CN108724392B

CN108724392B - 一种弯曲实木的制备方法

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Publication number: CN108724392B
Application number: CN201810578794.8A
Authority: CN
Inventors: 李善明; 傅峰; 周永东; 林兰英; 徐恩光; 王东; 熊令明
Original assignee: Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry
Current assignee: Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: CN108724392A

Abstract

本发明公开了一种弯曲实木的制备方法，包括：对木材进行功率为5kW～300kW的微波处理；通过胶黏剂对经微波处理的木材进行浸渍处理；对经浸渍处理的木材进行模压弯曲处理；以及对经模压弯曲处理的木材进行定型处理，制得所述弯曲实木。该方法所能处理的树种不受限制，所制得的弯曲实木回弹率低、成品率高、生产周期短、密度、硬度和强度均达到了市场常规弯曲实木的性能、产品性能可控、弯曲度可调、结构可设计、美观以及装饰性能好。

Description

一种弯曲实木的制备方法

技术领域

本发明涉及木材加工领域，具体涉及一种弯曲实木的制备方法。

背景技术

木材是一种天然高分子复合材料，其制品具有天然、环保和美观等多种优良性能。但木材本身可塑性较差，其在被加工(弯曲或模压)成各种复杂的形状时容易受到破坏，难以满足人们对木制品造型和质量的要求。

为规避木材可塑性较差的缺陷，目前市场上的家具用的弯曲构件多是单板胶合弯曲构件和指接材，但单板胶合弯曲构件实木质感弱，而指接材影响整体美感。随着人们消费水平和审美观的不断提高，单板胶合弯曲构件和指接材已经不能满足人们的需求，而具有实木质感的弯曲实木越来越受到大众的青睐。

现有的弯曲实木的主要制备方法包括锯制弯曲和蒸煮法。其中，锯制弯曲浪费了大量木材，木材利用率低，进而大大的提高了企业生产成本。而蒸煮法加工时间长且较为适合处理易弯曲的硬阔叶材，例如水曲柳、白蜡杆、山毛榉、榆木、橡木、枫树等，其所能处理的材种有限。进一步的，这些易弯曲的硬阔叶材的产量越来越低，逐渐成为珍贵树种用材，导致采用该方法生产的弯曲实木生产成本较高。

常规的环保型的弯曲实木加工工艺包括低功率微波法。低功率微波法指利用微波加热作为弯曲实木制备中的软化处理方法，现有技术中有利用微波对木材进行软化处理的技术，但是其能够处理的木材尺寸较小，并且，对于不易被弯曲的木材，例如速生材等，软化处理的效果不理想，导致后续的弯曲效果也不能达到期望，成品缺陷较多。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种弯曲实木的制备方法，通过对木材的含水率进行控制，并利用功率为5kW～300kW的微波对木材进行处理后浸渍胶黏剂，能够使该方法所能处理的树种不受限制，且所制得的弯曲实木回弹率低、成品率高、生产周期短、密度、硬度和强度均达到了市场常规弯曲实木的性能、产品性能可控、弯曲度可调、结构可设计、美观以及装饰性能好。

本发明一方面提供一种弯曲实木的制备方法，包括：

对木材进行功率为5kW～300kW的微波处理；

通过胶黏剂对经微波处理的木材进行浸渍处理；

对经浸渍处理的木材进行模压弯曲处理；以及

对经模压弯曲处理的木材进行定型处理，制得所述弯曲实木。

本申请的发明人通过采用功率为5kW～300kW的微波对木材进行处理，较高的微波功率能够使木材内部形成蒸汽压差，破坏木材的薄弱区域，进而使得木材快速形成大量均匀裂隙，这些均匀裂隙进一步形成渗透通道，最终完成木材的膨化，其结果是，这些渗透通道提高了木材的渗透性，有利于胶黏剂的引入和后续的浸渍处理；同时，木材内部的应力在膨化过程中得以释放，另外该微波处理还实现了对木材的初步软化，有利于有效地进行后续的模压弯曲处理。

进一步的，通过胶黏剂对经微波处理的木材进行浸渍处理，能够胶合微波处理时产生的裂隙，提高木材的密度、硬度和强度，还能够在后续的定型处理中阻止弯曲后的木材回弹，使弯曲实木回弹率降低。

