CN112589937A - 一种提高木材中防腐剂透入度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高木材中防腐剂透入度的方法，包括以下步骤：1）将防腐剂涂布于木质材料表面，进行防腐处理；2）在经防腐处理后的木质材料两侧加高压电场，且电场方向与木质材料的纤维方向相互垂直，分别在木质材料的上下两侧设置导电金属极板，并将高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料下方的导电金属极板，设置的负极电压不低于1kV。本发明通过在木材纤维垂直方向施加高压电场的方式不仅显著提高木材横向上的防腐剂渗透效果，显著提高木材透入度，而且解决了改性剂所造成的化学试剂污染，成本高的问题，且不会造成木材内部构造的破坏。

Description

一种提高木材中防腐剂透入度的方法
技术领域
本发明涉及一种提高木材中防腐剂透入度的方法，属于木材防腐技术领域。
背景技术
木材作为一种可再生、绿色环保生物质材料，而被应用于新型建筑材料、室内装饰和物流运输等领域，然而，由于木材是一种天然多聚物材料，容易受到周围坏境中的水分和温度的影响，因木材内部应力差异而发生变形翘曲，同时，木材内部也容易遭受真菌腐蚀和虫蛀现象，而造成尺寸稳定性降低，化学组分降解，最终导致物理力学性能显著降低，因此，提高防腐剂在木质材料内部的渗透性是木材耐久性的关键问题之一，为了提高木质材料整体的耐久性，需要将防腐剂浸渍渗透到木质材料内部，从而达到木质材料整体防腐的效果。
现阶段已有多种防腐处理工艺，包括真空浸渍、加压浸渍和真空-加压浸渍、炭化处理、超临界CO2处理，细菌侵蚀和微波处理方法等等。
真空浸渍、加压浸渍和真空-加压浸渍方法，均是通过改变浸渍罐内气压，从而使得各种改性溶液大量从横切面面进入木材胞腔中，然而，木材中存在抽提物和侵填体物质，会阻断渗透通路，同时，木材是各向异性材料，横切面和纵切面的渗透路径不同，其在纵切面的渗透性较差，并且，在气压变化过程中，容易在木材内部产生气泡，进一步降低改性剂的渗透性。
此外，通过炭化处理，木材的物理化学性能和结构发生显著变化，其可以降低木材吸湿性和提高木材尺寸稳定性，有利于改性剂和涂料的渗透，但是，在高温热条件下，木材化学组分容易发生降解，并且，木材中胞壁结构受到破坏，造成木材力学性能降低。
再之，微波处理技术主要是在短时间内使木材内部水分升温而汽化，在蒸汽作用力下，木材产生不同程度的裂隙度，增加木材的渗透通道，从而提高木材的通透性，但是，在处理过程中，过快的升温速率溶液造成木材内部应力不均和胞壁结构破坏，影响木材的物理力学强度和耐久性。
再之，超临界CO2具有对多数有机物溶解性好，黏度低，扩散系数大等优点，通过超临界CO2处理方法，可以润胀木材内部微孔，从而提高木材渗透性，但是，在处理过程中，由于木材是天然有机体，其化学组分易溶解，容易造成一定的失重率，同时，为了获得更高的渗透效果，需要一定的处理温度条件60-140℃，因此，容易增加能源消耗，此外，现阶段利用超临界CO2和一些化学夹带剂处理方法，在提升渗透性能的同时，一些化学试剂容易造成木材化学组分降解，影响木材的力学性质，并且化学试剂的流失容易造成一定环境污染。
同时，利用微生物-细菌侵蚀方法也可以对木材内部纹孔塞、具缘纹孔膜结构和射线薄壁细胞组织结构造成一定的降解和破坏，增加木材内部孔隙，从而增加渗透通路。但是，该处理方法时间周期较长，并且，处理效果受到环境湿度、温度、pH值和微生物养分等因素的影响较大，因此，其应用具有局限性。
前述公开号在发明专利CN 109352775A的中国发明专利，公开日为2019年2月19日，公开的一种引导式减压-加压浸渍渗透木材的装置，该发明的装置主要包括负压罐体、加压罐体、抽真空***、加压***和密封***，该发明的装置，利用木材具有众多纵向导管和横向纹孔的特点，把木材分成两部分密闭在负压罐体和加压罐体中，利用抽真空***和加压***，在木材两端形成压力差，使浸渍液通过木材中的孔隙在木材内流动，在压力差的引导作用下，浸渍液在较小压力下就能通过木材中的纵向导管和横向纹孔快速的渗入到整块木材中。此方法的不足之处是：仍然是利用木材纵向胞腔通道，从横切面将改性剂渗入木材内部，而在横向渗透方向仅通过纹孔作用，装置和工作原理均未有明显创新。并且，真空过程会产生大量能耗，增加生产成本。
