基于水分分布调控的实木层状压缩方法与流程

1.本发明设涉及一种基于水分分布调控的实木层状压缩方法，属于木材加工领域。


背景技术：

2.木材组分中，纤维素的非结晶区、半纤维素和木质素分子对极性分子有很强的亲和性，使木材容易吸湿膨胀，是木材由弹性转变为塑性的重要内在因素之一。具有高弹性的干燥木材，吸湿或吸水后，木材组分分子间的结合力减弱，可以由高弹态转变为塑性态；而在高温环境中，由于分子热运动加速，降低了木材的玻璃化转变温度，也可以使木材由弹性态转变为塑性态。由此可见，温度和含水率是影响木材软化性能以及弹性和塑性间转化的重要因素，也是实现木材层状压缩，并使压缩变形固定，获得具有高稳定性压缩木材的重要工艺参数。
3.目前木材内部含水率变化的研究，都是以木材干燥为目标，在初始含水率均匀状态下，或者内高外低的天然分布状态下，展开的应用基础研究。高含水率木材在加热干燥过程，平均含水率随着干燥时间的延长，逐渐降低，表层的低含水率“干区”逐渐增大，中间层的高含水率“湿区”逐渐减小，使木材由表层向中心逐渐干燥，获得干燥木材。
4.实木层状压缩需要解决的主要问题之一是调控木材内部含水率分布。实木层状压缩过程中，为了控制压缩层形成的位置，木材内部含水率分布必须始终处于非均匀状态，因此，压缩前的初含水率分布与木材干燥截然不同。在此基础上，开发木材内部水分迁移及含水率分布的控制方法，可以为实木层状压缩过程中压缩位置和压缩层厚度调控，以及层状压缩木材生产提供一种新途径，对人工林速生材的高品质利用和附加值提高具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种基于水分分布调控的实木层状压缩方法。本发明可以调控木材内部在厚度方向上的含水率分布，方便进行实木层状压缩，具有调控方便和准确的优点。
6.本发明的技术方案：基于水分分布调控的实木层状压缩方法，通过干燥后再浸水处理，在木材内部形成表层含水率高、内部含水率低的含水率非均匀分布状态；然后通过放置时间调控或热板夹持下的加热处理，使得木材内部在厚度方向上形成水分迁移，控制木材内部在厚度方向上的含水率分布；再通过含水率分布来确定压缩层形成的位置，施加外力压缩进而实现实木层状压缩位置的精确分布调控。
7.上述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，所述含水率分布的计算方法是根据表层浸水木材和干燥木材的剖面密度差值，以每个剖面密度测定步长为厚度单元，计算木材厚度方向的含水率，绘制木材厚度方向的含水率分布图，再根据木材厚度方向的含水率分布图获得高含水率层最大含水率与加热时间之间的函数关系：
8.y＝ae
bx
，
9.其中，a和b为常数，，y为高含水率层中最大含水率的位置，x为加热时间。
10.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，厚度为20mm的杨木先浸水2小时，再放置常温18小时，最后180℃热板夹持加热处理下，a＝2.441，b＝0.0025。
11.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，通过含水率分布来确定压缩层形成的位置的关系式如下：
12.y＝1.343x-0.078；
13.其中，y为密度峰值的相对位置，x为高含水率层中最大含水率的相对位置。
14.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，所述浸水处理是将含水率6-28％的木材通过浸泡、沾水或喷淋处理1-20小时。
15.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，通过提高水温，增加单位时间内木材表层水分的渗透深度和高含水率层的总水量。
16.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，所述木材是在40-240℃的热板夹持下进行加热处理，压力为1.5-10mpa，压缩速度为0.1-2mm/s。
17.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，所述的放置是将木材在不会发生水分蒸发的情况下进行放置。
18.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，所述的放置是将木材置于密封袋中进行密封放置处理，放置环境温度为1-150℃。