本申请通过微波处理和浸渍处理的配合使用，能够更有效率地进行模压弯曲处理，即使是不易弯曲的木材种类也能够达到期望的弯曲效果，从而扩大了本申请的应用范围。

根据本发明，进行所述微波处理的设备不受限制，可列举为隧道式微波处理木材设备、箱式微波处理木材设备和窑式微波处理木材设备。由于隧道式微波处理木材设备的生产效率较高，因此本发明优选隧道式微波处理木材设备。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述微波处理的微波频率为100MHz～5GHz，优选为200MHz～2450MHz，更优选为433MHz～915MHz；所述微波处理的时间为10s～1200s，优选为20s～600s，更优选为20s～300s；所述微波处理的温度为100℃～180℃，优选为100℃～130℃。

根据本发明，优选采用433MHz～915MHz的微波频率对木材进行微波处理，原因在于本申请的发明人在研究中发现，通过将微波频率控制在特定的范围内，能够使木材的介质损耗达到最大，使电能高效率的转化成热能，其结果是，木材加热及膨化处理效果最优。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述胶黏剂选自酚醛树脂胶黏剂、多元醇胶黏剂、脲醛树脂胶黏剂、呋喃树脂胶黏剂、三聚氰胺类胶黏剂和无机胶黏剂中的至少一种，优选为酚醛树脂胶黏剂、多元醇胶黏剂、呋喃树脂胶黏剂和无机胶黏剂中的至少一种，更优选为作为多元醇胶黏剂的麦芽糖糊精胶黏剂、作为呋喃树脂胶黏剂的糠醇树脂、以及作为无机胶黏剂的硅酸钠水溶液中的至少一种。另外，所述胶黏剂的固含量为10％～100％，优选为20％～60％，更优选为20％～50％。

根据本发明，所述胶黏剂的用量以木材的重量为100重量份计，为20-50重量份，在该比例下，能够实现较好的浸渍效果。

根据本发明，所述胶黏剂具有黏度低、易浸渍、甲醛释放量低等特点，保证了其能以较短的浸渍时间，浸透所处理的木材，且最终制得的弯曲实木的甲醛释放量满足E0或E1级释放要求。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述浸渍处理采用真空加压浸渍法，包括在真空条件下引入胶黏剂，以及在加压条件下完成浸渍处理，其中，所述真空条件提供-0.1MPa～-0.05MPa的压力，所述加压条件下提供0.5MPa～2.0MPa，优选为1.0MPa～2.0MPa的压力。

根据本发明，由于木材具有多孔结构且经过微波处理后产生了大量均匀裂隙，通过上述真空处理，能够使木材的孔结构中的气体排出，能够使胶黏剂更快更均匀地浸入到木材中。另一方面，通过加压处理，能够使胶黏剂充分地将木材浸透，以实现更好的浸渍效果。

根据本发明，所述浸渍处理在配合有真空泵的真空加压浸渍罐中进行。

根据本发明，所述浸渍处理的时间可根据样品大小来选择，优选地，木材的厚度每增加1mm，浸渍时间相应的增加10min～20min。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述模压弯曲处理包括将经浸渍处理的木材的含水率控制在20％～60％，置于模压机中，进行模压弯曲处理，优选地，模压弯曲处理条件包括：温度为100℃～150℃，压缩率为5％～50％，压力为5MPa～30MPa，处理时间为20min～60min。

根据本发明，通过将含水率控制在上述范围内，有利于节约能耗以及实现模压温度和模压弯曲时间关系的平衡。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述模压弯曲处理包括预先将经浸渍处理的木材进行软化处理后，置于模压机中，进行模压弯曲处理，优选地，模压弯曲处理条件包括：不进行加热，压缩率为5％～50％，压力为5MPa～30MPa，处理时间为3min～60min。

根据本发明，含水率决定了木材的软化点和软化效果，因此优选对软化处理前木材的含水率进行控制。含水率的数值范围与选择的软化处理的工艺有关，因此优选视软化工艺的不同对含水率进行调整。例如，利用过热蒸汽进行软化处理时，控制含水率低于40％即可，而利用微波或高频电场进行软化处理时，需要控制含水率在20％-60％之间。通过该操作，能够使木材在最短时间内达到最佳软化效果，同时为后续模压步骤减少加工时间和废品率。

在本发明的另一个优选的实施方式中，利用过热蒸汽进行的软化处理包括将经浸渍处理的木材的含水率控制为低于40％后，使其与100℃～150℃的饱和蒸汽进行接触，接触时间为20min～60min。

根据本发明，所述模压机包括凹模、与所述凹模互补的凸模，以及向所述凸模提供压力的压力装置，所述凸模通过所述压力装置而与凹模互补，从而使位于所述凹模与所述凸模之间的木材弯曲，在完成模压弯曲处理后，将所述凸模固定于所述凹模。

