熏煙熱處理技術在國內及日本的發(fā)展與應用研究

劉麗麗，張 宏，張文標，張 敏,2*

（1. 浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300；2. 京都大學生存圈研究所，日本 京都 611-0011）

近年來我國膠合板工業(yè)發(fā)展迅速，但與此同時，膠合板的原料問題也變得十分突出，特別是柳桉、椴木、水曲柳等天然林木材日益減少，無法滿足實際生產的需要。解決膠合板原料問題的有效途徑就是合理利用人工林速生材。楊樹、杉樹、桉樹等均為我國主要的速生材樹種[1]，楊樹因其適應性強、生長快、材質白等獨特的優(yōu)勢已成為我國膠合板的原料樹種之一。但由于楊樹木材存在著易變形、易開裂、強度低等質量缺陷[2]，基本只用于生產膠合板，而不能用于制材加工，嚴重制約了其利用范圍。對楊木材性的研究表明，除生長應力之外，楊木含水率沿樹干方向分布不均勻，干燥時低含水率部位首先水分蒸發(fā)到纖維飽和點，并開始干縮，在木材內形成干縮應力。而高含水率部位干燥到達纖維飽和點所需時間較長，這種應力形成的時間差最后造成干燥后的板面不平整，翹曲變形嚴重，一當板面受壓時并發(fā)生破裂現(xiàn)象。

為了解決速生材楊木膠合板易翹曲變形、易開裂等問題，國內不少高校及科研院所進行了多方面的研究。如旋切單板的干燥技術（楊木厚單板連續(xù)熱壓干燥的工藝研究[3]，楊木單板高溫高濕干燥工藝研究[4]，速生楊木快速優(yōu)質干燥的新方法—連續(xù)式熱壓干燥的研究[5]等）；旋切單板表面的化學改性處理（混合樹脂液強化改性楊木單板的聚合工藝研究，纖維素—半纖維素酶處理對楊木單板表面膠合性能的影響研究[6]等）；原木蒸煮溫度對厚單板質量的影響[7]等。但重點放在對楊木原木旋切前的熏煙熱處理技術的研究，在國內尚屬空白。

圖1 熏煙熱處理窯示意圖Figure 1 Sketch map showing the smoke heating treatment kiln

1 熏煙熱處理技術

1.1 熏煙熱處理技術的定義

熏煙熱處理窯如圖1所示，是由燃燒室和處理爐兩部分組成[8]。除煙氣吸入口和排煙口以外，處理爐是全封閉的。以廢木材為主要燃料，在不完全燃燒的狀況下產生大量燃燒氣體（煙氣），煙氣中含有大量的熱能和多種熱分解生成物。熏煙熱處理即指：在最低溫度為80℃，最高溫度為 200℃的爐內環(huán)境中，使帶有樹皮的原木材內溫度上升至70 ~ 95℃，并保持一定的熱處理時間。在這期間，木質素在水分的存在下開始熱軟化，材內水分移動，木材含水率降低，含水率分布均勻化，內應力減小，木材組織結構趨于穩(wěn)定。

1.2 熏煙熱處理材的定義

熏煙熱處理材可以是原木，也可以是鋸材。熏煙熱處理后，原木含水率一般在40% ~ 60%，鋸材的含水率一般在30% ~ 50%。熏煙熱處理后的木材含水率不能低于木材纖維飽和點（30%左右），對原木進行熏煙熱處理時，若一次性將木材平均含水率降至30%以下，不僅表面開裂增多，而且產生新的干縮應力，導致制材后易產生變形開裂。

1.3 熏煙熱處理爐內的環(huán)境[8]

熏煙熱處理爐與人工干燥窯的內部環(huán)境完全不同。人工干燥過程中的熱介質僅為空氣和水蒸氣，爐內溫度一般在95℃左右。而熏煙熱處理爐內的熱介質為混合煙氣，除包含少量的空氣和水蒸氣外，還有多達40種以上成分的各種木材熱分解生成物和微粒炭素，并伴隨著一系列的熱化學反應。由于這種混合煙氣中的微粒炭素以及附著在爐內壁上的黑灰（微粒炭素和焦油成分等）的黑體輻射作用，使爐內溫度可以快速上升到200℃以上。

1.4 斯特藩—玻爾茲曼定律[8]

