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隨著國家天然林保護(hù)工程的實(shí)施，人工林木材的開發(fā)利用已成為解決木材供需矛盾的重要途徑。蒸汽法木材炭化熱處理工藝的研究，是利用木材，提高木材附加值的物理加工手段。炭化木熱處理既具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐腐性、耐候性、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，又可通過炭化熱處理改變普通木材的顏色來模仿珍貴木材，提高其使用范圍和附加值，已越來越受到企業(yè)和木材科學(xué)研究人員的關(guān)注。
 
自從上個(gè)世紀(jì)中葉，不同的木材炭化熱處理改性工藝在法國、芬蘭、荷蘭和德國就發(fā)展起來并產(chǎn)業(yè)化[1]，而國內(nèi)關(guān)于木材炭化熱處理工藝的研究甚少。因此，借鑒國外木材炭化熱處理方法和經(jīng)驗(yàn)，適時(shí)開展我國木材炭化熱處理改性研究尤為重要。
 

 
經(jīng)過大量的探索試驗(yàn)，得出適用于自制小型炭化熱處理設(shè)備的杉木木材炭化熱處理工藝，具體如下：
 
（1）木材準(zhǔn)備：用含水率測定儀對各木材進(jìn)行含水率測定，并記錄。經(jīng)測定含水率范圍應(yīng)小于15%的用塑料薄膜包裹防止吸濕，待用；而對于含水率大于15%的待處理木材，應(yīng)先采用常規(guī)干燥方法進(jìn)行干燥處理，使其含水率低于15%后再進(jìn)行處理。
 
（2）木材堆垛：按常規(guī)干燥法堆垛，放入炭化熱處理設(shè)備內(nèi)，關(guān)閉干燥室的大門和進(jìn)、排氣口進(jìn)行處理。
 
（3）預(yù)熱過程：將窯內(nèi)溫度在1～3h內(nèi)升到60～70℃，板材每厚1cm預(yù)炭化熱處理1h。此過程目的是對木材加熱并提高木材心層的溫度，使木材熱透，以便在干燥階段能加速內(nèi)部水分向表層移動，同時(shí)可以消除木材的應(yīng)力。
 
（4）升溫過程：將窯內(nèi)介質(zhì)溫度以14～16℃/h的速度快速升溫到100℃左右；接著以3-5℃/h的速度升溫到130℃左右對素材進(jìn)行高溫干燥，使素材接近絕干（含水率接近0）；再以15-20℃/h的速度升溫到185-220℃之間對素材進(jìn)行前期炭化熱處理；在此升溫階段中采用間歇式噴蒸法進(jìn)行噴蒸處理，以防止木材燃燒，同時(shí)有利于窯內(nèi)溫度和濕度的調(diào)節(jié)；在此階段，升溫速度對防止木材內(nèi)部產(chǎn)生開裂是非常重要的，升溫速度太快容易產(chǎn)生開裂翹曲。
 
（5）保溫過程：在目標(biāo)溫度保溫1-4h。在此過程中應(yīng)適當(dāng)間接噴蒸，輔以過熱蒸汽保護(hù)。在干燥和炭化熱處理過程中所用的蒸汽是作為保護(hù)蒸汽，這些保護(hù)蒸汽主要防止木材燃燒，同時(shí)對木材內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)變化產(chǎn)生影響。
 
（6）降溫和調(diào)節(jié)過程：關(guān)閉熱源，采用間歇式噴蒸法降溫，使窯內(nèi)溫度以15～20℃/h的速度降溫到120～140℃；接著采用進(jìn)排氣口間歇開合和間歇式噴蒸法進(jìn)行降溫，使窯內(nèi)溫度以3-5℃/h的速度降溫到80-90℃，采用間歇式噴蒸法進(jìn)行噴蒸處理，維持1～4h，使木材含水率達(dá)到4～8%；再自然降至室溫，出窯。
 
