超聲波預處理對楊木試件干燥特性的影響1)

邱墅　王振宇　何正斌　伊松林

(木材科學與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京，100083)

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超聲波預處理對楊木試件干燥特性的影響1)

邱墅王振宇何正斌伊松林

(木材科學與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京，100083)

以水為介質(zhì)對楊木進行超聲波預處理，探究不同的處理功率、頻率和時間對楊木的干燥速率、水分擴散系數(shù)和尺寸穩(wěn)定性的影響。結果表明：超聲波預處理能大大提高楊木的干燥速率。當頻率為28 kHz，功率為300 W時，處理時間越長，干燥速率越快。在本實驗條件下，超聲波處理功率為40 kHz時，干燥時間更長；超聲波處理后的試材尺寸穩(wěn)定性有所提高，超聲波處理材的弦向和徑向濕脹率都要低于未處理材；在相同的功率條件下，楊木試材的水分擴散系數(shù)都隨著預處理時間的延長而增大，隨著頻率的增大而減小。

超聲波預處理；木材干燥；水分擴散系數(shù)；尺寸穩(wěn)定性

The experiment of ultrasonic pretreatment for poplar was conducted, and the effect of treatment power, frequency and time on the drying rate, moisture diffusion coefficient and dimension stability of the wood was investigated in this study. The ultrasonic treatment could greatly improve the drying rate of poplar. When the frequency was 28 kHz, the power was 300 W, the drying rate was increased with the increase of the treatment time. Under the condition of this experiment, the drying time was longer when the frequency is 40 kHz. The dimensional stability of the tested material after ultrasonic treatment was improved. The tangential and radial swelling rate of ultrasonic treatment material were lower than that of untreated wood. The moisture diffusion coefficient was increased with the increase of the treatment time, and decreased with the increase of the frequency at the same treated power.

木材干燥是木制品生產(chǎn)過程中最為重要的工藝環(huán)節(jié)，其能耗約占到木制品生產(chǎn)總能耗的40%～70%。對木材進行正確合理的干燥處理，既是保證木制品質(zhì)量的關鍵，又是合理利用和節(jié)約木材的重要手段[1]。選用合適的方式對木材進行預處理，可以起到縮短干燥周期、提高干燥質(zhì)量的效果。但目前常用預處理方式都存在一定的缺陷，如預汽蒸處理雖然可以提高水分擴散速度，但并不能提高氣體滲透性[2]；微波預處理能提高干燥速率，但處理強度太高，會降低木材的力學強度。

超聲波干燥是一種創(chuàng)新的干燥方法，在食品干燥領域已經(jīng)得到廣泛應用。超聲波能使物料內(nèi)部水分產(chǎn)生一系列快速且連續(xù)的拉伸效應(海綿效應)[3],這種整流擴散機理能夠在被干物料內(nèi)部產(chǎn)生很多微小的孔道從而促進木材內(nèi)部水分移動。另外，超聲波還能在結晶區(qū)產(chǎn)生空穴效應，從而有利于吸著水的干燥[4]。但是，目前很多研究都直接用超聲波干燥木材[5-8]，使超聲波在空氣傳播過程中衰減比較嚴重，不能有效發(fā)揮超聲波的作用，或者不借助水等介質(zhì)對木材進行預處理，忽略了水等介質(zhì)在超聲波處理過程中的巨大作用[9]。

隨著天然林資源的日益枯竭，人工林木材的開發(fā)與利用正在國內(nèi)外不斷加強。楊木是一種速生豐產(chǎn)樹種，但其在干燥過程中容易出現(xiàn)變形、翹曲、皺縮及開裂等干燥缺陷[10]，這對其應用有很大限制，因此提高其干燥速率和質(zhì)量將具有重大意義。筆者將以水為介質(zhì)對楊木進行超聲波預處理，以提高干燥速率和質(zhì)量，并探究超聲波預處理對楊木的干燥速率、尺寸穩(wěn)定性和水分擴散系數(shù)的影響，為超聲波在木材干燥領域的應用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