根据本发明，所述凸模包括基板(1)和可拆卸地设置在所述基板上的凸曲面片(2)，所述凹模包括与所述凸曲面片互补的凹曲面片(3)。优选地，在所述凹模上沿所述木材的宽度方向两侧设置有挡板(4)，所述挡板用于防止所述木材在所述模压弯曲处理过程中相对于所述凹模滑动。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述木材在进行微波处理前的含水率为20％～100％，优选为20％-70％。

本申请的发明人在研究中发现，微波处理的效果受到微波处理前木材的含水率的影响。由于微波处理木材时，水分子相对于其他分子(例如纤维素分子、半纤维素分子和木质素分子)具有更强的极性，是吸收微波的最好介质之一。在微波处理时，微波直接作用于介质水分子，将电能转化为热能。同时，微波的穿透性能较好，可使木材在不进行热传导的情况下，完成内外部的同时受热，但由于木材内部缺乏散热条件，使得木材的内部温度高于外部温度，形成温度梯度分布，进而驱动内部的水分子向木材表面渗透，形成蒸汽压差。当蒸汽压差达到一定值时，会直接破坏木材的薄弱区域，形成大量均匀裂隙，这些均匀裂隙进一步形成渗透通道，最终完成木材的膨化。基于此，从获得较好的膨化效果的角度出发，本申请将木材在进行微波处理前的含水率控制在20％～100％。

此外，微波处理前木材的种类不同，其要求的含水率也不同。例如，辐射松要求的含水率为60％-70％；橡胶木则要求含水率为20％-30％；而杨木则要求含水率为40％-50％。

根据本发明，当木材的含水率高于所要求的范围时，可以通过干燥处理等方式降低木材的含水率；当含水率低于所要求的范围时，可以通过浸泡水等方式(可常压下浸泡，也可真空加压浸泡)提高木材的含水率。

根据本发明，所述定型处理包括窑干法定型、自然气干法定型、高频干燥定型等。以窑干法定型举例，窑干法定型包括将经模压弯曲的木材连同模具一起送入干燥窑中，在60℃～70℃的温度下干燥10h～40h。定型处理可保证木材的弯曲变形完全固定下来。

本发明再一方面提供根据上述制备方法制备的弯曲实木。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述弯曲实木的含水率为8％～20％。

根据本发明，所述弯曲实木可应用于家具、工艺品雕刻、户外装饰材料等领域。

通过本发明的制备方法制备的弯曲实木，和原木材相比，密度增加30％以上，且硬度增加300N以上，抗弯强度在70MPa以上，弯曲度可在1:3-1:2范围内调节，回弹率仅为5％～10％，成品率高达85％以上，生产周期短且生产成本低。

附图说明

图1表示本发明的制备方法的工艺流程图。

图2表示本发明实施例所使用的模具的示例图。

图3表示实施例1制得的弯曲实木的图片。

图4表示实施例3制得的弯曲实木的图片。

附图标记：1-基板；2-凸曲面片；3-凹曲面片；4-挡板

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。

对实施例1～3、对比例1～4制备的弯曲实木，按照以下方法或标准进行性能测试。

密度：根据GB/T 1933-2009木材密度测定方法进行测试。

硬度：根据GB/T 1941-2009木材硬度试验方法进行测试。

抗弯强度：根据GB/T 1936.1-2009木材抗弯强度试验方法进行测试，但将弯曲实木由凸面向上改为凹面向上接触压头端部。

甲醛释放量等级：根据GB 18580-2017室内装饰装修材料、人造板及其制品中甲醛释放限量进行测试。

对实施例1～3、对比例1～4制备的弯曲实木，按照以下公式进行相应计算。

上述式(2)中，成品是指弯曲后未折断或未出现明显裂缝的弯曲实木，废品是指弯曲后折断或出现明显裂缝的弯曲实木。根据本发明，下述实施例1～3和对比例1～4中的成品率是在弯曲实木的弯曲度为1:6时测得的。

上述式(4)中，回弹率中“回弹后曲率半径”是将弯曲实木在60℃水中浸渍4h后测得的，“成型后在模具中的曲率半径”是指弯曲实木从模具中取出直接测得的或完全弯曲的时候，等同于弯曲模具的曲率半径。

