熱處理木材的工藝與應用
木材熱處理是指在保護性氣體環境中，在160～
近10年來，歐洲的荷蘭、法國、德國和芬蘭。已經實現了木材熱處理技術的工業化應用。此外，日本、加拿大等國家和我國臺灣地區，也對熱處理木材進行了多方面的研究，并取得了一定成果。
1 熱處理木材的特性和發展現狀
熱處理能夠提高木材的尺寸穩定性，除去或緩釋木材內應力，原因在于，半纖維素特別是多糖醛苷發生化學變化后，變成弱吸濕性單體；此外，纖維素分子鏈內羥基相互結合而構成氫鍵。
熱處理提高木材防腐性能的可能原因是，熱處理過程中，木材組分發生了改變，切斷了菌類生存所需的營養物質來源；同時，含水率的降低抑制了菌類生長，使耐腐性得以提高。
而熱處理木材顏色的變化，主要是由化合物變化，半纖維素、木素、某些抽提化合物的降解引起。
目前，我國木材熱處理市場存在的主要問題是：缺乏專門的熱處理設備；相關配套技術還不成熟；大部分使用的是傳統窯式干燥方式。產品的主要缺陷是樹節脫落、表裂和內裂、色差大，制約了產品價格的提升。由于市場上銷售的各種熱處理木材良莠不齊，又缺乏明確的質量評價指標，用戶常常把表層炭化木與熱處理木材相混淆，時間實際上兩者的尺寸穩定性、耐腐性差異懸殊。
最近市場上出現一種防腐浮雕木（多稱為炭化木），是通過無色防腐液真空加壓進行防腐處理，氣干后再進行表面炭化處理，并未從根本上解決木材吸濕變形問題，同時也存在較高的污染隱患。
2 工藝解決方案
2.1 現有典型工藝
目前，歐洲國家已經建立了以下的5種典型的木材熱處理工藝，并獲得了相關專利。
1） 荷蘭Plato工藝。在溫度＞160℃、加壓條件下，對飽水木材進行熱處理；當木材干燥至含水率10%時，再在170～
2） 法國Retification工藝。在210℃以上，高氮且氧氣含量＜5%的條件下，對含水率為12%的木材進行處理。
3） 法國LesBois工藝。生材干燥之后，利用木材中水分產生的蒸汽進行加熱處理。
4） 德國熱油處理工藝。在160℃以上進行熱油浴。目前正在進行添加化學反應基團，將化學改性與熱處理相結合的油處理試驗。
5） 芬蘭ThermoWood工藝。先對生材或者預干的木材進行干燥，然后進行蒸汽熱處理。目前，已在商業上獲得巨大突破，且應用最為廣泛。
上述工藝是通過將氧氣維持自較低水平，來避免木材在高溫處理過程中著火。但處理周期長、能耗高，產品的質量參差不齊；特別是對溫度和壓力的控制要求較高，即便是1℃或0.4MPa之差，都可導致木材內裂的發生。
2.2 影響熱處理效果的因素
1）設備類型 分為罐式和窯式2種。德國的Reulbach木材熱油處理是將熱油泵入封閉罐體，在木材周圍實現高溫循環。油的類型、加熱溫度、加熱時間根據最終用途確定。倘若目標是獲得最好的耐久性和達到預計的油載荷，則應在
瑞典的工藝是以高溫蒸汽作為保護氣體，熱處理干燥窯的設計和性質與普通鋸材干燥窯相似。有蒸汽發生器產生的蒸汽，與材堆上方噴水裝置中的水混合，經過電加熱后，風送至材堆。通過改變空氣流向，使木材干燥和熱處理均勻。
2）原材料 最常用的熱處理木材樹種有：松木、云杉、樺木、歐洲白楊等。通常，用于防水結構的針葉樹材處理程度較深；用于室內裝修的闊葉樹材則輕度處理，以確保顏色和表面質量。另外，密度高的樹脂處理相對困難，熱處理時容易開裂，力學性能降低。
松木在熱處理中樹脂會外流，易沾污設備；云杉的樹節和年輪熱處理后容易變松，造成刨光時年輪突出；樺木需要進行低溫熱處理，以避免板面扭曲；白楊經過熱處理后研究不均勻，易發生劈裂。
3）鋸解方式 對于針葉樹材，采用年輪平行于表面的傳統切削方式，容易引起年輪的剝落。如切削時，年輪與木材表面夾角＞45°，變形量則可減少，表面硬度增加，表現效果更佳。
4）加熱介質 目前使用的加熱介質包括：空氣、水、油、水蒸氣，也可利用木材自身蒸發水分作為加熱介質。研究結果表明，在
