热压结合蒸汽喷蒸法密实化木材/竹材的方法及密实化木材/竹材

摘要

本发明公开了一种热压结合蒸汽喷蒸法密实化木材/竹材的方法，包括如下步骤：在带蒸汽喷孔的热压机的上下压板上加装耐高压耐高温透气金属板，透气金属板的光滑面朝外，与受压木/竹材接触，并将上下压板升温到160‑220℃，并在后续步骤中一直保持上下压板的温度；将含水率在8％至30％的木材/竹材置于所述压机的下压板上；快速闭合上下压板，当上压板接触到受压木/竹材并作用有一定的压力时停止闭合，并开启高压蒸汽进行喷蒸；缓慢闭合上述上下压板，喷蒸同时进行，当受压木/竹材的厚度压缩到所需要的厚度时停止压板闭合，维持在原位，喷蒸同时进行；停止喷蒸，并开启上下压板上小孔的吸气功能，排出多余水分和抽提物气体。

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种热压结合蒸汽喷蒸法密实化木材/竹材的方法及密实化木材/竹材。

背景技术

在木制品产业中，高强度的木材原料一直是人们所追求的，然而具有高强度的木材原料在自然资源中总是有限的，而且价格不菲。因此木材科学家们尝试通过木材密实化的工艺提高木材密度，将低密度、资源丰富且价格便宜的低密度木材变成高密度的、高强度的木材。历史文献中有很多木材密实化的报道(Fang et al.2011,2012a,2012b,2012c；Boonstra and Blomberg 2007；Fukuta et al.2008a；Gabrielli and Kamke 2008；Higashihara et al.2000；Inoue et al.1993a；Inoue et al.1993b；Inoue et al.2008；Ito et al.1998b；Kamke 2006；Kollmann 1936；Kollmann et al.1975；Navi andHeger2004；Seborg et al.1945).，木材密实化的专利也很多(Sears,1900；Walch andWatts,1923；Oleheimer,1929；Brossmannes,1931；Esselen,1934；Olson 1934；黄荣凤等2011，2013)。但由于种种缺陷，密实化木材工业上的应用还是十分有限。这些工艺主要有化学方法和机械方法。化学方法的主要缺陷包括：

1)不能保证木材天然特性；

2)影响木材再次循环利用或自然降解，对环境造成污染；

3)成本较高。

因此，从环保的角度，物理机械方法才更符合如今的环保理念。国际上现 有的机械方法的主要缺陷包括：

1)工艺复杂，时间长；

2)目前国际上几个主要从事木材密实化的实验室里的方法大多限于小尺寸的试材；

3)机械法密实化木材所造成的尺寸回弹问题；

4)有些使用高温处理(190～230摄氏度)和足够长的时间能降低尺寸回弹，高温长时间处理对木材力学性能造成破坏，特别是木材表面，经常造成部分碳化，或者造成颜色很深和颜色深浅差异很大，通常让压缩木根本无法使用。

5)使用高温蒸汽可缓解上面4)里提到的部分问题，但由于木材在热压铁板高压下，蒸汽很难均匀(甚至无法)作用到被压木材的受压面，特别是当木材受压面较大时。

6)有些热压机在热压铁板上分布有蒸汽喷孔(本人前期实验)可以缓解一些上面5)提到的问题，可蒸汽还是无法做到均匀分布到受压木材表面，而且木材在高压下会凸起到喷孔里，在受压木表面造成很多凸点。

以上这些问题都在不同程度和不同方面限制着压缩木在商业上的应用。因此很有必要继续探索如何解决这些问题。

竹子是地球上重要的可再生生物资源之一，生长周期短，成材快，近些年已得到大量应用。竹材具有很高的力学强度，它的单位密度下的弹性模量可与钢材相媲美，然而，竹材横向(从竹青到竹黄)和纵向(立竹基部到稍部)的密度和力学强度差异很大，从而导致在由原竹制成的复合工程板材内部密度和力学强度的高度不均匀性，无法和钢材相媲美，大大制约了原竹的利用。另，由于竹壁的圆弧形，在竹片加工过程中为了得到规则的竹条，浪费大量的竹材原料。而通常的重组竹虽然能得到高密度且相对均匀的板材，但这类产品需要大量施胶，极不环保。通过竹材物理机械法密实化可以克服上述问题，可以制造出新型高强度产品，对竹材的利用开拓一个新的方向。。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种热压结合蒸汽喷蒸法密实化木材/竹材的方法及密实化木材/竹材，简化了工艺流程，减少工艺时间；提高密实化后的木材/竹材颜色一致性，防止木材/竹材碳化；提高蒸汽在受压木/竹材上的均匀分布和渗透以达到降低受压木/竹材的吸湿回弹；提高密实化木材/竹材的表面性能(消除因蒸汽喷孔造成的表面凸点)，降低回弹。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