下述实施例1～3和对比例1～4中，最大弯曲度指能够实现弯曲实木的成品率为95％以上的最大弯曲度。

在下文中所使用的试剂包括但不限于，

酚醛树脂胶黏剂名称：重组竹浸渍用酚醛树脂，型号：16L510。

糠醇树脂名称：高强度糠醇型呋喃树脂，型号：HY。

麦芽糖糊精胶黏剂工业级麦芽糊精调配而成。

实施例1

A、木材的选取与初加工

选用辐射松(进口于新西兰，是人工林材种之一，也是我国主要进口材种之一)为待加工木材，本实施例使用的辐射松密度为0.44g/cm³，硬度为2100N，将其加工成400mm(长)×120mm(宽)×30mm(厚)的木材，并将木材的含水率控制在60％-70％之间。

B、弯曲实木的制备

微波处理：将木材放置于隧道式高功率微波处理木材设备(微波腔长0.5m)中进行微波处理，微波处理的频率为915MHz，微波处理的功率为140kW，物料传输速度为1.4m/min(相当于微波处理的时间为21.4s)，微波处理的温度为130℃。

浸渍处理：胶黏剂选用酚醛树脂胶黏剂，固含量为30％。将木材放入真空液压浸渍罐中进行浸渍处理，将真空度控制为-0.08MPa，之后将酚醛树脂胶黏剂注入到真空液压浸渍罐中，并升高真空液压浸渍罐中的压力，直至压力达到1.5MPa。

模压弯曲：通过干燥将经浸渍处理的木材的含水率控制在40％后，将其放置于已预热130℃的热压机的模具中，并在温度为130℃，压缩率为20％，压力为25MPa的条件下，热压处理30min，将木材弯曲成所需要的形状。

定型：将带有模具的弯曲实木从热压机上取下来送入定型干燥窑，在60℃的温度下，干燥24h。将弯曲实木从模具中取出，制得所述弯曲实木，其密度为0.65g/cm³、硬度为2400N、抗弯强度为74MPa、最大弯曲度为1:3、含水率为12％、回弹率为5％、成品率为87％、甲醛释放量等级满足E1级(参见表1)。

实施例2

A、木材的选取与初加工

选用橡胶木为待加工木材，本实施例使用的橡胶木密度为0.60g/cm³，硬度为5300N，将其加工成600mm(长)×100mm(宽)×30mm(厚)的木材，并将木材的含水率控制在20％-30％之间。

B、弯曲实木的制备

微波处理：将木材放置于窑式高功率微波处理木材设备中进行微波处理，微波处理的频率为2450MHz，微波处理的功率为60kW，微波处理的时间为2min，微波处理的温度为120℃。

浸渍处理：胶黏剂选用糠醇树脂，固含量为50％。将木材放入真空液压浸渍罐中进行浸渍处理，将真空度控制为-0.1MPa，之后将糠醇树脂注入到真空液压浸渍罐中，并升高真空液压浸渍罐中的压力，直至压力达到1.2MPa。

模压弯曲：通过干燥窑60℃烘干将经浸渍处理的木材的含水率控制在40％后，将其与120℃的饱和蒸汽进行接触，接触时间为40min。之后快速放置于模具中，并在温度为130℃，压缩率为15％，压力为20MPa的条件下，冷压处理40min，将木材弯曲成所需要的形状。

定型：将带有模具的弯曲实木置于烘箱中，在60℃的温度下，干燥至含水率为12％后，将弯曲实木从模具中取出，制得所述弯曲实木，其密度为0.80g/cm³、硬度为5800N、抗弯强度为96MPa、最大弯曲度为1:2、回弹率为8％、成品率为85％、甲醛释放量等级满足E0级(参见表1)。

实施例3

A、木材的选取与初加工

选用杨木(我国主要人工林材种之一，其密度为0.353g/cm³～0.544g/cm³，力学强度、表面硬度和耐磨性较差，而较差的性能限制了其应用)为待加工木材，本实施例使用的杨木密度为0.42g/cm³，硬度为1950N，将其加工成1500mm(长)×200mm(宽)×60mm(厚)的木材，并将木材的含水率控制在40％-50％之间。

B、弯曲实木的制备

微波处理：将木材放置于隧道式高功率微波处理木材设备(微波腔长0.5m)中进行微波处理，微波处理的频率为433MHz，微波处理的功率为100kW，物料传输速度为1.2m/min(相当于微波处理的时间为25s)，微波处理的温度为135℃。

浸渍处理：胶黏剂选用麦芽糖糊精胶黏剂，胶黏剂固含量为40％。将木材放入真空液压浸渍罐中进行浸渍处理，将真空度控制为-0.08MPa，之后将麦芽糖糊精胶黏剂注入到真空液压浸渍罐中，并升高真空液压浸渍罐中的压力，直至压力达到1.7MPa。

