DE69501588T2

DE69501588T2 - Verfahren zur bearbeitung von holz bei erhöhten temperaturen

Info

Publication number: DE69501588T2
Application number: DE69501588T
Authority: DE
Inventors: Pentti Ek; Saila Jaemsae; Alpo Ranta-Maunus; Pertti Viitaniemi
Original assignee: VTT Technical Research Centre of Finland Ltd
Current assignee: VTT Technical Research Centre of Finland Ltd
Priority date: 1994-05-11
Filing date: 1995-05-11
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2015-05-12
Also published as: EP0759137B1; ATE163084T1; AU2410695A; DE69501588D1; EP0759137A1; DK0759137T3; WO1995031680A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zur Behandlung von Holz bei erhöhter Temperatur.
Holz wird bei erhöhten Temperaturen in Verbindung mit z.B. Ablagern, thermischer Modifizierung und allgemein verschiedenen Bearbeitungsverfahren bearbeitet. Holz dehnt sich aus, wenn es erhitzt wird. Jedoch ist die traditionelle Ansicht die, daß die thermische Ausdehnung ein Phänomen mit kleinem Maßstab ist, und daher wurde sie in Verbindung mit thermischen Behandlungen nicht in Erwägung gezogen. Tatsächlich tritt jedoch nur die Längsausdehnung von Holz in kleinem Maßstab auf; die Ausdehnung quer zur Maserung übersteigt sogar die von Aluminium. Die signifikante thermische Ausdehnung in Richtung quer zur Maserung des Holzes verursacht leicht innere Sprünge, wenn sie nicht bei der Entwicklung verschiedener Arten von Verfahren in Erwägung gezogen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die die Verfahren des Stands der Technik behindernden Nachteile zu überwinden und ein Konzept zur Kontrolle der Phänomene zu entwickeln, das mit der thermischen Ausdehnung von Holz verbunden ist, insbesondere die Erzeugung von inneren Rissen in Holz zu verhindern, wenn Holz auf eine 90ºC übersteigende Temperatur, typischerweise 100ºC übersteigende Temperatur, erhitzt wird.
Die Erfindung basiert auf dem Prinzip, daß, während der Verfahren, wenn Holz auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, die Temperaturen des Holzkerns bzw. der Außenoberfläche des Holzes kontinuierlich bestimmt werden und der Unterschied zwischen den zwei Temperaturen angemessen klein gehalten wird, wobei das auch auf kontinuierlicher Basis geschieht. Diese Maßnahmen werden sowohl während des Erhitzungsschritts, wobei die Temperatur des Holzes z.B. zum Ablagern erhöht wird, als auch des Abkühlungsschritts durchgeführt, wobei das Holz wieder auf seine Grundtemperatur abgekühlt wird. Der Temperaturunterschied beträgt vorzugsweise höchstens etwa 30ºC. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß dieses Konzept sogar verwendet werden kann, um die Erzeugung von inneren Rissen im Holzmaterial vollständig zu verhindern.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren hauptsächlich durch die Angaben im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 charakterisiert.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "innere Temperatur" von Holz verwendet, um die Temperatur des Holzes in einem gewissen Abstand von den Außenoberflächen des Holzes zu bezeichnen. Abhängig von der Form des Holzstücks wird die "innere Temperatur" typischerweise in einer Tiefe von mindestens etwa 2 bis 5 cm gemessen.
Die "äußere Temperatur" ist die an oder leicht unter der Holzoberfläche gemessene Temperatur. So entspricht in vielen Fällen die "äußere Temperatur" im wesentlichen der Umgebungstemperatur, zum Beispiel der Temperatur in einem Trockenofen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann zum Beispiel in einem mit einstellbarer Temperatur und einer Vorrichtung für Dampfausstoß versehenen Trockenofen durchgeführt werden.
