一种木材炭化促进药剂的炭化促进机理分析

孟黎鹏， 何 超， 张海霞， 沈佳龙， 周纯洁， 李杰玲，吕建平， 毕立群， 吕梦燕， 王瑞明， 万劲松

(吉林省林业科学研究院林产品质量监督检验站，吉林 长春 130032)



一种木材炭化促进药剂的炭化促进机理分析

孟黎鹏， 何 超， 张海霞， 沈佳龙， 周纯洁， 李杰玲，吕建平， 毕立群， 吕梦燕， 王瑞明， 万劲松

(吉林省林业科学研究院林产品质量监督检验站，吉林 长春 130032)

对化学药剂A促进木材炭化的机理进行了研究和探讨，化学药剂A具有强脱水性和氧化性，可将木材化学组分中的水分脱去，使木材组分以C的形式存在，从而实现了木材炭化。

木材炭化；炭化药剂；炭化机理

木材经炭化处理后装饰性能显著提高，并同时具有了良好的生物耐久性、耐腐性、耐候性、尺寸稳定性，以及安全、环保等一系列突出优点，木材炭化广泛应用于木材材质改良及附加值提高等方面[1-2]。

常规炭化木的制造通常是将木材放入高温(160～240 ℃)、无氧或低氧的环境中进行一段时间热处理的纯物理改性技术，这种改性技术需要配套专门设备，如处理罐、处理窑等，对设备要求较高，生产周期较长[3-4]。

使用化学药剂A对木材进行处理后，处理部位可实现在相对低温(100 ℃以内)空气环境中(无需隔绝氧气)的快速炭化，笔者下面对此化学药剂促进木材炭化的机理进行研究和探讨。

1 木材颜色变化现象

使用化学药剂A对木材进行处理后，木材的颜色刚开始并没有发生变化，在后续的加热、光照及干燥的过程中，木材的颜色才开始发生缓慢变化，颜色和炭化木的颜色一致。经机理分析，木材的颜色变化属于炭化变色。

1.1 试验条件

(1)试件处理方式：将木材试件在不同浓度的化学药剂A中浸泡3天，然后用水冲洗后避光气干存放3天。

(2)试件材种：杨木、柞木。

(3)干燥方式：置于窗台上气干30天，阳光可照射；80 ℃烘箱加热干燥30 min。

1.2 化学药剂A处理后木材的几种颜色变化

经不同浓度化学药剂A处理后木材的几种颜色变化如图1～3所示。

图1 杨木经不同浓度化学药剂A处理后在光照条件下的化学炭化变色

图2 柞木经相同浓度化学药剂A处理后在光照条件下的试件逆光面和照射面的炭化变色

图3 杨木和柞木经化学药剂A处理后在烘箱中加热条件下的化学炭化变色

1.3 使用化学药剂炭化的特点

使用化学药剂A处理木材与常规炭化相比，木材的炭化过程有以下特点：

(1)受热后木材表面颜色迅速变化，在80 ℃时仅仅几分钟即开始变色，30 min后基本变成黑色。

(2)木材表面颜色变化需要的温度低，常规木材炭化需要140 ℃以上，而化学炭化在室温下即可实现木材的炭化变色，随着温度的升高，木材颜色变化的速度加快。

(3)化学药剂促进木材炭化过程中不需要专门的真空或者添加饱和气体等隔离氧气的环境，其在大气环境下即可实现炭化。

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(4)随着温度的升高，木材颜色变化的规律是：褐色→古铜色→黑色。

(5)加热方式不同木材的颜色变化也不同，室温或光照条件下木材的颜色会变成古铜色。加热方式下木材的颜色不易控制，会迅速变成黑色。

(6)不加热情况下，涂抹、浸泡及水分挥发期间木材不变色，但处理后的木材在长期放置过程中颜色会逐渐发生变化，都会变为古铜色。

(7)气干过程中无论是否光照，木材颜色都会发生变化，光照面颜色比逆光面颜色要深。

2 炭化机理研究

2.1 木材组分

木材的三大化学成分是木质素、纤维素和半纤维素。木材的元素组成为碳49%～50%，氢 6%，氧45%～50%，氮0.1%～1%，灰分中主要含有钙、钾、镁、钠、锰、铁、磷、硫等。木材简单的化学分子式为C47O46H6N，其他化学元素可以忽略。