热压结合蒸汽喷蒸法密实化木材/竹材的方法，包括如下步骤：

S1、在带蒸汽喷孔的热压机的上下压板上加装耐高压耐高温透气金属板，透气金属板的光滑面朝外，与受压木/竹材接触，并将上下压板升温到160-220℃，并在后续步骤中一直保持上下压板的温度；

S2、将含水率在8％至30％的木材/竹材或已通过高温饱和蒸汽预软化过的木材/竹材置于步骤S1所得的压机下压板上；

S3、快速闭合上下压板，当上压板接触到受压木/竹材并作用有一定的压力时停止闭合(目的是防止喷蒸时受压木/竹材移动)，并开启高压蒸汽对受压木/竹材的上下两面进行喷蒸；

S4、缓慢闭合上述上下压板，喷蒸同时进行，当受压木/竹材的厚度压缩到所需要的厚度时停止压板闭合；

S5、压板停止闭合后维持在原位，喷蒸同时进行；

S6、停止喷蒸，并开启上下压板上小孔的吸气功能，排出多余水分和木材/竹材因高温而产生的抽提物气体，1到2分钟后停止吸气功能，压板上的小孔通气通道自然畅通，使得压板内外气压一致，开启上下压板，取出受压木/竹材。

所述步骤S1中用于木材/竹材密实化的热压机带有喷蒸孔,且具有吸气排气的功能。

所述透气金属板采用烧结过滤网，并且与受压木/竹材接触的面比较平整光滑且能有效透过蒸汽。

本发明还提供了上述的热压结合蒸汽喷蒸法密实化木材/竹材的方法所制得的密实化木材/竹材。

本发明具有以下有益效果：

简化了工艺流程，减少工艺时间；提高密实化后的木材/竹材颜色一致性，防止木材/竹材碳化；提高蒸汽在受压木/竹材上的均匀分布和渗透以达到降低受压木/竹材的吸湿回弹；提高密实化木材/竹材的表面性能(消除因蒸汽喷孔造成的表面凸点)，降低回弹。

附图说明

图1为本发明实施例密实化过程示意图；

图中：预处理(T₀～T₁),压缩(T₁～T₂),和后处理(T₂～T₃)。

图2为本发明实施例中上压板、下压板的结构示意图。

图3为本发明实施例中上压板、下压板与透气金属板的连接结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为密实化过程示意图，所用密实化设备为喷蒸热压一体机，如图2，上压板、下压板上均匀分布有小孔，小孔即可喷出蒸汽也可吸气(排出水汽)，热压板四周可加装密封设备(可提高密实化效率)。所有密实化过程可在同一设备上一次完成，也可将预处理和后处理在其他设备中分开处理。预处理的作用是热压之前将木材/竹材软化，便于热压。后处理的作用是将热压后的木材/竹材定形和干燥，防止或降低压缩木/竹材的回弹。热压过程中的高压高温蒸汽也同时具备软化和定形作用，并且可以防止或降低高温对木材/竹材的碳化作用，碳化不仅大大降低压缩木/竹材的力学性能，而且导致木材/竹材颜色变 深变黑使压缩木/竹材无法使用。整个过程中的喷蒸也能使受压材料的内外能同时快速升温，内外温差小。整个过程都是通过电脑软件控制，在电脑里设置好整个过程的程序(包括热压板温度，间距，热压板何时开合，热压板开合速度，蒸汽压，何时开始和停止喷蒸汽，何时吸走蒸汽等)，放入需要密实化的木材/竹材后，整个软化，热压喷蒸，后处理等过程将自动运行。

