濕熱蒸汽處理木質(zhì)材料溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究?

李源河 宋 怡 姚利宏 徐偉濤 張 棟 張東彪

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2.國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010； 3.靖江國(guó)林有限公司，江蘇 靖江 214500； 4.大興安嶺神州北極木業(yè)有限公司，黑龍江 大興安嶺 165000）

天然林木材全面禁伐以來(lái)，我國(guó)每年進(jìn)口大量木材，木材相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)于進(jìn)口材的依賴程度逐年增長(zhǎng)。2018 年，我國(guó)原木消費(fèi)量5.7 億m3，其中一半以上為進(jìn)口木材。根據(jù)檢疫檢驗(yàn)規(guī)定，進(jìn)口木材如果不進(jìn)行及時(shí)消殺，其內(nèi)部的有害生物會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)消殺主要使用溴甲烷對(duì)木材進(jìn)行熏蒸處理[1]，但溴甲烷會(huì)消耗大氣臭氧層且難以重復(fù)利用。濕熱蒸汽處理作為一種替代技術(shù)，具有環(huán)境友好性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，且技術(shù)較為成熟。為了達(dá)到殺死木材中昆蟲、真菌等有害生物的目的，濕熱蒸汽處理中最為關(guān)鍵的影響因素便是處理溫度與時(shí)間[2]。根據(jù)國(guó)際通行的木材產(chǎn)品處理標(biāo)準(zhǔn)，要求處理時(shí)木材中心溫度保持在56 ℃以上30 min[3]。然而研究表明，要想達(dá)到全面消殺的效果需要中心溫度保持在70 ℃以上30 min[3]。濕熱蒸汽處理效率評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)是達(dá)到木材結(jié)構(gòu)中心所需消殺溫度的額外時(shí)間[4]，這一時(shí)間則受眾多因素共同影響，如木材種類、比重、含水率、截面尺寸、初始溫度、加熱溫度、加熱介質(zhì)、堆放方法等[5]。本研究通過(guò)監(jiān)測(cè)原木、木拼板、鋸材和單板層積材4 種木質(zhì)材料在濕熱蒸汽處理下的升溫過(guò)程，對(duì)濕熱蒸汽環(huán)境下木質(zhì)材料不同位置的升溫過(guò)程進(jìn)行比較分析，以期為進(jìn)口木質(zhì)材料中有害生物的濕熱蒸汽消殺處理技術(shù)奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)選用4 種木質(zhì)材料：1）楊木(Populus L.)、樺木(Betula platyphylla Suk) 原木；2）樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)拼板；3）樟子松鋸材；4）樟子松單板層積材。選取楊木、樺木原木各一根作為試驗(yàn)材，從伐倒的原木上沿樹高方向截取3.5 m至5.5 m處的原木段，其中楊木胸徑30 cm，樺木胸徑22 cm。樟子松方形拼板截面尺寸為30 mm×30 mm，長(zhǎng)度為3 000 mm。樟子松鋸材截面尺寸為50 mm×180 mm，長(zhǎng)度為3 000 mm。單板層積材截面尺寸為100 mm×100 mm，長(zhǎng)度為3 000 mm。

1.2 設(shè)備

1.2.1 試驗(yàn)裝置

圖1 鋼管搭建的矩形框架Fig.1 Rectangular frame constructed by steel pipe

試驗(yàn)裝置搭建如圖1 所示。首先將預(yù)制的鋼管搭建成矩形框架，鋼管之間通過(guò)預(yù)留的插孔連接，矩形框架的規(guī)格尺寸為高2 000 mm、寬3 000 mm、長(zhǎng)5 000 mm，尺寸均為軸心到軸心的距離。鋼管矩形框架的4 根立柱底部均設(shè)有斜向支撐以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，頂部的4 根鋼管設(shè)置有預(yù)留掛鉤，用于懸掛高密度聚氯乙烯（PVC）制成的耐高溫氣囊。

