随着国家天然林保护工程的实施，人工林木材的开发利用已成为解决木材供需矛盾的重要途径。蒸汽法木材炭化热处理工艺的研究，是高效利用木材，提高木材附加值的物理加工手段。炭化木热处理既具有良好的尺寸稳定性、耐腐性、耐候性、环保性等优点，又可通过炭化热处理改变普通木材的颜色来模仿珍贵木材，提高其使用范围和附加值，已越来越受到企业和木材科学研究人员的关注。
自从上个世纪中叶，不同的木材炭化热处理改性工艺在法国、芬兰、荷兰和德国就发展起来并产业化[1]，而国内关于木材炭化热处理工艺的研究甚少。因此，借鉴国外木材炭化热处理方法和经验，适时开展我国木材炭化热处理改性研究尤为重要。
1 试验材料与方法1.1 试验材料试验所用的人工林杉木木材，采自浙江省临安市马溪木材市场，试验材规格：22mm×150 mm×350mm（厚度×宽度×长度），含水率为16%-30%。材料要求：挑选时要尽量注意选少节或无死节的试件，试件以径向板为佳。
1.2 设备MWD-50微机控制电子式木材试验机、101-1型电热鼓风干燥箱、日本ESPEC调温调湿箱、自制小型木材炭化热处理装置。
自制小型木材炭化热处理装置（原理图，见图1）由以下组成部分：（1）蒸汽发生器，主要提供炭化热处理过程中所需蒸汽；（2）电热恒温烘箱，堆放木料和提供热源；（3）温度显示仪，主要测定木材表、心层的温度，从而实现连续检测，便于控制升温速度；（4）轴流式风机，主要实现装置内介质快速循环；（5）隔板，防止木材与热源直接接触产生燃烧，对木材起支撑作用；（6）石棉网，防止木材离热源面温度过高，减小木材上下层的温差；（7）温度控制仪，测试介质温度，通过介质温度探头来控制电加热源；（8）散热扇，使电机处热量快速散失，防止电机因温度过高造成故障。
1.3 试验方法本试验的实验方法主要参考芬兰的VVT和木制品工业已经联合开发的工业化规模的炭化木材生产工艺、过热蒸汽法干燥木材标准、高温干燥标准[2]，进行蒸汽法木材（杉木）炭化热处理工艺的调整，对炭化热处理的参数和升温速度等进行了实验优化。
炭化木的加工主要分为以下三个阶段：阶段：温度升高及高温干燥阶段。采用蒸汽加热，干燥窑的温度迅速升高到100℃上下，此后，温度逐渐上升到130℃，在这段时间中，进行的是高温干燥，并且木材内部的含水率几乎降到0。第二阶段：炭化热处理炭化阶段。高温干燥的进行，干燥窑内部的温度上升到185℃到215℃之间。当达到所要求的温度以后，根据最后炭化木不同的用途保持炭化热处理炭化温度2-3h。第三阶段：冷却与含水率调节阶段。最后一个阶段是通过喷蒸来降低温度，当温度降到80℃到90℃时，调节被处理木材的湿度，使其达到含水率4%-7%[2]。
2 结果与讨论经过大量的探索试验，得出适用于自制小型炭化热处理设备的杉木木材炭化热处理工艺，具体如下：
（1）木材准备：用含水率测定仪对各木材进行含水率测定，并记录。经测定含水率范围应小于15%的用塑料薄膜包裹防止吸湿，待用；而对于含水率大于15%的待处理木材，应先采用常规干燥方法进行干燥处理，使其含水率低于15%后再进行处理。
（2）木材堆垛：按常规干燥法堆垛，放入炭化热处理设备内，关闭干燥室的大门和进、排气口进行处理。
（3）预热过程：将窑内温度在1～3h内升到60～70℃，板材每厚1cm预炭化热处理1h。此过程目的是对木材加热并提高木材心层的温度，使木材热透，以便在干燥阶段能加速内部水分向表层移动，同时可以消除木材的应力。
