一种木材厚板热处理方法与流程

本发明涉及一种木材热处理技术领域，尤其涉及木材厚板热处理方法。

背景技术：

随着国家天然林保护工程的实施，人工速生林的高效、增值利用已经逐渐成为国内科研机构及生产企业的研究和关注重点。长期以来，人工速生林木材初含水率高且差异大、易产生干燥缺陷、材质疏松、力学性能及尺寸稳定性较差等缺点，严重制约了其在家具产业中的广泛应用，只能作为低附加值的人造板原料和造纸原料等进行利用。

多年来，研究人员试图用化学改性的方法对速生材进行改性处理，并取得了一定的成果，但化学改性木材在制备及使用过程中会对人体及环境造成一定的危害。而木材的高温热改性技术是当前木材各类改性方法中实用性最强、经济效益显著，且环境友好的改性方法。高温热处理木材是指通过用160～230℃(常用180～210℃)的高温加热处理木材，降低木材的吸湿性和吸水性，提高尺寸稳定性、腐蚀耐受性和耐候性，是一种性能优良、颜色美观且环境友好的木材产品。高温热处理木材也称为热改性木材。国际上称为“heat-treatedlumber”或“thermallymodifiedwood”。

目前，高温热处理木材的处理工艺主要包括以下三个阶段：

(1)快速干燥阶段：采用水蒸汽加热，热处理设备内部的温度迅速升高到100℃左右之后进行保温，降低木材内部的含水率；

(2)热处理阶段：高温干燥后，热处理设备内部的温度上升到185～215℃之间；当达到所要求的目标温度后，依据经验保持热处理温度2～3h；

(3)冷却与含水率调节阶段：通过喷水蒸气来降低温度，当温度降到80～90℃时，调节被处理木材的湿度，使其含水率达到4～7％。

但经过上述处理工艺得到的板材存在于热处理阶段，工作人员一般都是依据经验来判断保持热处理的时间，升温工艺控制不当会导致的木材厚板芯表层升温不同步、温度差异过大从而产生厚度方向热处理不均匀，从而导致板材表面硬化、干裂、皱缩、翘曲等问题，不能很好的满足建材、造船业、木地板、车厢底板和家具生产等产业的使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种本发明的热处理方法解决了工业化生产中对木材厚板进行热处理时，由于升温工艺控制不当导致的木材厚板芯表层升温不同步、温度差异过大从而产生厚度方向热处理不均匀问题的一种木材厚板热处理方法。

本发明是通过如下措施实现的：

一种木材厚板热处理方法，其特征在于，所述热处理方法具体为：

将置有含水量低于10％的板材、且初始温度不低于100℃的热处理设备，在时间τ1后升温至目标温度t，达到目标温度后，继续保持目标温度时间τ2。

所述时间τ1依据公式(1)计算得出：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃。

所述时间τ2依据公式(2)计算得出：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃。

一种木材厚板高温改性方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)测量待处理木材厚板的厚度d，并根据木材的材质及用途选定热处理阶段的目标温度t，依据厚度d和目标温度t，计算出热处理阶段升温时间τ1和保持目标温度时间τ2；

(2)干燥阶段：将板材置于热处理设备内，采用水蒸汽加热，使热处理设备内部的温度迅速升高到100℃左右，使木材含水率将至10％以下；

(3)热处理阶段：将热处理设备内部的温度在τ1后上升到目标温度t；当达到目标温度后，保持目标温度，时间为τ2；

(4)冷却与含水率调节阶段：通过喷水蒸气来降低温度，当温度降到80-90℃时，调节被处理木材的湿度，使其含水率达到4～7％。

所述时间τ1依据公式(1)计算得出：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃。

所述时间τ2依据公式(2)计算得出：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃。

由于木材是一种各向异性的非均质高分子材料，因此木材厚板的热处理过程是一个非稳态热交换过程，木材厚板中任一微分点的热量传递过程可以使用偏微分导热方程以及傅立叶定律来表征：