前述公开号在发明专利CN 107081834A的中国发明专利，公开日为2017年8月22日，公开的一种木材炭化处理方法，该发明采用了湿度调节干燥和多次多阶段升温步骤来完成炭化过程。先将干燥窑进行预热，然后预热木材，升温后进行干燥步骤，时间为48h，干燥完毕后，将木材放入真空炭化罐中进行炭化处理48h-72h，此方法可以降低木材吸湿性和提高尺寸稳定性，但是，不足之处在于：该炭化处理方法操作步骤繁琐，耗时长，容易增加生产成本，并且，炭化处理主要集中在木材表面，并没有深入木材内部，不能提高木材整体通透性和耐久性。
前述公开号在发明专利CN 111251394A的中国发明专利，公开日为2020年6月9日，公开的一种提高木材渗透性的方法，该发明首先对微波处理设备进行预热，在一定的升温速率条件下，利用微波预处理木材，并且，控制好微波处理前后的时间间隔，缩小处理过程中参数差异性，同时，提高木材微波处理后渗透效果提升程度的均匀度。但是，此方法的不足之处：在微波处理过程中，并没有解决蒸汽对木材内部裂隙程度的影响，因此，仍然会使得木材内部微观构造发生破坏，从而使得提高木材渗透性的同时，进一步降低木材的力学性能。
前述公开号在发明专利CN 104985653A的中国发明专利，公开日为2015年10月21日，公开的一种用超临界流体处理木材的方法，该发明包括提供超临界流体和至少一种木材防腐剂或者至少一种稀有气体的混合物接触，经处理的木材基质将具有较少的翘曲、较少的降解，提高了木材的使用品质，但是，此方法的不足之处：仍然是利用木材纵向孔道作用，将流体和防腐剂及气体渗入木材内部，此外，在处理过程中，防腐剂中包含多种金属颗粒和金属氧化物成分，并没有考虑到金属粒子与木材的化学结合问题，流失性问题和重金属污染问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有问题的不足，提供了一种提高木材中防腐剂透入度的方法。
本发明的技术方案是：一种提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、将防腐剂涂布于木质材料表面，进行防腐处理；
2)、在经防腐处理后的木质材料两侧加高压电场，且电场方向与木质材料的纤维方向相互垂直。
所述步骤2)中，分别在木质材料的上下两侧设置导电金属极板，并将高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料下方的导电金属极板，设置的负极电压不低于1kV。
所述防腐剂的涂布量不低于50g/m2；
所述防腐剂包括油载型防腐剂和水载型防腐剂溶液的任意一种或两种组合。
所述防腐剂的质量浓度3～11％，涂布量为50～300g/m2。
步骤1)前还有预处理步骤，预处理如下：
S1、将木材干燥，使得木材含水率8～12％，并平衡，使得木材内水分均匀；
S2、将S1处理的木材进行砂光处理，得到完成预处理的木质材料。
步骤S2中，砂光处理的砂光量为1-2mm，使木材表面平整光洁。
所述高压电场处理时间为6h以上，温度为25℃。
所述步骤2)中，接于负极的导电金属极板不接触木质材料，间距为1～5mm，接于正极的导电金属极板接触木质材料；所述步骤1)中，将防腐剂材料涂布于木质材料的纵切面。
一种防腐木材，其特征在于，利用提高木材中防腐剂透入度的方法制得，所述木材种类包括马尾松、松木、冷杉、云杉、杨木、榉木的任意一种。
防腐剂的透入度为9～35mm，木材硬度为541.45～550.67HLD，横纹抗压弹性模量为7.87～8.97MPa，抗压强度为5.57～6.40MPa。
本发明方法先进科学，通过本发明，提供的一种提高木材中防腐剂透入度的方法,针对现有技术中改性剂渗透技术所产生的木材横向渗透效果差、木材内部构造破坏、化学成分降解、生产成本高、处理周期长步骤繁琐和化学试剂及重金属污染等问题，通过在木材纤维垂直方向施加高压电场的方式不仅显著提高木材横向上的防腐剂渗透效果，显著提高木材透入度，而且解决了改性剂所造成的化学试剂污染，成本高的问题，且不会造成木材内部构造的破坏。