（4）升温过程：将窑内介质温度以14～16℃/h的速度快速升温到100℃左右；接着以3-5℃/h的速度升温到130℃左右对素材进行高温干燥，使素材接近绝干（含水率接近0）；再以15-20℃/h的速度升温到185-220℃之间对素材进行前期炭化热处理；在此升温阶段中采用间歇式喷蒸法进行喷蒸处理，以防止木材燃烧，同时有利于窑内温度和湿度的调节；在此阶段，升温速度对防止木材内部产生开裂是非常重要的，升温速度太快容易产生开裂翘曲。
（5）保温过程：在目标温度保温1-4h。在此过程中应适当间接喷蒸，辅以过热蒸汽保护。在干燥和炭化热处理过程中所用的蒸汽是作为保护蒸汽，这些保护蒸汽主要防止木材燃烧，同时对木材内部发生的化学变化产生影响。
（6）降温和调节过程：关闭热源，采用间歇式喷蒸法降温，使窑内温度以15～20℃/h的速度降温到120～140℃；接着采用进排气口间歇开合和间歇式喷蒸法进行降温，使窑内温度以3-5℃/h的速度降温到80-90℃，采用间歇式喷蒸法进行喷蒸处理，维持1～4h，使木材含水率达到4～8%；再自然降至室温，出窑。
在木材出窑前，要特别注意木材内部的高温和周围外部空气的温差会使木材产生开裂。此外还需根据炭化热处理木材的最终用途对木材进行调湿处理，木材的终含水率对木材的性质有重要的影响，含水率过低的木材也不适合加工应用。由于炭化热处理的温度和所处理木材的不同，调节阶段需要5-15h。
由于高温干燥含水率过高会造成严重的开裂变形，因此炭化热处理前采用较低的含水率试材，应低于15%。Norimoto[3-4] 认为，在200 ℃左右的蒸汽作用下，木材的半纤维素、木素和纤维素微纤丝有可能被切断，因此变定固定的原因是蒸汽使微纤丝和基质材料蓄积的回复力消失或木材分子之间产生架桥，并发现当蒸汽温度在160℃时木材内的应力显著下降，当蒸汽在180℃时，应力在1000s内完全消失。基于在130℃以上木材内部的应力较小，木材的形变固定等原因，本试验采用了在130℃到目标处理温度的过程中和目标处理温度降至130℃过程中，进行快速升温或降温，但又要保持木材心边材的温度差不能太大，使木材内外的炭化热处理程度避免差异过大，因此，在快速升温或降温过程中视内外温差变化，调整升降温速度。在低于130℃的降温过程中，李大纲，李坚，刘一星等[5]认为由于温度降低又回到玻璃态，冷下来的微纤丝和基质又能产生弹性变形，因此若不再进行软化处理就不会有回复发生。然而，基质一旦再次被软化（在湿热条件下） 储存在微纤丝中的弹性应变能就会释放出来，基质分子又会运动，因此，木材又要产生回复变形，产生应力，本试验采用缓慢降温，使条件缓和下来，减少变形开裂。
试验结果表明，按该工艺制得的炭化热处理木材出窑后尺寸稳定，无开裂和变形发生，板材强度略有下降，板面颜色随炭化热处理时间延长和目标温度的升高而逐渐加深。其中，温度变化对板材颜色的影响更为显著，上述工艺切实可行，对不同炭化热处理木材工艺下的板材的性能和板面颜色变化有待做进一步的研究。
3 结论3.1 在炭化热处理初期，待处理木材的含水率应小于15%，迅速升温至100℃，再缓慢升温到130℃干燥到绝干，迅速升温到炭化热处理目标温度，一般应控制在180℃-220℃范围内，在处理过程中应适当喷蒸，降到80℃，调整含水率到4%-8%，出窑。
3.2 采用上述工艺得到的木材得率较高，制得的炭化热处理木材出窑后尺寸稳定，无开裂和变形发生，板材强度略有下降，板面颜色随炭化热处理时间延长和目标温度的升高而逐渐加深。
3.3炭化热处理木材具有良好的尺寸稳定性、环保等优点，在室外木建筑、家具与室内装饰装修等行业必将得到广泛应用。所以，对人工林速生材进行炭化热处理改性制造炭化木，是人工林木材深加工及高效利用的一种有效方法。
