热改性汇总.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,木材超高温热改性,南京林业大学干燥技术研究所,2009,年,9,月,1,提纲,炭化木的基本知识,国外炭化木产业发展概况,我国炭化木产业发展概况,炭化木生产设备,炭化木生产工艺,炭化木与常规材材性对比,炭化木加工和利用中应注意的问题,炭化木的应用,2,1,炭化木的基本知识,1.1,什么是炭化木,“,炭化木,”,是我国木材行业对超高温热处理木材的俗称。其基本概念是用,160230,（常用,180212,）的温度加热处理木材，改良木材的品质，降低木材的吸湿性和吸水性，提高尺寸稳定性、生物耐腐性和耐气候性，从而制成一种性能优良、颜色美观且环境友好的木材产品。确切地讲，,“,炭化木,”,应称为超高温热处理、或热改性木材。国外称为,“,Thermal Modified Wood,”,或,“,Heat-treated Wood,”,。,3,1.2,炭化木的特点,1,）环保、安全,木材炭化热处理为纯物理技术，不添加任何化学药剂，,炭化木是环境友好型材料。另外，炭化处理可以改良和提,高速生人工林木材的品质，可替代部分优质天然林木材。,因此，炭化木具有天然林保护及环境保护的意义。,2,）防潮性增强,木材经炭化处理后，吸湿性强的半纤维素降解，使木材,的吸湿性及吸水性下降。在同样的空气状态下，炭化木的含,水率要比常规木材低得多：在南方的雨季，室内用的炭化木,含水率低,78%,，在北方室内低,35%,。,4,3,）尺寸稳定性提高，不易变形,木材炭化后，其吸湿性和内应力显著下降，因而大,大减少了木材在使用过程中因水分变化而引起的湿胀、,干缩及翘曲变形。,4,）耐腐性和耐气候性显著提高,在炭化过程中，木材的化学成分发生变化，生成了,腐朽真菌厌恶的物质,-,醋酸，而喜欢的营养物质大大减,少，因此从食物链上抑制了腐朽菌的生长，使耐腐性和,耐候性提高。,5,5,）颜色美观、耐久，内外一致，且可以模拟名贵树种颜色。,6,）树脂等抽提物挥发，有利于表面涂饰和胶合。,7,）力学性能有所变化：顺纹抗压强度、抗弯弹性模量及硬度略有提高；抗弯强度、冲击韧性、剪切强度有所降低。,8,）易储存：炭化木吸湿性显著降低，因此仓库中不需要控制温、湿度。,6,催化,结晶度增加,晶体尺寸增加,挥发,高温,木材,半纤维素,纤维素,木素,-,碳水化合物络合物中横向连接网络增加,抽提物,降解,醋酸,糖类,吸湿性羟基大大减小,降解,无定形区,结晶区,高温,吸湿的无定,形区减少,腐朽真菌的食物链切断,耐腐性提高,腐朽真菌食物链切断,利于油漆和胶合,降低吸,湿性，,尺寸稳,定性提,高,1.3,木材炭化改性的机理,7,8,1.4,炭化木的分类,炭化木分为 室内用：炭化木,S,主要体现尺寸稳定性,室外用：炭化木,D,主要体现耐腐性,指 标,炭化木,S,炭化木,D,处理温度（）,针叶材,190,212,阔叶材,185,200,耐候性,有所提高,显著提高,尺寸稳定性,有所提高,显著提高,抗弯强度,不 变,有所降低,颜色深度,棕 色,深 棕 色,9,2,国外炭化木产业发展概况,20,世纪,90,年代起，欧洲芬兰、荷兰、法国、德国等分,别将炭化木的研究用于生产。其典型的工艺有：,芬兰的,Thermo-wood,荷兰,PLATO-wood,法国,Retification,德国,Oil-heat-treatment,10,芬兰,Thermowood,芬兰,11,荷兰,阶段,1:,水热处理,阶段,2,:,干燥,阶段,4,:,调湿平衡,阶段,3,:,热固化处理,PLATO,荷兰,12,Retification,法国,特点：传热、保护介质为氮气,13,Oil Treated,德 国,14,欧洲炭化木应用的树种,松木 云杉 桦木 白杨 其他,15,芬兰是炭化木产业搞得最好的国家。