探讨木材保护方案, 提高木材使用率

本文研究了几种保护木材的方案措施,并在此背景下通过与芬兰专家访谈,从他们的角度也充分考虑了包括气候变化在内的多种影响因素。相信这项研究将有助于加快市场研发创新性木材处理技术和更多环保型木材保护与防腐产品,从而促进木材在建筑行业的使用。—Jami Järvinen, Hüseyin Emre Ilgın和Markku Karjalainen,芬兰坦佩雷大学

建筑业是造成温室气体排放的主要来源之一,其占全球能源二氧化碳排放量的40%左右。

此外,欧盟(EU)的建筑施工平均每年消耗40%的材料和40%的一次能源,并会产生40%的废料。

因此,观察并监管建筑业的变化可以在减少二氧化碳排放和应对气候变化方面发挥关键作用。

截至目前来看,有两种基本方法可用于建筑行业以减少它对环境的影响:(i)使用环保材料;以及(ii)在整个建筑物的使用寿命期间优化能耗。

从这个意义上讲,与非木材建筑相比,木材作为一种环境友好型材料,木结构建筑能够确保低碳排放且低能耗。

也就是说,木结构建筑在应对气候变化方面具有重大优势,因为木材可以替代其他建筑材料,以最大限度地减少温室气体排放,而且还具有独特的特性,例如在建筑结构中储存大量的碳。

木材除了用作建筑材料外,在使用寿命结束后还可以再被用作其他建筑物的原材料,或者最后对木材可做焚烧处理。

随着近期环保意识的提高以及采用一定的方法和材料实现建筑低碳足迹等现象变得越来越普遍,木制品在建筑行业的地位得到了显著提高。

例如,芬兰经济事务和就业部参与了芬兰国家能源和气候战略(2016年)的制定过程,该战略方案作为促进木材建设措施的一部分,旨在推动欧盟在2030年之前能够实现能源和气候的相关目标。

对此,欧盟在比利时布鲁塞尔举行的国家首脑会议上商定了温室气体减排新目标,即到2030年将欧盟区域内的温室气体排放量比1990年减少55%,与前期减少40%的目标相比降幅显著提高。

 

木材的优点与缺陷

如今,木材作为结构材料的使用率相对增加,而且随着新的应用发展,木材还被用于打造多层和高层建筑。

在建筑中增加木材的使用至关重要,因为木材是可再生的、生物基的,可以储存大量二氧化碳,并且可以取代传统的建筑材料,例如不太环保的混凝土和钢材。(注:生物基产品主要指除粮食以外的秸秆等木质纤维素类农林原料。)

此外,出于这个原因,联合国已将在建筑中使用木材确定为应对气候变化的关键工具。

从这个意义上说,保护木材对于木材充分发挥其市场潜力,从而在应对气候变化方面发挥作用至关重要。

木材的主要问题之一是其易燃性,这也成为了使用者和法规制定者的关注点,木材还可能在其使用过程中因受到环境来源的影响而“恶化”,例如暴露于室内和室外、遇到降水天气、与地面接触、或生长在海洋环境中。

暴露在户外的木材会被各种非生物元素风化,包括风、灰尘、雨水和阳光。木材本身的吸湿结构会吸收空气中的水分和液态水,然后发生尺寸变化,导致其出现翘曲和裂纹现象。

在此过程中,当条件成熟适当,活的有机体,如真菌、霉菌和昆虫,可以把木材中的结构成分或薄壁组织中的营养物当作食物。

那么这些因素都将不可避免地改变木材化学和物理特征及外观,致使木材寿命被缩短。这一事实具有生态和经济意义,因为当建筑物中的木材或木质部件出现这样的缺陷时就需要被更换,这会降低木材在建筑材料市场上的竞争力。

此外,木材最大的弱点是易受生物影响,如腐烂,这可能成为一个严重的问题,极大地限制了木材作为建筑材料的使用。由于木材的这些缺点,导致建筑法规,如消防法规的规定也会限制木材的应用范围。

为提高木结构建造的效率,从而提升木结构相对于非木结构的竞争力,目前研究人员正逐步增加研发,让木产品更好地适应环境。

此次研究的地点在芬兰,该国的气候对于越来越多的木结构而言将更具有挑战性。按照目前的情况我们测算并建立了数字模型,可以预计到芬兰的气候将出现更多变化,降水、洪水和风暴天气等会增加,同时还会出现其他极端天气事件,如严重热浪的加剧和普遍化。

