竹材介電性質(zhì)研究

徐世克，湯 穎，章衛(wèi)鋼，俞旭鋒，潘恩琴，李延軍

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300）

竹材介電系數(shù)和介質(zhì)損耗角是竹材介電性質(zhì)的重要組成因子，是表明竹材在交變電場(chǎng)下介質(zhì)極化和儲(chǔ)存電能能力的一個(gè)量，不僅對(duì)竹材高頻、微波加熱和竹材含水率的測(cè)量具有重要意義，而且能加快高頻微波加熱、軟化在竹材加工中的應(yīng)用，同時(shí)為竹材密度檢測(cè)提供依據(jù)。高頻和微波加熱技術(shù)主要利用木竹材介電性質(zhì)來進(jìn)行木竹材的干燥、膠合、軟化、含水率測(cè)定等[1]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)射頻下和微波頻率下等不同頻率段的常見樹種進(jìn)行了介電性能的研究[2～5]。而國(guó)外學(xué)者對(duì)木材介電性質(zhì)在較廣泛的范圍內(nèi)作了研究[6～12]。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)竹材的介電性質(zhì)研究較少，本文擬通過對(duì)竹材含水率、紋理、頻率等因素對(duì)竹材介電性質(zhì)的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，借鑒木材干燥時(shí)高頻常用頻率為7 ～ 13.6 MHz，在酚醛和脲醛膠膠合時(shí)頻率為13.5 MHz，主要針對(duì)竹材在高頻頻率范圍內(nèi)的介電性能進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料毛竹取自浙江省臨安市，選取不同竹齡的毛竹，將其剖分后制備成相同長(zhǎng)度的竹片，將竹片按毛竹同一部位不同的紋理方向膠合成100 mm×40 mm×20 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的小竹方，再鋸制成直徑30 ～ 40 mm，厚度2.0 ± 0.5 mm的圓形薄竹片，用砂紙打磨光滑，使其厚薄均勻。實(shí)驗(yàn)干燥后，放入干燥器內(nèi)，按照實(shí)驗(yàn)要求，利用調(diào)溫調(diào)濕箱調(diào)節(jié)含水率。

1.2 試驗(yàn)方法

研究竹材紋理方向（橫向、徑向、弦向）、含水率（0% ～ 50%）、頻率（主要選取高頻射頻頻率段附近60 kHz ～ 13 MHz）、不同部位（節(jié)子、節(jié)間）、竹齡（1、2、4、6 a）等因素對(duì)毛竹介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角的影響及其相互之間的關(guān)系。

采用介電常數(shù)測(cè)試儀（STD-A），在恒定溫度20℃環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)需要選取電感，調(diào)整測(cè)試儀器頻率，一般為和電感相匹配的頻率。電感值為0.1 μH ～ 250 mH共7檔，可調(diào)頻率范圍為：100 kHz ～ 50MHz。介電常數(shù)計(jì)算方法：

式中：C為試樣的電容量（PF），C1為未放試樣測(cè)量電容，C2為放入試樣測(cè)量電容，ε為介電常數(shù)，d為試樣厚度（m），Ф為試樣直徑（m）。

介質(zhì)損耗正切角tanδ計(jì)算方法：

式中，Q1為未放試樣測(cè)量電感；Q2為放入試樣測(cè)量電感。

2 結(jié)果與分析

2.1 紋理方向?qū)χ癫慕殡姵?shù)的影響

從圖1可以看出，在同含水率、溫度、頻率下測(cè)得不同紋理方向毛竹的介電常數(shù)，竹材橫向介電常數(shù)明顯大于弦向和徑向的介電常數(shù)，弦向介電常數(shù)和徑向介電常數(shù)相差不大。這主要與竹材的各向異性有關(guān)，竹材以縱向紋理為主，纖維長(zhǎng)寬比比較大[13]，這就有利于各種物質(zhì)和能量在縱向的傳導(dǎo)；微觀結(jié)構(gòu)上，竹材的的組織大部分也是縱向的，因而竹材分子在縱向具有更大的活化能。在電場(chǎng)條件下，竹材在縱向的電流傳導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向和弦向，弦向和徑向的傳導(dǎo)受到縱向組織的阻礙，竹材橫向分子官能團(tuán)具有更大的自由度，能產(chǎn)生較大的活化能，因而介電常數(shù)相對(duì)于其他兩個(gè)方向要大些。

2.2 含水率對(duì)竹材介電常數(shù)的影響

從圖1可知，竹材介電常數(shù)隨著含水率的增加有顯著增加趨勢(shì)，介質(zhì)損耗角正切值tanδ也隨含水率升高而明顯增大。在低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，隨含水率的增加，介電常數(shù)增加比較緩慢；在纖維飽和點(diǎn)附近時(shí)，竹材介電常數(shù)隨著含水率的增加而急劇增大；在含水率高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，含水率和介電常數(shù)近似成線性關(guān)系。

圖1 不同紋理方向竹材介電常數(shù)隨含水率的變化Figure 1 Effect of bamboo texture on dielectric constant