Wenn die Verfahren des Stands der Technik zum Trocknen von zum Beispiel raumtrockenem Holz bei etwa 200ºC verwendet werden, erreicht es schnell die gleiche Oberflächentemperatur, das heißt etwa 200ºC. Jedoch endet das Aufwärmen der inneren Teile des Holzes bei etwa 100ºC, bis der Feuchtigkeitsgehalt der Innenteile des Holzes auf einen Wert unter 5 % verringert ist. Nur dann beginnt die Temperatur des inneren Teils des Holzes schnell zu steigen. Als Ergebnis des Aufwärmens verursacht die kombinierte Wirkung der Temperaturunterschiede und des Grads der Trockenheit des Holzes innere Risse, die an der Außenseite nicht sichtbar sind, das Holz jedoch nicht mehr verwendbar machen.
Gemäß der Erfindung wird die Temperatur allmählich erhöht, sodaß der Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und dem inneren Teil des Holzes 30ºC nicht übersteigen darf. Der Temperaturunterschied wird vorteilhafterweise konstant auf einem Wert zwischen 10 und 30ºC gehalten. In der Praxis wird der Temperaturunterschied konstant innerhalb einer Grenze von mindestens etwa 5ºC, abhängig von den verwendeten thermostatischen Reglern, gehalten, wobei die äußere Temperatur zusammen mit der steigenden inneren Temperatur geändert wird.
Das Konzept gemäß der Erfindung kann durch Versehen eines Teststücks mit mindestens zwei Sensoren, einem Sensor zum Messen der inneren Temperatur und dem anderen Sensor der Oberflächentemperatur des Holzes, durchgeführt werden. Beim Ablagern größerer Mengen von Nutzholz ist es ratsam, mehrere Teststücke mit Sensoren zu versehen. Bei Anordnungen im Industriemaßstab werden die Meßergebnisse als Basis zum Entwickeln eines geeigneten Aufheizprogramms für jede Art von Holz verwendet, wobei die Wirkung des anfänglichen Feuchtigkeitsgehalts auf das Verfahren beobachtet wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die tatsächliche thermische Behandlung gemäß der Erfindung nicht begonnen, bis der Feuchtigkeitsgehalt des Holzkerns auf einen Wert unter 30 %, vorteilhafterweise unter 10 %, in einigen Fällen unter die vorstehend erwähnte Grenze bei 5 %, vermindert wurde. So wird während des ersten Schritts dieses alternativen Verfahrens ein Holzstück bei Raum- oder Fabriktemperatur in einen Trockenofen mit einer Temperatur von etwa 110 bis 140ºC eingebracht, um den Hauptteil des Wassers zu entfernen. Als nächstes wird, wenn die innere Temperatur des Holzes auf mindestens etwa den besagten Wert gestiegen ist, die Umgebungstemperatur, das heißt zum Beispiel die Temperatur des Trockenofens, allmählich erhöht, während der Unterschied zwischen den inneren und äußeren Temperaturen des Holzes konstant auf einem Wert unter etwa 30ºC gehalten wird.
Das erfindungsgemäße Konzept ist insbesondere im Zusammenhang mit heißem Trocknen und thermischem Bearbeiten von Holz anwendbar. Während des Hochtemperaturtrocknens wird Holz getrocknet, bis es einen Feuchtigkeitsgehalt von z.B. unter 15 %, in einigen Fällen vorteilhafterweise unter 10 %, zeigt.
Beim Einbeziehen des Verfahrens ist es von Vorteil, Dampf während der gesamten Behandlung zu verwenden, wobei die relative Feuchtigkeit äußerst hoch und der Sauerstoffgehalt in der Umgebungsluft niedrig bleibt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung für rasch ablagerndes Holz gefunden.