 

保护木材的重要性

采取合适的方法措施可以减少木材暴露于某些恶劣环境来源的频率以防止木材劣化。选择天然耐用的树种或优质材料,如心材,也有助于延长木材产品的使用寿命。

另一方面,耐寒树种的成本和可用性,以及快速生长的木材的重要性日益增加,可以作为替代低质量木材的优选。

对木材进行适当的处理已经成为了非常可靠的解决方案之一,它可以使木材更耐变质。

最常见的保护木材的方法是对木材进行防腐处理,即使用防腐化学品。

近年来,热改性、化学改性、机械热压充填法和浸渍法等多种处理木材的方法都取得了进展。

木材可以用真空或加压方法浸渍,让能够消灭生物、疏水和阻燃材料深深嵌入其结构中。

此外,木材表面可通过部分有机、矿物或金属涂层及多种表面处理方法被更好地保护起来。

迄今为止的文献没有对芬兰木材保护方法及其前景做全面和深入的调查了解。

本研究旨在概述木材保护与防腐行业的未来,并强调木材保护与防腐处理方法的潜力。

了解在未来具有发展潜力的木工处理方法以及当前使用的方法的发展方向非常重要。

此外,了解不断变化的市场环境及其可能带来的挑战、木材保护与防腐处理是否能够应对这些挑战、以及当今的木材保护与防腐处理方法如何适应新的要求,也是至关重要的。

通过对这些问题进行探索,我们在此次研究中针对木材保护与防腐方法的未来提供了一个前瞻性的概述。

总的来说,本文的目的是从行业专业人士的角度,通过对他们的访谈工作,尽可能总结出详细的文献内容,让读者更全面地了解木材保护处理方法的现状,特别是考虑了气候变化的因素。由于研究的关键目标是增加木材的使用,减少木材处理方法对环境的影响至关重要,尤其是在工业运用方面,更要注重保护木材的处理方法和相关产品是否会对环境产生负面影响。采用合适的木材保护与防腐处理方法,并运用到工业化生产的过程中,能够提升制造企业的成本效益,创造出环境友好型产品,发挥木材在建筑业和利好环境的潜力。

在本研究中,使用的木料或木材是指工程木制品,例如交叉层压木材(CLT,cross-laminated timber ,该材料由锯切,粘合和分层的木板组成,其中每一层都垂直于前一层。通过以垂直角度连接木材层,可以在两个方向上获得面板的结构刚度,类似于胶合板,但部件更厚);单板层积材(LVL ,Laminated Veneer Lumber,是由厚单板沿顺纹方向层积组坯、热压胶合再锯割而成的材料);以及胶合层压材(胶合木,GLT,Glue-laminated timber,是一种将单独的规格材在一定条件下胶结在一起制作而成的结构用材)。

 

研究使用的方法

本研究主要通过和专家进行访谈并撰写出相应的文献综述,为将来的深入研究打下基础。

我们广泛挑选了各类产品代表进行采访,以尽可能多地收集不同的观点。访谈的目的是收集有关木材保护与防腐处理过程的新信息和新见解,这些信息和见解有可能推动木材建筑和木材防腐产品往更好的趋势发展。

在本研究中,采用了半结构化访谈(Semi-structured Interviews)方法,它是指按照一个粗线条式的访谈提纲而进行的非正式的访谈。该方法对访谈对象的条件、所要询问的问题等只有一个粗略的基本要求。

这一方法对于本研究而言比较理想,因为能够增加访谈者和参与者的互动,从不同的视角激发新主题的产生,可增加内容的创新性。

我们以过去的文献内容和现阶段观察的情况为基础,罗列了主要的访谈主题和问题,详细内容见附录A和附录B。

考虑到受访专家在木材保护与防腐处理方面具备了相关知识和经验,接受采访的公司提出建议让最合适的员工先提前回答发给他们的采访问题。

附录B中列举的问题主要用于询问企业代表对表面处理产品的了解。如果得不到需要的答案,则使用附录A中的问题对他们再提问。

访谈主要以电子邮件形式,然后通过在线视频会议对内容做汇总管理。这样能够实现记录访谈同时进行,有助于分析访谈结果。

访谈结束后,我们对录像进行了审查,然后主动删除访谈的内容结果,并通过电子邮件将每一位受访者提供的回答分别发送给对应的受访者,以供进一步审查和完成访谈工作。

在此次研究中,我们根据总结的访谈内容分析了数据。由于受访群体的数量可控,分析是手动进行的,没有使用任何回答编号系统,通过检查答案,突出受访者强调的要点,并对其进行分类。

