石墨法木材表面热解成型机理研究

本项目根据计划研究内容，综合学科和评审专家的意见与建议，对热解法木材表面成型加工技术及装置进行了研究，该技术不同于传统采用金属切削刀具对木材表面进行加工成型方法，而是利用石墨或镍铬丝等发热体构建的模型与木材表面进行接触式高温热解与燃烧实现成型加工，涉及发热模型对木材表面热解与燃烧成型的机理、发热体的建模与构建、加工条件与环境控制以及实验装置的设计制造等。 本项目研究构建的实验装置，包括可控硅变频调压和变压系统、温度检测与控制系统、木材热解动力学参数检测系统、发热模型及加工仓、抽排风及排积碳渣系统、木板工件驱动系统以及积碳自动清除系统。可控硅变频调压器对交流电源进行调压,并通过变压器输出低电压大电流给发热体供电；加工仓为一个顶面开口的密封装置，发热模型置于加工仓内并与变压器的输出端相连，发热模型及加工仓内温度由温度检测与控制系统进行测控；步进电机丝杆驱动系统驱动加工仓盖开闭，气缸驱动机构使木板工件与发热体模型以适当压力接触，对木板进行热解加工；通过温度测控系统测得间歇采样热解时间与发热模型表面温度的乘积的累加数，采用独创的等效热解方法，估算木板热解深度和积碳厚度，判断开仓除碳的时间，启动积碳清除系统自动清除木板表面积碳，确认是否达到加工深度要求结束加工过程，否则再次进入热解过程，经过2～4次的往复热解和除碳加工，在木板表面得到所需加工深度的花纹图案结束。 由于研究经费有限、实验装置构造较复杂和设计制造周期较长等原因，实验装置在近期才构建完成。我们目前只对2种材质的木板做了少量实验。以橡木板为例，用石墨发热体和镍铬丝加工出需在木板表面造型的3D花纹模型，通过串并联组合接上工作电源，通过等效热解与燃烧和即时去除碳处理的3次循环加工，16分钟内可在木材表面加工出最大深度达20毫米的3D花纹图案。实验同时根据热解动力学模型，对木板加工过程的热释放速率(HRR)、质量损失速率(MLR)和烟气排放量（SOM）等进行了检测计算。 项目的研究与实验效果基本达到预期目标，申请发明专利1项（已受理），获得相关软件著作权1项，EI收录论文1篇，核心期刊录取论文1篇（见附件），另投稿核心期刊论文各2篇，参加学术交流会议2次，详细内容见结题报告和附件。如何完善木材接触式等效热解理论方法、获取更多的实验数据和样品、改进实验装置，有待后续的深入研究和展开更多的实验。 2100433B

该项目研究的是一种新的木材表面成型加工理论和技术方法,它不同于传统的采用金属切削刀具对木材表面进行刨、锉、铣、雕等成型加工方法，而是利用石墨发热体模型与木材表面进行接触式高温热解与燃烧成型加工的方法。该方法的理论与技术研究目前在国内外还是空白，涉及石墨发热体对木材表面热解与燃烧成型的机理研究、石墨发热体的建模算法研究、石墨法加工环境与装备研究等。该项目的研究与应用意义在于它较传统的加工方法将有诸多优势，可以一次性加工出木材表面的整体造型，能大幅提高加工效率、减少加工过程的残次品率、降低加工成本，并实现对木材表面成型的低噪声加工，同时对加工的成品实现碳化处理，提升产品的品质。该项目的研究成果将为一直以来困扰国内外研究者的木制品复杂3D曲面高效精准加工提供一个有效解决方案，尤其适用于我国古典雕刻家具和木制建筑构件等的快捷造型加工，应用前景广。

中文名称

木材热解

英文名称

wood pyrolysis

定　　义

在隔绝空气或通入少量空气的条件下，将木材(如薪炭材、森林采伐或木材加工剩余物等)加热，使其分解并制取各种热解产品的方法。包括木材干馏、木材炭化、木材气化、松根干馏等。

应用学科

材料科学技术（一级学科），天然材料（二级学科），木材（三级学科），林产化工材料（四级学科）

煤炭成型时，粘结剂与煤粒之间的作用是一个复杂的物理化学过程。不仅与粘结剂和煤炭本身的性质、结构有关，而且和成型条件密切相关。由于煤具有以非极性表面为主，煤表面有一定粗糙度和孔隙、润湿性差且疏水性强、成型颗粒粒度小、有可塑性和弹性等主要物性，成型时可利用煤本身的粘结性或外加粘结剂，采用适宜的成型粒度、水分在一定的压力作用下，克服煤的弹性，使煤粒之间互相靠近，产生塑性变形，并被此粘结成型。