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随着国家天然林保护工程的实施，人工林木材的开发利用已成为解决木材供需矛盾的重要途径。蒸汽法木材炭化热处理工艺的研究，是高效利用木材，提高木材附加值的物理加工手段。炭化木热处理既具有良好的尺寸稳定性、耐腐性、耐候性、环保性等优点，又可通过炭化热处理改变普通木材的颜色来模仿珍贵木材，提高其使用范围和附加值，已越来越受到企业和木材科学研究人员的关注。
自从上个世纪中叶，不同的木材炭化热处理改性工艺在法国、芬兰、荷兰和德国就发展起来并产业化[1]，而国内关于木材炭化热处理工艺的研究甚少。因此，借鉴国外木材炭化热处理方法和经验，适时开展我国木材炭化热处理改性研究尤为重要。
1 试验材料与方法1.1 试验材料试验所用的人工林杉木木材，采自浙江省临安市马溪木材市场，试验材规格：22mm×150 mm×350mm（厚度×宽度×长度），含水率为16%-30%。材料要求：挑选时要尽量注意选少节或无死节的试件，试件以径向板为佳。
1.2 设备MWD-50微机控制电子式木材试验机、101-1型电热鼓风干燥箱、日本ESPEC调温调湿箱、自制小型木材炭化热处理装置。
自制小型木材炭化热处理装置（原理图，见图1）由以下组成部分：（1）蒸汽发生器，主要提供炭化热处理过程中所需蒸汽；（2）电热恒温烘箱，堆放木料和提供热源；（3）温度显示仪，主要测定木材表、心层的温度，从而实现连续检测，便于控制升温速度；（4）轴流式风机，主要实现装置内介质快速循环；（5）隔板，防止木材与热源直接接触产生燃烧，对木材起支撑作用；（6）石棉网，防止木材离热源面温度过高，减小木材上下层的温差；（7）温度控制仪，测试介质温度，通过介质温度探头来控制电加热源；（8）散热扇，使电机处热量快速散失，防止电机因温度过高造成故障。
1.3 试验方法本试验的实验方法主要参考芬兰的VVT和木制品工业已经联合开发的工业化规模的炭化木材生产工艺、过热蒸汽法干燥木材标准、高温干燥标准[2]，进行蒸汽法木材（杉木）炭化热处理工艺的调整，对炭化热处理的参数和升温速度等进行了实验优化。
炭化木的加工主要分为以下三个阶段：阶段：温度升高及高温干燥阶段。采用蒸汽加热，干燥窑的温度迅速升高到100℃上下，此后，温度逐渐上升到130℃，在这段时间中，进行的是高温干燥，并且木材内部的含水率几乎降到0。第二阶段：炭化热处理炭化阶段。高温干燥的进行，干燥窑内部的温度上升到185℃到215℃之间。当达到所要求的温度以后，根据最后炭化木不同的用途保持炭化热处理炭化温度2-3h。第三阶段：冷却与含水率调节阶段。最后一个阶段是通过喷蒸来降低温度，当温度降到80℃到90℃时，调节被处理木材的湿度，使其达到含水率4%-7%[2]。
2 结果与讨论经过大量的探索试验，得出适用于自制小型炭化热处理设备的杉木木材炭化热处理工艺，具体如下：
（1）木材准备：用含水率测定仪对各木材进行含水率测定，并记录。经测定含水率范围应小于15%的用塑料薄膜包裹防止吸湿，待用；而对于含水率大于15%的待处理木材，应先采用常规干燥方法进行干燥处理，使其含水率低于15%后再进行处理。
（2）木材堆垛：按常规干燥法堆垛，放入炭化热处理设备内，关闭干燥室的大门和进、排气口进行处理。
（3）预热过程：将窑内温度在1～3h内升到60～70℃，板材每厚1cm预炭化热处理1h。此过程目的是对木材加热并提高木材心层的温度，使木材热透，以便在干燥阶段能加速内部水分向表层移动，同时可以消除木材的应力。