对获得的数据进行分类是分析的重要部分。在评估结果的可靠性时,还应注意,受访者的意见必须是基于事实的预测,以此为基础再规划出未来的发展图景,而不是主观臆断。我们整理了主题和受访者的回答,主要分为以下7个部分:(1)压力浸渍和改性木材;(2) 表面处理产品;(3) 气候变化和环境问题;(4) 产品营销;(5) 木材的防火处理措施;(6) 木材的白蚁抗性;和(7)未经处理的木材。访谈结果和被访谈者的身份都是匿名和保密的。

 

根据采访内容总结的木材保护与防腐方法

如前一节所述,我们根据访谈主题和内容结果进行了分类,全面介绍了木材保护与防腐行业的现状及其主要发展趋势。

在访谈过程中,一个主题可能出现不止一次,因为问题之间具有相关性,可能有几个问题同时涉及到特定的主题。访谈结果按以下类别呈现:(i)压力浸渍和改性木材;(ii)产品的表面处理;(iii)气候变化和环境问题;(iv)产品营销;(v)木材的防火处理措施和(vi)木材的白蚁抗性。

 

(1)压力浸渍和改性木材

来自具有行业专业知识的受访者的回复强调,目前使用的渗铜水基浸渍剂已成功取代了先前禁用的铬酸盐砷酸铜浸渍剂,这类浸渍剂已经在木杆和电线杆等领域使用了近20年。

有人指出,现阶段使用的浸渍剂即使在最恶劣的条件下也能发挥作用,例如在露台和庭院建筑等涉及室外的环境下,使用品质过关的浸渍剂对木材进行改性处理,是能够满足客户对产品使用寿命的期望和需求的。

在这过程中,主要通过常压浸渍,使溶剂中的物质以合适的深度和进入量进入到木质材料表面和内部,从而实现木质材料尺寸稳定、强度提高、阻燃、防腐、染色等各种效果以达到木材改性的目的。

 

(2)产品表面处理

在受访者的回答中,强调了芬兰使用最多的经过表面处理的产品类型是外覆板和板材,同时,油漆和多种蜡被用于室内喷涂材料。

专家们还指出,对产品做表面处理工艺的趋势正在转变,希望未来能够在可控条件下先给木材涂底漆或者预制木产品配件,从而有望让最终木产品的涂装质量保持10至15年。

因为如果在施工现场再对木材进行表面处理,在这之前木材在被搬运至施工地点的过程中,其质量很难被把控,它们可能曾暴露在极端天气下,或者处于潮湿的环境中,导致涂装现场的木材表面已经腐烂,这样表面处理工艺的效果和最终木质产品的涂装质量都会受到影响。

 

(3)气候变化和环境问题

如何应对气候变化,让木材更好地适应环境,以及如何打造环保型木制品,一直是近几年讨论的主题。

具有压力浸渍和改性木材方面专业知识的受访者的答复强调,为了应对气候变化,应尽可能使用可持续的木材产品,市场对这类产品的需求量很高,因此其产量在未来会增加。

 

(4)营销成功的产品

在受访者的回答中,他们强调,某一商业产品的成功可以通过工业化大批量生产该产品来体现。可能有许多新的、潜在的木材保存与防腐方法,但它们被大批量工业化生产的门槛也许非常高。

来自ThermoWood(芬兰赫尔辛基国际ThermoWood协会)的木材保护与防腐产品是成功的,在很大程度上归功于它们仅使用热量和蒸汽等相对低成本的生产方法,而且该协会注意到其他方法往往会涉及某些化学品,从而显著提高了木材保护与防腐产品的价格。对于这一点,ThermoWood还强调,产品的最终价格和所需的投资成本会影响开始生产的过程。

 