每年生产的炭化木有近,10,万,m,3,。,炭化树种有：欧洲赤松、云杉、桦木、辐射松、白蜡木、落叶松、桤木、山毛榉等。,16,3,我国炭化木产业发展概况,我国炭化木产业发展经历了三个阶段，必将,走向第四阶段：,1,）进口阶段；,2,）零星试制阶段；,3,）市场热点、良莠不齐阶段；,17,1,）进口阶段,上世纪末、本世纪初，我国从欧洲的芬兰进口炭化木，,又叫芬兰木。,因为价格很高（每,m,3,1,万多元），在市场上销售量不大。,主要为欧洲赤松、云杉。,生产炭化木的设备（炭化窑或炭化罐），由于价格太贵,（容量为,30,35m,3,的炭化窑，售价约,40,万欧元），故基本,上打不进中国市场。,18,2,）零星试制阶段,本世纪初（约,03,04,年），少数防腐木生产厂家（主要,是从鹰潭木材防腐厂分离出的），摸索试制炭化木。,他们试制的共同特点：,缺乏理论指导，摸索试验、修改试制；,b.,炭化设备多为原防腐罐改造；,c.,批量较小（多为几个立方米），订货加工，形不成规模。,d.,炭化不均匀，引起颜色和材性不均匀。,19,3,）市场热点、良莠不齐阶段,2004,年以来，特别是,2007,年,4,月第三届上海国际建筑木,结构防腐技术产品展览会以来，炭化木成为木材行业的热,点，不少原来生产防腐木的工厂兼或改生产炭化木。产品质,量良莠不齐。,有四种类型：,表面炭化木；,b.,简易的深度炭化木；,c.,压板加热炭化木皮；,d.,科学生产的炭化木。,20,a.,表面炭化木,用喷灯烧或火烤，使板材表面炭化，呈焦黄（或黑）,色。也有的在木材表面炭化前后，用钢丝刷（或硬板刷）刷、,擦炭化的表面。擦去较软的早材，板面上只留下凸起的深色,的晚材花纹，立体感很强，起装饰作用。,表面炭化木只适用于木材表面防潮或装饰。其物理、力,学性能及耐候性、耐腐性与普通干木材无大差异。严格来,讲，不能算是炭化木。,21,表面炭化,22,浮雕效果,23,b.,简易的深度炭化木,用简易罐体（通常尺寸不大）对装入其中的一堆木材进,行炭化。,*罐内没有风机鼓动的强制气流循环,24,靠罐内壁的环形导热油管对木材辐射及微弱的自然对流,加热。,*这种炭化罐虽然投资少，但由于没有强制气流循环，故,木材炭化严重不均匀（颜色差异大，材性不均匀）。,*加热管传热效率低,。,25,c.,压板加热炭化木皮,在热压机中，用接触加热方法对实木复合地板的表层薄,板加热炭化。,26,d.,科学生产的炭化木,d-1.,炭化窑,d-2.,炭化罐,27,随着市场的成熟，用户对炭化木了解的加深，行业必将,走向优胜劣汰的第,4,阶段。,28,4,炭化木生产设备,国内、外炭化木生产的设备可分为窑式和罐式两大类。,各有特点，但都有共同要求。,4.1,对炭化设备的要求,1,）设备应有强大的热功率：,热媒温度要高,用导热油；,导热油流量要大,管道粗；,散热器散热面积要大,多组翅片式散热器；,29,2,）流过材堆的气流速度要高。,有利于传热和均匀炭化。,3,）壳体及设备应保温、气密、耐腐蚀。,壳体密闭及保温性好。,罐（窑）内设备用不锈钢和铝材，耐温、湿度及酸性气体,腐蚀。,4,）,罐（窑）内应充满水蒸气或惰性气体，以保护木材、防,止着火，且对木材强度有利。