斯特藩—玻爾茲曼定律指出了物體熱輻射量與物體溫度及其表面積的關系。假設熏煙熱處理爐內的微粒炭素等不完全黑體的輻射率為完全黑體的80%，根據斯特藩—玻爾茲曼定律，內容積為200 m3（10 m×5 m×4 m），內表面積為220 m2的處理爐，在爐內溫度達到200℃的情況下，爐壁表面的熱輻射量可以達到54.6萬kcal/h，相當于燃燒含水率50%的木材218 kg所放出的熱量。熏煙熱處理就是高度有效地利用了這部分黑體輻射熱。

1.5 維恩位移定律[8]

維恩位移定律指出了物體熱輻射量達到最大時的輻射線波長與物體溫度的關系。根據維恩位移定律，物體溫度為 207.8℃時，其熱輻射線波長為 6μm，屬于遠紅外線的范圍，這一波長能夠引起木材內部水分子的共振。與人工干燥窯相比，熏煙熱處理爐內的溫度可以快速升到200℃以上，煙氣中的微粒炭素等大量輻射波長為6μ m的遠紅外線，直接作用于原木內部，引起水分子的共振，從而使材內溫度迅速上升，大大增加了有效熱處理（材內溫度80℃以上）的時間。

1.6 熱傳導效率

盡管人工干燥使用水蒸氣，但由于窯內的最高溫度不超過 100℃，人工干燥窯內實際上不存在 100℃以上的高溫水蒸氣，熱傳導效率較低。熏煙熱處理時爐內溫度長時間在 100℃以上，最高可達200℃以上，并且煙氣和水蒸氣混合，實際上爐內處于一種常壓高溫水蒸氣的狀態(tài)，具有很高的熱傳導效率。由表1可知，微粒炭素的熱傳導率大約是空氣的125倍、水的5倍以上。含有大量微粒炭素的煙氣作為熱傳導介質，可以快速地加熱被處理原木，使原木內部的溫度快速上升。

表1 物質的熱傳導率Table 1 Thermal conductivity of concerning matter

1.7 爐內溫度與材內溫度的起伏波動[8]

熏煙熱處理保溫過程中，材內溫度最大波動可達2℃，爐內溫度最大波動可達5℃。特別是在熏煙熱處理的初期階段，采取快速升溫，盡可能在材內產生較大的溫度波動。這種大幅度的溫度波動與物理上的振動相似，可以帶來很好的熱振動效果。這種熱振動不僅加快了熱能向木材內的傳導速度，而且還加快了木質素的熱軟化，減少內應力，降低含水率并使含水率的分布趨向均勻。

2 熏煙熱處理木材材性的改善

2.1 木材含水率和收縮率降低，尺寸穩(wěn)定性提高

木材在熏煙熱處理之前，其含水率與收縮率有較為清晰的正相關關系。但經熏煙熱處理后，含水率與收縮率之間的正相關關系消失，尺寸穩(wěn)定性提高。日本京都大學野村隆哉在對馬來西亞的油棕樹干進行熏煙熱處理時發(fā)現(xiàn)[11]，盡管樹干外皮層在熏煙熱處理后的含水率平均仍在70% ~ 80%，最大達160%，但無論切線方向還是半徑方向的收縮率都只有4%左右，并沒有很大的差異，亦即通過熏煙熱處理大大提高了油棕材的尺寸穩(wěn)定性。關于熏煙熱處理可使油棕材尺寸穩(wěn)定性大幅提高，野村進行了大量的實驗，對實驗數據進行了全面的分析和闡述，提出了關于熏煙熱處理可使油棕材尺寸穩(wěn)定性提高的幾點理論假說。在熏煙熱處理過程中，油棕材的柔細胞內進行一系列的熱化學反應，如架橋結合、縮聚和置換反應等，使柔細胞與維管束細胞間形成穩(wěn)定的結構。與此同時，細胞壁的膨脹與收縮也隨著親水性羥基被疏水性基團的置換而減弱。

圖2 熏煙熱處理溫度和時間的變化曲線Figure 2 The variation curve of temperature and duration of smoke heating treatment

2.2 木材內應力降低，變形開裂減少

熏煙熱處理后的原木，生長應力顯著減低，大大減小了木材的變形開裂，從而提高了制材時的出材率以及制材品的合格率。材內溫度上升到80℃以上時，伴隨著木質素的熱軟化，半纖維素開始分解，含水率分布也趨向均勻，從而使內應力降低[9~11]。為了更有效地減低內應力，要根據樹種、原木直徑大小、用途等設定熏煙熱處理的溫度和時間。如圖2所示，通常在材內溫度上升到80℃之后，至少需要連續(xù)處理30 h以上才能達到提高木材尺寸穩(wěn)定性的效果[12]。和處理時間相比，對處理溫度和木材含水率變化的控制更為關鍵。材溫過低處理效果受限，過高則容易帶來干縮開裂等不利后果，甚至引起木材自燃，造成爐內火災。