實驗采用楊木(Populustomentosa)，初含水率為(160±5)%。在實驗前將試材加工成尺寸為100 mm×100 mm×20 mm的試件。木材試件要求無開裂、腐朽、變形等可見缺陷。

1.2儀器與設備

自制超聲波處理裝置：內(nèi)徑為300 mm×250 mm×200 mm，加熱功率300 W，超聲波功率400 W，頻率28、40 kHz；干燥箱(XMTD-8222)；電子天平，精度為0.001 g；恒溫恒濕試驗箱(DHS-100)；游標卡尺等。

1.3方法與步驟

在超聲波預處理裝置中加入蒸餾水，并將水溫升至40 ℃。將楊木試件分為13組，每組3塊試材，其中一組為對照組，并進行編號。在超聲波功率分別為180、300 W，頻率分別為28、40 kHz，預處理時間分別為0.5、1.0和1.5 h的試驗條件下，對各組試材進行超聲波預處理；對照組放入溫度為40 ℃的蒸餾水中，不進行超聲波處理。超聲波處理后，將所有試材用環(huán)氧樹脂四周封端，放入干燥箱中進行干燥，干燥溫度為60 ℃。干燥過程中，每隔2 h測定一次試件質(zhì)量。當試件的含水率低于10%時，將試件在(103±2)℃的條件下烘干。在烘干后的試件中分別選取一組處理材和未處理材按照GB/T 1934.2—2009[11]的要求進行木材濕脹性測試。在試材中心部位截取20 mm×20 mm×20 mm試材，編號并分為2組；然后將截取好的試材放入恒溫恒濕試驗箱中，設置參數(shù)為：相對濕度65%、溫度20 ℃。每隔一段時間測量一次試材的軸向、徑向和弦向尺寸，直至試材吸濕至尺寸穩(wěn)定。

2　結果與分析

2.1超聲波預處理對干燥速率的影響

2.1.1預處理時間對干燥速率的影響

表1給出了超聲波頻率為28 kHz，功率為300 W時預處理時間對楊木干燥速率的影響規(guī)律。可以看出，經(jīng)過超聲波預處理的試材干燥速率比對照組快。在頻率為28 kHz，功率為300 W時，預處理時間為0.5、1.0、1.5 h的試材干燥時間分別為38、36、33 h，相比對照組，時間縮短9.5%～21.4%。這說明超聲波預處理能縮短楊木的干燥時間，并且預處理時間越長，干燥速率越快。這主要是因超聲波預處理能使木材內(nèi)部的抽提物含量減少，打通木材內(nèi)部的水分通道，使得木材中的水分更容易脫離[12]；超聲波預處理的時間越長，超聲波作用在木材上的能量越多，最后效果也越好[13]。但是在其他參數(shù)條件下，該規(guī)律不明顯，這可能是因為其他功率和頻率的組合空化強度不夠大，延長處理時間效果不明顯。

表1　預處理時間對干燥速率的影響

2.1.2預處理頻率對干燥速率的影響

表2給出了超聲波處理頻率對干燥速率的影響規(guī)律。可以看出，預處理頻率為40 kHz時的干燥時間比較長。當功率為180 W時，預處理頻率為40 kHz時的干燥時間比頻率為28 kHz時的干燥時間多2.8%～12.12%；當功率為300 W時，預處理功率為40 kHz時的干燥時間比頻率為28 kHz的干燥時間多8.33%～18.18%。