式(3)中：

t—木材厚板中任一微分点在热处理时间为τ时的温度，℃；

τ—木材厚板的热处理时间，h；

λ—木材厚板的导热系数，w/(m·℃)；

c—木材厚板的比热，kj/(kg·℃)；

ρ—木材厚板的密度，kg/m³；

θ—单位时间、单位体积中木材厚板内部生成的热量，本例中由于木材厚板为无内热源，θ＝0，w/m²。

(2)实验中由于对木材厚板进行了封端处理，因此无需考虑木材长度对传热的影响，因此木材厚板中任一微分点在热处理时间为τ时的温度为：

假设木材厚板任一微分点在热处理之前的温度相同且在热处理过程中，木材厚板表面温度近似等于水蒸气温度，那么式(2)可以可以整理为：

式(5)中：

τ1—热处理设备中的水蒸气介质温度，℃；

ar—木材厚板的弦向导温系数，m²/h；

at—木材厚板的径向导温系数，m²/h；

b—木材厚板的宽度，mm；

h—木材厚板的厚度，mm。

在实际实验过程中，对于任意一组木材厚板的热处理厚度、目标温度参数组合，均可解出式(5)中t的值，根据这些值建立了三个理论模型：

木材厚板表层升温理论模型公式：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃；

木材厚板芯层升温理论模型公式：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃；

由公式(1)和公式(6)能够得出木材厚板保温时间理论模型公式：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃。

本发明的有益效果为：本发明的热处理方法解决了工业化生产中对木材厚板进行热处理时，由于升温工艺控制不当导致的木材厚板芯表层升温不同步、温度差异过大从而产生厚度方向热处理不均匀的问题；各阶段时间理论模型适用于计算不同厚度的木材厚板在热处理时芯、表层达到温度平衡状态(即木材厚板芯、表层温度基本相同)时需要对热处理设备进行保温的时间，也可以根据理论模型预测热处理设备对木材厚板加热时其芯、表层达到目标温度的时间。根据该方法以及理论模型，合理设计并优化木材厚板的热处理工艺，使用此工艺，能够最大程度上缩短木材厚板热处理过程的周期并降低热处理过程的干燥能耗，减少热处理缺陷的产生。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例一

一种木材厚板热处理方法，其特征在于，所述热处理方法具体为：

将置有含水量低于10％的板材、且初始温度不低于100℃的热处理设备，在时间τ1后升温至目标温度t，达到目标温度后，继续保持目标温度时间τ2。

所述时间τ1依据公式(1)计算得出：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃。

所述时间τ2依据公式(2)计算得出：

d—木材厚板的厚度，m2/h；

t—木材厚板热处理的目标温度，℃

实施例二

一种木材厚板高温改性方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)测量待处理木材厚板的厚度40mm，并根据木材的材质及用途选定热处理阶段的目标温度180℃，依据厚度40mm和目标温度180℃；

依据公式(1)，

计算得出，热处理阶段升温时间τ1为276.1min；

依据公式(2)，

计算得出，热处理阶段保持目标温度时间τ2为5.5min

(2)干燥阶段：将板材置于热处理设备内，采用水蒸汽加热，使热处理设备内部的温度迅速升高到100℃左右，使木材含水率将至10％以下；

(3)热处理阶段：将热处理设备内部的温度在276.1min后上升到目标温度180℃；当达到目标温度后，保持目标温度，时间为5.5min；

(4)冷却与含水率调节阶段：通过喷水蒸气来降低温度，当温度降到80-90℃时，调节被处理木材的湿度，使其含水率达到4～7％。

实验1

实验步骤：

⑴、将木材厚板锯切150mm×75mm×40mm(长×宽×厚)的板材；

⑵、将步骤⑴中锯切后的板材进行常规干燥处理，使板材初含水率为8％-10％；

⑶、用自黏铝箔纸对干燥处理后的板材进行封端处理；

⑷、在木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处置入温度传感器；

⑸、将木材厚板置入热处理设备，设定目标温度为100℃；

⑹、分别记录木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处达到目标温度所需时间；

实验记录的木材厚板均匀热处理需要的保温时间，芯层达到目标温度所需热处理时间以及表层达到目标温度所需热处理时间分别为7.2min，63.4min以及56.2min；

采用实施例二中的木材厚板高温改性方法，设定目标温度为100℃，对同种材质150mm×75mm×40mm(长×宽×厚)的板材进行热处理，根据理各阶段论模型公式计算各阶段热处理时间，木材厚板理论保温时间和木材厚板表层升温理论时间分别为6.4min、54.5min。