2.3 切削性能提高，易于膠合和涂裝

熏煙熱處理木材的切削面非常光滑，從電子顯微鏡的照片可以清楚地觀察到，經熏煙熱處理后的木材細胞壁在切削加工后，細胞間層沒有剝離起毛等現(xiàn)象，斷面十分平滑[13]。另外，通過對接觸角的測定也發(fā)現(xiàn)，熏煙熱處理木材表面的接觸角減小了2/3 ~ 3/4，對水、膠粘劑、涂料等液體的浸透性和潤濕性大幅提高。易于膠合和涂裝等加工。

2.4 物理力學性能提高

木材在經過適當條件的熏煙熱處理后，其物理力學性能不會降低，甚至得到提高。日本宇都宮大學石栗等人通過對日本落葉松、冷杉的實驗發(fā)現(xiàn)，經熏煙熱處理后，纖維素非結晶領域的結晶化程度提高了12%，抗彎強度和彈性模量均提高了20%以上[14~15]。

2.5 材色變深變均勻

高含水率材在高溫干燥時，由于半纖維素水解生成暗褐色物質而引起材色變深。在熏煙熱處理時，同樣隨著半纖維素的分解，木材邊材的明度降低，材色加深[16~17]。但如日本落葉松、柳杉、柏木，包括楊木等在最適工藝條件下進行熏煙熱處理，處理后的材色略有加深，且顏色變得均勻。

2.6 耐久性提高

根據日本JIS標準進行的防腐、防蟻等試驗結果表明，熏煙熱處理木材與未經處理的木材相比較，其防腐、防蟻性能明顯增強。特別是耐蟻性，無論是選擇性耐蟻試驗，還是強制性耐蟻試驗，試驗結果顯示熏煙熱處理木材的重量減少率均比未經處理材低10% ~ 30%[18]。

2.7 材內樹脂排出

日本宇都宮大學石栗等人對日本落葉松和美國花旗松等木材進行熏煙熱處理時，發(fā)現(xiàn)其材內所含精油、樹脂等高粘度液態(tài)物質在熱處理過程中滲出材外，這樣十分有利于木材熏煙熱處理后的加工和利用。

3 國外熏煙熱處理技術的研究現(xiàn)狀

熏煙熱處理技術最早在日本被研究開發(fā)，現(xiàn)在不僅應用于竹材加工和竹炭的生產，還廣泛應用于日本落葉松（Larix kaempferi）、日本冷杉（Abies firma）、油棕（Elaeis gunieensis）、柳杉（Cryptomeria fortunei）及柏木（Cupressus funebris）等木材加工領域。

日本落葉松是日本的主要木材資源之一，但由于其材質較差，含有的樹脂會滲出材外等，故存在很多加工與利用上的難題。日本宇都宮大學石栗等人1997年對日本落葉松原木進行了熏煙熱處理實驗[19]，在70 ~ 80℃的相同條件下，分別以50 h和70 h來處理兩組落葉松原木。研究發(fā)現(xiàn)，熏煙熱處理后的木材生長應力減小，材內含水率減低并且分布均勻，內含樹脂質物質被固定。纖維素非結晶領域的結晶化度提高 12%，平衡含水率降低5%左右。

鑒于在日本落葉松樹種方面取得的顯著效果，石栗等人又對日本冷杉進行了相關研究[20]，對日本冷杉進行熏煙熱處理時，在材溫達到80℃以上，連續(xù)處理約40 h后，其含水率下降近30%，邊材顏色加深，化學組成也發(fā)生變化。纖維素、木素含量略有降低，但熱水、有機溶劑及1%NaOH抽提物的含量大幅增加。平衡含水率降低了5%，抗彎強度和彈性模量均提高了20%以上。

