微波處理后桉木干燥速率的影響因素

劉曉玲，陳松武，林家純，陳桂丹，羅玉芬，蒙芳慧，陳 艷

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”等目標(biāo)?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》也將加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展列入其中。木材干燥是耗能較大的產(chǎn)業(yè)，對(duì)其工藝進(jìn)行不斷優(yōu)化，有利于節(jié)能減排，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有重要作用。

我國(guó)是桉樹（Eucalyptusspp.）人工林種植大國(guó)。桉樹生長(zhǎng)速度快，干形通直，輪伐期短，在一定程度上緩解了我國(guó)木材資源的壓力。速生桉木材生長(zhǎng)應(yīng)力大，滲透性差，易開(kāi)裂變形，且多為5～10年生短周期小徑材，在干燥過(guò)程中極易產(chǎn)生開(kāi)裂、皺縮等干燥缺陷[1-2]，桉木干燥技術(shù)成為其實(shí)木加工利用的關(guān)鍵。

近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)人工林桉木干燥技術(shù)開(kāi)展研究。在干燥特性及常規(guī)干燥技術(shù)方面，陳松武等[3]、唐日俊等[4]、盧翠香等[5]、周橋芳等[6]和甘雪菲等[7]均采用百度試驗(yàn)法對(duì)不同種類和規(guī)格桉木的干燥特性與干燥基準(zhǔn)進(jìn)行研究，結(jié)果均表明桉木宜采用軟干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥。在干燥預(yù)處理方面，張耀麗等[8]均采用冷凍處理和微波輻射對(duì)尾巨桉（E.uro?phylla×E.grandis）木材進(jìn)行預(yù)處理，分析兩種方法分別處理后尾巨桉木材的滲透性、干燥速度和皺縮特性；結(jié)果表明，兩種方法均能不同程度改善木材滲透性，提高木材干燥速度，減少木材皺縮。

微波干燥是一種干燥速度較快，對(duì)環(huán)境友好的低溫、高效木材干燥新技術(shù)[9]。周永東等[10]研究微波處理對(duì)桉木微觀構(gòu)造及生長(zhǎng)應(yīng)力的影響；結(jié)果表明，在殘余生長(zhǎng)應(yīng)力消除中，要求微波輻射功率密度相對(duì)較低，輻射時(shí)間較長(zhǎng)，處理過(guò)程中木材的溫度保持在木質(zhì)素玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上；在木材微觀構(gòu)造處理中，要求微波輻射功率密度高，處理時(shí)間短。江澤慧等[11-12]和費(fèi)本華等[13]對(duì)桉樹人工林木材進(jìn)行微波改性處理，發(fā)現(xiàn)微波處理可減小應(yīng)力；李賢軍[14]研究馬尾松（Pinus massoniana）木材微波真空干燥過(guò)程中熱質(zhì)遷移特性和基本規(guī)律；劉媛等[15]采用切片分析法，系統(tǒng)研究微波干燥過(guò)程中尾巨桉木材含水率變化特性，發(fā)現(xiàn)干燥溫度、時(shí)間和輻射功率對(duì)木材含水率影響極顯著，木材初含水率對(duì)干燥速度影響不顯著；劉志軍[16]以馬尾松為試材，系統(tǒng)研究木材干燥速度和影響微波利用率的一般特性。本研究在前人研究基礎(chǔ)上，基于正交試驗(yàn)，對(duì)巨尾桉無(wú)性系廣林9 號(hào)（E.grandis×E.urophyllaGL?GU9）木材進(jìn)行微波處理，分析試材進(jìn)干燥箱初含水率、微波輻射功率和干燥溫度3 個(gè)因素對(duì)微波處理后試材干燥速率的影響，以期為桉樹木材微波處理的干燥技術(shù)提供更多理論支持和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為取自廣西某木材加工企業(yè)的巨尾桉無(wú)性系廣林9 號(hào)木材，5年生，木段小頭直徑均為14 cm 以下，長(zhǎng)度約2 m，以鋸制加工成300 mm×44 mm×38 mm（長(zhǎng)×寬×厚）規(guī)格的鋸材為試件，隔條規(guī)格為20 mm ×20 mm ×240 mm，隔條與試樣縱橫交錯(cuò)，平鋪處理，每層均勻放置3根隔條。每組試驗(yàn)鋪設(shè)3層，每層4塊試樣，共12塊試樣。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

ORW08S-3Z 型爐式微波真空干燥處理箱（真空壓力0.08 Mpa，南京澳潤(rùn)微波科技有限公司）、UF260 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（德國(guó)Memmert，+10 ～300 ℃）、電子天平（精度為0.01 g）、數(shù)顯電子千分尺（精度為0.001 mm）、數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度為0.01 mm）、鋼直尺（精度為1 mm）和塞尺（0.02～1.00 mm）。

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)置試材進(jìn)干燥箱初含水率、微波輻射功率和干燥溫度3 個(gè)因素，每因素3 個(gè)水平；試材進(jìn)干燥箱初含水率分別為30%、40%和50%，微波輻射功率分別為600、700 和800 W，干燥溫度分別為40、50 和60 ℃；設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，共9 個(gè)試驗(yàn)組合，同一試驗(yàn)號(hào)重復(fù)9次，取平均值（表1）。以電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥為對(duì)照，對(duì)照組所用木材為未經(jīng)微波處理的試件，僅對(duì)溫度和進(jìn)干燥箱初含水率有要求。通過(guò)分析試樣的干燥速率，判斷影響試驗(yàn)結(jié)果因素的主次，并選出最優(yōu)方案。

