云南思茅松炭化技术的研究

■韩振华 ■上海建工集团工程研究总院，上海 闵行 201114

我国木结构的历史源远流长，据考古发掘，约在距今六、七千年前，中国古代人已使用榫卯构木为巢。新中国成立后，由于木结构容易加工，又可就地取材，故发展迅猛。随着建设的加速以及乱砍滥伐和毁林开荒，我国出现了林业资源匮乏和木材短缺。到20 世纪80 年代，我国的结构用材采伐殆尽，木结构的发展基本停止。20 世纪90 年代中期，我国引进了一批国外成熟和先进的木结构建筑，标志着木结构在我国开始了新的发展。木结构建筑由于其自身优点，日渐被国人追捧，引进欧美木结构体系，迅速提高我国木结构技术的同时也造成了对欧美木材的严重依赖，忽视了我国国产人工速生林在木结构中的应用，严重制约我国现代木结构的发展。

思茅松为松科松属，又称“青松”，属速生树种，是我国云南南部林区的主要树种之一，仅普洱市林区蓄积量就达1 亿立方米以上。炭化木，即木材高温热处理，指在保护气体或液体介质条件下，温度在160℃～220℃范围内，对木材进行改性处理的一种环保型技术。木材经炭化颜色变深，可使某些常用木材达到类似于热带珍稀树种的效果，满足消费者对木制品外观的需求，客观上保护了珍稀树种。开发适应云南当地实际情况的木材改性设备和工艺，可大幅扩展思茅松的使用范围及提高使用价值，并对于材性相近的西南地区的云南松、橡胶木，东北地区、中南地区的樟子松、落叶松、马尾松等高油脂松科木材的生产加工和产品开发利用，具有示范指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

思茅松(Pinus kesiya var.langbianensis)，规格为(长× 宽× 厚)1000mm×250mm×30mm 的弦切板，刨光后调整至气干。

1.2 试验设备

炭化专用设备，万能力学试验机，电热恒温鼓风干燥箱，螺旋测微仪等。

1.3 试验方法

1.3.1 试验参数

参考相关文献，结合试验条件和前期经验，综合考虑增加尺寸稳定性，改善耐腐性，减小强度损失等目标，选用处理温度、处理时间、升温速度为试验三因素，各因素水平确定为:

表1 试验设计Tab.1 The experiment

(1)处理温度:炭化木处理温度是影响处理材最终性能的重要因素。木材在100～150℃下加热处理，木材的热分解过程是比较缓慢的，160℃以上处理时，热解程度逐渐增大，木材中的半纤维素开始发生分解，当温度高于250℃以上处理时，木材内部即发生剧烈的化学反应，半纤维素不仅发生分解，同时伴随纤维素的分解，导致木材的力学性质损失严重。高温热处理虽然改善了热处理材的耐腐性和尺寸稳定性，同时也伴随着强度的降低，考虑到三者之间的交互关系，在试验设计过程中，将热处理温度确定为:175℃、185℃、200℃。

(2)处理时间:热处理时间是决定木材性能改善程度的又一重要因素。在均衡尺寸稳定性、力学性能以及耐腐性的基础上，考虑到尽量节省能源及板材厚度，将热处理时间设定在0.5 -4h 这个范围。热处理时间不宜过长，因为热时间过长，会导致试件的重量损失率过大，伴随着木材的强度也大幅度下降。在前期预备试验和节约能源的综合考虑基础上将热处理时间确定为2h、3h、4h。