（4）升温过程：将窑内介质温度以14～16℃/h的速度快速升温到100℃左右；接着以3-5℃/h的速度升温到130℃左右对素材进行高温干燥，使素材接近绝干（含水率接近0）；再以15-20℃/h的速度升温到185-220℃之间对素材进行前期炭化热处理；在此升温阶段中采用间歇式喷蒸法进行喷蒸处理，以防止木材燃烧，同时有利于窑内温度和湿度的调节；在此阶段，升温速度对防止木材内部产生开裂是非常重要的，升温速度太快容易产生开裂翘曲。
（5）保温过程：在目标温度保温1-4h。在此过程中应适当间接喷蒸，辅以过热蒸汽保护。在干燥和炭化热处理过程中所用的蒸汽是作为保护蒸汽，这些保护蒸汽主要防止木材燃烧，同时对木材内部发生的化学变化产生影响。
（6）降温和调节过程：关闭热源，采用间歇式喷蒸法降温，使窑内温度以15～20℃/h的速度降温到120～140℃；接着采用进排气口间歇开合和间歇式喷蒸法进行降温，使窑内温度以3-5℃/h的速度降温到80-90℃，采用间歇式喷蒸法进行喷蒸处理，维持1～4h，使木材含水率达到4～8%；再自然降至室温，出窑。
在木材出窑前，要特别注意木材内部的高温和周围外部空气的温差会使木材产生开裂。此外还需根据炭化热处理木材的最终用途对木材进行调湿处理，木材的终含水率对木材的性质有重要的影响，含水率过低的木材也不适合加工应用。由于炭化热处理的温度和所处理木材的不同，调节阶段需要5-15h。
由于高温干燥含水率过高会造成严重的开裂变形，因此炭化热处理前采用较低的含水率试材，应低于15%。Norimoto[3-4] 认为，在200 ℃左右的蒸汽作用下，木材的半纤维素、木素和纤维素微纤丝有可能被切断，因此变定固定的原因是蒸汽使微纤丝和基质材料蓄积的回复力消失或木材分子之间产生架桥，并发现当蒸汽温度在160℃时木材内的应力显著下降，当蒸汽在180℃时，应力在1000s内完全消失。基于在130℃以上木材内部的应力较小，木材的形变固定等原因，本试验采用了在130℃到目标处理温度的过程中和目标处理温度降至130℃过程中，进行快速升温或降温，但又要保持木材心边材的温度差不能太大，使木材内外的炭化热处理程度避免差异过大，因此，在快速升温或降温过程中视内外温差变化，调整升降温速度。在低于130℃的降温过程中，李大纲，李坚，刘一星等[5]认为由于温度降低又回到玻璃态，冷下来的微纤丝和基质又能产生弹性变形，因此若不再进行软化处理就不会有回复发生。然而，基质一旦再次被软化（在湿热条件下） 储存在微纤丝中的弹性应变能就会释放出来，基质分子又会运动，因此，木材又要产生回复变形，产生应力，本试验采用缓慢降温，使条件缓和下来，减少变形开裂。
试验结果表明，按该工艺制得的炭化热处理木材出窑后尺寸稳定，无开裂和变形发生，板材强度略有下降，板面颜色随炭化热处理时间延长和目标温度的升高而逐渐加深。其中，温度变化对板材颜色的影响更为显著，上述工艺切实可行，对不同炭化热处理木材工艺下的板材的性能和板面颜色变化有待做进一步的研究。
3 结论3.1 在炭化热处理初期，待处理木材的含水率应小于15%，迅速升温至100℃，再缓慢升温到130℃干燥到绝干，迅速升温到炭化热处理目标温度，一般应控制在180℃-220℃范围内，在处理过程中应适当喷蒸，降到80℃，调整含水率到4%-8%，出窑。
3.2 采用上述工艺得到的木材得率较高，制得的炭化热处理木材出窑后尺寸稳定，无开裂和变形发生，板材强度略有下降，板面颜色随炭化热处理时间延长和目标温度的升高而逐渐加深。
3.3炭化热处理木材具有良好的尺寸稳定性、环保等优点，在室外木建筑、家具与室内装饰装修等行业必将得到广泛应用。所以，对人工林速生材进行炭化热处理改性制造炭化木，是人工林木材深加工及高效利用的一种有效方法。
