一種木材炭化促進藥劑的炭化促進機理分析

孟黎鵬， 何 超， 張海霞， 沈佳龍， 周純潔， 李杰玲，呂建平， 畢立群， 呂夢燕， 王瑞明， 萬勁松

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，吉林 長春 130032)

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一種木材炭化促進藥劑的炭化促進機理分析

孟黎鵬， 何 超， 張海霞， 沈佳龍， 周純潔， 李杰玲，呂建平， 畢立群， 呂夢燕， 王瑞明， 萬勁松

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，吉林 長春 130032)

對化學(xué)藥劑A促進木材炭化的機理進行了研究和探討，化學(xué)藥劑A具有強脫水性和氧化性，可將木材化學(xué)組分中的水分脫去，使木材組分以C的形式存在，從而實現(xiàn)了木材炭化。

木材炭化；炭化藥劑；炭化機理

木材經(jīng)炭化處理后裝飾性能顯著提高，并同時具有了良好的生物耐久性、耐腐性、耐候性、尺寸穩(wěn)定性，以及安全、環(huán)保等一系列突出優(yōu)點，木材炭化廣泛應(yīng)用于木材材質(zhì)改良及附加值提高等方面[1-2]。

常規(guī)炭化木的制造通常是將木材放入高溫(160～240 ℃)、無氧或低氧的環(huán)境中進行一段時間熱處理的純物理改性技術(shù)，這種改性技術(shù)需要配套專門設(shè)備，如處理罐、處理窯等，對設(shè)備要求較高，生產(chǎn)周期較長[3-4]。

使用化學(xué)藥劑A對木材進行處理后，處理部位可實現(xiàn)在相對低溫(100 ℃以內(nèi))空氣環(huán)境中(無需隔絕氧氣)的快速炭化，筆者下面對此化學(xué)藥劑促進木材炭化的機理進行研究和探討。

1 木材顏色變化現(xiàn)象

使用化學(xué)藥劑A對木材進行處理后，木材的顏色剛開始并沒有發(fā)生變化，在后續(xù)的加熱、光照及干燥的過程中，木材的顏色才開始發(fā)生緩慢變化，顏色和炭化木的顏色一致。經(jīng)機理分析，木材的顏色變化屬于炭化變色。

1.1 試驗條件

(1)試件處理方式：將木材試件在不同濃度的化學(xué)藥劑A中浸泡3天，然后用水沖洗后避光氣干存放3天。

(2)試件材種：楊木、柞木。

(3)干燥方式：置于窗臺上氣干30天，陽光可照射；80 ℃烘箱加熱干燥30 min。

1.2 化學(xué)藥劑A處理后木材的幾種顏色變化

經(jīng)不同濃度化學(xué)藥劑A處理后木材的幾種顏色變化如圖1～3所示。

圖1 楊木經(jīng)不同濃度化學(xué)藥劑A處理后在光照條件下的化學(xué)炭化變色

圖2 柞木經(jīng)相同濃度化學(xué)藥劑A處理后在光照條件下的試件逆光面和照射面的炭化變色

圖3 楊木和柞木經(jīng)化學(xué)藥劑A處理后在烘箱中加熱條件下的化學(xué)炭化變色

1.3 使用化學(xué)藥劑炭化的特點

使用化學(xué)藥劑A處理木材與常規(guī)炭化相比，木材的炭化過程有以下特點：

(1)受熱后木材表面顏色迅速變化，在80 ℃時僅僅幾分鐘即開始變色，30 min后基本變成黑色。

(2)木材表面顏色變化需要的溫度低，常規(guī)木材炭化需要140 ℃以上，而化學(xué)炭化在室溫下即可實現(xiàn)木材的炭化變色，隨著溫度的升高，木材顏色變化的速度加快。

(3)化學(xué)藥劑促進木材炭化過程中不需要專門的真空或者添加飽和氣體等隔離氧氣的環(huán)境，其在大氣環(huán)境下即可實現(xiàn)炭化。

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(4)隨著溫度的升高，木材顏色變化的規(guī)律是：褐色→古銅色→黑色。

(5)加熱方式不同木材的顏色變化也不同，室溫或光照條件下木材的顏色會變成古銅色。加熱方式下木材的顏色不易控制，會迅速變成黑色。

(6)不加熱情況下，涂抹、浸泡及水分揮發(fā)期間木材不變色，但處理后的木材在長期放置過程中顏色會逐漸發(fā)生變化，都會變?yōu)楣陪~色。

(7)氣干過程中無論是否光照，木材顏色都會發(fā)生變化，光照面顏色比逆光面顏色要深。

2 炭化機理研究

2.1 木材組分

木材的三大化學(xué)成分是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。木材的元素組成為碳49%～50%，氫 6%，氧45%～50%，氮0.1%～1%，灰分中主要含有鈣、鉀、鎂、鈉、錳、鐵、磷、硫等。木材簡單的化學(xué)分子式為C47O46H6N，其他化學(xué)元素可以忽略。