Herkömmliche Lösungen zum Ablagern von Holz basierten auf einer "sanften" Ablagerung von Holz zu Schreinerholz mit hoher Qualität. Beispiele dieser Trocknungsverfahren sind Lufttrocknen/Ofentrocknen, Vakuumtrocknen und Kondensationstrocknen. Bei diesen Trocknungsverfahren war das Ziel, den Trocknungsvorgang durch Überwachen unter anderem des Unterschieds zwischen der Feucht- und Trockentemperatur zu kontrollieren. Aus Furcht vor inneren Rissen war es nicht möglich, die Temperaturen in hohem Maße über 100ºC zu erhöhen, um das Ablagerungsverfahren zu beschleunigen. Um raschere Trocknungsverfahren zu erhalten, wurden Verfahren entwickelt, bei denen das Verdampfen von Wasser bei geringeren Temperaturen intensiviert wird oder eine andere Art von Verfahren verwendet wird, z.B. das vorstehend zitierte Kondensations- Trocknungs-Verfahren, während dem Erreichen einer rascheren Übertragung von Wärme auf das Holz keine Aufmerksamkeit geschenkt wurde, und die Holzoberfläche auch nicht so lange wie möglich feucht gehalten wurde.
Die Verfahren des Stands der Technik sind durch beträchtliche Nachteile durch unter anderem die erforderlichen langen Trocknungszeiten (normale Trocknung von Fichtenholz dauert typischerweise 5 bis 7 Tage) und den großen gesamten Energieverbrauch beeinträchtigt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mit einer Beseitigung der Probleme der üblichen Trocknungsverfahren verbunden wird. Die Erfindung basiert auf der Feststellung, daß abgesehen von Schreinerholz, Farbänderungen und Harzausscheidungen für die meisten praktischen Holzanwendungen hinnehmbar sind, zum Beispiel, wenn Holz als Baumaterial verwendet werden. Sogar bei diesen Anwendungen ist jedoch erforderlich, die Erzeugung von inneren Rissen im Holz zu verhindern.
Folglich wird, bei Anwendung des erfindungsgemäßen schnellen Trocknungsverfahrens, das zum effektiven und raschen Trocknen von Holz verwendet wird, nur auf die Verhinderung von Trocknungsrissen geachtet. Es wurde festgestellt, daß dieses Ziel unter Verwendung von Dampf, der das Holz schützt und zum Aufwärmen davon während der Ablagerung beiträgt, sowie durch Kontrollieren des Unterschieds zwischen der Oberflächen- und den inneren Temperaturen des Holzes auf vorstehend beschriebene Weise erreicht werden kann.
So basiert das Ablagerungsverfahren auf der Kombination folgender drei Schritte:
a) zunächst wird die Temperatur des Trockenofens auf mindestens etwa 90ºC, vorteilhafterweise auf mindestens 100ºC, erhöht und danach auf diesem Wert gehalten, bis das Holz mindestens annähernd dieselbe Temperatur erreicht,
b) dann wird die Temperatur des Ofens progressiv so erhöht, daß der Unterschied zwischen der inneren Temperatur des Holzes und der Ofentemperatur konstant bleibt und 30ºC nicht übersteigt, bis der gewünschte Holzfeuchtigkeitsgehalt erreicht ist, und
c) schließlich wird die Ofentemperatur derart gesenkt, daß der Unterschied zwischen der inneren Temperatur des Holzes und der Ofentemperatur einen konstanten Wert von 30ºC beibehält, bis der innere Teil des Holzes die gewünschte Temperatur erreicht.
Während des ersten Schritts (Schritt a) des Ablagerungsverfahrens wird die Ofentemperatur vorteilhafterweise auf eine Temperatur zwischen 100 und 150ºC, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 130ºC eingestellt. Das Erhitzen wird fortgesetzt, bis der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes auf einen Wert unter mindestens 30 % verringert wurde.