表1 正交試驗(yàn)Tab.1 Orthogonal test

先將試材氣干至進(jìn)窯目標(biāo)含水率。對(duì)試材進(jìn)行微波處理（對(duì)照組不作微波處理），微波真空壓力為0.08 Mpa，處理時(shí)間為20 min，每處理5 min 休眠1 min。將微波處理后的試材和對(duì)照試材置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥，每6 h 測(cè)1 次重量，連續(xù)兩次測(cè)得重量基本不變時(shí)，停止干燥。

干燥試驗(yàn)結(jié)束后，按照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》[17]中含水率試件、分層含水率試件制備測(cè)試樣品，采用分層含水率試件測(cè)定法測(cè)定木材分層含水率。干燥速率計(jì)算公式為[17]：

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)干燥速率對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行極差分析（表2）。結(jié)果表明，各因素對(duì)干燥速率的影響表現(xiàn)為C（干燥溫度）>A（試材進(jìn)干燥箱初含水率）>B（輻射功率），干燥溫度對(duì)干燥速率影響最大；最優(yōu)方案為C2A1B2，即干燥溫度50 ℃，試材進(jìn)干燥箱初含水率30%，輻射功率700 W。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of orthogonal test

試材進(jìn)干燥箱初含水率為30%時(shí)，干燥速率最大（0.650%/h）；輻射功率為700 W 時(shí)，干燥速率最大（0.627%/h）；干燥溫度為50 ℃時(shí)，干燥速率最大（0.590%/h）（圖1）。

圖1 不同因素對(duì)木材干燥速率的影響Fig.1 Effects of different factors on wood drying rate

設(shè)置進(jìn)干燥箱初含水率為30%，對(duì)比微波處理試材和對(duì)照的干燥速率（圖2）。結(jié)果顯示，與對(duì)照相比，微波處理試材的干燥速率明顯提升。600 W條件下，微波處理試材的干燥速率比同等條件下對(duì)照試材高，但與微波頻率更高的條件相比，有一定差距。700 和800 W 條件下，試材干燥速率相差不大，均比同等條件下對(duì)照試材高；700 W 條件下的試材干燥速率比800 W條件下略高，可能是由于700 W微波作用下，木材細(xì)胞內(nèi)部的水分蒸發(fā)速度增加，木材內(nèi)部紋孔產(chǎn)生裂隙，內(nèi)部水分蒸發(fā)速度加快，微波干燥頻率繼續(xù)增加時(shí)，水分蒸發(fā)通道已經(jīng)暢通，速度相對(duì)降低[15]。從不同干燥溫度來(lái)看，40 ℃下干燥速率相對(duì)較慢，50 和60 ℃下相差不大，從節(jié)能的角度考慮，可采用50 ℃進(jìn)行干燥。綜上所述，50 ℃和700 W 相對(duì)來(lái)說(shuō)能更好地干燥含水率為30%左右的桉木。

圖2 不同干燥溫度及微波條件下木材含水率隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Chang trends of wood moisture contents with time in different conditions of drying temperatures and microwaves

3 結(jié)論與討論

與未經(jīng)微波處理的試材相比，微波處理試材的干燥速率明顯提升。正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，干燥溫度、試材進(jìn)干燥箱初含水率和輻射功率均對(duì)干燥速率產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為干燥溫度>試材進(jìn)干燥箱初含水率> 輻射功率，干燥溫度影響最大；在本試驗(yàn)條件下，較佳的干燥工藝為干燥溫度50 ℃，試材進(jìn)干燥箱初含水率30%，輻射功率700 W。

本研究結(jié)果顯示，干燥過(guò)程中，干燥溫度對(duì)干燥速率影響較大，干燥速率隨溫度升高而加快；含水率隨時(shí)間的變化曲線顯示，桉木在干燥初期（0～6 h）下降速度較快，之后下降速度變慢。王喜明等[18]認(rèn)為桉木干燥速度隨溫度升高而加快，與本研究結(jié)果一致。劉媛等[15]認(rèn)為，不同的微波輻射功率處理、干燥溫度及干燥時(shí)間對(duì)尾巨桉木材含水率和干燥速度影響差異極顯著，木材初含水率的差異對(duì)干燥速度影響不顯著；李賢軍[14]認(rèn)為，木材初含水率對(duì)木材干燥速度影響略顯著。本研究結(jié)果顯示，木材初含水率對(duì)干燥速度影響較大。研究結(jié)果之間的差異可能是因?yàn)槌鹾侍荻群蜆浞N的差異。

木材微波處理干燥技術(shù)是一種高效節(jié)能的干燥技術(shù)，目前在微波處理改善桉木特性研究方面取得了一些成果。但要達(dá)到“雙碳”目標(biāo)，需開(kāi)發(fā)可工業(yè)化應(yīng)用的木材微波處理成熟技術(shù)?？蒲袡C(jī)構(gòu)、木材加工企業(yè)和設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)等需進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，從木材處理專用微波設(shè)備、處理工藝、微波處理后木材殘余應(yīng)力變化規(guī)律、微波處理對(duì)木材干燥的機(jī)理及微波處理對(duì)木材干燥質(zhì)量的影響等方面進(jìn)行深入研究。