(5)升级木材防火等级

根据受访者的回答,随着木材结构的增加,对木材进行防火处理,即提升木材防火等级的需求也在增加。目前可以找到提高木材防火等级的解决方案,以达到增加建筑中木材使用量的目的,但这在多大程度上还取决于现行的消防法规是否会有变化。有人指出,实际上部分关于木材防火的标准已经降低。

 

(6)提高木材的白蚁抗性

在受访者的回答中,有人强调,在气候温暖的国家,如南欧和亚洲地区的国家,白蚁对于木材而言成为了很严重的问题,应采取有效措施对木材做优化处理,让白蚁不再以木料为食。

这个问题尚待研究,因为在芬兰白蚁不是很常见,但提高木材的白蚁抗性在未来一定会受到更多关注。

 

研究结论和未来展望

本文通过与行业专业人士的访谈,从芬兰专家的角度研究了木材保护与防腐措施及其未来展望,同时考虑了气候变化因素。

在此过程中,本研究先确定了主题概要,即压力浸渍和改性木材、经过表面处理的产品、气候变化和环境问题、营销成功的产品、提高木材防火等级、提升木材的白蚁抗性和未经过处理的木材。

相信本研究的结果将有助于加快市场研发创新性木材处理技术和更多环保型木材保护与防腐产品,从而有助于增加建筑行业中木材的使用。

此外,本次研究结果对芬兰木材防腐剂产品的市场动态具有重大意义,它有助于推动政策加强对防腐剂产品的市场监管。

特别是本研究还将为建筑师、制造商、供应商和木材建筑行业的其他利益相关者等重要专业人士提供见解,因为它同时考虑到当今的市场需求以及相关决策者所要求的监管和法律授权等问题。

总体而言,通过此次研究我们得出了以下结论:气候变化和可持续发展是影响当今木材行业发展的两个最重要因素。从这个意义上说,欧洲化学品管理局(European Chemicals Agency),负责控制建筑行业使用的产品是否环保的政府机构,其颁布的法规将指导产品制造商开发低毒性产品,对环境和人类健康不会造成威胁,随着这些产品市场份额的增加,相应的测试和认证过程将变得更加容易。

可以预计,地方和部分欧洲管理机构将加大对使用传统木材保护与防腐方法的监管,例如,为使用合成杀菌剂用于木材保护或防腐的企业增加成本压力。并且环境友好型且更能应对气候变化的木材保护与防腐方法将变得更加普遍,或者我们将开始看到,能够自然产生耐用木材的田地被成功研发。加强这一趋势将为探索创新型和耐用木材产品、优化木材性能和应用创造许多机会。

在未来还需要对环境友好型木材保护与防腐方法和生物基木材防腐剂进行更多的研究。此外,对于木质素(木材工业的副产品,是由苯丙烷单元通过碳-碳键和醚键连接而成的无定形聚合物,是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源,木质素主要位于纤维素纤维之间,起抗压作用)的使用以及处理木质素对生产链的影响等方面可以做进一步的研究。对于各种木材保护与防腐方法的综合生命周期效应也可以做长期和比较研究。

注:一般来说,木材会腐朽主要是因为木材里有木腐菌、白蚁等生物,它们以木材内部的木质素为食,故木材会逐渐腐朽。对于木材防腐方法有喷涂防腐药剂、喷涂油漆,而防腐药剂有很多种,有油性的,也有水溶性的,优质的防腐产品与合适的处理方法能够有效防止木材的腐朽,而且不会对环境造成负面影响。

值得注意的是,气候变化带来的风险越来越高,而芬兰的木质文化遗产也面临着这种风险,其威胁着人类健康和建筑美学。这一问题应引起我们足够的重视,必要时需进一步研究出优质的木材防腐剂或更有效的木材保护处理技术并加以运用,力求“让更多木材进入生命”,同时还应尽可能延长木制品的使用寿命。

亚洲木工业杂志(FDM China)是中国木工专业人士的首选刊物,本刊为包括工艺技术、家具设计与制造、板材制造、原材料处理以及可持续发展等在内的广受关注的产业话题提供了最新资讯和专业见解。

FDM China在大中华地区发行纸质和电子版。同时,我刊也推出了一套综合性的网络营销方案,旨在满足客户日益提升的业务需求,并且帮助深化您的品牌效应。