木材物理改性新技术——实木层状压缩技术

木材供需矛盾问题是室内装修及家具等木制品行业的突出问题。2016年中国家具行业规模以上企业产值8560亿元，其中木质家具产值占家具总产值比例约为64%，每年我国仅木制品行业对木材的需求量超过1亿立方米。然而，目前我国对进口木材的依存度已接近50%，超过了警戒线。随着世界范围内对环境保护越来越重视，更多珍贵热带树种木材将被列入CITES公约，进口优质木材将会越来越少。因此，开发软质木材加工利用新技术，解决人工林木材用于室内装修、家具等木制品制造中存在的问题，以人工林木材资源代替优质珍贵木材资源，是解决木材资源供需矛盾的重要途径。

人工林木材生长迅速，但存在材质软、密度低、变异性大、尺寸稳定性差、表面加工性能差等缺点，大大限制了其应用范围，尤其是不能直接用于实木家具生产。因此，软质木材改性增强处理技术已经成为是人工林木材加工利用的重要研究课题。

实木压缩密实化技术能显著改善木材的物理、力学性能，是木材物理改性的有效方法。传统的压缩密实化方法是将低密度的木材整体软化后，通过压板压缩的方式提高其密度，即将实木或板材作为一个整体进行压缩密实化，其最突出的缺点是会造成很大的木材材积损失。

本文所述的实木层状压缩，是一种新型木材物理改性技术，也可以称之为水热控制下的实木层状压缩增强技术，利用这项新技术，可以有选择地对需要强化的部分进行压缩增强，其余部分仍然能基本保持木材固有的自然特性，实现了木材的精准控制压缩，大大减少了木材材积损失，为低密度木材利用开辟了新的方向。

一、实木层状压缩增强技术的研发进展

实木层状压缩增强技术研究开始于2010年实验过程中的偶然发现，即在特定实验条件下获得的压缩密实化木材出现了明显的高密度层，且形成于实木板材的中心层。之后通过反复实验、验证，证实了这种现象具有可重复性。从理论上讲，如果压缩层能够出现在中心层，那就应该可以出现在厚度方向的任何层面上。按照这一基本思路，课题组从层状压缩的形成机理、层状压缩木材的密度分布、颜色变化、表层硬度、木材硬度、抗弯强度、弹性模量等物理力学性能，以及吸湿吸水状态下的尺寸变化、常压热处理和加压热处理下的压缩变形固定参数等方面进行系统研究，形成了完整的层状压缩增强理论体系。

在基础理论研究的基础上，进一步开展了中试实验、规模化生产实验和规模化产品加工技术的研发，确立了包括针叶材和阔叶材在内的多种低密度速生材的层状压缩技术体系，与企业合作开发了实木地板、办公家具和家用家具等产品。其中，实验室实验和中试试验在中国林科院木材工业研究所实验中心完成，年产10～40万m2规模化生产试验和层状压缩木材产品加工等在久盛地板有限公司等6家企业完成，并且在久盛地板有限公司的展品展示馆建立了专门的展区。

到目前为止，已经申请专利9件，其中获发明专利授权2件、实用新型专利授权1件，进入实审阶段的发明专利2件、新申请发明专利3件、实用新型专利1件，获国家林业局认定成果1项，获梁希科技奖二等奖1项，并培养多名研究生。

二、实木层状压缩的技术特点及产品性能

经过7年多的不断研究和探索，已经在压缩层的形成、压缩层位置的精准控制、压缩层厚度的精准控制、压缩变形的固定、生产设备开发及层状压缩木材的连续生产方法等方面取得了创新性突破。

实木层状压缩增强技术及其产品具有如下特点：

1.压缩率低，材积损耗少。对于低密度（密度小于0.5g/cm3）的人工林木材，采用传统的整体压缩方式进行密实化增强改性，压缩率达到50%以上时才能满足实木家具、地板等材料的使用要求，存在高压缩率、高成本的问题。实木层状压缩增强技术仅对需要压缩增强的部分进行压缩，其余部分则基本不压缩，在使用性能达到产品要求的前提下，压缩率可以降低至20%以下，仅为传统整体压缩技术的40%，有效地降低了材积损耗。

2.压缩层的位置和厚度可控。与传统的整体压缩相比，实木层状压缩增强技术最突出的特点是压缩层的位置和厚度可任意调控，能够满足不同用途的需求。目前，已经形成了压缩层位于木材表面的表层压缩、压缩层位于木材表面与中心之间的中间层压缩、压缩层位于边材厚度方向中心的中心层压缩等三种层状压缩模式（图1，图2）。

图1 实木层状压缩增强技术的三种模式（示意图）

图2 不同压缩位置的层状压缩木材（实物图）

3.加工过程和产品绿色环保。层状压缩属于木材的物理改性，处理过程是在水热控制下完成的，无需添加任何化学药剂，无污染、无排放，基本保持了木材原有的自然属性，与其他木质复合材料相比，具有绿色环保的特点。

