综 述
近年来，炭化木在国内市场的热度逐渐上升，越来越多的人听说过这个新名词，然而大部分人仍停留在望文生义道听途说的模糊阶段，行业内缺乏对炭化木基础知识的清晰普及。本文旨在对炭化木的工艺和应用做一些基本介绍。
什么是炭化木？
按照教科书上的定义，“以木材为原料，在150℃~260℃温度下，以蒸气、空气（乏氧）、氮气等气体或植物油为介质，进行加热处理，所得到的产品为‘热处理材’，国内俗称‘炭化木’。”其实木材在加热期间，只是部分成分热解释放，木材的实质物质并没有炭化，所以称之为“炭化木”并不是非常确切。国外一般将其称呼为“Thermal Modified Timber”，简称TMT，直译成中文是“热改性木材”，更为精确。TMT一般用于户外，在极端条件下使用寿命可长达25年，并且不含任何人工添加的化学助剂，对环境和人体完全无害。
图1. 深度炭化白蜡木地板，内外颜色完全一致
虽然炭化木工艺在理论上有多种加热介质，目前国外的主流工艺是气相介质，其中应用最多的则是氮气。使用惰性气体或者乏氧空气是因为，在高温条件下木材一旦遇到氧气会剧烈氧化或者燃烧，工艺难以控制。国内常用的炭化温度为170℃~180℃，介质为含氧空气，这种条件下半纤维素很难热解，木材只是轻微变色，并且由于氧化不均匀，常常引起表面颜色深浅不一。这种产品和国外的TMT完全是两回事，为了区分，大家一般将国外的TMT称为“深度炭化木”（图1），主要用于户外等需要高度防腐的场所。国内产品则被称为“浅度炭化”或者“浅炭”（图2），其炭化的主要目的在于提高木材的稳定性，使用以室内为主。
历史
说到炭化木的历史，在中国的唐朝时期（公元7世纪~10世纪），当时彪悍的维京人就发现，表面过火的木头能够抵御海水的腐蚀，于是用它来打造战船，这是人类最早有意识地应用炭化木。从技术角度来讲，直到上世纪，欧洲才研发出稳定可控的炭化木工艺，其商业化的生产不过刚刚开始了20年的时间。欧美国家主要应用其防腐能力，因为炭化木是更绿色、安全、环保的升级户外材料，且已有比较成熟的应用经验。对中国来说，市场刚刚开始认知这个新产品，处于成长期的炭化木行业，其生产、开发、设计和应用等诸多方面都有很多东西亟待摸索和开发。
炭化木户外地板
工艺
虽然理论上可以将生材直接干燥并炭化，但考虑到成本、效率和生产的灵活性，目前在炭化前，基本上会先将木材用常规干燥窑干燥（图3），使含水率达到常规窑干板材的正常水平——8%~12%。然后，再将窑干板材放入炭化罐内（图4）进一步处理。罐中含氧量非常低（少于2%），板材分别经历升温和高温干燥阶段、热处理阶段、冷却和湿度平衡处理阶段。因为热处理后的木材处于高温，与外部空气温差很大，容易造成木材开裂，而且过分干燥的木材进行后续加工时困难，所以需要降温和加湿，以便使木材得到合适于用户需要的含水率。通常经过冷却和湿度平衡处理后，木材的最终含水率为5%~7%。
炭化过程中，通过改变温度、湿度、压力、循环等参数，产品的性能随之发生变化。比如提高温度和延长时间会加深产品的颜色、提高防腐性能，但是也会降低材料韧性、使其变得更脆；降低温度和缩短时间则让产品颜色变浅，防腐级别和稳定性变低。图5说明了产品性能随炭化程度的变化曲线。
炭化引起的材料变化和结果如下：
1、管孔结构发生了不可逆的永久变化从图6和图7可以清楚地看到木材微观结构在炭化过程中的变化。Control为热处理之前，然后是不同温度下木材的微观结构。随着温度的升高，木材的细胞壁发生了较大变形，变得更脆。
2、防霉防腐