实验2

实验步骤：

⑴、将木材厚板锯切150mm×75mm×60mm(长×宽×厚)的板材；

⑵、将步骤⑴中锯切后的板材进行常规干燥处理，使板材初含水率为8％-10％；

⑶、用自黏铝箔纸对干燥处理后的板材进行封端处理；

⑷、在木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处置入温度传感器；

⑸、将木材厚板置入热处理设备，设定目标温度为100℃；

⑹、分别记录木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处达到目标温度所需时间；

实验记录的木材厚板均匀热处理需要的保温时间，芯层达到目标温度所需热处理时间以及表层达到目标温度所需热处理时间分别为7.1min，110.4min以及103.3min；

采用实施例二中的木材厚板高温改性方法，设定目标温度为100℃，对同种材质150mm×75mm×60mm(长×宽×厚)的板材进行热处理，根据理各阶段论模型公式计算各阶段热处理时间，木材厚板理论保温时间、木材厚板表层升温理论时间分别为11.4min、95.9min。

实验3

实验步骤：

⑴、将木材厚板锯切150mm×75mm×40mm(长×宽×厚)的板材；

⑵、将步骤⑴中锯切后的板材进行常规干燥处理，使板材初含水率为8％-10％；

⑶、用自黏铝箔纸对干燥处理后的板材进行封端处理；

⑷、在木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处置入温度传感器；

⑸、将木材厚板置入热处理设备，设定目标温度为130℃；

⑹、分别记录木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处达到目标温度所需时间；

实验记录的木材厚板均匀热处理需要的保温时间，芯层达到目标温度所需热处理时间以及表层达到目标温度所需热处理时间分别为7.2min，165.8min以及158.6min；

采用实施例二中的木材厚板高温改性方法，设定目标温度为130℃，对同种材质150mm×75mm×40mm(长×宽×厚)的板材进行热处理，根据理各阶段论模型公式计算各阶段热处理时间，木材厚板理论保温时间、木材厚板表层升温理论时间分别为6.5min、151.9min。

实验4

实验步骤：

⑴、将木材厚板锯切150mm×75mm×60mm(长×宽×厚)的板材；

⑵、将步骤⑴中锯切后的板材进行常规干燥处理，使板材初含水率为8％-10％；

⑶、用自黏铝箔纸对干燥处理后的板材进行封端处理；

⑷、在木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处置入温度传感器；

⑸、将木材厚板置入热处理设备，设定目标温度为130℃；

⑹、分别记录木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处达到目标温度所需时间；

实验记录的木材厚板均匀热处理需要的保温时间，芯层达到目标温度所需热处理时间以及表层达到目标温度所需热处理时间分别为41.4min，288.5min以及247.1min；

采用实施例二中的木材厚板高温改性方法，设定目标温度为130℃，对同种材质150mm×75mm×60mm(长×宽×厚)的板材进行热处理，根据理各阶段论模型公式计算各阶段热处理时间，木材厚板理论保温时间、木材厚板表层升温理论时间分别为45.7min、233.3min。

实验5

实验步骤：

⑴、将木材厚板锯切150mm×75mm×40mm(长×宽×厚)的板材；

⑵、将步骤⑴中锯切后的板材进行常规干燥处理，使板材初含水率为8％-10％；

⑶、用自黏铝箔纸对干燥处理后的板材进行封端处理；

⑷、在木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处置入温度传感器；

⑸、将木材厚板置入热处理设备，设定目标温度为180℃；

⑹、分别记录木材厚板表面、木材厚板厚度方向的1/2处达到目标温度所需时间；

实验记录的木材厚板均匀热处理需要的保温时间，芯层达到目标温度所需热处理时间以及表层达到目标温度所需热处理时间分别为5.5min，281.6min以及276.1min；

采用实施例二中的木材厚板高温改性方法，设定目标温度为180℃，对同种材质150mm×75mm×40mm(长×宽×厚)的板材进行热处理，根据理各阶段论模型公式计算各阶段热处理时间，木材厚板理论保温时间和木材厚板表层升温理论时间分别为6.5min、269.0min。

综合实验1-5能够看出，各阶段模型理论时间贴近实验记录的时间，解决了工业化生产中对木材厚板进行热处理时，由于升温工艺控制不当导致的木材厚板芯表层升温不同步、温度差异过大从而产生厚度方向热处理不均匀的问题。

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