在木材出窯前，要特別注意木材內(nèi)部的高溫和周圍外部空氣的溫差會使木材產(chǎn)生開裂。此外還需根據(jù)炭化熱處理木材的zui終用途對木材進(jìn)行調(diào)濕處理，木材的終含水率對木材的性質(zhì)有重要的影響，含水率過低的木材也不適合加工應(yīng)用。由于炭化熱處理的溫度和所處理木材的不同，調(diào)節(jié)階段需要5-15h。
 
由于高溫干燥含水率過高會造成嚴(yán)重的開裂變形，因此炭化熱處理前采用較低的含水率試材，應(yīng)低于15%。Norimoto[3-4] 認(rèn)為，在200 ℃左右的蒸汽作用下，木材的半纖維素、木素和纖維素微纖絲有可能被切斷，因此變定固定的原因是蒸汽使微纖絲和基質(zhì)材料蓄積的回復(fù)力消失或木材分子之間產(chǎn)生架橋，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸汽溫度在160℃時(shí)木材內(nèi)的應(yīng)力顯著下降，當(dāng)蒸汽在180℃時(shí)，應(yīng)力在1000s內(nèi)*消失?；谠?30℃以上木材內(nèi)部的應(yīng)力較小，木材的形變固定等原因，本試驗(yàn)采用了在130℃到目標(biāo)處理溫度的過程中和目標(biāo)處理溫度降至130℃過程中，進(jìn)行快速升溫或降溫，但又要保持木材心邊材的溫度差不能太大，使木材內(nèi)外的炭化熱處理程度避免差異過大，因此，在快速升溫或降溫過程中視內(nèi)外溫差變化，調(diào)整升降溫速度。在低于130℃的降溫過程中，李大綱，李堅(jiān)，劉一星等[5]認(rèn)為由于溫度降低又回到玻璃態(tài)，冷下來的微纖絲和基質(zhì)又能產(chǎn)生彈性變形，因此若不再進(jìn)行軟化處理就不會有回復(fù)發(fā)生。然而，基質(zhì)一旦再次被軟化（在濕熱條件下）儲存在微纖絲中的彈性應(yīng)變能就會釋放出來，基質(zhì)分子又會運(yùn)動，因此，木材又要產(chǎn)生回復(fù)變形，產(chǎn)生應(yīng)力，本試驗(yàn)采用緩慢降溫，使條件緩和下來，減少變形開裂。
 
試驗(yàn)結(jié)果表明，按該工藝制得的炭化熱處理木材出窯后尺寸穩(wěn)定，無開裂和變形發(fā)生，板材強(qiáng)度略有下降，板面顏色隨炭化熱處理時(shí)間延長和目標(biāo)溫度的升高而逐漸加深。其中，溫度變化對板材顏色的影響更為顯著，上述工藝切實(shí)可行，對不同炭化熱處理木材工藝下的板材的性能和板面顏色變化有待做進(jìn)一步的研究。
 
3 結(jié)論3.1 在炭化熱處理初期，待處理木材的含水率應(yīng)小于15%，迅速升溫至100℃，再緩慢升溫到130℃干燥到絕干，迅速升溫到炭化熱處理目標(biāo)溫度，一般應(yīng)控制在180℃-220℃范圍內(nèi)，在處理過程中應(yīng)適當(dāng)噴蒸，降到80℃，調(diào)整含水率到4%-8%，出窯。
 
3.2 采用上述工藝得到的木材得率較高，制得的炭化熱處理木材出窯后尺寸穩(wěn)定，無開裂和變形發(fā)生，板材強(qiáng)度略有下降，板面顏色隨炭化熱處理時(shí)間延長和目標(biāo)溫度的升高而逐漸加深。
 
3.3炭化熱處理木材具有良好的尺寸穩(wěn)定性、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在室外木建筑、家具與室內(nèi)裝飾裝修等行業(yè)必將得到廣泛應(yīng)用。所以，對人工林速生材進(jìn)行炭化熱處理改性制造炭化木，是人工林木材深加工及利用的一種有效方法。