,30,4.2,炭化窑,干燥、热改性一体化处理窑的特点：,热源：导热油,保护气体：饱和水蒸汽,加热管：轧片式不锈钢管覆铝翅片的排管组装式,风机：横轴型、五台,雾化水系统：降温及调湿处理,隔条：铝合金,设备容量：,30 m,3,四、炭化木生产设备,31,四、炭化木生产设备,导热油炉,32,四、炭化木生产设备,热油管控制阀,铝合金隔条,33,4.3,炭化罐,34,兼木材的二次干燥和炭化于一体。,类型：导热油加热、侧向通风强制循环全金属罐。,容量：,15,16m,3,，材堆长,宽,高,=8 1.8 2.0m,。,罐壳：优质碳素钢内衬不锈钢耐腐层外包矿渣棉。,风机：,8,号铸铝、可逆循环轴流风机,4,台。风机轴特殊气密装置。,散热器：不锈钢衬管、铝翅片的轧片式排管，位于材堆两侧。,保护气体：水蒸气。,温湿度及压力控制：,干燥阶段,常压，用干湿球控制罐内温湿度。,炭化阶段,罐内,0.2,0.4MPa,（表压），用压力控制器控制。,用温度传感器控制散热器供油管上的电动阀。,35,5,炭化木生产工艺,工艺过程分为一次干燥、二次干燥、升温炭化、降温,调湿和冷却出罐,5,个阶段。,36,1,）一次干燥,从生材干燥到约,10,12%,的含水率。最好在常规窑内完成。,2,）二次干燥,从,10,12%,干燥到约,3,4%,的含水率，在炭化罐内完成。,温度约从,60,75,开始，分阶段升至,120,130,，干、湿,球温差逐步拉大至,20,30,。待木材含水率降至约,3,4%,结束。,关键：防开裂,3,）,升温炭化,木材含水率降至,3,4%,后，度过开裂危险期。较快升温至,炭化温度（,180,220,），并保持,3,4h,，对木材热处理。,罐内压力逐步升至,0.2,0.4MPa,压力蒸汽炭化。,这阶段控制罐内温度和压力两参数。,关键：控制板材颜色,37,4,）降温调湿,木材炭化后含水率很低（常压炭化为,0.5%,以下，,0.4MPa,压,力炭化为,3.5%,以下），温度很高（接近,180,）。必须降,温增湿,喷雾化水和蒸汽。,待温度降至约,116,，开始调湿处理，使木材含水率升至,4,5%,，温度降至约,112,结束。,这阶段继续喷雾化水和喷蒸汽，压力逐步降至常压。,关键：初期防着火，后期控制终含水率,5,）冷却出罐,这阶段温度降至约,70,可微开罐门。罐内、外温差降至,30,才可出罐。,关键：防开裂,38,6,）压力罐炭化工艺的特点,与常压蒸汽相比，木材在压力蒸汽中的平衡含水率较高。如,在,1.7310,5,Pa,压力和,121,的温度下，木材平衡含水率为,10%,，而在同样温度的常压蒸汽中，木材平衡含水率,4%,。,在,410,5,Pa,压力，,180,温度下炭化时，木材平衡含水率约,为,3,3.5%,，而同样温度的常压蒸汽下为,0.5%,，木材少干燥,约,3%,的含水率。,在随后的调湿处理中，木材又少增湿了,3%,含水率。一正一,负可节约,6%,含水率的能耗。对木材的力学强度也有利。,39,不同蒸汽压力下，木材平衡含水率与温度的关系,（自,H.Rosen,1983,）,40,处理前后对比：,五、试材、工艺和产品,41,含水率及处理质量检验流水线,:,五、试材、工艺和产品,42,五、试材、工艺和产品,43,五、试材、工艺和产品,44,热改性实木地板半成品,1,5,白蜡木,2,柞木,3,桦木,4,7,8,香樟,6,荷木,2,3,4,5,6,7,8,1,五、试材、工艺和产品,45,实木复合地板用,3mm,厚热改性木材薄板：,五、试材、工艺和产品,46,热改性针叶锯材：,花旗松,樟子松,红松,铁杉,五、试材、工艺和产品,47,6,炭化木与常规材材性对比,国外资料,48,6-1,处理温度对密度