一种提高木材中防腐剂透入度的方法，包括以下步骤：
1)将防腐剂涂布于木质材料表面，进行防腐处理；2)在经防腐处理后的木质材料两侧加高压电场，且电场方向与木质材料的纤维方向相互垂直。
优选的方案，所述步骤2)中，分别在木质材料的上下两侧设置导电金属极板，并将高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料下方的导电金属极板，设置的负极电压不低于1kV。所述防腐剂的涂布量不低于50g/m2，所述防腐剂包括油载型防腐剂和水载型防腐剂溶液中的任意一种或组合。所述防腐剂为质量浓度为3～11％的硼酸溶液，涂布量为50～300g/m2。
所述方法还包括预处理步骤，预处理如下：
S1：将木材干燥为含水率8～12％，并平衡一段时间；S2：将S1处理的木材进行砂光处理。
在步骤S2中砂光处理的砂光量为1-2mm。所述高压电场处理时间为6h以上，温度为25℃。所述步骤2)中，接于负极的导电金属极板不接触木质材料，接于正极的导电金属极板接触木质材料；所述步骤1)中将防腐剂材料涂布于木质材料的纵切面。
本发明提供了一种防腐木材，所述的提高木材中防腐剂透入度的方法制得，所述木材种类包括马尾松、松木、杉木、冷杉、云杉、杨木、榉木等针叶材和阔叶材中的任意一种。防腐剂的透入度为9～35mm。木材硬度为541.45～550.67HLD，横纹抗压弹性模量为7.87～8.97MPa，抗压强度为5.57～6.40MPa。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的提高木材中的防腐剂透入度的方法，通过利用高压电场激发电子核极化作用，提高材料表面自由基浓度和极化程度，使得液体中粒子在电泳力作用下发生定向移动，从而提高了防腐剂中粒子迁移率以及其在木材内部的透入度，解决了木材在横向方向上渗透性能差的问题，从而从整体上提高防腐剂的透入度，有利于木材整体获得更强的防腐、抗菌效果和高耐久性效果。
(2)本发明的提高木材中的防腐剂透入度的方法，利用的高压电场处理方法属于物理方法范畴，解决了使用化学试剂和采用微波处理所造成的木材结构破坏、化学成分降解和物理力学性能降低等问题，经处理后木材硬度为541.45～550.67HLD，横纹抗压弹性模量为7.87～8.97MPa，抗压强度为5.57～6.40MPa，并且，利用高压电场处理方法的步骤简单且生产成本低，因此，本发明的方法有利于进一步产业化发展，为木材防腐技术领域提供了一种成本低廉，效果优异的新方法。
综上，本发明公开了一种提高木材中防腐剂透入度的方法，包括以下步骤：1)将防腐剂涂布于木质材料表面，进行防腐处理；2)在经防腐处理后的木质材料两侧加高压电场，且电场方向与木质材料的纤维方向相互垂直，分别在木质材料的上下两侧设置导电金属极板，并将高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料下方的导电金属极板，设置的负极电压不低于1kV。本发明通过在木材纤维垂直方向施加高压电场的方式不仅显著提高木材横向上的防腐剂渗透效果，显著提高木材透入度，而且解决了改性剂所造成的化学试剂污染，成本高的问题，且不会造成木材内部构造的破坏。
附图说明
图1为高压电场处理方法的示意图；
图2为不同条件处理后木材透入度对比图片；
图a为常温常压处理；图b为真空处理；图c为高压电场处理；图d为常温常压处理后色差变化；图e为真空处理后色差变化；图f为高压电场处理后色差变化(Δa表示红色变化值；ΔE表示总色差值)。
具体实施方法
本具体实施方式中设置实施例1、对比例1和对比例2。
本实施例1中的提高木材透入度的方法，步骤如下：
(1)将木材干燥为含水率10％，平衡处理24h；
(2)将木材进行砂光处理，砂光量为1-2mm；
(3)将木材涂布防腐剂，所述防腐剂为质量浓度11％的硼酸溶液，将防腐剂材料涂布于木质材料的纵切面，防腐剂的涂布量为100g/m2；