(3)升温速度:升温速度即温度梯度决定着处理材质量，结合本试验要求和实际操作，将参数确定为5℃/h、10℃/h、15℃/h。

1.3.2 试验步骤

(1)干燥:用普通木材干燥窑，按照思茅松锯材干燥基准进行干燥，至含水率12%左右，取出待用。

(2)含水率测定:检测木材含水率，确定热处理前板材的含水率状况。

(3)蒸汽保护:待板材全部放入炭化木设备中，低温预热一段时间，同时开启蒸汽发生器，向窑中注入的水蒸气作为保护气体。

(4)热处理:按照试验参数，进行木材热处理，记录导热油进出口温度、导热媒质温度、窑内经过平衡后的温度、升温速率、保温时间。

(5)平衡:热处理结束后，降温、调节板材含水率至5 -7%。

2 结果与讨论

通过调整炭化处理试验三因素，即处理温度、时间和升温速度，木材的抗弯弹性模量、抗弯强度、冲击韧性、颜色相对未处理材随之发生了不同程度的变化，按照GB/T 1936.1 -2009，GB/T 1936.2 -2009，GB/T 1940 -2009 等，进行对比检测，得出以下结论:

(1)弹性模量增加:炭化思茅松相对于未处理材来说，弹性模量有少许上升，上升幅度不大，说明炭化木处理工艺的三因素对弹性模量影响不显著。

(2)抗弯强度减少:相对于未处理材，炭化木抗弯强度下降，并随着温度的上升，强度下降的比例随之上升，160℃时，抗弯强度下降了8.7%，190℃下降了19.05%，220℃时强度下降率达到了41.30%，强度损失较大，可以根据热处理材的最终用途来确定热处理温度，使强度达到使用要求。

(3)尺寸稳定性提高:热处理过程导致木材平衡含水率的降低，高温处理的木材，含水率稳定在4 -7%，而未处理材为10 -12%。当木材热处理温度达到200℃以上时，其平衡含水率会比未处理材要降低40 -50%。由于热处理材的平衡含水率的降低，且热处理改变了木材部分组分的化学成分，从而使处理材获得了比未处理材更低的吸湿性，其径向和弦向的干缩湿胀的性能比未处理材要大大降低。和未处理材相比，尺寸稳定性提高，很少有开裂现象发生。在一定意义上，尺寸的变化可下降40 -50%。

(4)颜色加深:处理材颜色在低温处理下会变成黄褐色，随着温度的增加，颜色也随之加深。在处理某些针叶材时，由于树脂外流到材表，会影响材表的颜色。

(5)生物耐久性提高:德国的D.P.Kamdem 等测试了热处理木材抵抗褐腐菌腐蚀的能力，数据显示，19 周后云杉素材的质量损失率为48%，松木素材的质量损失率为40%，而热处理后的云杉和松木随处理温度的增加，耐腐性也随之增加，两者的质量损失率均不超过3%。同时，炭化木耐白腐菌、软腐菌的性能均有所增长。

3 结论

通过各力学指标显著因素的分析可以得出，结合炭化木工艺热源损耗的最小化考虑，以及客户对材色的特殊要求，思茅松的最佳工艺 为温度200 ℃、时间2 h、升温速度15℃/h。按照LY/T 1700 -2007《地采暖用木质地板》、GB/T 1932 -2009《木材干缩性测定方法》、GB/T 1936.1 -2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2 -2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T 1940-2009《木材冲击韧性试验方法》等，对最佳工艺条件下制得的炭化思茅松进行检测，结果如下:

表1 炭化思茅松性能检测结果

［1］汪佑宏，顾练百等.马尾松速生材的表面强化工艺研究［J］.林业科技开发.2007(11).

［2］朱捷，徐登伟.速生材改性处理研究的现状及发展趋势［J］.木工机床，2009(06).

［3］陈成，程瑞香.速生杨木改性研究进展［J］.森林工程，2014(09).

［4］赵钟声.木材薄板横纹压缩强化的微观结构变化与拉伸弯曲性能［J］.东北林业大学学报，2013(12).

［5］郎倩，毕增，郑雪，苗新伟，蒲俊文.交联型改性提高速生杨木材的应用品质及机理分析［J］.农业工程学报，2013，(04).

［6］张洪德，徐国锋，牛笑一.耐磨型染色臭冷杉胶合板的工艺性能研究［J］.家具与室内装饰，2013(12).

［7］王晨，徐长鸣，孙世荣，岳金权.杨木APMP 纤维超声波处理效果［J］.纸和造纸，2013(05).