模压弯曲：通过干燥将经浸渍处理的木材的含水率控制在45％后，将其放置于已预热125℃的热压机的模具中，并在温度为125℃，压缩率为40％，压力为20MPa的条件下，热压处理30min，将木材弯曲成所需要的形状。

定型：将带有模具的弯曲实木从热压机上取下来送入自然气干房，干燥时间7天。将弯曲实木从模具中取出，制得所述弯曲实木，其密度为0.75g/cm³、硬度为2600N、抗弯强度为88MPa、最大弯曲度为1:2.5、含水率为10％、回弹率为10％、成品率为91％、甲醛释放量等级满足E0级(参见表1)。

对比例1

除将微波处理的功率由100kw改变成1kW外，其余反应条件与实施例3相同。制得的弯曲实木是未膨化的微波处理材，其密度为0.49g/cm³、硬度为2050N、抗弯强度为64MPa、最大弯曲度为1:20、含水率为10％、回弹率为10％、成品率为20％、甲醛释放量等级满足E0级(参见表1)。

对比例2

未对木材进行“浸渍处理”，其余反应条件与实施例3相同。制得的弯曲实木是没有胶合的膨化的微波处理材，其成品率为0，也因此未对其进行性能测试(参见表1)。

对比例3

未对微波处理前木材的含水率进行控制，木材本身的含水率为20％，其余反应条件与实施例3相同。制得的弯曲实木是未膨化的微波处理材，其密度为0.52g/cm³、硬度为2100N、抗弯强度为68MPa、最大弯曲度为1:6、含水率为10％、回弹率为10％、成品率为40％、甲醛释放量等级满足E0级(参见表1)。

对比例4

未对模压弯曲时木材的含水率进行控制，经浸渍处理的木材的含水率为100％，其余反应条件与实施例3相同。模压弯曲时间增加，效率下降，同时含水率过高，导致胶合强度下降。制得的弯曲实木密度为0.56g/cm³、硬度为2200N、抗弯强度为70MPa、最大弯曲度为1:5、含水率为20％、回弹率为20％、成品率为60％、甲醛释放量等级满足E0级(参见表1)。

表1

注：上表中“/”表示未对该项进行测试。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不对本发明构成任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性的词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可以扩展至其它所有具有相同功能的方法和应用。

Claims

1.一种弯曲实木的制备方法，包括：

对木材进行功率为5kW～300kW的微波处理；所述微波处理的温度为100℃～180℃；

通过胶黏剂对经微波处理的木材进行浸渍处理；所述胶黏剂为麦芽糖糊精胶黏剂、糠醇树脂和硅酸钠水溶液中的至少一种，所述浸渍处理采用真空加压浸渍法，包括在真空条件下引入胶黏剂；

对经浸渍处理的木材进行模压弯曲处理；以及

对经模压弯曲处理的木材进行定型处理，制得所述弯曲实木；

所述模压弯曲处理包括将预先将经浸渍处理的木材进行软化处理后，经浸渍处理的木材的含水率控制在20％～60％，置于模压机中，进行模压弯曲处理；所述软化处理包括将经浸渍处理的木材的含水率控制为低于40％后，使其与100℃～150℃的饱和蒸汽进行接触，接触时间为20min～60min；

根据木材种类调整微波处理前的含水率，所述木材为辐射松、橡胶木和杨木中的任意一种，辐射松在微波处理前的含水率为60％-70％；橡胶木在微波处理前的含水率为20％-30％；而杨木在微波处理前的含水率为40％-50％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微波处理的微波频率为100MHz～5GHz；所述微波处理的时间为10s～1200s。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微波处理的微波频率为200MHz～2450MHz，所述微波处理的时间为20s～600s，所述微波处理的温度为100℃～130℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微波处理的微波频率为433MHz～915MHz，所述微波处理的时间为20s～300s。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶黏剂的固含量为10％～100％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶黏剂的固含量为20％～60％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶黏剂的固含量为20％～50％。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，以及在加压条件下完成浸渍处理，其中，所述真空条件提供-0.1MPa～-0.05MPa的压力，所述加压条件下提供0.5MPa～2.0MPa的压力。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述加压条件下提供1.0MPa～2.0MPa的压力。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，模压弯曲处理条件包括：温度为100℃～150℃，压缩率为5％～50％，压力为5MPa～30MPa，处理时间为20min～60min。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，模压弯曲处理条件包括：不进行加热，压缩率为5％～50％，压力为5MPa～30MPa，处理时间为3min～60min。

12.一种根据权利要求1-11中任一项所述的制备方法制备的弯曲实木。

13.根据权利要求12所述的弯曲实木，其特征在于，所述弯曲实木的含水率为8％～20％。