Während des zweiten Schritts (Schritt b) wird das Erhitzen unterbrochen, wenn das Holz einen genügend niedrigen Feuchtigkeitsgehalt hinsichtlich der gewünschten Verwendung zeigt. Allgemein ist ein Feuchtigkeitsgehalt von etwa 1 bis 20 % erwünscht, vorzugsweise unter 15 % und typischerweise zwischen etwa 10 und 15 %. Während Schritt b können die Temperaturen innen im Holz und an der Außenoberfläche des Holzes entsprechend kontinuierlich mit z.B. Sensoren bestimmt werden, die an dem Stück des Holzes angebracht sind, wobei der Unterschied zwischen den Temperaturen auf der Basis der Meßergebnisse kontinuierlich moderat klein gehalten werden kann.
Während Schritt b kann die Temperatur auf einen 130ºC, sogar 150ºC übersteigenden Wert erhöht werden, wobei die zum Ausgleichen der Holztemperatur erforderliche Zeit verringert werden kann, da das Trocknen des inneren Teils des Holzes bei höherer Temperatur effektiver ist, wobei so die Unterschiede im Feuchtigkeitsgehalt zwischen dem Kern und der Oberfläche verringert werden.
Der Unterschied zwischen den Temperaturen wird sowohl während des Erhitzungsschritts b, wobei die Temperatur des Holzes zum Trocknen des Holzes erhöht wird, als auch beim Abkühlungsschritt (Schritt c), währenddessen das Holz wieder auf seine Grundtemperatur abgekühlt wird, überwacht. Der Temperaturunterschied wird vorteilhafterweise auf einen konstanten Wert gehalten, der höchstens etwa 30ºC, vorzugsweise etwa 10 bis 30ºC, beträgt. Ein zu kleiner Unterschied in der Temperatur verlängert das Ablagerungsverfahren, während ein großer Unterschied das Risiko des Erzeugens innerer Risse erhöht. Es wurde festgestellt, daß die hier offenbarte Lösung (d.h. Temperaturunterschied < 30ºC) angewandt werden kann, um sogar vollständig die Bildung von Rissen im Holz zu verhindern.
Schritt c umfaßt das Verringern der Ofentemperatur bis die innere Temperatur des Holzes einen Wert unter 100ºC erreicht hat. Wie vorstehend angegeben, ist von Vorteil, den Unterschied zwischen den inneren und äußeren Temperaturen des Holzes sogar wahrend des Abkühlungsschritts kleiner als 30ºC zu halten, um die Erzeugung von inneren Brüchen zu verhindern.
Während der Schritte a, b und c wird Wasserdampf in den Ofen eingebracht und die sogenannte Feuchtkolbentemperatur wird unter Verwendung dieses Dampfes auf etwa 80 bis 120ºC, vorzugsweise etwa 100ºC, gehalten. Das gleiche Einbringen von Wasserdampf ist auch auf andere Punkte des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendbar.
Die vorliegende Erfindung bietet beträchtliche Vorteile. So kann die Erfindung zur Beschleunigung normaler Ablagerung, zur Kontrolle spezieller Ablagerungsverfahren bei 100ºC übersteigenden Temperaturen und zur Entwicklung von Ablagerungsanwendungen unter Druck verwendet werden. Wichtig ist, daß die Erzeugung von inneren Brüchen im behandelten Holz in der Praxis während des Ablagerns und der Hitzebehandlung vollständig verhindert werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen in bezug auf die beigefügten Zeichnungen untersucht.
Fig. 1 veranschaulicht die an unterschiedlichen Punkten im Holz gemessenen Temperaturen als Funktion der Zeit während des Erhitzens und während der Ablagerung von frischem Fichtenholz bei 220ºC für 5 Stunden gemäß des Stands der Technik,
Fig. 2 veranschaulicht die entsprechenden Temperaturmessungen mit nicht abgelagertem Fichtenholz, das 24 Stunden auf die gleiche Temperatur erhitzt wurde, wobei gemäß der Erfindung der Temperaturunterschied zwischen den inneren und äußeren Teilen des Holzes auf einem kleineren Wert als 30ºC gehalten wurde,
Fig. 3 veranschaulicht die Meßergebnisse, die denen von Fig. 1 entsprechen (erhalten mit üblichen Verfahren) für das Ablagern von Espenholz, und
Fig. 4 zeigt die Temperaturmeßergebnisse, erhalten für Espenholz unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beispiel 1