油棕是馬來西亞的主要經濟作物，屬于禾本科植物，和竹材一樣具有維管束的構造。油棕在馬來西亞被大面積種植，所產的植物性棕油占全世界植物油產量的20%，但大量的油棕樹干一直沒有得到很好的有效利用。京都大學野村等人對油棕樹干進行了大量的熏煙熱處理實驗，研究發(fā)現(xiàn)油棕的化學組成與一般的針葉樹和闊葉樹相比，其纖維素和半纖維素含量較高，而木質素的含量較低。另外油棕樹干的生材平均含水率在250%左右，樹干中心部含水率可高達500%。對油棕板材進行人工干燥，其彎、翹、扭曲變形以及開裂現(xiàn)象都十分嚴重，出材率極低，無法通過制材后加工使用。但經熏煙熱處理后，尺寸穩(wěn)定性得到大幅度改善。

名古屋大學奧山和宇都宮大學安藤等人對日本柳杉原木進行了大量的熏煙熱處理研究實驗[21]，研究表明，熏煙熱處理對均衡材內含水率分布，緩和材內生長應力，減小收縮率，改善細胞腔的通透性，提高表面切削加工性能等方面都非常有效，經熏煙熱處理后的柳杉板材盡管長度達到 5 m以上，但不翹曲不開裂，板面平整通直。

日本京都地區(qū)所產的“京竹炭”以扁平、通直、堅實、無裂紋而聞名，這種“京竹炭”的燒制工藝有別于傳統(tǒng)的竹炭燒制方法，首先對原料竹片進行為期一周左右的熏煙熱處理，然后再經堆放養(yǎng)生數周后再用來燒制竹炭。這種將熏煙熱處理技術用在竹炭燒制前的預處理中，既能縮短水分蒸發(fā)時間，也能很好地預防竹材在應力和水分作用下發(fā)生變形與開裂，提高竹炭的得率。

日本全國各地分布有數十座木材熏煙熱處理窯，主要用于日本柳杉和柏木等原木及制材品的熏煙熱處理。日本柳杉大都屬人工林速生材，生長快，單位面積的蓄積量高，是日本人工林的最主要樹種。但日本柳杉具有多節(jié)疤、高含水率等缺陷，干燥時極易變形開裂，使其用途一直受到嚴重制約。隨著熏煙熱處理技術的推廣應用，有效解決了日本柳杉的變形翹曲等問題。目前在日本，經熏煙熱處理后的柳杉木材制品被廣泛地應用于建筑、地板、內外裝以及家具等行業(yè)，深受廣大消費者的歡迎。

4 熏煙熱處理技術在國內的研究現(xiàn)狀

在國內的木材加工領域，熏煙熱處理技術的研究和開發(fā)剛剛起步，僅在竹材加工領域有所應用。經過熏煙干燥后的竹稈表面附著煙灰（碳素微粒）和其他熱解的化學組分，使竹子不易生霉，防蟲耐朽。

浙江林學院張敏等人根據熏煙熱處理技術在竹材、日本落葉松、柳杉、日本冷杉、柏木以及油棕材上的有效利用，制定了對楊木原木進行熏煙熱處理的新工藝。使用經過熏煙熱處理后的楊木旋切單板，其單板的開裂翹曲等缺陷大大減少，制造出來的楊木膠合板的性能也大幅改善[22]。除耐水性、耐濕性、尺寸穩(wěn)定性顯著提高外，抗彎強度和彈性模量、耐蟻性能均有所提高，其內膠合強度增加了20% ~ 95%。從而進一部說明了經熏煙熱處理后的木材，易于切削，易于涂裝，表面加工性得到了很大改善。

5 熏煙熱處理技術在國內的發(fā)展應用前景

節(jié)能減排，建立低炭經濟的發(fā)展模式已經成為時代的要求和潮流，以速生材代替天然林木材，以國產低質材代替進口高檔材的木材加工利用技術的開發(fā)越顯重要。我國有高達5 500萬hm2以上的人工造林，其中大半是速生材，楊樹、杉木、桉樹等是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要木材資源。速生材的高度有效利用技術不僅事關中國木材工業(yè)的未來，也會對世界木材工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的影響作用。熏煙熱處理技術將顯著提高速生材木材的尺寸穩(wěn)定性、切削加工性以及物理力學性能，從而從根本上解決速生材易變形開裂，不能用于制材的老大難問題，大大拓展速生材的新用途。

另外，熏煙熱處理設備（主要是處理窯）具有投資小見效快的特點，使用木材加工剩余物作為燃料，非常適合于我國的大中小型木竹材加工及人造板企業(yè)。隨著熏煙熱處理技術在我國的深入研究與發(fā)展，一定會帶來楊木等速生材利用領域革命性的進步，開啟中國人工林速生材高度有效利用的新篇章。

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