耐高溫氣囊由厚度為4 000D的高密度PVC制成。制作氣囊前首先對(duì)PVC樣品材的抗凍性和耐高溫性進(jìn)行試驗(yàn)：置于冷凍箱內(nèi)于-20 ℃下冷凍48 h后，對(duì)樣品材進(jìn)行彎折，應(yīng)無(wú)任何破損跡象；然后使用銼刀對(duì)樣品表面進(jìn)行破壞試驗(yàn)，如只有輕微劃痕，表明材料在冷凍條件下具有良好的耐磨性。再對(duì)樣品材蒸煮4 h，同樣作銼刀破壞試驗(yàn)，如無(wú)明顯破壞跡象，表明材料具有良好的耐高溫性能。

耐高溫氣囊立體展開圖設(shè)計(jì)近似一個(gè)側(cè)面為直角梯形的四棱柱,如圖2a所示，僅前側(cè)面開口用于裝填試材，裝填后可用金屬條和螺絲組成的金屬件封閉開口，開口正對(duì)的后側(cè)面預(yù)留3 個(gè)孔洞，分別用于進(jìn)氣、排氣、排水，如圖2b所示，四棱柱其余四面完全封閉。四棱柱頂面的各邊預(yù)留PVC掛鉤，用于將耐高溫氣囊整體懸掛于鋼管搭建的矩形框架內(nèi)，組成蒸汽處理試材的整體試驗(yàn)裝置。

圖2 耐高溫氣囊軸測(cè)圖（a）和背面正視圖（b）Fig.2 Axonometric view of high temperature air bag(a)and Rear view(b)

1.2.2 溫度記錄設(shè)備及溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

采用NAPUI TR 230X溫度記錄儀（東莞納普電子科技有限公司）記錄木質(zhì)材料內(nèi)部不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中在楊木、樺木試材上各布置6 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在樟子松拼板中布置2 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在樟子松鋸材中布置4 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在單板層積材中布置3 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置分布如圖3a所示，每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于木材內(nèi)部4 cm處安裝，用膠帶固定，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線將溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳入溫度記錄儀。

耐高溫氣囊內(nèi)部的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采用Data Logger溫度記錄儀（玉環(huán)智拓儀器科技有限公司）記錄，分別于樺木的前后兩端共布置3 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值作為耐高溫氣囊內(nèi)部的環(huán)境溫度值，并將其與木材內(nèi)部的升溫過(guò)程進(jìn)行比較。

1.2.3 濕熱蒸汽供給裝置

濕熱蒸汽由YH-2218 智能換熱站（四平研弘自控設(shè)備有限公司）提供，該裝置包括貯水缸、液壓閥、補(bǔ)水泵、二次循環(huán)泵、換熱器、流量計(jì)、泄壓閥等設(shè)備，如圖3b所示。自來(lái)水注入后可通過(guò)該裝置轉(zhuǎn)換為濕熱蒸汽，并通過(guò)傳輸管道注入耐高溫氣囊內(nèi)部。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述方案完成試驗(yàn)裝置的搭建，然后按圖3所示方法堆疊4種木質(zhì)材料，在所有溫度測(cè)點(diǎn)布置好后擰緊螺絲，密封耐高溫氣囊前端，從后端進(jìn)氣孔通入飽和蒸汽4 h，利用溫度記錄儀記錄4 h內(nèi)木質(zhì)材料內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和耐高溫氣囊內(nèi)部的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用Origin 2019軟件進(jìn)行分析。

圖3 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖（a）和YH-2218 智能換熱站示意圖（b）Fig.3 Distribution of temperature monitoring points (a) and diagram of YH-2218 intelligent heat exchange station (b)

2 結(jié)果與分析

木質(zhì)材料內(nèi)部溫度的升高[6]可理解為熱量從濕熱蒸汽到木材內(nèi)部某一位置的傳導(dǎo)過(guò)程[7]，這種三維的瞬態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)變量 T（x, y, z, t）在直角坐標(biāo)系中應(yīng)滿足熱平衡方程（1），式中第一項(xiàng)為木材升溫需要的熱量，第二、三、四項(xiàng)為由x、y、z方向流入木材的熱量，最后一項(xiàng)為木材內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量，即木材升溫所需的熱量應(yīng)等于流入木材的熱量與木材內(nèi)產(chǎn)生熱量的總和[8]。計(jì)算濕熱蒸汽與木質(zhì)材料的熱傳遞要求已知零時(shí)刻溫度場(chǎng)的分布和對(duì)流邊界條件才能求出溫度場(chǎng)分布。