(4)将防腐处理后的木质材料的上下两侧加高压电场，且电场方向与木材纤维方向相互垂直，高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料的导电金属极板，负极处电压为60kV，处理时间为48h，达到时间后，取出木材。
(5)将木材进行50℃烘箱干燥24h，取出，冷却平衡24h后，测试透入度。
图1为高压电场处理方法的示意图；接于负极的导电金属极板不接触木质材料，接于正极的导电金属极板接触木质材料(间距为3mm)；所述步骤1)中将防腐剂材料涂布于木质材料的纵切面。
对比例1
对比例1的一种提高木材透入度的方法，实施步骤同实施例1的一种提高木材透入度的方法，不同之处在于：步骤(4)中不施加高压电场，将木材放在常温常压环境下48h。
对比例2
对比例2的一种提高木材透入度的方法，实施步骤同实施例1的一种提高木材透入度的方法，不同之处在于：步骤(4)中不施加高压电场，将木材放在真空环境下处理48h，真空度为0.09MPa。
将实施例1、对比例1和对比例2的防腐木材，按照标准GB/T23229-2009和GB/T1939-2009中的透入度和力学性能测试方法进行检测，其结果如图2、表1、表2所示。结果表明，高压电场处理后，可以显著提高防腐剂在木材横向上的渗透，进而提高透入度，从图2可看出，试件沿渗透方向的中部和下部的色差值显著增加(Δa和ΔE)。
并且，与微波处理相比，采用本发明的方法处理材料的物理力学性能不会受到显著影响(如表2所示)，而从表3中可以看出，经过微波处理后，木材力学性能降低。
表1不同条件处理后木材透入度
Figure BDA0002823651170000071
表2不同条件处理后木材力学性能
Figure BDA0002823651170000072
对比例3
本对比例为采用微波的方式处理木材的对比，具体条件为：
将木材进行微波处理，处理功率为219.78kW，处理时间为90s，处理完成后，测试力学性能[1]。
表3微波处理后木材力学性能
Figure BDA0002823651170000073
Figure BDA0002823651170000081
实施例2
本实施例2的提高木材中防腐剂透入度的方法，实施步骤如下：
(1)将木材干燥为含水率8％，平衡处理24h；
(2)将木材进行砂光处理，砂光量为1-2mm；
(3)将木材涂布防腐剂，所述防腐剂为质量浓度6％的硼酸溶液，将防腐剂材料涂布于木质材料的纵切面，涂布量为300g/m2；
(4)将防腐处理后的木质材料两侧加高压电场，且电场方向与木材纤维方向相互垂直，高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料下方的导电金属极板(图1)，负极处电压为20kV，处理时间为24h，达到时间后，取出木材。
(5)将木材进行50℃烘箱干燥24h，取出，冷却平衡24h后，测试透入度。
对比例3
对比例3的一种提高木材透入度的方法，实施步骤同实施例2的一种提高木材透入度的方法，不同之处在于：步骤(4)中不施加高压电场，将木材放在常温常压环境下24h。
对比例4
对比例4的一种提高木材透入度的方法，实施步骤同实施例2的一种提高木材透入度的方法，不同之处在于：步骤(4)中不施加高压电场，将木材放在真空环境下处理24h，真空度为0.09MPa。
将实施例2、对比例3和对比例4的防腐木材，按照标准GB/T23229-2009和GB/T1939-2009中的透入度和力学性能测试方法进行检测，如表4和表5。
表4不同条件处理后木材透入度
常温常压条件 真空条件 高压电场处理
透入度(mm) 1.37 1.9 14.7
*括号内为标准差
表5不同条件处理后木材力学性能
Figure BDA0002823651170000091
*括号内为标准差
实施例3
实施例3的提高木材中防腐剂透入度的方法，实施步骤如下：
(1)将木材干燥为含水率12％，平衡处理24h；
(2)将木材进行砂光处理，砂光量为1-2mm；
(3)将木材涂布防腐剂，所述防腐剂为质量浓度3％的硼酸溶液，涂布量为50g/m2；
