微波技術(shù)在我國(guó)木材加工與產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用

沈斌華，李小科，單志超，葉春香，崔啟鵬，姜 俊

（浙江省木業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心南潯檢測(cè)所，浙江 湖州 313009）

微波技術(shù)是近代科學(xué)研究領(lǐng)域的重大成果之一，經(jīng)過近十年的發(fā)展，它已經(jīng)成為一門比較成熟的學(xué)科。微波技術(shù)具有高效、均勻、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、生物、食品、商檢、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、冶金、石油、化工等各個(gè)行業(yè)。微波技術(shù)在木材工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越受到重視，它可以大幅度縮短干燥時(shí)間、改善材性，還可以快速檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量。本文概述了微波技術(shù)在我國(guó)木材干燥、木材改性、膠粘劑合成、材料缺陷檢測(cè)、含水率檢測(cè)、甲醛釋放量檢測(cè)等方面的研究成果，為微波技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1 微波技術(shù)在木材加工中的應(yīng)用

1.1 木材干燥

微波干燥是利用高額振蕩的電磁波使木材中的極性水分子頻繁擺動(dòng)產(chǎn)生的摩擦作用來加熱材料，熱量在內(nèi)部直接產(chǎn)生，分布均勻，木材的溫度梯度和含水率梯度較小，具有加熱時(shí)間短、干燥質(zhì)量好、提高出材率等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)木材微波干燥技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展，已形成一定規(guī)模。

20世紀(jì)70年代，我國(guó)對(duì)木材用微波干燥設(shè)備進(jìn)行了初步研究，同時(shí)對(duì)微波干燥木材工藝進(jìn)行了探索，初步掌握了微波設(shè)備制造技術(shù)。南京七七二廠研制出了木材微波干燥機(jī)，上海長(zhǎng)征木材制品廠研制出大型駐波場(chǎng)諧振腔隧道式木材微波干燥機(jī)。這兩類型的微波干燥機(jī)應(yīng)用結(jié)果表明微波干燥可以使干燥時(shí)間縮短幾十倍，但由于設(shè)備、工藝不成熟造成了木材開裂、變形等缺陷。

20世紀(jì) 80年代，我國(guó)木材干燥方面的專家對(duì)微波干燥工藝進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究，總結(jié)出了微波干燥木材的基本工藝。佟永會(huì)等研究了微波功率、干燥時(shí)間、干燥速度、含水率與干燥質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)干燥速度和失水率均隨輻射功率和輻射時(shí)間的增加而增加，而木材干燥質(zhì)量在一定限度內(nèi)并不因此而發(fā)生變化[1]。朱政賢等通過對(duì)微波干燥常用樹種生產(chǎn)性工藝的試驗(yàn)，總結(jié)出了常用樹種和規(guī)格鋸材的諧振腔型干燥機(jī)微波干燥基準(zhǔn)[2]。

20世紀(jì) 90年代，我國(guó)木材微波干燥設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)得到進(jìn)一步提高，設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性得到改善，通過對(duì)竹木材料的微波干燥試驗(yàn)，總結(jié)出了基本可行的干燥工藝。南京七七二廠研制了 WX40L系列新型木材微波干燥機(jī)[3]，并在無錫家具二廠等十幾個(gè)工廠成功應(yīng)用。葉宇煌等設(shè)計(jì)了一條竹料微波干燥線，每小時(shí)能將115 kg含水率為20%的竹筷干燥至10%，同時(shí)具有殺蟲防霉功能[4]。王麗宇研究了刺槐小徑木圓截片、斜截片微波干燥技術(shù)，提出刺槐小徑圓、斜截片的微波干燥工藝[5]。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)對(duì)微波干燥理論基礎(chǔ)、干燥設(shè)備、應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，微波干燥技術(shù)在我國(guó)木材干燥中的應(yīng)用逐步推廣。貴陽(yáng)新奇微波工業(yè)有限公司研制出了WBD系列木材微波干燥機(jī)[6]。該設(shè)備具有干燥質(zhì)量好、能保持木材的原色澤、干燥效率高等優(yōu)點(diǎn)，初含水率為20%的木材干燥到10%只需8 h，而傳統(tǒng)干燥則需40 h。焦士龍等用微波干燥水青岡木材，研究了微波干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律，建立了非穩(wěn)態(tài)干燥速率方程[7]。王喜明等對(duì)微波作用下木材干燥應(yīng)力釋放機(jī)理進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明，木材經(jīng)微波干燥處理，可以減弱木材干燥應(yīng)力，減少含水率梯度，改善其干燥性能[8]。李賢軍以馬尾松為試材研究了木材微波真空干燥的基本規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著微波輻射功率、木材密度、木材初含水率和干燥室真空度的增加，木材的平均干燥速率也相應(yīng)地增加[9]。