式中：ρ為材料密度，kg/m3；c為材料的比熱容，J/(kg·K)；T為瞬態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)變量；t為時(shí)間，s；λx、λy、λz分別是材料沿x、y、z方向的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；Q=Q(x, y, z, t)是物體內(nèi)部的熱源密度，W/kg。

2.1 楊木、樺木升溫過(guò)程分析

如圖4a所示，濕熱蒸汽下，布置于楊木樹皮處的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-4、3-5、3-6 達(dá)到56 ℃的時(shí)間分別為30、50、210 min；達(dá)到70 ℃的時(shí)間分別為100、160 min與未達(dá)到。布置于端部髓心附近的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-2、3-3、3-8 達(dá)到56 ℃的時(shí)間分別是20、15、18 min；達(dá)到70 ℃的時(shí)間分別為35、30、150 min。從升溫時(shí)間可以看出，距離蒸汽進(jìn)入孔洞越近的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)升溫時(shí)間越短。楊木端部監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-3、3-8 在60～90 min內(nèi)溫度發(fā)生急劇下降，可能是由于這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離排氣、排水孔較近，排水、排氣導(dǎo)致了一定的熱量損失。整體來(lái)看，楊木各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度平穩(wěn)升高，只有位于端部中心處的3-8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度升高過(guò)程中多次發(fā)生回落，導(dǎo)致這一監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化的原因可能是由于楊木直接接觸地面[9]，熱量傳導(dǎo)過(guò)程干擾因素較多[10]。由于距離蒸汽進(jìn)入孔洞最遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-6 最高溫度在4 h加熱過(guò)程中未能達(dá)到70 ℃。

如圖4b所示，濕熱蒸汽下，布置于樺木樹皮處的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-6、2-7、2-8 達(dá)到56 ℃的時(shí)間分別為100、120、120 min；達(dá)到70 ℃的時(shí)間分別為150、225、190 min。布置于端部髓心附近的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-5、3-1、3-7 達(dá)到56 ℃的時(shí)間分別是45、15、15 min；達(dá)到70 ℃的時(shí)間分別為60、20、60 min。由于樺木端部髓心附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離蒸汽進(jìn)入孔洞較近，所以溫度在較短時(shí)間內(nèi)升高到基準(zhǔn)點(diǎn)的56 ℃和70 ℃。樺木各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度平穩(wěn)升高，只有位于端部中心附近處的3-7監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度升高過(guò)程中多次發(fā)生回落，可能是由堆垛方式引起的熱量損失所致[11-12]。

圖4 楊木（a）、樺木（b）升溫過(guò)程曲線Fig.4 Heating process curve of poplar (a) and birch (b)

楊木、樺木各監(jiān)測(cè)點(diǎn)除了3-6，2-7 之外，均在4 h加熱過(guò)程中達(dá)到70 ℃。楊木各監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到56 ℃和70 ℃的最長(zhǎng)時(shí)間分別約為50 min和160 min（監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-6 最長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)異常故不采用）。樺木各監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到56 ℃和70 ℃的最長(zhǎng)時(shí)間分別約為120 min和225 min。飽和蒸汽下楊木升溫速率明顯高于樺木，其原因可能是堆垛方式、離蒸汽進(jìn)入孔洞的距離、木材的徑級(jí)等因素[13-14]。楊木、樺木樹種的差異對(duì)升溫時(shí)間的影響在本試驗(yàn)中無(wú)法體現(xiàn)。

