電子束技術在竹材倉儲中的應用前景

孫豐波 費本華 江澤慧

(國際竹藤中心 北京 100102)

竹類植物生長周期短，可再生性強，其價值集生態(tài)學、材料學和人文特性于一體，一次種植，永續(xù)利用[1]。近年來，竹資源的廣泛開發(fā)與利用對于緩解我國木質資源缺乏發(fā)揮了極其重要的作用，竹材、竹制品在建筑、裝飾、造紙等多個領域廣泛應用，展現(xiàn)了良好的產業(yè)前景。然而竹材中的營養(yǎng)物質，如淀粉等的含量較高，容易引發(fā)竹材霉變和蟲蛀，甚至腐朽等，不易倉儲；竹材所含木質素經紫外線照射容易產生降解，形成有色基團，容易發(fā)生變色[2-3]；竹材的天然特性要求其產業(yè)發(fā)展須依靠綠色環(huán)保的倉儲加工技術。

竹材倉儲是指為了克服竹材生產和需求2個階段之間的時間差，保證竹材的效用不會因為時間而下降，將竹材及竹制品存放至倉庫進行管理的措施。在倉儲過程中，為了延長竹材的保質期，解決竹材蟲蛀、霉變和腐朽等問題，必須對竹材、竹制品進行防護預處理。目前竹材倉儲加工預處理主要通過干燥或者直接進行炭化處理，能耗高，很難兼顧性能、環(huán)境友好及高效利用等指標。大量研究表明，電子束輻照技術已在糧食、水果、蔬菜、干果、肉類、水產品等的倉儲保鮮領域有廣泛的應用，是一種綠色環(huán)保的倉儲預處理技術，可以直接滅殺害蟲或致使害蟲不育、不孵化和不羽化等，能徹底解決霉菌滅殺、蟲蛹難殺和蟲害抗性等常規(guī)防治存在的難題，可替代或補充化學熏蒸劑等傳統(tǒng)的處理手段[4]。另外，電子束具有很高的能量，對紙張、木板等介質具有強穿透能力，可直接對包裝好或者貼標簽的產品進行處理，從而實現(xiàn)動態(tài)處理，提升倉儲的機械化、自動化和智能化水平。

2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)，令人始料未及，是對中國倉儲行業(yè)的一次重大考驗，對各類倉儲產品的殺菌、消毒、保鮮技術要求也越來越高，綠色環(huán)保的倉儲技術成為發(fā)展主流。在此背景下，將電子束輻照技術引入竹子倉儲加工、功能性改良領域，通過系統(tǒng)地表征電子束輻照對竹材結構、化學成分、物理力學性質、防霉機制等的影響規(guī)律及其內在聯(lián)系，全面評價電子束輻照對竹材品質的影響機制，研發(fā)竹子電子束倉儲技術、加工利用技術，推動竹木材改性技術的升級換代，對于現(xiàn)代倉儲技術的綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展，促進竹子倉儲技術的高效化、精準化、規(guī)?；⑹袌龌l(fā)展，具有重要的科學價值和深遠的實踐意義。

1 電子束技術在竹材倉儲領域應用的特點

20世紀60年代，在木質復合材料領域，利用γ射線等高能射線處理木材與乙烯基單體，或木材與含有C=C雙鍵的預聚物，引發(fā)產生聚合，制造高性能木塑復合材料，為輻照技術在木材等生物質材料領域的應用研究開辟了新的途徑[5-6]。相比傳統(tǒng)熱固化工藝，輻照法制備工藝因其操作更加簡便、固化時間短、改性效果優(yōu)良而越來越引起人們的重視。輻照引發(fā)固化具備如下優(yōu)點：1)固化過程時間較短、反應充分，單體在實體材料中的殘留較少；2)可以不用或者少用自由基作為引發(fā)劑，利于單體的回收利用，節(jié)約成本；3)在常溫或者低溫下均可完成，可減少單體在熱揮發(fā)時的損失，能耗少、污染小，更加環(huán)保；4)可以實現(xiàn)實時控制反應過程，更具有可控性、可操作性；5)產品具力學、尺寸穩(wěn)定性以及防腐、耐腐性能等更加優(yōu)良[7-15]。