2.2 炭化原理

木材中的最主要成分是半纖維素，可以用分子式(C6H10O5)n來表示，其中的C為0價，使用化學(xué)藥劑A使木材炭化的過程實際上就是脫水的過程，可以用下面的化學(xué)式表述。

(C6H10O5)n+ A=6nC + A·5nH2O

2.3 低濃度化學(xué)藥劑A也能促使木材炭化

在涂布或浸泡低濃度化學(xué)藥劑A溶液時，木材的顏色并沒有變化，木材顏色變化是在干燥過程中發(fā)生的，即化學(xué)藥劑A揮發(fā)后，使化學(xué)藥劑A溶液的濃度提高后才會使木材發(fā)生脫水炭化變色。

采用化學(xué)藥劑A制備的稀溶液處理木材，低濃度化學(xué)藥劑A溶液在放置過程中由于揮發(fā)使溶液濃度提高，當(dāng)濃度達到具有強脫水性時也能發(fā)生炭化變色。

2.4 木材炭化過程中的附加反應(yīng)

在木材炭化反應(yīng)過程中，如需快速炭化則需要加熱，在加熱的過程中會散發(fā)出大量的刺鼻氣味，而且木材表面會發(fā)生過度炭化現(xiàn)象，使木材表面變疏變脆，強度也大大降低。

經(jīng)過化學(xué)藥劑A處理后的木材在加熱條件下顏色首先會變?yōu)榛液稚?，然后變成古銅色，繼續(xù)加熱最終會變成黑色，同時會產(chǎn)生刺激性氣味。

化學(xué)藥劑A具有強氧化性，在加熱條件下會與木材中已經(jīng)脫水的C繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其氧化生成CO2，同時化學(xué)藥劑A也會自身分解還原，生成具有刺激性氣味的氣體B，過度炭化的附加化學(xué)反應(yīng)式為：

A+C→CO2+H2O+B

從上面的化學(xué)反應(yīng)式可以看出，如果反應(yīng)繼續(xù)，木材就會過度炭化，A會與炭化發(fā)生中生成的C繼續(xù)反應(yīng)，木材會發(fā)生降解，強度將大大降低，同時產(chǎn)生具有刺激性氣味的氣體B。

3 總結(jié)與討論

(1)化學(xué)藥劑A具有強氧化性和強脫水性，強脫水性會使木材中的纖維素等組分失水變成C，這是化學(xué)藥劑A能促進木材炭化的反應(yīng)機理。

(2)使用化學(xué)藥劑A對木材進行炭化處理時需要將化學(xué)藥劑A稀釋后使用。采用稀釋后的化學(xué)藥劑處理木材在干燥過程中隨著水分的蒸發(fā)藥劑濃度提高，濃藥劑將奪走木材中的水分，因此可促進木材的快速炭化。

(3)木材炭化后變成C，如果繼續(xù)炭化處理生成的C會與具有強氧化性的化學(xué)藥劑A繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生具有刺激性氣味的氣體，并使木材中的C氧化成CO2。

(4)木材過度炭化將使木材強度大大降低，因此在使用化學(xué)藥劑A促進木材炭化過程中要避免木材發(fā)生過度炭化現(xiàn)象。

[1] 林蘭英，陳志林，傅峰.木材炭化與炭化物利用研究進展[J].世界林業(yè)研究，2007，20(5)；22-26.

[2] 牛笑一.木材炭化的特點及應(yīng)用[J].家具與室內(nèi)裝飾，2010(12).

[3] 張冠中，趙師辛，陳夢涵，等.堿木質(zhì)素基活性炭的制備與孔結(jié)構(gòu)特征[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2017，45(2)；35-39.

[4] 郭臻宇，連弘揚，李麗沙，等.炭化處理對楊木聲學(xué)振動特性的影響[J].森林工程，2016，32(4)；41-45+50.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Analysis of the Carbonization Mechanism of a Chemical AgentPromoting the Carbonization of Wood

MENG Li-peng， HE Chao， ZHANG Hai-xia， SHEN Jia-long， ZHOU Chun-jie， LI Jie-ling，LV Jian-ping， BI Li-qun， LV Meng-yan， WANG Rui-ming， WAN Jin-song

(Wooden Product Quality Supervision and Inspection Center，Jilin Forestry Science Institute，Changchun Jilin 130032，China)

The wood carbonization mechanism promoted by Chemical Agent A is studied and discussed.Chemical Agent A has strong oxidizing and dehydration properties，and can remove the moisture in the wood chemical components to make the wood components present in the form of C，thereby realizing the carbonization of wood.

wood carbonization；carbonization agent；carbonization mechanism

2017-04-25

吉林省林業(yè)廳育林基金項目“木材炭化技術(shù)研究”(2013-005)

孟黎鵬(1981-)，男，助理研究員，碩士，主要從事木質(zhì)林產(chǎn)品的質(zhì)檢及科研工作， E-mail：55715962@qq.com。

TS612

A

2095-2953(2017)08-0035-03

研究與設(shè)計