5）溫度和時間 熱處理的溫度過低（
通常根據產品的終端用途確定熱處理時間。研究表明，4h處理的木材，其吸濕性能優于2h處理。
2.3 工藝重點
在前人研究成果的基礎上，筆者根據我國樹種特點，研究了新的處理工藝，獲得了良好效果。
1） 初含水率控制在10%～15%，過高會延長干燥時間；過低則會增加內裂的產生；
2） 在升溫、降溫階段，木材內外部的溫度宜保持在5℃左右，可以有效減少開裂；
3） 用去髓心板處理效果更為理想
4） 采用溫和干燥基準進行前期干燥，并在干燥第2階段前1h內控制顏色變化，使顏色達到預期要求。而以往的技術無法通過控制溫度和時間，來控制顏色，同時滿足尺寸穩定性、耐腐性和強度的要求。
5） 縮短高溫熱處理時間，避免或減弱因纖維素發生降解而引起木材強度和硬度的明顯降低；
6） 干燥第2階段是壓力峰值階段，也是內裂發生的敏感期和質量控制關鍵階段。通過嚴格控制此階段的時間和蒸汽壓力，比傳統的含水率控制和高溫熱處理階段控制更為有效合理；
7） 調節封閉罐內的pH值。熱處理過程中，酸的形成直接影響到整個系統的pH值、設備使用壽命，及產品力學性質、色度和明度。加入適量堿性緩沖溶液，延緩降解反應，可避免引起木材力學性能和色度的降低，同時改善產品的多項性能指標。
3 熱處理木材的應用前景
3.1 環保優勢
在歐洲，CTBA（木材與家具技術中心）根據EN84對云杉的測試結果顯示，熱處理云杉的瀝出物不含有毒物質，本身也是環保產品。在醫療上可作為骨科材料的代用品。
熱處理后的工業廢水包含：乙酸、酮、二苯基甲烷、萜烯、脂肪、蠟、苯酚等，通過燃燒、溶解、萃取等方法進行處理，可以達到國家環保相關排放標準。熱處理1m3 的云杉，最大可瀝出100～130g/m3的乙酸和20～40kg/m3的其他不同的化合物。
3.2 性能優勢
熱處理木材具有防腐防蟲功能，使用壽命延長，使用性能大大提高，如吸水性、吸濕膨脹性下降，尺寸穩定性提高，其制品幾乎不變形、不開裂，特別適用于制造地板、門、窗扥產品。
熱處理木材表面呈現淺棕色至深褐色，顏色均勻柔和，色差較天然木材小，保持時間長，且表面光滑。可部分替代珍貴闊葉樹材，用于制造室內外家具。
高溫處理，木材變脆，彎曲強度和握釘力降低10%～30%，但壓縮強度、沖擊強度、表面硬度變化不大，常用作費結構材用途。
處理材的熱傳導性降低10%～30%，可適用桑拿間、浴室等場合。
與同類木材改性產品相比，熱處理木材還具有：①加工性能好，易刨、銑、鉆；膠合涂飾效果優于同類產品；②經過特殊的紫外線防護劑涂飾后，幾時長期戶外使用，仍可保持原有顏色； ③能夠加工制作炭化木薄木，用于家具表面裝飾：④在保護劑中可添加各種天然顏料，滿足不同需要。
3.3 價格優勢
利用荷蘭Plato工藝熱處理木材的成本是972元/m3，法國Retification工藝的成本為1459元/m3,德國熱油處理的成本是2576元/m3；國內熱處理的成本約2000元/m3，低于ACQ防腐處理價格。
4 展望
木材熱處理作為一種新型的木材改性技術，在未來還需在以下幾個方面作進一步的探索。
1）擴大熱處理的木材樹種范圍。研究主要人工林木材對于熱處理工藝的適應性，尋找最佳工藝條件；探索利用低端木材模擬珍貴闊葉樹材顏色的技術，提高低端木材的附加值，擴大利用范圍。
2）在獲得鋸材熱處理成熟工藝的基礎上，將其工藝推廣至原木、膠合板等產品。產品應用由初級產品推廣到高端制品，例如：戶外地板、墻板、集裝箱材料、室內家具、浴室用具等。
3）建立我國的熱處理木材產品質量標準，明確評價指標，規范產品市場。同時，健全熱處理企業內部質量控制程序。
4）熱處理木材質量的無損檢測技術；研制便攜式測試設備，促進熱處理木材的規模化生產。