借鑒國際上輻照食品通用的相關標準，可采用放射性核素60Co和137Cs的γ射線、機械源產生的X射線和電子束等對竹材進行輻照處理，其中60Co與電子束輻照的應用最為廣泛。在竹子輻照技術功能性改良領域，應用放射性同位素60Co作為輻照源，以毛竹(Phyllostachysedulis)為研究對象，利用γ射線輻照技術處理竹材，研究了不同輻照劑量處理的竹材微觀構造、宏觀物理力學和化學性質等的變化規(guī)律，開展了γ射線輻照技術在竹材防霉中的應用研究[16-20]，取得了很好的效果。近年來，隨著國際鈷源價格的不斷攀升，60Co輻照的投資成本相應提高，運行成本也大幅增加；同時，在實際應用中，由于60Co輻照空閑造成的能源浪費較大，加工效率相對較低，核廢料污染嚴重等缺點，世界各國對60Co的發(fā)展都加強了管理和控制，60Co輻照技術正在被逐漸淘汰。

相比60Co，電子加速器不需定期補充輻照源，安全防護標準更加簡單，投資、運行成本相對更低，具有發(fā)射功率大、能量可調、利用率高、加工時間短、劑量吸收均勻等特點，適用范圍更廣，隨著在各領域的應用推廣，電子束輻照加工技術正逐漸成為輻照技術應用的主流發(fā)展方向。如表1所示，在相同的輻照劑量下，相比γ射線輻射法，電子束輻照需要的輻照時間更短、穿透性更強、輻照效率更高，并且電子束輻射由電子設備產生，可通過斷電控制輻射，生產過程及檢修防護的可控性更好，無放射廢料，更加環(huán)境友好[21-22]。

表1 2種不同輻射源的技術對比

2 電子束輻照技術的主要設備

20世紀60年代，一種高功率脈沖裝置由英國原子武器研究中心的J. C. Martin率先研制成功，通過產生強流脈沖電子束的熱源作用，材料表面溫度短時間迅速升高，材料表層成分及組織結構發(fā)生變化，使材料表面的硬度、耐磨、耐腐蝕等性能提高，從而延長材料及構件的使用壽命[23-24]。電子束技術的主要設備如圖1所示，主要功能如下[25]。

圖1 電子束技術的主要設備

2.1 電子加速器系統(tǒng)

依靠電子加速器獲得足夠的高能量，再通過掃描器形成單向運動的輻射束，主要包括控制系統(tǒng)、微波功率源系統(tǒng)和恒溫水冷系統(tǒng)等。輻照能力與電子加速器功率有關，國際上成熟生產和運行的工業(yè)加速器功率主要在50～200 kW。

2.2 傳輸系統(tǒng)(束下線)

用于運載加工貨物，可依據被輻照物料的不同，設計不同的結構裝置。設計必須滿足物料輸送、輻照面形成、輻照劑量盡可能充分利用等要求。

2.3 冷卻系統(tǒng)

被輻照物料及傳輸裝置因吸收大量電子動能產生熱量，必須配套冷卻系統(tǒng)以保證輻照系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作。

2.4 供配電系統(tǒng)

為保證整個輻照加工主機及各部設備的電力供應和臨時斷電保護，設有專門的供配電系統(tǒng)。

2.5 排風系統(tǒng)

為了加強作業(yè)環(huán)境的空氣清潔和氣流流通，減少電子直線加速器工作時產生的少量臭氧及氮氧化物，需配套建設相應的通風除塵系統(tǒng)，并按照國家相關環(huán)保要求進行設計施工。

2.6 安全保護及監(jiān)控系統(tǒng)

安全保護系統(tǒng)主要是為保護作業(yè)人員免受電子輻射傷害而配套的一系列裝置和設備。系統(tǒng)的有效運行不僅包括保護操作人員的輻射安全，也包括對裝置周圍環(huán)境的保護，防止輻射危及公眾安全。實時監(jiān)控系統(tǒng)用于在加速器工作狀態(tài)下，對束下輻照加工區(qū)域的監(jiān)視和控制。

2.7 劑量測量系統(tǒng)

劑量測量系統(tǒng)是完成輻照作業(yè)的基礎和保證，主要功能包括：測量接受的輻射劑量、測定輻照受體的劑量分布，通過劑量測定，有效控制輻照工藝。常用的輻照劑量計主要有2類：一類是精度高，但結構、操作復雜；另一類是日常檢測用工作劑量計，測量簡便、快捷。

3 應用現(xiàn)狀及前景分析

電子束輻照技術是一種環(huán)保、綠色、可持續(xù)發(fā)展的倉儲加工技術，具有良好的應用前景。在竹子倉儲領域，利用電子束技術處理竹材，使輻射能代替熱能，不僅可以降低能源消耗，而且在一定范圍內降低了化學防護劑的使用，是踐行節(jié)能減排、環(huán)境友好等基本國策的有效途徑。

