木材炭化主流处理工艺

世界现存最古老、最高的木塔-佛宫寺释迦塔（应县木塔）  图片来源：新浪微博@遗产君        人类使用木材的历史可以追溯到茹毛饮血的时

人类使用木材的历史可以追溯到茹毛饮血的时代，近代一些历史学家认为人类在进入石器时代之前曾经经历了漫长的“木器时代”。木材在人类历史相当长的一段时间之内有着举足轻重的地位，涵盖了衣食住行等各个阶段。

进入工业革命以来，机器逐渐替代了人力，加之人类对于木材需求量的增大，导致人类对于森林的砍伐速度变快，生态系统遭到破坏。

近年来，全球天然林资源日益短缺，主要木材资源大多来自人工林。由于人工林木材轮伐期短，未成熟材较多，木材本身存在半纤维素及木质素含量较高，材质差，密度低，耐久性差等缺点，因而大大限制了使用范围。

为改进木材本身的缺点，各国开始着力研究木材的改性处理。最初，人们首先考虑的是利用化学药剂浸渍或者加压注入处理的方式改进木材性能，并取得了不错的效果，但是化学药剂对于人类健康和环境品质有着一定的影响。随着人们对于环境保护意识的提高，欧盟及美国已经出台相应的规章措施，限制化学改性木材的使用范围。

20世纪30年代，美国开始将对环境无污染的热处理（Heat treatment）技术应用到木材改性当中，经过近半个世纪的发展，木材的炭化（热处理）技术日渐成熟。近几年，芬兰、法国、荷兰等国开始系统的研究炭化技术并开发出一系列成熟方案。

炭化现阶段的发展

木材炭化主要有气相介质加热法、蒸汽环境加热法（水热法）、惰性气体环境加热法、油性环境加热法等四种

1. 气相介质加热法

该工艺主要分为三个阶段

（1）高温干燥（升温阶段）

木材在碳化窑（罐）内快速升温至100℃左右。其后，温度稳定增至130℃，在此温度下木材含水率降至0%

（2）炭化阶段（处理阶段）

高温干燥结束后，碳化窑（罐）温度增至180℃~250℃之间。利用蒸汽作为导热介质。当达到预定目标后，温度维持2~3个小时。

（3）冷却与平衡处理（降温阶段）

开始水冷系统，使温度降至80℃~90℃之间，再利用调试系统使得木材中含水率恢复至4%~7%。此步骤目的是为了避免木材表面及内部发生干裂或者撕裂现象。

注：上述数值仅作参考，具体数值根据木材种类及尺寸而定

主要代表工艺

2. 蒸汽环境加热法（水热法）

该工艺主要分为三个阶段

（1）水热处理阶段

以温度160℃~190℃、压力0.6MPa~0.8MPa的条件对生材进行炭化；其中，半纤维素中的乙酰基裂解形成醋酸，碳水化合物降解产生甲醛、糠醛，木质素裂解产生醛类。

（2）固化阶段

当木材含水率降至10%时，以170℃~190℃，常压、缺氧环境予以固化。借由木质素芳香核上形成的活性基以及生成的醛类，进行缩合反应。进而减少木材的吸水性，增加木材稳定性。

（3）炭化阶段

继续使用170℃~190℃。此过程，酚类化合物与酚结构物质产生反应，生成不溶于水的高聚合物，存在于细胞壁周围。

主要代表工艺

3. 惰性气体环境加热法

将木材至于密闭容器内，通入氮气，并加热至210℃~240℃。此工艺温度对于木材性质的影响极大。当炭化温度为210℃时，木材机械性能提高，但是耐久性变化不大；但是当温度到达230℃时，耐久性提高，但是材质变脆。

代表工艺

4. 油性环境加热法

将木材放在180°C至220°C的油（亚麻籽油）中。此过程也可以与化学添加剂一起使用，以改变木材性能。

代表工艺

虽然各种炭化工艺各有不同，但是原理都是一样。都是将木材置于缺氧的环境下，进行高温热处理，使木材中的纤维素、半纤维素、木质素分解、挥发、反应，形成新的化学键，提高木材的稳定性和耐久性。

木材是一种多功能的原材料，也是唯一的可再生建筑材料。木结构建筑各部件共同体现了木材良好的承重、隔热、隔音、防潮、防火和耐用的特点。增加木材在建筑中的使用，能够减少对其他材料如混凝土、钢筋和砖的使用。这些材料不但不可再生，而且制造过程能耗高，碳排量很大。

随着全球温室气体排放量的增加，温室效应越来越明显。现在的经济系统需要更多的可再生能源、节能的建筑材料、节能的建筑和低耗的交通。因此，建筑行业的短期和长期发展目标，都是要通过运用环保材料和节能建筑来减少碳排放。在未来相当长的一段时期内，木材都会作为一种主要的资源存在。而提升木材整体性能无疑是未来发展的趋势