2.2 炭化原理

木材中的最主要成分是半纤维素，可以用分子式(C6H10O5)n来表示，其中的C为0价，使用化学药剂A使木材炭化的过程实际上就是脱水的过程，可以用下面的化学式表述。

(C6H10O5)n+ A=6nC + A·5nH2O

2.3 低浓度化学药剂A也能促使木材炭化

在涂布或浸泡低浓度化学药剂A溶液时，木材的颜色并没有变化，木材颜色变化是在干燥过程中发生的，即化学药剂A挥发后，使化学药剂A溶液的浓度提高后才会使木材发生脱水炭化变色。

采用化学药剂A制备的稀溶液处理木材，低浓度化学药剂A溶液在放置过程中由于挥发使溶液浓度提高，当浓度达到具有强脱水性时也能发生炭化变色。

2.4 木材炭化过程中的附加反应

在木材炭化反应过程中，如需快速炭化则需要加热，在加热的过程中会散发出大量的刺鼻气味，而且木材表面会发生过度炭化现象，使木材表面变疏变脆，强度也大大降低。

经过化学药剂A处理后的木材在加热条件下颜色首先会变为灰褐色，然后变成古铜色，继续加热最终会变成黑色，同时会产生刺激性气味。

化学药剂A具有强氧化性，在加热条件下会与木材中已经脱水的C继续发生化学反应，将其氧化生成CO2，同时化学药剂A也会自身分解还原，生成具有刺激性气味的气体B，过度炭化的附加化学反应式为：

A+C→CO2+H2O+B

从上面的化学反应式可以看出，如果反应继续，木材就会过度炭化，A会与炭化发生中生成的C继续反应，木材会发生降解，强度将大大降低，同时产生具有刺激性气味的气体B。

3 总结与讨论

(1)化学药剂A具有强氧化性和强脱水性，强脱水性会使木材中的纤维素等组分失水变成C，这是化学药剂A能促进木材炭化的反应机理。

(2)使用化学药剂A对木材进行炭化处理时需要将化学药剂A稀释后使用。采用稀释后的化学药剂处理木材在干燥过程中随着水分的蒸发药剂浓度提高，浓药剂将夺走木材中的水分，因此可促进木材的快速炭化。

(3)木材炭化后变成C，如果继续炭化处理生成的C会与具有强氧化性的化学药剂A继续发生化学反应，产生具有刺激性气味的气体，并使木材中的C氧化成CO2。

(4)木材过度炭化将使木材强度大大降低，因此在使用化学药剂A促进木材炭化过程中要避免木材发生过度炭化现象。

[1] 林兰英，陈志林，傅峰.木材炭化与炭化物利用研究进展[J].世界林业研究，2007，20(5)；22-26.

[2] 牛笑一.木材炭化的特点及应用[J].家具与室内装饰，2010(12).

[3] 张冠中，赵师辛，陈梦涵，等.碱木质素基活性炭的制备与孔结构特征[J].林业机械与木工设备，2017，45(2)；35-39.

[4] 郭臻宇，连弘扬，李丽沙，等.炭化处理对杨木声学振动特性的影响[J].森林工程，2016，32(4)；41-45+50.

(责任编辑 张雅芳)

Analysis of the Carbonization Mechanism of a Chemical AgentPromoting the Carbonization of Wood

MENG Li-peng， HE Chao， ZHANG Hai-xia， SHEN Jia-long， ZHOU Chun-jie， LI Jie-ling，LV Jian-ping， BI Li-qun， LV Meng-yan， WANG Rui-ming， WAN Jin-song

(Wooden Product Quality Supervision and Inspection Center，Jilin Forestry Science Institute，Changchun Jilin 130032，China)

The wood carbonization mechanism promoted by Chemical Agent A is studied and discussed.Chemical Agent A has strong oxidizing and dehydration properties，and can remove the moisture in the wood chemical components to make the wood components present in the form of C，thereby realizing the carbonization of wood.

wood carbonization；carbonization agent；carbonization mechanism

2017-04-25

吉林省林业厅育林基金项目“木材炭化技术研究”(2013-005)

孟黎鹏(1981-)，男，助理研究员，硕士，主要从事木质林产品的质检及科研工作， E-mail：55715962@qq.com。

TS612

A

2095-2953(2017)08-0035-03

研究与设计