(4)将防腐处理后的木质材料两侧加高压电场，且电场方向与木材纤维方向相互垂直，高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料下方的导电金属极板(图1)，负极处电压为1kV，处理时间为6h，达到时间后，取出木材。
(5)将木材进行50℃烘箱干燥24h，取出，冷却平衡24h后，测试透入度。
对比例5
对比例5的一种提高木材透入度的方法，实施步骤同实施例3的一种提高木材透入度的方法，不同之处在于：步骤(4)中不施加高压电场，将木材放在常温常压环境下6h。
对比例6
对比例6的一种提高木材透入度的方法，实施步骤同实施例3的一种提高木材透入度的方法，不同之处在于：步骤(4)中不施加高压电场，将木材放在真空环境下处理6h，真空度为0.09MPa。
将实施例3、对比例5和对比例6的防腐木材，按照标准GB/T23229-2009和GB/T1939-2009中的透入度和力学性能测试方法进行检测，如表6和表7。
表6不同条件处理后木材透入度
常温常压条件 真空条件 高压电场处理
透入度(mm) 0.9 1.40 8.96
*括号内为标准差
表7不同条件处理后木材力学性能
Figure BDA0002823651170000101
*括号内为标准差
[1]何盛.微波处理改善木材浸注性及其机理研究[D].中国林业科学研究院,2014。

Claims (10)

1.一种提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、将防腐剂涂布于木质材料表面，进行防腐处理；
2）、在经防腐处理后的木质材料两侧加高压电场，且电场方向与木质材料的纤维方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于：所述步骤2）中，分别在木质材料的上下两侧设置导电金属极板，并将高压电场发生器的负极接于木质材料上方的导电金属极板，正极接于木质材料下方的导电金属极板，设置的负极电压不低于1kV。
3.根据权利要求1所述的提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，所述防腐剂的涂布量不低于50g/m2；
所述防腐剂包括油载型防腐剂和水载型防腐剂溶液的任意一种或两种组合。
4.根据权利要求1所述的提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，所述防腐剂的质量浓度3～11%，涂布量为50～300g/m2。
5.根据权利要求1所述的提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，步骤1）前还有预处理步骤，预处理如下：
S1、将木材干燥，使得木材含水率8～12%，并平衡，使得木材内水分均匀；
S2、将S1处理的木材进行砂光处理，得到完成预处理的木质材料。
6.根据权利要求5所述的提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，步骤S2中，砂光处理的砂光量为1-2mm，使木材表面平整光洁。
7.根据权利要求1所述的提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，所述高压电场处理时间为6h以上，温度为25℃。
8.根据权利要求2所述的提高木材中防腐剂透入度的方法，其特征在于，所述步骤2）中，接于负极的导电金属极板不接触木质材料，间距为1～5mm，接于正极的导电金属极板接触木质材料；所述步骤1）中，将防腐剂材料涂布于木质材料的纵切面。
9.一种防腐木材，其特征在于，利用权利要求1~8任意一项所述的提高木材中防腐剂透入度的方法制得，所述木材种类包括马尾松、松木、冷杉、云杉、杨木、榉木的任意一种。
10.根据权利要求9所述的一种防腐木材，其特征在于，防腐剂的透入度为 9~35mm，木材硬度为541.45~550.67HLD，横纹抗压弹性模量为7.87~8.97MPa，抗压强度为5.57~6.40MPa。
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