CN118617536A - 竹材的微碳化处理方法及其产品和应用 - Google Patents

竹材的微碳化处理方法及其产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种竹材的微碳化处理方法及其产品和应用，包括：(1)将竹材进行预处理使竹材水分含量降低15％～20％；(2)采用饱和水蒸汽对竹材进行加热处理；(3)将加热处理后的竹材置于定型装置中采用饱和水蒸汽进行加热定型处理；(4)将加热定型处理后的竹材继续置于定型装置中逐步降至室温，即得微碳化竹材。采用本发明微碳化处理方法所得到的碳化竹材，相比处理之前，密度有所增加，尺寸稳定性好，其MOR和MOE等机械性能有显著提升，且都可以维持一个稳定数据，基本不随使用时间而降低，显著增加了强度和曲率，防腐防霉，防止生虫，减少开裂率，耐候性好，显著提高了使用寿命，其作为建筑或家具的用材具有更好的应用价值。

Description

竹材的微碳化处理方法及其产品和应用
技术领域
本发明涉及竹材的加工处理方法，尤其涉及竹材的微碳化处理方法及其产品，属于竹材的微碳化处理领域。
背景技术
竹子具有生长速度快、周期短，强度高、韧性好等优点，在建筑以及家具中已广泛作为制造材料进行使用。但是，原竹利用时，容易发生开裂，开裂后造成水、虫等侵入出现虫蛀、腐朽等现象，严重影响其使用寿命，也极大限制了其作为结构材料的应用价值和使用范围。因此，将原竹作为建筑以及家具的材料应用亟需解决其容易发生开裂，防腐和防蛀性能差，尺寸稳定性差等技术难题。
发明内容
本发明的主要目的是提供竹材的微碳化处理方法以及由此得到的微碳化竹材产品。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：
一种竹材的微碳化处理方法，包括：
(1)将竹材进行预处理使竹材的水分含量降低15％～20％；
(2)采用高温饱和水蒸汽对竹材进行加热处理；
(3)将加热处理后的竹材置于定型装置中采用高温饱和水蒸汽对竹材进行加热定型处理；
(4)将加热定型处理后的竹材继续置于定型装置中逐步降至室温，即得微碳化竹材。
本发明中所述的竹材主要是砍伐后未进行加工处理的各种竹材，譬如楠竹、斑竹、毛竹、凤尾竹等各种竹材，这些竹材经过处理后可作为建筑或者家具的材料。
作为本发明一种优选的具体实施方案，步骤(1)中采用热风处理的预处理方式将竹材的水分含量降低15％～20％；进一步优选的，所述的热风处理是采用65-75℃热风鼓吹10-60min，最优选的，所述的热风处理是采用70℃热风鼓吹30min。
作为本发明一种优选的具体实施方案，步骤(2)中所述的高温饱和水蒸汽的温度为135-145℃，最优选为140℃；所述的加热处理时间为1-3小时，最优选为2小时。
采用高温饱和水蒸汽对竹材进行热处理，在此过程中化学结合水开始散失，水溶性提取物随水分运动而沉积在竹子表面，竹材颜色由浅黄色变为浅棕色，同时薄壁细胞收缩、细胞体积减小，纤维素结晶度升高，木质素交联度升高，竹材的重量下降1.0％～1.2％，密度升高5％～7％，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)和尺寸稳定性均有所升高。
作为本发明一种优选的具体实施方案，步骤(3)或步骤(4)中所述的定型装置只要能够使竹材按照要求的形状(譬如弯曲)进行固定的装置均能适于本发明，譬如弯机类的常规用于竹材的定型装置均能适于本发明。
作为本发明一种优选的具体实施方案，步骤(3)中所述的高温饱和水蒸汽的温度为135-145℃，最优选为140℃；所述的加热定型处理的时间为1-3小时，最优选为2小时。
在定型装置中采用高温饱和水蒸汽对木材进行加热定型处理，在此过程中，由于水分蒸发至与饱和水蒸汽达到平衡，半纤维含量减少，α-纤维素含量增加，竹材颜色稍有加深，木质素的交联程度更高，竹材质量下降1.4％～1.5％，密度升高9％～10％，机械性能明显有所升高。
作为本发明一种优选的具体实施方案，步骤(4)中所述的逐步降至室温是以10℃/min的降温速度降至室温，所得到的竹材为浅棕色，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)较微碳化处理之前分别提高18％～20％和17％～25％。
采用本发明微碳化处理方法所得到的碳化竹材，相比处理之前，密度有所增加，其MOR和MOE等机械性能有显著提升，且都可以维持一个稳定数据，基本不随使用时间而降低(如果是圆竹，这个MOR和MOE大概是以一年降低5-10％衰减)，显著增加了强度和曲率，尺寸稳定性好，具有优异的防腐防霉和防止生虫性能，减少开裂率，耐候性好，显著提高了使用寿命，作为建筑或者家具的用材具有更好的应用价值。
例如，将本发明微碳化处理方法制备得到的竹材做成用于家禽圈养的护栏，护栏在使用12个月之后，检测护栏的裂纹、弹性、机械强度等，验证护栏的性能没有明显下降。还可以将本发明微碳化处理方法制备得到的竹材作为建筑用材，包括用于场馆、公园凉亭、竹拱桥等建筑的用材，使用寿命可达到50年；相比之下，如果不将竹材采用本发明的微碳化处理，其在户外作为建筑材料的使用寿命只有3-5年。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1圆竹的微碳化处理
圆竹采自安徽省黄山市太平湖镇，含水率为50％。
(1)热风鼓吹预处理：采用辊式进料(采用动力辊筒输送，辊直径上海霞韵输送机械设备有限公司生产)方法将长度为1.5m-4.0m圆竹100kg进料，同时由上至下对竹材进行70℃热风鼓吹30min，使得竹材在进入加料区前水分含量降低20％，便于后续热处理；