,
随着国家天然林保护工程的实施，人工林木材的开发利用已成为解决木材供需矛盾的重要途径。蒸汽法木材炭化热处理工艺的研究，是高效利用木材，提高木材附加值的物理加工手段。炭化木热处理既具有良好的尺寸稳定性、耐腐性、耐候性、环保性等优点，又可通过炭化热处理改变普通木材的颜色来模仿珍贵木材，提高其使用范围和附加值，已越来越受到企业和木材科学研究人员的关注。
自从上个世纪中叶，不同的木材炭化热处理改性工艺在法国、芬兰、荷兰和德国就发展起来并产业化[1]，而国内关于木材炭化热处理工艺的研究甚少。因此，借鉴国外木材炭化热处理方法和经验，适时开展我国木材炭化热处理改性研究尤为重要。
1 试验材料与方法1.1 试验材料试验所用的人工林杉木木材，采自浙江省临安市马溪木材市场，试验材规格：22mm×150 mm×350mm（厚度×宽度×长度），含水率为16%-30%。材料要求：挑选时要尽量注意选少节或无死节的试件，试件以径向板为佳。
1.2 设备MWD-50微机控制电子式木材试验机、101-1型电热鼓风干燥箱、日本ESPEC调温调湿箱、自制小型木材炭化热处理装置。
自制小型木材炭化热处理装置（原理图，见图1）由以下组成部分：（1）蒸汽发生器，主要提供炭化热处理过程中所需蒸汽；（2）电热恒温烘箱，堆放木料和提供热源；（3）温度显示仪，主要测定木材表、心层的温度，从而实现连续检测，便于控制升温速度；（4）轴流式风机，主要实现装置内介质快速循环；（5）隔板，防止木材与热源直接接触产生燃烧，对木材起支撑作用；（6）石棉网，防止木材离热源面温度过高，减小木材上下层的温差；（7）温度控制仪，测试介质温度，通过介质温度探头来控制电加热源；（8）散热扇，使电机处热量快速散失，防止电机因温度过高造成故障。
1.3 试验方法本试验的实验方法主要参考芬兰的VVT和木制品工业已经联合开发的工业化规模的炭化木材生产工艺、过热蒸汽法干燥木材标准、高温干燥标准[2]，进行蒸汽法木材（杉木）炭化热处理工艺的调整，对炭化热处理的参数和升温速度等进行了实验优化。
炭化木的加工主要分为以下三个阶段：阶段：温度升高及高温干燥阶段。采用蒸汽加热，干燥窑的温度迅速升高到100℃上下，此后，温度逐渐上升到130℃，在这段时间中，进行的是高温干燥，并且木材内部的含水率几乎降到0。第二阶段：炭化热处理炭化阶段。高温干燥的进行，干燥窑内部的温度上升到185℃到215℃之间。当达到所要求的温度以后，根据最后炭化木不同的用途保持炭化热处理炭化温度2-3h。第三阶段：冷却与含水率调节阶段。最后一个阶段是通过喷蒸来降低温度，当温度降到80℃到90℃时，调节被处理木材的湿度，使其达到含水率4%-7%[2]。
2 结果与讨论经过大量的探索试验，得出适用于自制小型炭化热处理设备的杉木木材炭化热处理工艺，具体如下：
（1）木材准备：用含水率测定仪对各木材进行含水率测定，并记录。经测定含水率范围应小于15%的用塑料薄膜包裹防止吸湿，待用；而对于含水率大于15%的待处理木材，应先采用常规干燥方法进行干燥处理，使其含水率低于15%后再进行处理。
（2）木材堆垛：按常规干燥法堆垛，放入炭化热处理设备内，关闭干燥室的大门和进、排气口进行处理。
（3）预热过程：将窑内温度在1～3h内升到60～70℃，板材每厚1cm预炭化热处理1h。此过程目的是对木材加热并提高木材心层的温度，使木材热透，以便在干燥阶段能加速内部水分向表层移动，同时可以消除木材的应力。
