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隨著國家天然林保護工程的實施，人工林木材的開發(fā)利用已成為解決木材供需矛盾的重要途徑。蒸汽法木材炭化熱處理工藝的研究，是利用木材，提高木材附加值的物理加工手段。炭化木熱處理既具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐腐性、耐候性、環(huán)保性等優(yōu)點，又可通過炭化熱處理改變普通木材的顏色來模仿珍貴木材，提高其使用范圍和附加值，已越來越受到企業(yè)和木材科學研究人員的關注。
 
自從上個世紀中葉，不同的木材炭化熱處理改性工藝在法國、芬蘭、荷蘭和德國就發(fā)展起來并產業(yè)化[1]，而國內關于木材炭化熱處理工藝的研究甚少。因此，借鑒國外木材炭化熱處理方法和經驗，適時開展我國木材炭化熱處理改性研究尤為重要。
 

 
經過大量的探索試驗，得出適用于自制小型炭化熱處理設備的杉木木材炭化熱處理工藝，具體如下：
 
（1）木材準備：用含水率測定儀對各木材進行含水率測定，并記錄。經測定含水率范圍應小于15%的用塑料薄膜包裹防止吸濕，待用；而對于含水率大于15%的待處理木材，應先采用常規(guī)干燥方法進行干燥處理，使其含水率低于15%后再進行處理。
 
（2）木材堆垛：按常規(guī)干燥法堆垛，放入炭化熱處理設備內，關閉干燥室的大門和進、排氣口進行處理。
 
（3）預熱過程：將窯內溫度在1～3h內升到60～70℃，板材每厚1cm預炭化熱處理1h。此過程目的是對木材加熱并提高木材心層的溫度，使木材熱透，以便在干燥階段能加速內部水分向表層移動，同時可以消除木材的應力。
 
（4）升溫過程：將窯內介質溫度以14～16℃/h的速度快速升溫到100℃左右；接著以3-5℃/h的速度升溫到130℃左右對素材進行高溫干燥，使素材接近絕干（含水率接近0）；再以15-20℃/h的速度升溫到185-220℃之間對素材進行前期炭化熱處理；在此升溫階段中采用間歇式噴蒸法進行噴蒸處理，以防止木材燃燒，同時有利于窯內溫度和濕度的調節(jié)；在此階段，升溫速度對防止木材內部產生開裂是非常重要的，升溫速度太快容易產生開裂翹曲。
 
（5）保溫過程：在目標溫度保溫1-4h。在此過程中應適當間接噴蒸，輔以過熱蒸汽保護。在干燥和炭化熱處理過程中所用的蒸汽是作為保護蒸汽，這些保護蒸汽主要防止木材燃燒，同時對木材內部發(fā)生的化學變化產生影響。
 
（6）降溫和調節(jié)過程：關閉熱源，采用間歇式噴蒸法降溫，使窯內溫度以15～20℃/h的速度降溫到120～140℃；接著采用進排氣口間歇開合和間歇式噴蒸法進行降溫，使窯內溫度以3-5℃/h的速度降溫到80-90℃，采用間歇式噴蒸法進行噴蒸處理，維持1～4h，使木材含水率達到4～8%；再自然降至室溫，出窯。
 
在木材出窯前，要特別注意木材內部的高溫和周圍外部空氣的溫差會使木材產生開裂。此外還需根據(jù)炭化熱處理木材的zui終用途對木材進行調濕處理，木材的終含水率對木材的性質有重要的影響，含水率過低的木材也不適合加工應用。由于炭化熱處理的溫度和所處理木材的不同，調節(jié)階段需要5-15h。
 
由于高溫干燥含水率過高會造成嚴重的開裂變形，因此炭化熱處理前采用較低的含水率試材，應低于15%。Norimoto[3-4] 認為，在200 ℃左右的蒸汽作用下，木材的半纖維素、木素和纖維素微纖絲有可能被切斷，因此變定固定的原因是蒸汽使微纖絲和基質材料蓄積的回復力消失或木材分子之間產生架橋，并發(fā)現(xiàn)當蒸汽溫度在160℃時木材內的應力顯著下降，當蒸汽在180℃時，應力在1000s內*消失?；谠?30℃以上木材內部的應力較小，木材的形變固定等原因，本試驗采用了在130℃到目標處理溫度的過程中和目標處理溫度降至130℃過程中，進行快速升溫或降溫，但又要保持木材心邊材的溫度差不能太大，使木材內外的炭化熱處理程度避免差異過大，因此，在快速升溫或降溫過程中視內外溫差變化，調整升降溫速度。在低于130℃的降溫過程中，李大綱，李堅，劉一星等[5]認為由于溫度降低又回到玻璃態(tài)，冷下來的微纖絲和基質又能產生彈性變形，因此若不再進行軟化處理就不會有回復發(fā)生。然而，基質一旦再次被軟化（在濕熱條件下）儲存在微纖絲中的彈性應變能就會釋放出來，基質分子又會運動，因此，木材又要產生回復變形，產生應力，本試驗采用緩慢降溫，使條件緩和下來，減少變形開裂。
 
試驗結果表明，按該工藝制得的炭化熱處理木材出窯后尺寸穩(wěn)定，無開裂和變形發(fā)生，板材強度略有下降，板面顏色隨炭化熱處理時間延長和目標溫度的升高而逐漸加深。其中，溫度變化對板材顏色的影響更為顯著，上述工藝切實可行，對不同炭化熱處理木材工藝下的板材的性能和板面顏色變化有待做進一步的研究。
 
3 結論3.1 在炭化熱處理初期，待處理木材的含水率應小于15%，迅速升溫至100℃，再緩慢升溫到130℃干燥到絕干，迅速升溫到炭化熱處理目標溫度，一般應控制在180℃-220℃范圍內，在處理過程中應適當噴蒸，降到80℃，調整含水率到4%-8%，出窯。
 
3.2 采用上述工藝得到的木材得率較高，制得的炭化熱處理木材出窯后尺寸穩(wěn)定，無開裂和變形發(fā)生，板材強度略有下降，板面顏色隨炭化熱處理時間延長和目標溫度的升高而逐漸加深。
 
3.3炭化熱處理木材具有良好的尺寸穩(wěn)定性、環(huán)保等優(yōu)點，在室外木建筑、家具與室內裝飾裝修等行業(yè)必將得到廣泛應用。所以，對人工林速生材進行炭化熱處理改性制造炭化木，是人工林木材深加工及利用的一種有效方法。