在热压过程中，由于强大的压力作用，喷蒸孔处对应部位的木材/竹材由于未被压板接触常会凸起塞进喷蒸孔，从而大大影响蒸汽在受压木/竹材上的分布和渗透。为了解决这一问题，在上下热压板的表面添加了高强度耐高压耐高温耐腐蚀透气金属板(烧结过滤网，材料为316L或304不锈钢)(图3)，金属板中分布着纵横交错互相连通的细微空隙，蒸汽能完全通过金属板，从而使蒸汽能均匀分散到受压木/竹材的各个部位。合金透气板和热压板接触的面不要求很高的光滑平整度，与被压木/竹材接触的那一面要求光滑平整，这样做出来的最终密实化木材/竹材表面很平整，本发明实例中使用的透气金属板已完全达到这样的要求。这一发明不仅大大提高蒸汽在受压木/竹材上的均匀发布，提高软化和定形效果，还防止了受压木/竹材表面的碳化以及颜色不一致的问题，这些是以前木材/竹材热压密实化中很难克服的问题。

本发明的具体实施方案如下：

S1、在带蒸汽喷孔的热压机的上下压板上加装耐高压耐高温透气金属板(烧结过滤网)，网片的光滑面朝外(与受压木/竹材接触)，并将压板升温到160-220℃。

S2、将含水率在8％至30％左右的木材/竹材(或将已预软化过的木材/竹材)置于压机下压板(包含透气金属网片，后文简称压板)上。预软化过的木材/竹材可以是通过高温饱和蒸汽的方法软化，具体操作是将木材/竹材放入密封罐内，注入160至200摄氏度的饱和蒸汽进行软化，根据木材/竹材的尺寸，软化时间可以是几分钟至十几分钟。

S3、快速(30秒内)闭合热压板以减少高温而导致的木材/竹材水分丧失， 当压板接触到受压木/竹材并作用有一定的压力(目的是防止喷蒸时受压木/竹材移动)时停止闭合，并开启高压蒸汽对受压木/竹材的上下两面进行喷蒸，此过程的目的是对受压进行高温蒸汽软化作用，便于后面的压缩，时间取决于受压木/竹材的厚度和树种以及蒸汽压和热压板的温度，可以在几分钟至几十分钟，例如，4mm的杨木和3.5mm厚的枫木在热压板200摄氏度和550KPa的蒸汽压下需要5分钟左右。此过程在本文中称为预处理，见图1中的预处理(T₀～T₁)。如果受压木/竹材在放入压机前已经过软化处理，此过程可以省去或减少时间。

S4、软化处理后热压板继续缓慢闭合(闭合速度可根据不同树种的受压木/竹材进行调整，也可闭合，停顿，再继续闭合，再停顿……的方式进行，目的是让受压木/竹材有一定的时间缓解内部受压应力，可以起到固定压缩的作用，减少后期的压缩反弹)，喷蒸同时进行。当受压木/竹材的厚度压缩到所需要的厚度时停止压板闭合。此过程为压缩过程，见图1中的压缩(T₁～T₂)，时间取决于压缩率，受压木/竹材厚度和树种，可以在几分钟至几十分钟。例如，在热压板200摄氏度和550KPa的蒸汽压下，4mm的杨木压到2mm和3.5mm厚的枫木压到2.4mm所需要的时间在7分钟左右。

1)压板停止闭合后维持在原位，喷蒸同时进行，目的是缓解和释放受压木/竹材内部的应力，起到固定压缩的作用，防止和减少压缩木/竹材的回弹。此过程在本文中称为后处理，见图1中的后处理(T₂～T₃)，时间可以在几分钟至几十分钟。在热压板200摄氏度和550KPa的蒸汽压下，4mm的杨木压到2mm和3.5mm厚的枫木压到2.4mm，后处理所需要的时间在10分钟左右。

2)停止喷蒸，并开启压板上小孔的吸气功能，排出多余水分和木材/竹材因高温而产生的抽提物气体。此过程仅需1-2分钟，然后停止吸气功能，压板上的小孔通气通道自然畅通，是压板内外气压一致，开启压板，取出受压木/竹材，此时的受压木/竹材的含水率很低，后期无需再进行干燥处理。

图3在上下热压板1上加装耐高温耐高压耐腐蚀透气金属板2，透气金属 板2通过4个角落处的螺丝或焊接等其他与上下热压板1分别连接，透气金属板2采用烧结过滤网，粗糙面与带喷孔的热压板接触面，光滑平整面为受压木/竹材接触面。蒸汽可以轻易穿过此板，如果通过螺丝加装，螺丝的高度一定要低于透气金属板的高度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。