水槽内注入带有正电的悬浮液，向浸泡水槽内注入导电溶液，并向阴极水槽内注入带有负电的悬浮液，且阳极水槽内的悬浮液与阴极水槽内的悬浮液具有不同电负性；

s5、根据所选木材的横截面积，选择合适的电压，接通电源，在电场力的作用下，使阳极水槽中带正电的纳米颗粒通过木材中的孔隙向连接电源负极的木材端部定向迁移并沉积，使阴极水槽中带负电的纳米颗粒通过木材中的孔隙向连接电源正极的木材端部定向迁移并沉积；

s6、通电1.5-2.5h后，关闭电源，将浸泡水槽中的导电溶液更换为含钙离子的液体，再次接通电源，二次通电2-5h；

s7、关闭电源，取出木材；

s8、干燥，即得到强化木材。

本发明的有益效果：

1、本发明提出了采用电化学技术改善木材强化性能的新设备和方法，使电负性不同的纳米颗粒在电场力的驱动下在木材内部孔隙中定向传输与沉积，降低木材的孔隙率，提高其密度。同时，所述含钙离子的液体中的ca²⁺引入会与带负电的纳米颗粒悬浮液为水性纳米硅溶胶颗粒反应生成具有胶凝特性的凝胶，它可以与木材内部纤维有效胶合，实现木材的矿化，提高其强度及尺寸稳定性。

2、本发明的木材强化处理方法经济环保，操作简单、方便，处理效果好，有效解决了传统方法强化后木材各部位性质不均匀的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的用于木材强化处理的设备的简图。

附图标记说明

1、阳极水槽2、浸泡水槽3、阴极水槽

4-1、正电极4-2、负电极5、孔洞

6、电源7、导线8、排液阀

9、滑轮10、防漏液垫片11、木材

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。

【实施例1】

一种用于木材强化处理的设备，如图1所示，包括阳极水槽1、浸泡水槽2和阴极水槽3，以及供电部件，所述阳极水槽1、浸泡水槽2和阴极水槽3的侧壁均设置一个孔洞5。孔洞5用于支撑待处理木材11，并使木材的一端位于阳极水槽1内，中段位于浸泡水槽2内，另一端位于阴极水槽3内，孔洞5均设置防漏橡胶垫圈(防漏液垫片10)。阳极水槽1、浸泡水槽2和阴极水槽3的侧壁底部设置用于排放水槽内的液体的排液阀8，底部设置滑轮9。供电部件包括与直流稳压输出电源6和导线7连接的一组电极，电极包括正电极4-1和负电极4-2，正电极4-1和负电极4-2的材质为钛网，正电极4-1和负电极4-2分别与待处理木材的两端连接。供电部件用于提供电场力，使得阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽内盛放的具有不同电负性的矿物粒子进入待处理木板的内部。

【实施例2】

一种用于木材强化处理的设备，包括阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽，以及供电部件，所述阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽的侧壁均设置3个孔洞。每个水槽的1个孔洞用于支撑1块待处理木材(共3块待处理木材)，并使木材的一端位于阳极水槽内，中段位于浸泡水槽内，另一端位于阴极水槽内，孔洞均设置防漏橡胶垫圈(防漏液垫片)。阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽的侧壁底部设置用于排放水槽内的液体的排液阀。供电部件包括与直流稳压输出电源(电源)和导线连接的3组电极，每组电极包括正电极和负电极，正电极和负电极的材质为钛网，每组电极的正电极和负电极分别与1块待处理木材的两端连接。供电部件用于提供电场力，使得阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽内盛放的具有不同电负性的矿物粒子进入待处理木板的内部。

【实施例3】

一种采用实施例1的木材强化处理的设备进行木材强化处理的方法，其具体步骤如下：

①木材预处理：选取1块杨木木材，直径d为13cm，长度为5m，在饱和氯化钠溶液中浸泡24h后取出，得到经过导电液浸泡处理的待处理木材11；

②将步骤①得到的木材11穿过如图1中所示的阳极水槽1、浸泡水槽2和阴极水槽3的孔洞5，并用防漏橡胶垫圈(防漏液垫片10)堵塞木材与孔洞之间缝隙，并固定木材；

③如图1所示，将电极紧扣在木材上，木材的一端紧扣正电极4-1，另一端紧扣负电极4-2，并用导线将木材两端的正电极4-1和负电极4-2分别与电源6的正、负极相连接；

④向如图1所示的阳极水槽内注入带有正电的悬浮液(含量为15重量％的纳米碳酸钙颗粒悬浮液；d<20nm的颗粒占总纳米颗粒的9重量％；20nm≤d≤60nm的颗粒占总纳米颗粒的18重量％；60nm<d<100nm的颗粒占总纳米颗粒的27重量％；d≥100nm的颗粒占总纳米颗粒的46重量％)，向浸泡水槽内注入导电溶液(饱和氯化钠溶液)，并向阴极水槽内注入带有负电的悬浮液(含量为15重量％的纳米硅溶胶颗粒悬浮液；纳米颗粒的粒径d分布为：d<20nm的颗粒占总纳米颗粒的11重量％；20nm≤d≤60nm的颗粒占总纳米颗粒的17重量％；60nm<d<100nm的颗粒占总纳米颗粒的24重量％；d≥100nm的颗粒占总纳米颗粒的48重量％)，且阳极水槽内的悬浮液与阴极水槽内的悬浮液具有不同电负性，确保注入水槽中的带有正电的悬浮液、导电溶液和带有负电的悬浮液能够分别浸没木材的上表面。

