一种木材的联合热处理方法及其装置与流程

本发明涉及木材热处理改性的，公开了一种木材的硫酸铝预处理-热处理-硅氧烷基沉积改性后处理的联合热处理方法；本发明同时还涉及一种能够适用于实施该种木材的联合热处理方法的装置。

背景技术：

1、对木材实施高温热处理可以改善木材的尺寸稳定性、耐久性和耐腐性等性能，经过热处理的木材可以用于外墙板、露台地板、家具和窗户框架等室内外建筑、装饰结构的制作。然而高温热处理所需能耗较高，以目前工业常用的热处理工艺为例，180℃-240℃的温度下处理2-8小时，热处理的能耗将占木材生产过程总能耗的40％-70％，这在极大程度上增加了木质产品的制造成本。

2、出于降低热处理能耗的目的，现有技术使用强酸弱碱盐溶液对木材实施预处理，经过预处理后的木材能够在相对较低的热处理温度、与较短的热处理时间的条件下获得较高温度、较长时间的热处理效果。例如中国专利数据库中公开号为cn108789718a，名称为“一种木材热处理方法”的发明专利申请中记载的技术方案，通过使用呈弱酸性的强碱弱酸盐溶液为木材改性处理液(例如硫酸铝溶液)，木材改性处理液渗透进入木材内部，促进木材内部吸水基团分解减少，降低木材热处理温度，从而能够以较低的温度实施热处理得到炭化程度较高的热处理木材，即获得与较高温度实施的热处理相似的改性效果。

3、强碱弱酸盐溶液可以通过产生酸性介质在相对较低的温度下催化木材内半纤维素的热降解，使其分解产生乙酸，通过乙酸进一步促进半纤维素、纤维素和木质素的降解，从而能够以较低的温度实施热处理但得到炭化程度较高的热处理木材。强碱弱酸盐溶液通过水解反应生成能够与木材内羟基等极性基团络合的水合离子，水合离子在木材的表面形成附着、内部形成沉积，从而善木材的尺寸稳定性。同时，一些强碱弱酸盐溶液，例如硫酸铝溶液具有较好的耐热性，所以硫酸铝溶液的在木材表面的附着、内部的沉积能够改善木材的热稳定性，进而改善木材的抗老化性能。

4、然而，在实际生产过程中，该方法没有被广泛的应用，原因在于：

5、(1)虽然实际的热处理温度较低，但经过强碱弱酸盐溶液预处理的木材受到温度、湿度的影响，半纤维素、纤维素和木质素大量降解，因此会在一定程度上影响木材的力学性能。

6、(2)即使同一批木材也存在着吸湿性能的差异，因此难以通过统计的方式确定强碱弱酸盐溶液的适当的浓度、浸渍时间，如若强碱弱酸盐溶液的预处理不充分，则影响热处理效果，低温下难以获得设定的炭化程度；如果木材表面附着或内部沉积的无机盐过量，则未完全水解-络合的无机盐改性剂以及羟基反而会提高木材的吸湿性，这在实际上也影响了热处理的降低木材吸湿性的效果。

7、综上，现有技术中缺乏一种能够降低木材热处理温度、保证热处理的亲水性改善效果、避免木材力学强度过大损失的工艺方法。

技术实现思路

1、本案的技术目的在于克服上述至少一项技术问题，提供一种木材的联合热处理方法，通过直接对木材实施硫酸铝预处理以降低木材热处理所需要的温度，再以硅氧烷基沉积后处理的手段与木材表面未降解的羟基、以及未完全水解-络合的无机盐改性剂发生化学结合，从而在降低热处理所需温度的同时，保证热处理的亲水性改善效果；硅氧烷基在木材表面的沉积还能够弥补木材因半纤维素、纤维素和木质素大量降解而造成的力学性能的损失，至少改善热处理后木材的表面硬度。

2、为实现上述技术目的，本案的一个方面提供了一种木材的联合热处理方法，它依序包括以下工序：

3、实施预处理的工序，将木材浸泡于硫酸铝溶液中直至增重量达到10-35％，得到预处理木材；

4、实施热处理的工序，将预处理木材置于120-160℃的温度条件下热处理1-3h，得到热处理木材；

5、实施后处理的工序，将热处理木材浸泡于硅氧烷改性溶液中一段时间，干燥，硅氧烷改性溶液是包括甲基三乙氧基硅烷和硅酸四乙酯的混合溶液。

6、经过硫酸铝溶液的预处理之后的木材在热处理的工序中，受到温度、湿度的影响，半纤维素、纤维素和木质素大量降解，从而影响木材的力学性能，在本案中，借由限定木材在硫酸铝溶液中的浸泡程度为“直至增重量达到10-35％”、热处理的温度和时间分别为120-160℃和1-3h，从而能够保证硫酸铝催化-热处理联合处理后的木材具有良好的尺寸稳定性和热稳定性的同时，使木材仍具有相对较高的力学强度。

7、与此同时，在本案中，借由后处理的工序的实施，且该后处理的工序是通过浸渍硅氧烷改性溶液实现的，从而：

8、在第一个方面，在木材表面形成硅氧烷基浸渍层，提高木材表面的疏水性；

9、在第二个方面，发明人发现，经过硫酸铝催化-热处理联合处理后的木材的力学性能的下降不仅仅源自半纤维素、纤维素和木质素的大量降解，并且经过联合处理后的木材在老化的进程中具有程度更重的光降解，而硅氧烷基沉积后处理可以更快速、更有效地减缓联合处理后的木材在老化进程中的光降解，从而提高其耐老化性能，并维持木材在使用过程中的力学强度；