Ablagern von frischem Fichtenholz und Behandeln desselben bei erhöhter Temperatur.

Wenn feuchtes Fichtenholz (50 x 100 x 1500 mm) mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 40 % 5 Stunden gemäß Fig. 1 ohne Beschränken des Temperaturunterschieds zwischen den inneren Teilen und äußeren Oberflächen erhitzt wurde, wurden kleine innere Risse festgestellt, wenn das Teststück gespalten wurde. Als Ergebnis der Behandlung wurde ein Endfeuchtigkeitsgehalt von weniger als 5 % nach der Ablagerung erhalten.
Wenn ein Teststück aus nassem Fichtenholz mit gleichen Abmessungen 24 Std. gemäß der Erfindung erhitzt wurde, wobei das erfindungsgemäße Konzept implementiert wurde, daß man den Unterschied zwischen den inneren und äußeren Temperaturen auf 30ºC hält, wurden keine Risse im Teststück erzeugt (Fig. 2). Der Endfeuchtigkeitsgehalt des abgelagerten Teststücks war geringer als etwa 5 %.

Beispiel 2

Ablagerung von Espenholz und Behandlung desselben bei erhöhter Temperatur.

Wenn abgelagertes Espenholz (38 x 100 x 1500 mm) 7 Std. erhitzt wurde, wobei das erfindungsgemäße Konzept implementiert wurde, wurde ein rasches und kontrolliertes Ablagern erhalten, und es wurden keine Risse im Holz erzeugt (Fig. 4). Wenn die entsprechende thermische Behandlung 3 Std. durchgeführt wurde, ohne daß in irgendeiner Weise der Unterschied zwischen den inneren und äußeren Temperaturen beschränkt wurde (Fig. 3) wurden kleine innere Risse an den inneren Teilen der Stücke gefunden, wobei solche Risse in der Praxis das Holz zur Verwendung ungeeignet machten.
In beiden Fällen zeigten die Teststücke einen Endfeuchtigkeitsgehalt von unter 5 %.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Holz bei erhöhter Temperatur, wobei die Temperatur des Holzes auf mindestens über 100 ºC erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- während der Behandlung die Temperaturen im inneren Teil des Holzes respektive auf dessen Außenfläche gemessen werden, und

- bei der Temperaturerhöhung der Unterschied zwischen den inneren und äußeren Temperaturen des Holzes im wesentlichen auf einem Konstantwert von 10 - 30 ºC gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Holz in Anwesenheit von Dampf behandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf verwendet wird, dessen Feuchttemperatur bei ca. 80 - 120 ºC, vorzugsweise bei ca. 100 ºC gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen des inneren Teils des Holzes respektive der Außenfläche des Holzes kontinuierlich bestimmt werden und bei der Temperaturerhöhung des Holzes die Temperatur der Außenfläche des Holzes als eine Funktion der Innentemperatur des Holzes derart geändert wird, daß der Unterschied zwischen den beiden Temperaturen konstant bei 10 - 30 ºC mit einem Spielraum von höchstens ca. 5 ºC gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei die Temperatur des Holzes zuerst erhöht und danach bis zu einem gewünschten Wert gesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen den inneren und den äußeren Temperaturen sowohl während dem Erwärmen als auch dem Erkalten des Holzes konstant bei 10 - 30 ºC gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Holz vor der Wärmebehandlung einer Trocknung zur Senkung des Feuchtigkeitsgehaltes des Holzes auf unter 30 % unterworfen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Holz in einem Trockenofen in Anwesenheit von Dampf getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zunächst die Temperatur des Trockenofens auf mindestens 100 ºC erhöht und danach auf diesem Wert gehalten wird, bis daß Holz mindestens annähernd dieselbe Temperatur erreicht,

b) dann die Temperatur des Ofens progressiv so erhöht wird, daß der Unterschied zwischen der inneren Temperatur des Holzes und der Ofentemperatur konstant bei 10 - 30 ºC bleibt, bis der gewünschte Holzfeuchtigkeitsgehalt erreicht ist, und

c) schließlich die Ofentemperatur progressiv derart gesenkt wird, daß der Unterschied zwischen der inneren Temperatur des Holzes und der Ofentemperatur einen konstanten Wert von 10 - 30 ºC behält, bis der innere Teil des Holzes die gewünschte Temperatur erreicht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase a) die Temperatur des Trockenofens auf 100 - 120 ºC eingestellt und auf diesem Wert gehalten wird, bis die Temperatur des Holzes diesen Temperaturbereich und einen Feuchtigkeitsgehalt von unter 30 % erreicht.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase b) die Erwärmung eingestellt wird, wenn das Holz einen Feuchtigkeitsgehalt von 1 - 20 % aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase b) das Holz auf eine Temperatur von mindestens 130 ºC erwärmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase c) die Temperatur des Ofens gesenkt wird, bis die innere Temperatur des Holzes eine Temperatur unter 100 ºC erreicht.