(2)热成型处理：
①采用饱和水蒸汽对竹材进行热处理：采用140℃饱和水蒸汽对竹材加热处理2h，在此过程中化学结合水开始散失，水溶性提取物随水分运动而沉积在竹子表面，竹材颜色由浅黄色变为浅棕色，同时薄壁细胞收缩、细胞体积减小，纤维素结晶度升高，木质素交联度升高，竹材的重量下降，密度升高，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)和尺寸稳定性有所升高。
表1采用140℃饱和水蒸汽对竹材加热处理前后的竹材有关指标
②将热处理后的竹材置于使圆竹定型的装置中采用饱和水蒸汽对竹材进行热定型处理：
将热处理后的圆竹置于能够使圆竹进行定型的装置(譬如使圆竹保持弯曲形状)中继续采用140±5℃饱和水蒸汽对竹材加热2h，对竹材进行定型加热处理。在此过程中，由于水分蒸发至与水饱和蒸汽达到平衡，半纤维含量减少，α-纤维素含量增加，竹材颜色稍有加深，木质素的交联程度更高，竹材的重量进一步下降，密度升高，机械性能进一步升高。
表2将热处理后的竹材置于使圆竹定型的装置中继续采用140±5℃饱和蒸汽对竹材进行加热定型处理前后的竹材有关指标
③将使圆竹定型的装置中经过定型处理后的竹材逐步降至室温，即得微碳化的竹材：
将竹材继续固定在使圆竹定型的装置中，温度以10℃/min的速度下降至室温，此时得到的竹材为浅棕色，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)较微碳化处理之前分别显著提升。
表3降温阶段-降温后得到的微碳化的竹材的性质
实施例2圆竹的微碳化处理
圆竹采自安徽省黄山市太平湖镇，含水率为40％。
(1)热风鼓吹预处理：采用辊式进料(采用动力辊筒输送，辊直径上海霞韵输送机械设备有限公司生产)方法将长度为1.5m-4.0m圆竹100kg进料，同时由上至下对竹材进行75℃热风鼓吹25min，使得竹材在进入加料区前水分含量降低20％，便于后续热处理；
(2)热成型处理：
①采用饱和水蒸汽对竹材进行热处理：采用135℃饱和水蒸汽对竹材加热处理2.5h，在此过程中化学结合水开始散失，水溶性提取物随水分运动而沉积在竹子表面，竹材颜色由浅黄色变为浅棕色，同时薄壁细胞收缩、细胞体积减小，纤维素结晶度升高，木质素交联度升高，竹材的重量下降，密度升高，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)和尺寸稳定性均有所升高。
表4采用135℃饱和水蒸汽对竹材加热处理前后的竹材有关指标
②将热处理后的竹材置于使圆竹定型的装置(譬如使圆竹保持弯曲形状)中采用饱和水蒸汽对竹材进行热定型处理：
将热处理后的圆竹置于使圆竹定型的装置中继续采用135℃饱和水蒸汽对竹材加热2.5h，对竹材进行定型加热处理。在此过程中，由于水分蒸发至与饱和水蒸汽达到平衡，半纤维含量减少，α-纤维素含量增加，竹材颜色稍有加深，木质素的交联程度更高，竹材的重量下降，密度升高，机械性能明显升高。
表5将热处理后的竹材置于定型装置中继续采用135℃饱和蒸汽对竹材进行加热定型处理前后的竹材有关指标
③将使圆竹定型的装置中经过定型处理后的竹材逐步降至室温，即得微碳化的竹材：
将竹材继续固定在能够使圆竹定型的装置中，温度以10℃/min的速度下降至室温，此时得到的竹材为浅棕色，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)较微碳化处理之前明显提高。
表6降温阶段-降温后得到的微碳化的竹材的性质
实施例3圆竹的微碳化处理
圆竹采自安徽省黄山市太平湖镇，含水率为40％。
(1)热风鼓吹预处理：采用辊式进料(采用动力辊筒输送，辊直径上海霞韵输送机械设备有限公司生产)方法将长度为1.5m-4.0m圆竹100kg进料，同时由上至下对竹材进行65℃热风鼓吹45min，使得竹材在进入加料区前水分含量降低15％，便于后续热处理；
(2)热成型处理：
①采用饱和水蒸汽对竹材进行热处理：采用145℃饱和水蒸汽对竹材加热处理1.5h，在此过程中化学结合水开始散失，水溶性提取物随水分运动而沉积在竹子表面，竹材颜色由浅黄色变为浅棕色，同时薄壁细胞收缩、细胞体积减小，纤维素结晶度升高，木质素交联度升高，竹材的重量下降，密度升高，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)和尺寸稳定性均有所升高。
表7采用145℃饱和水蒸汽对竹材加热处理前后的竹材有关指标
②将热处理后的竹材置于能够使圆竹定型的装置(譬如使圆竹保持弯曲形状)中采用饱和水蒸汽对竹材进行热定型处理：
将热处理后的圆竹置于能够使圆竹定型的装置中继续采用145℃饱和水蒸汽对竹材加热1.5h，对竹材进行定型加热处理。在此过程中，由于水分蒸发至与饱和水蒸汽达到平衡，半纤维含量减少，α-纤维素含量增加，竹材颜色稍有加深，木质素的交联程度更高，竹材的重量下降，密度升高，机械性能明显升高。
表8将热处理后的竹材置于定型装置中继续采用145℃饱和蒸汽对竹材进行加热定型处理前后的竹材有关指标
③将使圆竹定型的装置中经过定型处理后的竹材逐步降至室温，即得微碳化的竹材：
将竹材继续固定在能够使圆竹定型的装置中，温度以10℃/min的速度下降至室温，此时得到的竹材为浅棕色，断裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)较微碳化处理之前明显提高。
表9降温阶段-降温后得到的微碳化的竹材的性质