经过高温热处理，木材的化学组成发生变化，去除了侵蚀木材的生物生存所需的条件。木材中的半纤维素发生热解反应后，生成甲酸、乙酸。同时，木材中的低分子营养物质挥发或受到破坏。由于木材酸碱度、营养物质和平衡含水率的变化，破坏了真菌和其他微生物的生存之本，使炭化木的防腐、防霉、防色变性能大大提高。
3、湿胀干缩减小
木材的吸湿主要由于内部含有大量羟基。热处理过程中，含有大量羟基的半纤维素的耐热性最差，最先发生分解，显著减少了木材内部的羟基数量，从而使炭化木的吸湿性大大降低，减小了木材的干缩和湿胀，尺寸也就更加稳定性了。
4、避免开裂变形
木材的生长应力（残余应力）是木材开裂、翘曲和胀缩的主要原因之一。经过炭化高温处理之后，木材发生密度降低、低分子挥发物去除、半纤维素降解、无定形区减少、结晶度增加等变化，从而使木材的弦向、径向收缩率差异变小，生长应力得以释放。
5、颜色稳定
炭化后木材的颜色变深，并且内外一致。除了能消除浅色材种的色差之外，一些材种如黄杨和软枫，炭化之后外观和黑胡桃非常接近，增加了材料的应用价值。
6、密度降低
同样由于半纤维素的热解，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%，采用不同材种、不同炭化工艺的结果不一样。另外由于无定形区减少，木材的韧性下降，比原来更脆。
7、硬度降低
木材炭化之后硬度降低3%左右。不过对于大部分硬木来说，本身就具有很高的硬度（见表1），因此即使在炭化之后用于普通的地板、家具、木门、楼梯等产品，其硬度仍然能让质量得以保障。
炭化缺陷
由于炭化过程是在接近燃点的高温中完成的，并且含水率要达到绝干的极限状态，因此炭化工艺的控制必须非常精准，稍有偏差，轻则引起板面开裂、疤节爆出、表面污染、颜色发花等品质问题，严重的会导致碳化罐爆炸。
图8. 炭化造成的板材表面污染
图9. 炭化产生的色差
和其他防腐木比较
炭化木在欧美最主要的用途是户外工程，它是一种全天然重防腐的新型材料，具有不可替代的优越性。以炭化白蜡为例，和常见的户外地板材料对比见表2。
使用中的注意事项
因为炭化造成的木材性能变化，炭化木尤其是炭化硬木在使用过程中应重点注意以下问题：
1、因为羟基减少，并且管孔结构更加封闭，所以炭化木的吸水、吸油、吸胶能力均有下降。在胶合时涂胶后应留出更长的开放时间，让胶水有足够的时间渗透进木材内部形成胶钉，保证胶合面强度。在涂装时应适当减少底漆的喷涂量，让每遍底漆有足够时间渗透进去。
2、因为木材的脆性增加，所有螺丝必须预先打引孔，避免使用自攻丝，以免造成开裂。螺丝帽部位打沉孔，以免拧入螺丝时对木材表面压力过大，造成崩茬。同理，在机械加工过程中，刀具必须保证足够锋利，否则容易引起崩边。
3、炭化木的颜色会因紫外线照射逐渐变浅，因此必须使用抗UV涂装，否则会变色。
图10. 深色的是炭化白蜡地板，使用了抗UV涂装，基本未变色；旁边是未使用抗UV涂装的地板，在两三年后由深色变成银白色。
炭化木的工程案例，以美国Bingaman为例，作为目前北美最大的炭化硬木制造企业，在研发这项全新工艺的时候经历过多次摸索改进甚至炭化罐爆炸。企业拥有3台自主参与开发的设备常年稳定运转，产品主要用于北美和欧洲的户外工程，如下图的建筑外墙，材种为黄杨。
结语
作为一种新型的木材处理工艺，炭化将木材的天然属性和使用性能更完美地结合到了一起，是这个传统行业里难得的技术创新。虽然中国市场仍在启动阶段，不过基于国内强劲的高端需求，预计在经过一两年的推广和教育阶段之后，炭化木将进入爆发期，这也将是我们这个行业新的可持续增长点，值得期待，更值得为之努力。
致 谢
感谢中南林业科技大学材料学院胡进波博士，他是炭化方面的专家，为本文提供素材并做耐心订正。