竹材從絕干開始隨著含水率的增加，竹材中結(jié)合水的含量逐步提高，水的介電常數(shù)比較高（81）[13]，因此竹材介電常數(shù)會(huì)隨著竹材中水分的增加而提高。在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，竹材細(xì)胞的結(jié)合水還未處于飽和狀態(tài)，竹材分子的官能團(tuán)自由度比較小，分子運(yùn)動(dòng)能量小，影響了電流的傳導(dǎo)，介電常數(shù)增加就比較緩慢。當(dāng)竹材含水率繼續(xù)增加，隨著竹材中結(jié)合水含量增加，在電場(chǎng)作用下竹材內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)急劇增加，活化能提高，在竹材纖維飽和點(diǎn)附近竹材分子運(yùn)動(dòng)劇烈，運(yùn)動(dòng)加速，電流傳導(dǎo)隨之加大，介電常數(shù)明顯提高；當(dāng)含水率高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，結(jié)合水不再增加，竹材中的自由水不斷增加，此時(shí)竹材結(jié)合水對(duì)介電常數(shù)的影響不再起主導(dǎo)作用，自由水開始發(fā)揮主導(dǎo)作用，隨著自由水含量的增加，竹材分子運(yùn)動(dòng)速度減慢，竹材介電常數(shù)和含水率成線性相關(guān)關(guān)系。

2.3 頻率對(duì)竹材介電性能的影響

圖2、圖3為不同紋理方向的氣干毛竹材在不同的頻率下測(cè)量的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值。

由圖2、圖3可知，3個(gè)紋理方向竹材介電常數(shù)均隨著測(cè)量頻率的增大而減??；介質(zhì)損耗角正切值也隨著頻率增大逐漸減小。從60 kHz到600 kHz介電常數(shù)隨著頻率的增加，降低明顯；從600 kHz到6 MHz，介電常數(shù)隨著頻率的增加變化不顯著；頻率大于6 MHz后，介電常數(shù)隨著頻率的增加而明顯增加。

圖2 介電常數(shù)隨頻率變化Figure 2 The dielectric constant and frequency

圖3 介質(zhì)損耗角正切值隨頻率變化Figure 3 The tanδ of dielectric loss and the frequency

在低頻率下，竹材中一部分水分子和組織分子中的自由基隨著電流的變化而運(yùn)動(dòng)被激活，隨著頻率的不斷升高，竹材內(nèi)部一部分水分子和組織分子自由基運(yùn)動(dòng)變化速度來不及跟上頻率的變化，被激活的自由基數(shù)目減少，電流在竹材內(nèi)部的傳導(dǎo)減少，介電常數(shù)逐漸減小。當(dāng)頻率大于600KHz后，竹材內(nèi)部一部分分子運(yùn)動(dòng)來不及隨著頻率的變化速度，介電常數(shù)減少緩慢。

2.4 不同竹齡和部位毛竹介電性能的變化

由表1可知，相同頻率（13.6 MHz）和相同含水率（12%）條件下測(cè)試不同竹齡竹材的介電系數(shù)ε和損耗角正切tangδ時(shí)，介電常數(shù)ε先隨著竹齡增長(zhǎng)而變大，4年左右最大，后又減小。介電常數(shù)隨著竹齡的變化規(guī)律與毛竹的生長(zhǎng)特性有關(guān)，竹材密度隨著竹齡的增加逐漸增大，4年左右毛竹密度最大，介電常數(shù)也最大，之后隨著竹齡的增加，竹材逐漸到了老化年齡，密度逐漸減小，介電常數(shù)隨之減小。

相同含水率（12%）、溫度（20℃）、頻率（13.6MHz）條件下測(cè)試竹節(jié)部與竹間部位的介電常數(shù)。介電常數(shù)：節(jié)子 ＞ 節(jié)間。介質(zhì)損耗角正切值：節(jié)間 ＞ 節(jié)子。節(jié)間部位介電常數(shù)比節(jié)子部位大，但是差別不顯著。

對(duì)于竹材，一方面節(jié)子部位的木質(zhì)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，纖維素含量高，節(jié)子密度大于節(jié)間密度[13]，細(xì)胞壁物質(zhì)含量大。另一方面節(jié)子部位分子官能團(tuán)自由基數(shù)目比節(jié)間部分多，在電場(chǎng)中被激活的自由基數(shù)目增加，電流傳導(dǎo)加速，介電常數(shù)隨之增大。

表1 毛竹介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切角Table 1 The dielectric constant and dielectric loss of bamboo culm

3 結(jié)論

（1）毛竹材橫向介電常數(shù)大于徑向、弦向介電常數(shù)，徑向弦向介電常數(shù)差別不明顯。

（2）介電常數(shù)隨著竹材含水率不同變化顯著，在纖維飽和點(diǎn)附近，竹材介電常數(shù)隨著竹材含水率不同變化顯著，高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，介電常數(shù)和竹材含水率近似成線性關(guān)系；

（3）竹材介電常數(shù)隨著電場(chǎng)頻率的增加而減小，變化顯著，當(dāng)電場(chǎng)頻率高于600 kHz后，介電常數(shù)隨著電場(chǎng)頻率的增大變化緩慢。

（4）竹材年齡和竹節(jié)對(duì)竹材介電性能的影響，主要是因?yàn)橹癫拿芏群椭癫牟馁|(zhì)的不同，規(guī)律相對(duì)簡(jiǎn)單，具體規(guī)律不顯著。

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