綜  述

近年來，炭化木在國內(nèi)市場的熱度逐漸上升，越來越多的人聽說過這個新名詞，然而大部分人仍停留在望文生義道聽途說的模糊階段，行業(yè)內(nèi)缺乏對炭化木基礎(chǔ)知識的清晰普及。本文旨在對炭化木的工藝和應(yīng)用做一些基本介紹。

什么是炭化木？

按照教科書上的定義，“以木材為原料，在150℃~260℃溫度下，以蒸氣、空氣（乏氧）、氮氣等氣體或植物油為介質(zhì)，進行加熱處理，所得到的產(chǎn)品為‘熱處理材’，國內(nèi)俗稱‘炭化木’�！�

其實木材在加熱期間，只是部分成分熱解釋放，木材的實質(zhì)物質(zhì)并沒有炭化，所以稱之為“炭化木”并不是非常確切。國外一般將其稱呼為“Thermal Modified Timber”，簡稱TMT，直譯成中文是“熱改性木材”，更為精確。TMT一般用于戶外，在極端條件下使用壽命可長達25年，并且不含任何人工添加的化學(xué)助劑，對環(huán)境和人體完全無害。

圖1. 深度炭化白蠟?zāi)镜匕�，�?nèi)外顏色完全一致

雖然炭化木工藝在理論上有多種加熱介質(zhì)，目前國外的主流工藝是氣相介質(zhì)，其中應(yīng)用最多的則是氮氣。使用惰性氣體或者乏氧空氣是因為，在高溫條件下木材一旦遇到氧氣會劇烈氧化或者燃燒，工藝難以控制。

國內(nèi)常用的炭化溫度為170℃~180℃，介質(zhì)為含氧空氣，這種條件下半纖維素很難熱解，木材只是輕微變色，并且由于氧化不均勻，常常引起表面顏色深淺不一。這種產(chǎn)品和國外的TMT完全是兩回事，為了區(qū)分，大家一般將國外的TMT稱為“深度炭化木”（圖1），主要用于戶外等需要高度防腐的場所。國內(nèi)產(chǎn)品則被稱為“淺度炭化”或者“淺炭”（圖2），其炭化的主要目的在于提高木材的穩(wěn)定性，使用以室內(nèi)為主。

歷史

說到炭化木的歷史，在中國的唐朝時期（公元7世紀~10世紀），當時彪悍的維京人就發(fā)現(xiàn)，表面過火的木頭能夠抵御海水的腐蝕，于是用它來打造戰(zhàn)船，這是人類最早有意識地應(yīng)用炭化木。從技術(shù)角度來講，直到上世紀，歐洲才研發(fā)出穩(wěn)定可控的炭化木工藝，其商業(yè)化的生產(chǎn)不過剛剛開始了20年的時間。

歐美國家主要應(yīng)用其防腐能力，因為炭化木是更綠色、安全、環(huán)保的升級戶外材料，且已有比較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗。對中國來說，市場剛剛開始認知這個新產(chǎn)品，處于成長期的炭化木行業(yè)，其生產(chǎn)、開發(fā)、設(shè)計和應(yīng)用等諸多方面都有很多東西亟待摸索和開發(fā)。

炭化木戶外地板

工藝

雖然理論上可以將生材直接干燥并炭化，但考慮到成本、效率和生產(chǎn)的靈活性，目前在炭化前，基本上會先將木材用常規(guī)干燥窯干燥（圖3），使含水率達到常規(guī)窯干板材的正常水平——8%~12%。

然后，再將窯干板材放入炭化罐內(nèi)（圖4）進一步處理。罐中含氧量非常低（少于2%），板材分別經(jīng)歷升溫和高溫干燥階段、熱處理階段、冷卻和濕度平衡處理階段。因為熱處理后的木材處于高溫，與外部空氣溫差很大，容易造成木材開裂，而且過分干燥的木材進行后續(xù)加工時困難，所以需要降溫和加濕，以便使木材得到合適于用戶需要的含水率。通常經(jīng)過冷卻和濕度平衡處理后，木材的最終含水率為5%~7%。

炭化過程中，通過改變溫度、濕度、壓力、循環(huán)等參數(shù)，產(chǎn)品的性能隨之發(fā)生變化。比如提高溫度和延長時間會加深產(chǎn)品的顏色、提高防腐性能，但是也會降低材料韌性、使其變得更脆；降低溫度和縮短時間則讓產(chǎn)品顏色變淺，防腐級別和穩(wěn)定性變低。圖5說明了產(chǎn)品性能隨炭化程度的變化曲線。

炭化引起的材料變化和結(jié)果如下：

1、管孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆的永久變化從圖6和圖7可以清楚地看到木材微觀結(jié)構(gòu)在炭化過程中的變化。Control為熱處理之前，然后是不同溫度下木材的微觀結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高，木材的細胞壁發(fā)生了較大變形，變得更脆。