4.密度和硬度显著增强。在力学性能上，无论压缩层位于表层或者中间层，其压缩层的密度达到0.9g/cm3以上时，未压缩层的密度均与对照材相同或者接近，而且压缩层的厚度可以根据需要任意调整。当压缩层位于表层时，压缩层的密度可以达到对照材的1.8倍以上，硬度可以达到对照材的2.4倍以上（图3）。

图3 表层压缩增强木材的密度分布图

5.尺寸稳定性显著提高。采用过热蒸汽高温加压热处理技术对压缩变形进行固定的同时，显著提高了木材的尺寸稳定性。处理后的木材的吸湿回弹率降低至1.34%，与素材相比，高温高湿条件下弦向尺寸稳定性提高46%以上，高温低湿环境下的尺寸稳定性提高80%以上。与企业合作开发的实木地板、办公家具和家用家具等产品，经过1年多的试用证明，产品性能稳定，无开裂、变形等问题（图4）。

图4 利用层状压缩木材生产的地板和家具

6.加工成本低。实木层状压缩的生产过程简单，加工成本主要包括木材压缩损失量（可控制在20%以下）、压机加热和降温的能源成本、人工成本（形成自动化生产线后一台压机只需要1个人+材料运送人员）等。年产30万m2的层状压缩木材生产线试生产成本中，压缩过程热源消耗成本为10元/m2，干燥成本+加压热处理成本为15元/m2。与目前市场热销的价格相对比较便宜的实木板材番龙眼、桦木、橡木等价格相比，实木层状压缩增强板材具有明显的价格优势（表1）。

表1 层状压缩增强木材与常用实木地板材料间的成本分析比较

7.应用领域广泛。层状压缩增强木材尺寸稳定性高、表面硬度大，不需要特殊的油漆工艺，使用性能几乎可以等同于高品质阔叶材。可以直接应用于实木地板、仿古地板和地采暖地板的加工生产；经过砂光处理后具有与珍贵阔叶材类似的质感，可加工精致的高品质实木家具；加工成横拼板后，可替代纤维板和刨花板，不需要贴皮，直接用于板式家具的加工；经定型处理后，可直接用于加工纯实木橱柜的柜体、柜门等。

三、社会、经济和环境意义

习近平总书记在党的19大报告中提出，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，构建市场导向的绿色技术创新体系，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式。实木层状压缩技术研发思路与党的十九大提出的绿色环保理念具有高度的一直性，具体体现在通过人工林木材的高品质物理改性技术的应用，实现资源节约和环境保护的协调发展，改性技术及产品的环保性和产业升级需求等几个方面。

人工林木材具有可再生性和多功能性，承载着潜力巨大的生态产业和可循环的林产工业产业。据国家第八次全国森林资源清查结果显示，我国人工林面积近6933万公顷，居世界首位。充分利用我国丰富的人工林木材资源，通过技术创新，提高人工林木材的品质，降低木材加工成本，以满足日益增长的实木家具等木制品市场的需求，同时有助于促进我国木制品加工产业的发展和转型升级。

实木层状压缩增强技术适用于所有低密度木材，经改性处理后提高了材料的使用性能，使原来由于密度低、材质软、尺寸稳定性差的木材具备了优良的加工性能和使用性能，直接用于木制品加工。可以提供人工林低质材用于实木家具制造技术平台，使人工林低质木材的附加值提高50%以上，可以有效缓解我国优质阔叶材供应不足的矛盾，减少进口木材以及对进口木材的依赖。项目完成后，将形成技术、专利、标准等完整的知识产权体系，有利于提高我国家具行业的市场竞争力，促进家具企业的产业升级与产品换代。

在项目实施中与行业龙头企业合作，进行生产性示范、推广、辐射，使研究成果尽快得到有效应用，为家具行业的转型升级提供技术支撑。

这项技术的推广应用具有广泛的社会、经济和环境意义。

1.有利于解决木材资源短缺问题。在2017年1月2日起执行的《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）最新附录中，将禁止进出口的濒危野生树种增加至260种以上，其中包括了诸多密度较大的珍贵阔叶材，与木制品行业密切相关，导致实木地板、家具用材更加短缺。加之国内天然林的全面禁伐，可用于地板、家具的国产材进一步减少。利用我国丰富的人工林木材资源，通过实木层状压缩增强技术进行物理改性处理，使其使用性能达到高品质实木家具、地板等木制品制造的要求，是解决实木地板、家具用材的资源短缺问题的有效途径。

2.有利于满足木制品市场需求。随着经济社会发展和人民生活水平的不断提升，市场对实木制品的需求日益旺盛，对材料的环保性能要求越来越高。实木层状压缩增强技术采用物理改性方法，处理过程中无任何化学添加，彻底解决了传统木质复合材料的甲醛释放问题。层状压缩木材尺寸稳定性高，有效克服了实木地采暖地板的变形问题，对地采暖地板产业发展具有积极的推动作用。

3.有利于促进人工林培育和林农增收。低密度木材直接作为家具、地板用材使用，为速生材利用提供了新的途径，将对大径级人工林木材市场需求产生拉动作用，从而推动人工用材林培育，促进林农增收致富，为精准扶贫、精准脱贫，全面建成小康社会发挥积极作用。

作者简介：黄荣凤，中国林业科学研究院木材工业研究所研究员。