10、在第三个方面，经硫酸铝催化-热改性联合处理后，木材表面往往会残留一些未完全水解-络合的无机盐改性剂以及羟基，反而提高了木材表面亲水性较高，硅氧烷基溶胶体系中的“-oh”可以与木材表面基团进行化学结合，既能够消耗木材表面残留的无机盐改性剂和羟基，也能够减少木材及硅氧烷基层中的羟基，并加强硅氧烷基层在木材表面上的沉积改性效果；

11、在第四个方面，以硅酸四乙酯为前驱体并添加含有“-ch3”的甲基三乙氧基硅烷，能够对溶胶体系中“-oh”基团进行取代，从而能够使硅氧烷基层具有更高的疏水性。

12、作为一种优选的实施方式，在实施预处理的工序中，硫酸铝溶液的浓度为0.2-0.6mol/l。

13、作为一种优选的实施方式，在实施预处理的工序中，将木材浸泡于硫酸铝溶液中先实施循环处理、后实施常压浸渍，循环处理是负压条件3-4min、真空释放25-35s，循环处理的时长为1-1.5h。

14、作为一种优选的实施方式，常压浸渍的时长为20-26h。

15、作为一种优选的实施方式，在实施预处理的工序中，将木材浸泡于硫酸铝溶液中直至增重量达到20-35％。

16、作为一种优选的实施方式，热处理木材于硅氧烷改性溶液中浸泡2.5-3.5h后，在20-30℃的温度条件下陈化5-6h。

17、在上述技术方案中，通过在浸泡硅氧烷改性溶液后实施温度相对较低的陈化处理，能够令沉积在联合处理木材表面的硅氧烷基层固化干燥，进一步提高了硅氧烷基层的疏水性和持久性等改性效果。

18、作为一种优选的实施方式，硅氧烷改性溶液的制备方法依序包括以下步骤：

19、将甲基三乙氧基硅烷和硅酸四乙酯按照(0.5-1.5):1的摩尔比混合，随后加入乙醇和盐酸，并于20-30℃的温度和300-320rpm/min的转速条件下搅拌30-35min，得到混合溶液；

20、向混合溶液中逐滴加入去离子水后继续搅拌3.5-4.5h，得到预备溶液；

21、将预备溶液陈化2.5-3.5h，得到硅氧烷改性溶液。

22、本案同时还提供了适用于实施该种木材的联合热处理方法的装置，它包括：

23、至少两组浸渍罐，浸渍罐包括罐体、开设在罐体轴向一端的料口、与料口配合的前端盖、开设在罐体的顶部的送风槽、与送风槽配合的风门、设置在罐体底部的加热组件；

24、第一药剂机构，第一药剂机构适用于向浸渍罐提供硫酸铝溶液；

25、第二药剂机构，第二药剂机构适用于向浸渍罐提供硅氧烷改性溶液；

26、真空机构，真空机构适用于在浸渍罐中形成负压；

27、设置在浸渍罐顶部的热处理系统，热处理系统包括风箱、设置在风箱底部的出风槽、设置在风箱一侧的多组侧风机、位于侧风机下方的挡风板、排气天窗、加湿组件、设置于侧风机出风方向的前部的热处理加热组件，当风门处于开启状态时，风箱通过出风槽与送风槽的对接与罐体连通；以及

28、控制系统。

29、作为一种优选的实施方式，多组侧风机位于浸渍罐的一侧。

30、作为一种优选的实施方式，罐体为圆柱形罐体；风门包括能够沿罐体的内壁并以罐体的轴线为轴滑移转动的圆弧门板、滑移转动导向结构、滑移转动驱动结构；滑移转动导向结构包括安装在前端盖上的引导条、安装在圆弧门板的内壁上且与引导条相配合的限位台阶；滑移转动驱动结构包括设置在后端盖上的驱动电机、安装在驱动电机的输出轴上的驱动齿轮、安装在圆弧门板的内壁上且与驱动齿轮相配合的弧形齿条。

31、综上，本发明申请公开的一种木材的联合热处理方法及其装置至少具有以下优点：

32、1、在本案中，借由限定木材在硫酸铝溶液中的浸泡程度为“直至增重量达到10-35％”、热处理的温度和时间分别为120-160℃和1-3h，从而能够保证硫酸铝催化-热处理联合处理后的木材具有良好的尺寸稳定性和热稳定性的同时，使木材仍具有相对较高的力学强度。

33、2、在本案中，借由后处理的工序的实施，在木材表面形成硅氧烷基浸渍层，该硅氧烷基浸渍层能够提高木材表面的疏水性，减缓联合处理后的木材在老化进程中的光降解以提高其耐老化性能，能够消耗木材表面残留的无机盐改性剂和羟基，也能够减少木材及硅氧烷基层中的羟基，并加强硅氧烷基层在木材表面上的沉积改性效果。

34、3、在本案中，以硅酸四乙酯为前驱体并添加含有“-ch3”的甲基三乙氧基硅烷，能够对溶胶体系中“-oh”基团进行取代，从而能够使硅氧烷基层具有更高的疏水性。

35、4、在本案中，通过在容积相对较小的浸渍罐中实施预处理的工序和后处理的工序，能够较为有效地提高浸渍效率、更准确地控制真空度、执行循环工艺、减少药剂的浪费，同时通过送风槽、出风槽的配合使多组浸渍罐能够与风箱连通，能够扩大气体循环空间(该空间包括多组浸渍罐能够、风箱)，以避免气流循环空间过小引起的木材吹风开裂、有效控制热处理效果。

36、5、在本案中，预处理、热处理、后处理的工序均不需要移动木材，节约了木材的转运工序时间消耗、人力消耗和其它成本消耗，提高了生产效率。