表2　超聲波頻率對干燥速率的影響

可以從兩個方面對此現(xiàn)象進行解釋：首先是頻率對空化效應的影響。在木材的超聲波處理過程中，主要是依靠超聲波的空化效應形成局部高溫高壓及微射流等，打通木材內(nèi)部的水分通道，減少木材內(nèi)部抽提物含量，從而加快水分移動過程[13-14]。超聲波頻率越高，液體的空化閾值越高[15]，空化效應越難發(fā)生。另外，氣泡在聲場作用下進行振動，但不一定能發(fā)生氣泡崩潰，只有小于共振半徑的氣泡在聲波作用下可以破碎從而發(fā)生空化。當壓力波由零向負壓發(fā)展時，氣泡半徑隨著壓力的降低而增加；當壓力波變?yōu)檎禃r，半徑猛然減??；在一個周期完成以前，氣泡就受壓破碎，瞬時壓力和溫度達到很高值[16]。氣泡在閉合過程中，其原來半徑愈大，閉合半徑愈小，則沖擊波壓力也愈強。當頻率較低時，氣泡可膨脹到相當大再閉合，于是所產(chǎn)生的沖擊波更強。反之，當聲波頻率比氣泡諧振頻率更高時，氣泡難以閉合。其次是頻率對超聲波衰減的影響。超聲波是一種機械波，當超聲波在木材中傳播時，隨著傳播距離的增加，由于超聲波的擴散衰減、散射衰減、木材及水分對超聲波的吸收，超聲波的能量逐漸減弱[17]。

已有研究表明，超聲波在木材內(nèi)部的衰減系數(shù)與超聲波功率、頻率成正比，與環(huán)境壓強成反比，且這幾個參數(shù)對衰減系數(shù)的貢獻從大到小依次為：超聲波頻率、超聲波功率、絕對壓強[13]，即超聲波頻率越高，衰減越快，能在木材中傳播的距離越短。

綜上所述，超聲波頻率越高，空化閾值越高，越難發(fā)生空化效應，且空化強度越低；另一方面，超聲波頻率越高，在木材中衰減越快，傳播距離也越短。因此，在本實驗條件下，超聲波預處理頻率越高，試材的干燥時間越長。

2.1.3預處理功率對干燥速率的影響

超聲波預處理功率對干燥速率的影響規(guī)律并不明顯。當超聲波預處理頻率為28 kHz時，隨著功率的增加，試材的干燥速率既有增加的情況，也有減慢的情況；當預處理的頻率為40 kHz時，試材干燥速率隨著功率的增加而減慢。

造成這種現(xiàn)象可能的原因如下：在木材預處理過程中，空化作用的產(chǎn)生與超聲波的強度有關。對于一般液體聲強增加時，空化泡的最大半徑與起始半徑的比值增大，空化強度增大，即聲強愈高，空化愈強烈。但并不是聲功率越大越好，當聲功率達到一定值后，空化趨于飽和，此時再增加超聲波強度則會產(chǎn)生大量無用氣泡，增加散射衰減，形成聲屏障，從而降低了空化強度；另一方面，聲強增大也會增加非線性衰減，減弱了超聲波預處理的效果。

因此，結合前面的內(nèi)容，可以得出結論：超聲波功率和頻率共同影響著空化效應的強度，當空化強度足夠大時，超聲處理的效果隨處理時間的延長而更加明顯，反之則效果不明顯。當超聲波頻率一定時，在一定范圍內(nèi)，空化強度隨著超聲波功率的增加而增大；超出這個范圍，超聲波功率反而會降低空化強度。不同的超聲頻率所對應的這個功率范圍也有所不同。

2.2超聲波預處理對尺寸穩(wěn)定性的影響

表3給出了頻率為28 kHz，功率為300 W時的超聲波處理材和未處理材的尺寸變化情況。可以看出，經(jīng)過超聲波預處理后，試材的尺寸穩(wěn)定性有所提高，除了軸向濕脹率相差不大外，處理材的弦向濕脹率比未處理材降低了14.2%，處理材的徑向濕脹率降低了9.9%，體積濕脹率降低了11.9%。這說明超聲波預處理不僅可以提高楊木的干燥速率，還能提高其干燥質(zhì)量。

表3　超聲波預處理材和未處理材的尺寸穩(wěn)定性

出現(xiàn)這種結果可能的原因如下：木材的脹縮歸根到底是因為水分進出木材非結晶區(qū)的微纖絲間，增大或減小纖絲間的距離，進而影響木材的尺寸變化。木材中只有吸著水能引起木材尺寸變化，這部分水分和木材中的極性親水基團(主要指—OH)以化學鍵和氫鍵的方式結合，拉大了分子鏈之間的距離。在超聲波處理過程中，木材發(fā)生了一些化學變化，抽提物含量減少，極性親水基團的數(shù)量減少，從而降低了木材的吸濕性，增加了木材的尺寸穩(wěn)定性。