在倉儲加工領域，電子束輻照技術的使用，不僅可以有效防治、殺滅害蟲，防止霉變、腐朽，而且耗能少、效率高，已廣泛應用于農產品儲藏加工，尤其在糧食及其倉儲加工技術領域，陳曉平等[4]對電子束輻照對大米遺傳毒性進行評價，未發(fā)現(xiàn)電子束輻照大米顯示遺傳毒性作用；馮敏等[26]發(fā)現(xiàn)在不影響大豆品質的前提下，電子束輻照可使殺菌率達到100%；Youssef和Aziz 等[27-28]利用γ射線輻照殺滅黃曲霉，5 kGy的輻照劑量便可將黃曲霉全部殺死；崔龍、王若蘭等[29-30]利用電子束對大豆進行輻照處理，分析了大豆的蛋白質含量、含油率、氨基酸組成及含量等營養(yǎng)品質在輻照過程中的變化規(guī)律，探討電子束輻照對大豆蛋白質特性、抗營養(yǎng)因子活性及油脂品質的影響，研發(fā)了大豆的電子束輻照處理技術和儲藏工藝。同時，輻照技術在水產品、中草藥、煙草、干果、冷凍蔬菜等的倉儲加工領域也有廣泛利用[31-34]。

在木質材料領域，利用電子束輻射交聯(lián)和輻射接枝是木材等高分子材料改性的常用方法。Stacy等[35]利用電子束輻照處理和加熱法，制成了木塑復合材料，結果表明利用電子束進行輻射固化的丙烯酸酯聚合物比熱固化方法轉化效率高，固化的不含烯烴類官能聚乙二醇的低聚物損失量更低，并在木材內部完全固化，形成網狀結構，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性和力學性能。唐輝等[36]利用電子束輻射制備出增強改性木材，對浸漬40%～150%的苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯單體的木材進行輻射處理，與原木材相比，抗壓強度和硬度提高了50%～100%，吸水率降低至10%～30%。美國、加拿大等國家率先對木基木塑復合材料的研制取得了進展，研發(fā)出多種實驗或工業(yè)化產品。相對于其他國家，中國從事木材輻照改性研究起步較晚，截至2018年年底，中國改性木材的年產量約30萬m3，木基木塑復合材料作為高檔地板用材料，可用于港口、碼頭、機場等地方，或者影院、游樂場、辦公樓等場所。另外，電子束輻照可以用于納米纖維素制備，崔國士等[37]利用電子束輻照制備了直徑為60 nm的納米纖維素分散液；同時，利用電子束輻照也可以對木材表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性進行改良。

綜上所述，電子束技術展現(xiàn)出良好的應用前景，目前有關電子束輻照竹材的研究至今未見報道。在前期研究的基礎上，提出了竹材電子束倉儲主要工藝流程，如圖2所示。為了開發(fā)竹子的新型綠色環(huán)保倉儲技術，降低能耗和成本，提出竹子電子束輻照改性的優(yōu)化方案，提升該技術的市場推廣性，如何替代60Co輻照加工技術，使電子加速器及其衍生技術應用到竹材倉儲加工領域，成為當前輻照技術在林業(yè)領域應用研究的重點。竹材輻照技術是核技術和林業(yè)交叉發(fā)展起來的高技術產業(yè)，對其研究應用不僅能定向改良竹材品質，實現(xiàn)竹材性能改善的目的，而且對于推動竹木材倉儲加工及改性技術的升級換代，具有重要的科學價值和深遠的實踐意義。

圖2 竹材電子束處理倉儲工藝

4 小結

倉儲是連接收購、銷售和加工的重要中間環(huán)節(jié)，在調節(jié)供需、平抑市場、保持產品品質、提高經濟效益等方面有重要作用。將成熟竹材及時采伐，及時倉儲，適時利用，不僅有利于保障木材安全，而且有利于完善竹產業(yè)鏈條，幫助竹加工企業(yè)降低生產成本，提高市場競爭力。這一措施讓竹林采伐、竹材加工按周期順利進行，可持續(xù)保持竹林健康，是對再生資源的持續(xù)性積累，是國家材料、能源安全的重要舉措[1]。竹材的加工利用迫切需要科學、綠色、高效的倉儲加工技術。輻照技術處理竹材是核技術和林業(yè)交叉發(fā)展的高科技產業(yè)，具有輻照束流集中定向、輻照效率高、不產生放射性廢物、無殘毒、環(huán)保、低能耗和運行操作簡便等特點。將電子束輻照技術引入木竹材的倉儲加工、功能性改良領域，使輻照代替竹材化學防護劑，輻射能代替熱能，不僅能開發(fā)竹材倉儲新技術、定向改良竹材品質，而且可以顯著降低竹材改性的能源消耗，符合我國長期以來大力提倡的環(huán)境友好、節(jié)能減排等基本國策，具有廣闊的應用前景。