19.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，从表层浸水木材，或者表层浸水木材放置后，或者表层浸水木材在热板夹持下加热后的木材的中部取试样，测试木材厚度方向的剖面密度，获得表层浸水木材，或者表层浸水木材放置后，或者表层浸水木材在热板夹持下加热后的木材厚度方向的密度分布曲线，然后将其在103℃的干燥箱中干燥至绝干，取出后第2次测定剖面密度，再根据浸水深度和木材的干缩系数，获得表层浸水木材在干燥后的厚度方向的密度分布曲线；
20.将干燥后木材的密度分布曲线平移重叠至表层浸水木材的密度分布曲线的浸水后木材水分未渗入区域，获得干燥平移曲线；通过干燥平移曲线与表层浸水木材的密度分布曲线的差异以及获得的两条曲线由于密度差异形成的分离点，得到水分迁移范围和深度，实现表层浸水状态和水分分布的可视化。
21.前述的基于水分分布调控的实木层状压缩方法，所述剖面密度是通过剖面密度分析仪测得，测量时扫描步长为15-1000μm。
22.与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：
23.1.本发明通过干燥和浸水处理，在木材内部形成表层含水率高、内部含水率低的含水率非均匀分布状态；再通过放置时间调控和热板夹持下的加热处理，使得木材内部在厚度方向上形成水分迁移，控制木材内部在厚度方向上的含水率分布；再通过含水率分布来确定压缩层形成的位置，进而实现实木层状压缩位置的精确分布调控，使得其制备的木材能够满足实木层压缩的相关要求，具有调控简单方便和准确的优点。本发明可以为实木层状压缩过程中压缩位置和压缩层厚度调控，以及层状压缩木材生产提供一种新途径和新思路。
24.2、本发明采用剖面密度法测定木材内部的水分分布时，将表层浸水木材、干燥木材的剖面密度分布曲线，以及干燥后平移曲线放在同一坐标系上，可以实现表层浸水状态
和含水率分布的可视化，方便后续进行木材内部水分迁移和含水率分布的可视化调控。
附图说明
25.图1是本发明的高含水率区域的含水率最大值位置随加热时间增加的二维函数关系；
26.图2是板材厚度方向上高含水率区域的含水率最大值位置随加热时间增加而变化的三维关系示意图；
27.图3是密度峰值的相对位置与含水率峰值的相对位置函数关系示意图；
28.图4是木材浸水后和干燥后木材厚度方向的密度分布图；
29.图5是常温下(20℃)木材表面吸水量的时序列曲线；
30.图6是含水率分布调控和分层含水率测定的取样示意图；
31.图7是根据分层含水率实测值和函数关系计算值绘制木材厚度方向的含水率分布图；
32.图8是不同浸水时间下浸水木材厚度方向的水分迁移可视化图；
33.图9是密封放置和加热处理后表面浸水木材的表层高含水率区域由表层向中心移动的可视化图；
34.图10是木材内部高含水率区域随着加热时间增加的含水率变化图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
36.实施例：基于水分分布调控的实木层状压缩方法，所需材料和仪器如下：
37.木材准备：
38.(1)、木材：包括人工林速生材和天然林木材，所有针叶材和阔叶材。
39.(2)、将木材加工成板材，可以是弦向板、弦径向板、径向板，优选弦向板；厚度为0.5-500mm，也可以是任意可加工的厚度，优选1-150mm；
40.(3)、对锯解后的木材板面进行刨光、砂光处理，使表面平整，或者锯解后的板材不进行表面平整处理；
41.仪器设备
42.(1)、木材加湿设备，可以采用喷淋、水槽内浸泡和加压浸注方式，以能够将木材表面下一定深度范围内浸入水分为准。水温0℃-100℃，优选常温。
43.(2)、两张可加热的金属板，金属板的厚度大于2mm，加热金属板具有温度控制装置，或者热压机；温度调控范围在0～250℃；
44.(3)、剖面密度仪，用于测量板材厚度方向的密度分布，仪器的扫描步长为15-1000μm。
45.在准备好所需材料后，通过干燥和浸水处理，在木材内部形成表层含水率高、内部含水率低的含水率非均匀分布状态；再通过放置时间调控和热板夹持下的加热处理，使得木材内部在厚度方向上形成水分迁移，控制木材内部在厚度方向上的含水率分布；再通过含水率分布来确定压缩层形成的位置，进而实现实木层状压缩位置精确分布调控。具体的，
按以下步骤进行：
46.将含水率6-28％的木材(优选含水率9-23％)横截面用疏水性材料进行封端处理或者横截面不处理，通过浸泡、沾水或喷淋处理1-20小时，在木材表面附近形成一个高含水率层，从而获得初含水率非均匀分布的表层浸水木材(即表层含水率高、内部含水率低)；其中可以通过延长浸水时间或者提高水温，增加单位时间内水分的渗透深度和高含水率层的总水量，如图1和图2所示，所述含水率分布的计算方法是根据表层浸水木材和干燥木材的剖面密度差值，以每个步长为厚度单元，计算木材厚度方向的含水率，绘制木材厚度方向的含水率分布图，高含水率层(区域)最大含水率与加热时间之间的函数关系为y＝ae