Claims (10)

1.一种竹材的微碳化处理方法，其特征在于，包括：
(1)将竹材进行预处理使竹材的水分含量降低15％～20％；
(2)采用高温饱和水蒸汽对竹材进行加热处理；
(3)将加热处理后的竹材置于定型装置中采用高温饱和水蒸汽对竹材进行加热定型处理；
(4)将加热定型处理后的竹材继续置于定型装置中逐步降至室温，即得微碳化竹材。
2.根据权利要求1所述的微碳化处理方法，其特征在于，所述的竹材主要是砍伐后未进行加工处理的各种竹子材料。
3.根据权利要求1所述的微碳化处理方法，其特征在于，步骤(1)中采用热风处理的预处理方式将将竹材的水分含量降低15％～20％。
4.根据权利要求3所述的微碳化处理方法，其特征在于，所述的热风处理是采用65-75℃热风鼓吹10-60min，优选的，所述的热风处理是采用70℃热风鼓吹30min。
5.根据权利要求1所述的微碳化处理方法，其特征在于，步骤(2)中所述的高温饱和水蒸汽的温度为135-145℃，优选为140℃；所述的加热处理时间为1-3小时，优选为2小时。
6.根据权利要求1所述的微碳化处理方法，其特征在于，步骤(3)或步骤(4)中所述的定型装置是能够使竹材按照要求的形状进行固定的装置。
7.根据权利要求1所述的微碳化处理方法，其特征在于，步骤(3)中所述的高温饱和水蒸汽的温度为135-145℃，优选为140℃；所述的加热定型处理的时间为1-3小时，优选为2小时。
8.根据权利要求1所述的微碳化处理方法，其特征在于，步骤(4)中所述的逐步降至室温是以10℃/min的降温速度降至室温。
9.由权利要求1-8任何一项所述的微碳化处理方法得到的微碳化竹材产品。
10.权利要求9所述的微碳化竹材产品作为建筑或者家具制造用材料中的用途。
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