2、防霉防腐

經(jīng)過高溫?zé)崽幚�，木材的化學(xué)組成發(fā)生變化，去除了侵蝕木材的生物生存所需的條件。木材中的半纖維素發(fā)生熱解反應(yīng)后，生成甲酸、乙酸。同時，木材中的低分子營養(yǎng)物質(zhì)揮發(fā)或受到破壞。由于木材酸堿度、營養(yǎng)物質(zhì)和平衡含水率的變化，破壞了真菌和其他微生物的生存之本，使炭化木的防腐、防霉、防色變性能大大提高。

3、濕脹干縮減小

木材的吸濕主要由于內(nèi)部含有大量羥基。熱處理過程中，含有大量羥基的半纖維素的耐熱性最差，最先發(fā)生分解，顯著減少了木材內(nèi)部的羥基數(shù)量，從而使炭化木的吸濕性大大降低，減小了木材的干縮和濕脹，尺寸也就更加穩(wěn)定性了。

4、避免開裂變形

木材的生長應(yīng)力（殘余應(yīng)力）是木材開裂、翹曲和脹縮的主要原因之一。經(jīng)過炭化高溫處理之后，木材發(fā)生密度降低、低分子揮發(fā)物去除、半纖維素降解、無定形區(qū)減少、結(jié)晶度增加等變化，從而使木材的弦向、徑向收縮率差異變小，生長應(yīng)力得以釋放。

5、顏色穩(wěn)定

炭化后木材的顏色變深，并且內(nèi)外一致。除了能消除淺色材種的色差之外，一些材種如黃楊和軟楓，炭化之后外觀和黑胡桃非常接近，增加了材料的應(yīng)用價值。

6、密度降低

同樣由于半纖維素的熱解，炭化后木材的密度是降低的。一般硬木炭化后密度下降10%~12%，采用不同材種、不同炭化工藝的結(jié)果不一樣。另外由于無定形區(qū)減少，木材的韌性下降，比原來更脆。

7、硬度降低

木材炭化之后硬度降低3%左右。不過對于大部分硬木來說，本身就具有很高的硬度（見表1），因此即使在炭化之后用于普通的地板、家具、木門、樓梯等產(chǎn)品，其硬度仍然能讓質(zhì)量得以保障。

炭化缺陷

由于炭化過程是在接近燃點的高溫中完成的，并且含水率要達到絕干的極限狀態(tài)，因此炭化工藝的控制必須非常精準，稍有偏差，輕則引起板面開裂、疤節(jié)爆出、表面污染、顏色發(fā)花等品質(zhì)問題，嚴重的會導(dǎo)致碳化罐爆炸。

圖8. 炭化造成的板材表面污染

圖9. 炭化產(chǎn)生的色差

和其他防腐木比較

炭化木在歐美最主要的用途是戶外工程，它是一種全天然重防腐的新型材料，具有不可替代的優(yōu)越性。以炭化白蠟為例，和常見的戶外地板材料對比見表2。

使用中的注意事項

因為炭化造成的木材性能變化，炭化木尤其是炭化硬木在使用過程中應(yīng)重點注意以下問題：

1、因為羥基減少，并且管孔結(jié)構(gòu)更加封閉，所以炭化木的吸水、吸油、吸膠能力均有下降。在膠合時涂膠后應(yīng)留出更長的開放時間，讓膠水有足夠的時間滲透進木材內(nèi)部形成膠釘，保證膠合面強度。在涂裝時應(yīng)適當減少底漆的噴涂量，讓每遍底漆有足夠時間滲透進去。

2、因為木材的脆性增加，所有螺絲必須預(yù)先打引孔，避免使用自攻絲，以免造成開裂。螺絲帽部位打沉孔，以免擰入螺絲時對木材表面壓力過大，造成崩茬。同理，在機械加工過程中，刀具必須保證足夠鋒利，否則容易引起崩邊。

3、炭化木的顏色會因紫外線照射逐漸變淺，因此必須使用抗UV涂裝，否則會變色。

圖10. 深色的是炭化白蠟地板，使用了抗UV涂裝，基本未變色；旁邊是未使用抗UV涂裝的地板，在兩三年后由深色變成銀白色。

炭化木的工程案例，以美國Bingaman為例，作為目前北美最大的炭化硬木制造企業(yè)，在研發(fā)這項全新工藝的時候經(jīng)歷過多次摸索改進甚至炭化罐爆炸。企業(yè)擁有3臺自主參與開發(fā)的設(shè)備常年穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，產(chǎn)品主要用于北美和歐洲的戶外工程，如下圖的建筑外墻，材種為黃楊。

結(jié)語

作為一種新型的木材處理工藝，炭化將木材的天然屬性和使用性能更完美地結(jié)合到了一起，是這個傳統(tǒng)行業(yè)里難得的技術(shù)創(chuàng)新。雖然中國市場仍在啟動階段，不過基于國內(nèi)強勁的高端需求，預(yù)計在經(jīng)過一兩年的推廣和教育階段之后，炭化木將進入爆發(fā)期，這也將是我們這個行業(yè)新的可持續(xù)增長點，值得期待，更值得為之努力。

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文章來源：網(wǎng)絡(luò)

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