bx
，
47.其中，a和b为常数，本实施例中，厚度是20mm的杨木，浸水2小时，放置18小时后，180℃加热下，a＝2.441，b＝0.0025，y为高含水率层中最大含水率的位置，x为加热时间，在其他实施例中a和b可通过树种、含水率和加热时间进行确定。
48.再通过含水率分布来确定压缩层形成的位置，如图3所示，关系式如下：
49.y＝1.343x-0.078；
50.其中，y为密度峰值的相对位置，x为高含水率层中最大含水率的相对位置。
51.本实施例中，所述剖面密度是通过剖面密度分析仪测得，测量时由上表面至下表面进行扫描，扫描步长为15-1000μm。
52.具体的，从表层浸水木材的中部取试样(50mm(l)
×
50mm(t)
×
20mm(r))，测试木材厚度方向的剖面密度，获得获得表层浸水木材厚度方向的密度分布曲线，然后将其在103℃的干燥箱中干燥至绝干，取出后第2次测定剖面密度，根据浸水深度和木材的干缩系数，获得表层浸水木材在干燥后的厚度方向的密度分布曲线；
53.将干燥后木材的密度分布曲线平移重叠至表层浸水木材的密度分布曲线的浸水后木材水分未渗入区域，获得的干燥平移曲线；通过干燥平移曲线与表层浸水木材的密度分布曲线的差异以及获得的两条曲线由于密度差异形成的分离点，从而根据分离点得到水分迁移范围和深度，如图4所示，图4中分离点为a和b。对于同一块木材，这个密度差异来源于浸水形成的含水率差异，因此从这两条曲线的分离状态可以直观地看出水分渗入范围(斜线部分)和深度(点a到上表面的距离和点b到下表面的距离)。由此本发明将表层浸水木材、干燥木材以及干燥后平移的剖面密度分布曲线放在同一坐标系内，可以实现表层浸水状态和水分分布的可视化。
54.同时，由于木材中纵向和横向的水分扩散系数仅为约为5.0
×
10-6
cm2/s和0.3
×
10-6
cm2/s，横向水分扩散非常慢，即使是把木材浸泡在水中，在数十小时内，水分依然停留在表层，在板材厚度方向上形成高含水率层(区域)。如图5所示。因此本发明通过上述步骤可以在木材表面附近形成一个高含水率层。
55.进一步地，本实施例中，采用分层切片实测含水率的方法测定木材的分层含水率，根据含水率的变化，分析水分的迁移。图6为分层含水率测定的取样方法示意图。尺寸为400(l)
×
150(t)，厚度(r)的板材，在室温条件下实施浸水、放置、预热等处理的板材，先从距离板材端头20mm处，锯解出轴向长度为20mm的木条，再将木条的两端各去掉25mm，剩余部分为弦向长度50mm的木块。在这个木块的厚度方向上，从上表面至下表面，划分为等厚度的n层(n＝5-30层)，锯解出分层含水率试样。取样后立即称量各层试样的质量，之后将所有试样干燥至绝干，再次称量试样质量，按照公式(1)计算木材的分层含水率，绘制木材厚度方向
的含水率分布图，如图7所示。
[0056][0057]
式中：mci代表第i层的含水率(i＝1,2,...,n)，单位％；
[0058]
mi代表第i层的实际质量(i＝1,2,...,n)，单位g；
[0059]
m0代表第i层的绝干质量(i＝1,2,...,n)，单位g。
[0060]
本实施例中，将表层浸水木材放入密封袋中放置，通过放置来使木材表面附近形成一个高含水率层向木材中心迁移，并对比不同浸水时间下浸水木材厚度方向的水分迁移可视化图，如图8所示。
[0061]
将表层浸水木材进行放置后，再将表层浸水木材在40-240℃的热板夹持下进行加热处理(也是预热处理)，压力为1.5-10mpa，压缩速度为0.1-2mm/s。热板包括任意形式的可以加热的金属板或直接在热压机上进行加热处理，预加热温度优选90-180℃，再通过调控加热时间(时间在1-1000s)，得到密封放置和加热处理后表面浸水木材的表层高含水率区域由表层向中心移动的可视化图，如图9和图10所示，从图9和图10中可以看出，通过控制加热时间，本发明可以使得控制木材表层的高含水率层由表层向中心的迁移，进而控制板材厚度方向的含水率分布。因此本发明根据密封放置和加热处理时间的不同，将密封放置和/或加热处理时间不同的表层浸水木材进行进行含水率可视化，依据多个表层浸水木材在密封放置或加热处理的不同时间点的含水率分布图线性控制木材表面的高含水率层由表层向中心的迁移的位置，进而调控木材厚度方向的含水率分布。