1.2 木材改性

木材微波改性技術(shù)，是用一定頻率的微波局部或全部處理木材，破壞木材細(xì)胞壁上紋孔膜的薄弱環(huán)節(jié)，提高滲透性能，從而進(jìn)行染色、浸漬等處理[10]。通過改性技術(shù)，可以賦予竹木材某些特殊的功能，使低檔竹木材高檔化，從而有效地利用竹木材料，提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

微波技術(shù)對(duì)于密度低的木材的滲透性改善最為明顯，為人工林木材的高效利用奠定了一定的基礎(chǔ)。楊琳等利用微波射對(duì)落葉松木材試件進(jìn)行不同功率的處理，發(fā)現(xiàn)微波輻射能破壞落葉松木材徑向的薄壁細(xì)胞，細(xì)胞同時(shí)產(chǎn)生微細(xì)裂紋，輻射功率越大裂紋越明顯，滲透性更明顯[11]。

微波輻射可以軟化木材，能使木材在很短時(shí)間內(nèi)彎曲成不同曲率半徑的形態(tài)。陳太安等利用微波加熱研究了楊木、楓揚(yáng)、池杉和泡桐四種木材的彎曲性能，結(jié)果表明，楊木和楓楊在微波處理后，彈性模量變小，有助于木材的彎曲處理[12]。李軍研究了微波加熱水曲柳試件的彎曲工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系，最佳工藝條件為木材含水率60%，微波功率400W，加熱時(shí)間2 ～ 5 min[13]。

木材通過微波預(yù)處理，內(nèi)外色澤更加均勻，木材利用價(jià)值更高。李賢軍等研究了微波預(yù)處理木材染色方法，具有設(shè)備投資小、工藝簡(jiǎn)單、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)[14]。

通過微波處理將阻燃藥劑注入木材，阻燃藥劑不易流失，阻燃效果更加明顯。李曉東研究了微波處理技術(shù)在樟子松和水曲柳木材阻燃處理中的應(yīng)用情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用微波處理的樟子松和水曲柳的阻燃效果優(yōu)于常規(guī)處理方法[15]。

采用微波技術(shù)將化學(xué)物質(zhì)浸漬入木材，可以提高木材密度，使木材強(qiáng)度增加。萬東北等研究了微波輻射作用下杉木的氰乙基化改性技術(shù)，發(fā)現(xiàn)采用微波輻射20 min可獲得與傳統(tǒng)的恒溫水浴反應(yīng)240 min同樣增重效果的氰乙基化木材[16]。滕莉麗等利用微波輻射對(duì)杉木芐基化改性進(jìn)行了研究，杉木微波輻射100 min，增重效果與常規(guī)加熱法基本相同，但反應(yīng)時(shí)間縮短了58%[17]。

2 微波技術(shù)在膠粘劑合成中的應(yīng)用

借助微波技術(shù)進(jìn)行膠粘劑合成，反應(yīng)速度比傳統(tǒng)的加熱方法快數(shù)十倍，具有操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)率高、安全衛(wèi)生等特點(diǎn)。徐衡等以苯酚和甲醛為原料，在堿性條件下用微波加熱法合成了酚醛樹脂[18]。馬春平等以葡萄糖代替甲醛在堿性條件下以微波加熱法合成葡萄糖苯酚樹脂膠粘劑[19]。何承東等以尿素和甲醛為原料，在弱堿性條件下用微波加熱合成了脲醛樹脂[20]。

3 微波技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 材料缺陷檢測(cè)

多層膠合板、單板層積材通常會(huì)有氣孔、疏松、樹脂開裂、分層、脫粘等缺陷，木材通常會(huì)有樹節(jié)、裂紋、傷疤等缺陷，這些缺陷在材料中的位置、尺寸可用微波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行評(píng)定。微波在竹木材料的不連續(xù)界面處產(chǎn)生反射、散射、透射，同時(shí)與被檢測(cè)材料產(chǎn)生相互作用，微波場(chǎng)受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響，通過測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的改變達(dá)到檢測(cè)竹木材料的缺陷。

M.Rockwitz等提出復(fù)合材料缺陷檢測(cè)理論，公式為Ka≈1，該理論根據(jù)氣隙的半徑、微波功率計(jì)算缺陷尺寸[21]。鄧志剛等研究了板材缺陷的微波檢測(cè)技術(shù)，板材通過微波傳感器進(jìn)行缺陷檢測(cè)，通過激光定位器定位,把信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上清晰地顯示出節(jié)子的數(shù)量、尺寸和位置，軟木和硬木的最大檢測(cè)厚度分別為65 mm和50 mm[22]。

3.2 竹木產(chǎn)品含水率檢測(cè)