（4）升温过程：将窑内介质温度以14～16℃/h的速度快速升温到100℃左右；接着以3-5℃/h的速度升温到130℃左右对素材进行高温干燥，使素材接近绝干（含水率接近0）；再以15-20℃/h的速度升温到185-220℃之间对素材进行前期炭化热处理；在此升温阶段中采用间歇式喷蒸法进行喷蒸处理，以防止木材燃烧，同时有利于窑内温度和湿度的调节；在此阶段，升温速度对防止木材内部产生开裂是非常重要的，升温速度太快容易产生开裂翘曲。
（5）保温过程：在目标温度保温1-4h。在此过程中应适当间接喷蒸，辅以过热蒸汽保护。在干燥和炭化热处理过程中所用的蒸汽是作为保护蒸汽，这些保护蒸汽主要防止木材燃烧，同时对木材内部发生的化学变化产生影响。
（6）降温和调节过程：关闭热源，采用间歇式喷蒸法降温，使窑内温度以15～20℃/h的速度降温到120～140℃；接着采用进排气口间歇开合和间歇式喷蒸法进行降温，使窑内温度以3-5℃/h的速度降温到80-90℃，采用间歇式喷蒸法进行喷蒸处理，维持1～4h，使木材含水率达到4～8%；再自然降至室温，出窑。
在木材出窑前，要特别注意木材内部的高温和周围外部空气的温差会使木材产生开裂。此外还需根据炭化热处理木材的最终用途对木材进行调湿处理，木材的终含水率对木材的性质有重要的影响，含水率过低的木材也不适合加工应用。由于炭化热处理的温度和所处理木材的不同，调节阶段需要5-15h。
由于高温干燥含水率过高会造成严重的开裂变形，因此炭化热处理前采用较低的含水率试材，应低于15%。Norimoto[3-4] 认为，在200 ℃左右的蒸汽作用下，木材的半纤维素、木素和纤维素微纤丝有可能被切断，因此变定固定的原因是蒸汽使微纤丝和基质材料蓄积的回复力消失或木材分子之间产生架桥，并发现当蒸汽温度在160℃时木材内的应力显著下降，当蒸汽在180℃时，应力在1000s内完全消失。基于在130℃以上木材内部的应力较小，木材的形变固定等原因，本试验采用了在130℃到目标处理温度的过程中和目标处理温度降至130℃过程中，进行快速升温或降温，但又要保持木材心边材的温度差不能太大，使木材内外的炭化热处理程度避免差异过大，因此，在快速升温或降温过程中视内外温差变化，调整升降温速度。在低于130℃的降温过程中，李大纲，李坚，刘一星等[5]认为由于温度降低又回到玻璃态，冷下来的微纤丝和基质又能产生弹性变形，因此若不再进行软化处理就不会有回复发生。然而，基质一旦再次被软化（在湿热条件下） 储存在微纤丝中的弹性应变能就会释放出来，基质分子又会运动，因此，木材又要产生回复变形，产生应力，本试验采用缓慢降温，使条件缓和下来，减少变形开裂。
试验结果表明，按该工艺制得的炭化热处理木材出窑后尺寸稳定，无开裂和变形发生，板材强度略有下降，板面颜色随炭化热处理时间延长和目标温度的升高而逐渐加深。其中，温度变化对板材颜色的影响更为显著，上述工艺切实可行，对不同炭化热处理木材工艺下的板材的性能和板面颜色变化有待做进一步的研究。
3 结论3.1 在炭化热处理初期，待处理木材的含水率应小于15%，迅速升温至100℃，再缓慢升温到130℃干燥到绝干，迅速升温到炭化热处理目标温度，一般应控制在180℃-220℃范围内，在处理过程中应适当喷蒸，降到80℃，调整含水率到4%-8%，出窑。
3.2 采用上述工艺得到的木材得率较高，制得的炭化热处理木材出窑后尺寸稳定，无开裂和变形发生，板材强度略有下降，板面颜色随炭化热处理时间延长和目标温度的升高而逐渐加深。
3.3炭化热处理木材具有良好的尺寸稳定性、环保等优点，在室外木建筑、家具与室内装饰装修等行业必将得到广泛应用。所以，对人工林速生材进行炭化热处理改性制造炭化木，是人工林木材深加工及高效利用的一种有效方法。