的影响，松木,49,6-2,处理温度对强度的影响,6-2-1,处理温度对弯曲强度的影响，松木,50,6-2-2,处理温度对横弯弹性模量的影响，松木,51,6-2-3,处理温度对顺纹抗压的影响，云杉,52,6-3,处理温度对硬度的影响，松木,53,6-4,相对湿度对热处理云杉平衡含水率的影响,54,6-5-1,相对湿度对云杉径向湿胀率的影响,55,6-5-2,相对湿度对云杉弦向湿胀率的影响,56,6-6,热处理对蒸汽渗透性的影响，云杉,57,6-7,热处理和未处理,松木试样的热释放率,58,6-8,热处理对,松木耐腐性的影响,59,6-9-1,刨光松木板材自然暴露的含水率（雨水）,6-9,耐气候性,60,6-9-2,热处理温度对松木室外暴露颜色变化的影响（晒变色）,61,6-9-3,热处理温度对松木板材轮裂和霉变的影响,62,6-10,热处理温度对松木板材颜色的影响,63,120C,140C,160C,180C,200C,220C,64,6-11,松木试样的有机释放物,65,国内生产试验资料,66,物理性能：,吸湿性和尺寸稳定性,:,上述四种地板坯料,尺寸,:15,40,40(mm),试样数量,:20(,改性材,10,对照材,10),平衡条件,:(30,RH=30%)(30,RH=93%),计算公式,:,吸湿率：,弦向湿胀率：,（表征,“,尺寸稳定性,”,）,1=,(30,30%),环境,2,=,(30,93%),环境,G=,重量,B=,弦向尺寸,67,物理性能：,平衡含水率,:,白蜡木地板坯料,尺寸、试样数量,:,同上,平衡条件,:(30,30%)(30,65%)(30,93%),导热性能,:,地采暖地板的关键性能,白蜡木实木地板,(,厚度,18mm),实木复合地板,(12.5mm),强化地板,(8mm),测量水泥地面和三种地板表面的温度变化情况,68,材性测试,地采暖系统：,69,高温热处理实木地板与常规地板性能,对比结果,70,1,、导热效能对比,用导热效能代表地板的传热效果。导热效能越大，说明地板的导热性能越好。,71,（数据来源：国家人造板检测中心）,表,1,三种木质地板导热效能对比表,72,不同类型地板在地热环境中的导热,从实际使用测量也可以证明：,188,高温实木地板的导热性优于,12.5mm,厚实木复合。,73,地热环境下两种实木地板实际使用情况,188,实木地板,常规实木地板,74,吸湿性是地板在不同湿度空气中的含水率变化大小，吸湿性表征了实木地板吸收空气中水分的能力。吸湿性越小，实木地板越不容易吸收空气中的水分，说明实木地板越稳定。,2,、吸湿性对比,75,吸湿性对比表,（吸湿性单位：,%,）,注：试验在相对湿度,30%,和相对湿度,93%,条件下进行。,76,技术总结报告,吸湿性对比,下降率,（,%,）：,52.43,55.11 49.66 50.37,77,3,、尺寸稳定性对比,尺寸稳定性是实木地板在不同湿度空气,中的尺寸变化大小。尺寸稳定系数越小，说,明实木地板越稳定，使用时越不容易变形、,起拱、开裂、离缝。反之，说明实木地板越,不稳定。,78,表,2,尺寸稳定系数对比表,（尺寸稳定性单位,:%,）,注：稳定稳定系数是在相对湿度,30%,和相对湿度,93%,条件下的尺寸变化率）,79,弦向湿胀性对比,湿胀性即尺寸稳定性,80,188,地板（白腊木）弦向尺寸在不同湿度条件下变化图,81,4,、平衡含水率对比,平衡含水率是指实木地板在一定的温度和相对湿度条件下，实木地板达到水分恒定不变时的含水率。平衡含水率越低，说明实木地板越不容易吸收空气中的水分，地板越稳定。