2.3超聲波預處理對水分擴散系數(shù)的影響

有效水分擴散系數(shù)代表了水分在干燥過程中從木材內(nèi)部移動排出的能力，式1用來表示減速干燥階段時木材的干燥過程[18]：

MR=(M-Me)/(M0-Me)=Aexp(-kt)。

(1)

式中：MR是無量綱水分含量(%)；M是在t時刻的含水率(%)；Me是平衡含水率(%)；M0是t=0時刻的初含水率(%)；k是干燥速率(s-1)；t是干燥時間(min)。

以MR的值對時間t求對數(shù)，繪制出lnMR—t圖，可以從中得到lnMR和t之間的線性關系。這條曲線的斜率k就是干燥速率，它由下式2定義：

dMR/dt=-k(M-Me)。

(2)

根據(jù)lnMR—t圖得出的線性關系，可以對每個試樣應用菲克第二擴散定律計算水分擴散系數(shù)。有效水分擴散系數(shù)可由干燥速率K和試材的厚度L進行計算：

De=KL2/π2。

(3)

式中：De是有效水分擴散系數(shù)(m2/s)；L是試材的厚度(m)。

根據(jù)式3計算得到試樣的有效水分擴散系數(shù)。表4給出了試材的水分擴散系數(shù)隨預處理時間和頻率的變化情況。可以看出，楊木試材的水分擴散系數(shù)都隨著預處理時間的延長而增大，隨著頻率的增大而減小。對照組的水分擴散系數(shù)為1.23×10-8m2/s。當功率為180 W，頻率為28 kHz時，處理0.5、1.0、1.5 h后的水分擴散系數(shù)分別為2.20×10-8、2.68×10-8、3.24×10-8m2/s；當功率為180 W，頻率為40 kHz時，處理0.5、1.0、1.5 h后的水分擴散系數(shù)分別為2.07×10-8、2.42×10-8、3.05×10-8m2/s；當功率為300 W，頻率為28 kHz時，處理0.5、1.0、1.5 h后的水分擴散系數(shù)分別為2.61×10-8、2.74×10-8、2.99×10-8m2/s；當功率為300 W，頻率為40 kHz時，處理0.5、1.0、1.5 h后的水分擴散系數(shù)分別為2.18×10-8、2.62×10-8、2.99×10-8m2/s。這和超聲波處理對干燥速率的影響情況一致。

表4　預處理對水分擴散系數(shù)的影響

3　結論

超聲波預處理能大大提高楊木的干燥速率。頻率為28 kHz，功率為300 W時，超聲波預處理時間越長，干燥速率越快.在本實驗條件下，超聲波預處理頻率為40 kHz時，干燥時間較長；超聲波預處理的功率對干燥速率的影響規(guī)律具有不確定性。超聲波預處理后的試材尺寸穩(wěn)定性有所提高，除了軸向濕脹率相差不大外，超聲波處理材的弦向和徑向濕脹率都要低于未處理材。楊木試材的水分擴散系數(shù)都隨著預處理時間的延長而增大，隨著頻率的增大而減小。這和超聲波處理對干燥速率的影響情況類似。超聲波處理的功率、頻率和時間之間可能存在交互作用，其具體作用機理還需要在以后的研究中深入探討。

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Effect of Ultrasonic Pretreatment on Drying Characteristics of Poplar//

Qiu Shu, Wang Zhenyu, He Zhengbin, Yi Songlin

(Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：35-38.

Ultrasonic pretreatment; Wood drying; Moisture diffusion coefficient; Dimensional stability

邱墅，男，1993年10月生，木材科學與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學)，碩士研究生。E-mail：416869451@qq.com。

何正斌，木材科學與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學)，講師。Email:hzbbjfu@126.com。

2015年9月5日。

S781.71

1)國家自然科學基金項目(31270604)。

責任編輯：戴芳天。