⑤设置输出电压为110v，打开图1所示电源进行通电。

⑥对木材通电2h后，关闭电源。打开浸泡水槽的排液阀8，放出浸泡水槽内的导电溶液(饱和氯化钠溶液)，更换为饱和氢氧化钙溶液，然后打开电源，对木材通电2h后，关闭电源。打开排水阀，使阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽中的液面低于防漏橡胶垫圈(防漏液垫片10)的下边缘后，将防漏橡胶垫圈(防漏液垫片)、正电极和负电极移除，取出木材。

⑦将步骤⑥所得的木材放在温度为75±2℃的环境中风干处理，风干时长为72h后即得到强化木材。

【实施例4】

一种采用实施例2的木材强化处理的设备进行木材强化处理的方法，其具体步骤如下：

①木材预处理：选取3块杨木木材，每块的直径d均为13cm，长度为5m，在饱和氯化钠溶液中浸泡24h后取出，得到经过导电液浸泡处理的待处理木材；

②将步骤①得到的3块木材分别穿过阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽的孔洞，并用防漏橡胶垫圈(防漏液垫片)堵塞木材与孔洞之间缝隙，并固定木材；

③将电极紧扣在木材上，每块木材的一端紧扣正电极，另一端紧扣负电极，并用导线将木材两端的正电极和负电极分别与电源的正、负极相连接；

④向阳极水槽内注入带有正电的悬浮液(含量为13重量％的纳米碳酸钙颗粒悬浮液；纳米颗粒的粒径d分布为：d<20nm的颗粒占总纳米颗粒的9重量％；20nm≤d≤60nm的颗粒占总纳米颗粒的18重量％；60nm<d<100nm的颗粒占总纳米颗粒的27重量％；d≥100nm的颗粒占总纳米颗粒的46重量％)，向浸泡水槽内注入导电溶液(饱和氯化钠溶液)，并向阴极水槽内注入带有负电的悬浮液(含量为15重量％的纳米硅溶胶颗粒悬浮液；纳米颗粒的粒径d分布为：d<20nm的颗粒占总纳米颗粒的11重量％；20nm≤d≤60nm的颗粒占总纳米颗粒的17重量％；60nm<d<100nm的颗粒占总纳米颗粒的24重量％；d≥100nm的颗粒占总纳米颗粒的48重量％)，且阳极水槽内的悬浮液与阴极水槽内的悬浮液具有不同电负性，确保注入水槽中的带有正电的悬浮液、导电溶液和带有负电的悬浮液能够分别浸没木材的上表面。

⑤设置输出电压为110v，打开电源进行通电。

⑥对3块木材分别通电2h后，关闭电源。打开浸泡水槽的排液阀，放出浸泡水槽内的导电溶液(饱和氯化钠溶液)，更换为饱和氢氧化钙溶液，然后打开电源，对木材分别通电2h、3h、4h、5h后，关闭电源。打开排水阀，使阳极水槽、浸泡水槽和阴极水槽中的液面低于防漏橡胶垫圈(防漏液垫片)的下边缘后，将防漏橡胶垫圈(防漏液垫片)、正电极和负电极移除，取出木材。

⑦将步骤⑥所得的3块木材放在温度为25±2℃的环境中风干处理，风干时长为72h后即得到强化木材。

【对比例1】

选取1块杨木木材，直径d为13cm，长度为5m，按照实施例3的方法，不同的是，带有正电的悬浮液和带有负电的悬浮液均为水。

【测试例】

在距木材两端1m的位置和木材中段进行随机取样，根据gb/t17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》分别对实施例3-4和对比例1的木材进行测试，测得其密度、弹性模量及曲静强度、耐磨性数据，结果见表1。其中，左端是指从木材左端点至1米距离为左端，进行取样。右端是指从木材右端点至1米距离为右端，进行取样。中部是指除了左端和右端的一米都为中部，随机取样。

表1

表1结果表明，采用本发明提供的木材强化设备及电化学强化方法对木材进行强化，在电场力的驱动下，纳米矿物粒子在木材内部孔隙定向传输、沉积，与木材纤维胶结后所得矿化木材的质地均匀，所得木材的密度、弹性模量、曲静强度及表面耐磨性均明显提高。同时，本发明提供的一种新型的木材强化方法及设备，解决了传统木材强化方法的步骤复杂，过程繁琐，费时费力以及引起环境污染的缺点。该方法快速，高效，节能，环保，具有极高的推广及应用价值。

以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除