2.2 樟子松拼板升溫過(guò)程分析

如圖5所示，濕熱蒸汽下，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-1達(dá)到56 ℃和70 ℃的時(shí)間分別為150 min和170 min，試驗(yàn)過(guò)程溫度雖有短暫回落但整體升溫趨勢(shì)穩(wěn)定。集中堆垛的方式導(dǎo)致濕熱蒸汽難以進(jìn)入內(nèi)部[15]，因此溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-3在4 h試驗(yàn)的全過(guò)程中溫度均未達(dá)到56 ℃。

圖5 樟子松拼板升溫過(guò)程曲線Fig.5 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. splicing board

2.3 樟子松鋸材升溫過(guò)程分析

濕熱蒸汽下，樟子松鋸材的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-6、1-7、1-8、2-1 達(dá)到56 ℃的時(shí)間分別為45、90、120、80 min；達(dá)到70 ℃的時(shí)間分別為70、135、150、135 min。4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)過(guò)程中溫度雖有短暫回落，但整體升溫趨勢(shì)穩(wěn)定（圖6）。

圖6 樟子松鋸材升溫過(guò)程曲線Fig.6 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. sawn timber

2.4 單板層積材升溫過(guò)程分析

圖7 樟子松單板層積材升溫過(guò)程曲線Fig.7 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. veneer lumber

如圖7 所示，濕熱蒸汽下，單板層積材的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-2、2-3、2-4 達(dá)到56 ℃的時(shí)間分別為70、105、110 min；達(dá)到70 ℃的時(shí)間分別為75、135、150 min。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-2 距離蒸汽進(jìn)入孔洞較近，因此在90 min內(nèi)迅速升至高溫狀態(tài)并保持平穩(wěn)趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-3 升溫趨勢(shì)最平穩(wěn)，說(shuō)明在距離蒸汽進(jìn)入孔洞中等距離的位置熱傳導(dǎo)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-4 的溫度曲線在時(shí)間區(qū)間45～70 min之間起伏較大，這一變化可能是由排氣、排水導(dǎo)致的熱量損失所致[16-17]，70 min后進(jìn)入穩(wěn)定升溫狀態(tài)。

在耐高溫氣囊內(nèi)部布置了3個(gè)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，取平均值作為參考值（圖8）。濕熱蒸汽輸入氣囊后0～30 min內(nèi)溫度迅速升高，30～240 min內(nèi)溫度保持穩(wěn)定狀態(tài)，240 min后由于排氣、排水溫度迅速下降。環(huán)境溫度曲線顯示，在試驗(yàn)的全過(guò)程中濕熱蒸汽輸入穩(wěn)定，耐高溫氣囊內(nèi)部濕熱蒸汽環(huán)境狀態(tài)良好,試驗(yàn)過(guò)程中耐高溫氣囊內(nèi)濕熱蒸汽環(huán)境溫度持續(xù)保持在85 ℃左右。

圖8 耐高溫氣囊內(nèi)部環(huán)境溫度曲線Fig.8 Internal temperature curve of high temperature resistant airbag

3 結(jié)論

1）試驗(yàn)中楊木徑級(jí)大于樺木，距離蒸汽進(jìn)入孔洞的距離基本與樺木相同，由堆垛方式引起的濕熱蒸汽接觸面積大于樺木[18-20]，在此條件下測(cè)得的楊木各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到56 ℃和70 ℃的升溫速率高于樺木，表明濕熱蒸汽接觸面積是原木升溫速率的關(guān)鍵因素[21-22]。

2）樟子松鋸材各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的升溫速率大于木拼板，表明較大尺寸的鋸材在濕熱蒸汽環(huán)境下升溫速率更高，因其在集中堆垛過(guò)程中具有更大的濕熱蒸汽接觸比表面積[23-24]。

3）單板層積材各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的升溫速率整體上與原木、鋸材差別不大，表明人造板材與天然木材在濕熱蒸汽環(huán)境下升溫速率基本相同[25-26]。

4）木質(zhì)材料在濕熱蒸汽處理下均可快速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的56 ℃，表明濕熱蒸汽熱處理可作為溴甲烷的替代技術(shù)，具有一定的環(huán)保意義。