,82,188,地板（白腊木）在,30,不同湿度条件下的平衡含水率,83,5,、强度对比,试材选择,:,径切板,端部匹配法,尺寸,MOE&MOR:1919300(mm),顺纹抗压,:191930(mm),试样数量,:60(,改性材,30,对照材,30),平衡条件,:MC=4%(50,EMC=3.9%);MC=9%(50,EMC=3.9%);,力学性能：,白蜡木地板坯料,84,相同含水率,(MC=4%),力学强度对比,白蜡木,85,在实际使用环境下，热改性材的平衡含水率低于对照材,白蜡木热改性前后平衡含水率对比,86,实际使用含水率水平下,(MC,T,=4%,MC,R,=9%),力学强度对比,白蜡木,变化率,（,%,）：,4.27 -5.03 24.21,87,6,防腐性测试,防腐性指木材抵抗真菌腐朽的能力。,88,产品检测报告,耐腐性,材种：樟子松,密度：气干密度,0.45g/cm,3,含水率：,4.26%,检测单位：中国林业科学院木材工业研究所,89,7,炭化木加工和利用中应注意的问题,1,）颜色：颜色应均匀（板材与板材之间，一块板子表层,与内部颜色都要均匀）。但生产上，一窑（罐）的板子,不可能完全一样颜色，故可做成约,3,个色系，每个色系中,颜色相同。,2,）含水率：炭化木的终含水率应与使用条件相适应。有,三种情况：,a.,北方地热地板，炭化木含水率应为,4,5%,。,b.,北方室内地板，含水率应为,5,7%,。,c.,南方室内地板，含水率应为,7,9%,。,90,3,）铣削企口或开槽：铣刀要锋利，进刀或退刀速度要控,制，以防板端撕裂。炭化木加工性能良好。,炭化木加工性能良好,91,4,）钉钉子（或螺钉）前，应钻直径略小于钉径的小孔，,以防劈裂。,5,）若涂饰水溶性涂料或胶料时，涂料或胶料浓度要控,制，不能太浓，涂饰的速度不能太快，要让其有足够的,时间渗透到炭化木中。但其它溶剂的涂料或胶料与常规,木材施工相同。,6,）室外用的炭化木一定要涂涂料，不能素板直接使用。,以免阳光中的紫外线照射使板面呈,“,惨,”,灰色，以免板端轮,裂及板面生霉。涂饰油性底子加醇酸面漆，或专业涂料如,汤姆逊,“,水封,”,涂料等，可有效防止上述缺陷。,7,）在室外使用时，最好不要直接接触土壤（特别是南方）,和海水，以延长使用寿命。,8,）不推荐炭化木用作重型木结构。,92,8,炭化木的应用,室内用：炭化木,S,室内装饰、地板（含地热地板）、壁板、家具、门窗、百,页窗帘、窗台板、桑拿房木构件、暖气框罩。,室外用：炭化木,D,外墙板、户外地板、甲板、栏杆、户外家具、户外门窗、园艺小品、游泳池和浴室木构件、游乐场木配件等。,93,国外应用范例,94,95,96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,国内应用范例,110,三、我国热改性木材的应用,111,三、我国热改性木材的应用,112,三、我国热改性木材的应用,113,三、我国热改性木材的应用,114,三、我国热改性木材的应用,115,三、我国热改性木材的应用,116,三、我国热改性木材的应用,117,三、我国热改性木材的应用,118,三、我国热改性木材的应用,119,三、我国热改性木材的应用,120,三、我国热改性木材的应用,121,三、我国热改性木材的应用,122,三、我国热改性木材的应用,123,三、我国热改性木材的应用,124,谢谢大家！,THANK,YOU 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