微波檢測(cè)含水率有加熱烘干和測(cè)量介質(zhì)介電常數(shù)兩種方式，其最大的優(yōu)點(diǎn)是快速，適用于含水率快速測(cè)定和在線測(cè)定，對(duì)生產(chǎn)過程的水分測(cè)定和控制有重要意義。尹曉兵等提出了微波爐—烘箱法（WB-HX）檢測(cè)南方松木材含水率的方法[23]。該法總的測(cè)定時(shí)間為4 ～ 6 h，比常規(guī)的烘箱干燥法減少7 h左右，檢測(cè)成本降低50%左右。蔣蓓應(yīng)用微波技術(shù)研究單板含水率在線檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過測(cè)量水的介電常數(shù)的變化值達(dá)到測(cè)量含水率的目的，具有使用方便、速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)[24]。

3.3 人造板甲醛釋放量檢測(cè)

人造板甲醛釋放量微波萃取法是利用微波能強(qiáng)化游離甲醛的揮發(fā)速度，即利用微波加熱來加速人造板樣品中游離甲醛的萃取過程。與常規(guī)的甲醛釋放量穿孔萃取法相比，微波萃取不使用甲苯，具有速度快、效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)。呂長(zhǎng)富等以水為萃取液，通過微波對(duì)人造板游離甲醛進(jìn)行萃取，萃取時(shí)間少于3 min[25]。李小科等研究了中密度纖維板中甲醛釋放量微波萃取方法，并進(jìn)一步分析了微波萃取法與穿孔法的相關(guān)性[26]。

4 微波技術(shù)應(yīng)用展望

通過對(duì)微波技術(shù)在我國(guó)木材工業(yè)的研究與應(yīng)用情況的回顧可以看出，對(duì)微波干燥技術(shù)、改性技術(shù)研究較多，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方面的研究較少。然而隨著木材資源的日益減少，木材工業(yè)研究的對(duì)象逐漸擴(kuò)展到竹材、農(nóng)業(yè)剩余物、藤材及其他禾本、草本植物。由于資源短缺和市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，高效、節(jié)能是必然趨勢(shì)。因此，微波技術(shù)在木材工業(yè)中的應(yīng)用顯得越來越重要。

4.1 木材干燥技術(shù)

微波干燥技術(shù)在我國(guó)木材加工行業(yè)的研究和應(yīng)用較早，所以現(xiàn)在已初步掌握了微波加熱原理和干燥工藝。由于微波干燥成本較高，主要用于珍貴木材的干燥。微波干燥技術(shù)關(guān)鍵難題是設(shè)備價(jià)格昂貴，阻礙了微波技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。其解決途徑是進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，增強(qiáng)PLC編程控制器、磁控管、微波變壓器、變頻器等核心部件的研發(fā)能力。雖然掌握微波設(shè)備核心技術(shù)需要一定時(shí)間，但微波干燥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景十分可觀，微波干燥將是干燥技術(shù)在木材工業(yè)應(yīng)用的主要發(fā)展方向。

4.2 微波改性技術(shù)

木材改性是改善木材性能、實(shí)現(xiàn)次材優(yōu)用的重要途徑。微波處理可以改善和克服竹木材料干縮濕脹大、尺寸穩(wěn)定性差、易變色、易燃、不耐腐、不耐磨等缺陷。我國(guó)在微波技術(shù)木材改性方面的基礎(chǔ)性研究較薄弱，缺少應(yīng)用性研究。因此，必須加大對(duì)微波改性的研究力度。

4.3 微波無損檢測(cè)技術(shù)

微波無損檢測(cè)是在不破壞竹木材的性能和使用效果的前提下，檢測(cè)板材缺陷、人造板的彈性模量、靜曲強(qiáng)度、密度等性能指標(biāo)。微波無損檢測(cè)使竹木材料及人造板的質(zhì)量控制和管理達(dá)到一個(gè)新水平，為人造板生產(chǎn)過程的工藝控制和自動(dòng)化提供了必要條件。微波無損檢測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)材、原木、層積材的質(zhì)量檢測(cè)中有良好的發(fā)展前景。

4.4 微波萃取甲醛釋放量檢測(cè)技術(shù)

微波萃取技術(shù)在人造板甲醛釋放量檢測(cè)中的應(yīng)用剛剛起步，需要借鑒微波萃取技術(shù)在環(huán)境、生化及食品分析中取得廣泛的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)甲醛釋放量專用微波萃取儀器設(shè)備的研究，加強(qiáng)萃取工藝的研究，加強(qiáng)微波萃取法檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性和準(zhǔn)確性研究，加強(qiáng)微波萃取法與穿孔萃取法可比性和相關(guān)性研究，使其得到更廣泛、更合理的利用。

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