微波預(yù)處理對(duì)尾葉桉木材滲透性的影響

微波預(yù)處理對(duì)尾葉桉木材滲透性的影響

這棵桉樹由于其強(qiáng)大的適應(yīng)性、快速生長速度快、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，在世界100多個(gè)國家廣泛種植。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在世界熱帶、亞熱帶地區(qū)引種栽培的桉樹人工林面積已經(jīng)超過1500萬hm2。我國桉樹人工林面積已超過200萬hm2,僅次于巴西和印度,居世界第三位。但我國速生桉木普遍存在著內(nèi)含物豐富、滲透性差,干燥與后期改性處理困難的難題,使得其實(shí)木高質(zhì)化利用一直沒有取得突破性進(jìn)展。因此,如何實(shí)現(xiàn)速生桉木的高質(zhì)化利用,已經(jīng)成為我國木材企業(yè)和科技界當(dāng)前都必須面臨和需解決的重要課題。高強(qiáng)度微波預(yù)處理是近年來出現(xiàn)在木材改性領(lǐng)域的新技術(shù),其基本原理是利用高強(qiáng)度微波對(duì)濕木材進(jìn)行瞬時(shí)處理,使木材內(nèi)水分在短時(shí)間內(nèi)獲得足夠多的能量,產(chǎn)生相變和氣體熱壓效應(yīng),在蒸氣膨脹動(dòng)力帶動(dòng)下,破壞木材內(nèi)部構(gòu)造,提高流體遷移能力,為木材后期的干燥、浸注處理,甚至新材料制備創(chuàng)造極為有利的前提條件。目前,澳大利亞已經(jīng)制造出了功率高達(dá)300kW的木材微波預(yù)處理專用設(shè)備,并研究了微波預(yù)處理對(duì)木材體積膨脹率、滲透性和干燥速率的影響規(guī)律。其初步研究結(jié)果表明,高強(qiáng)度微波預(yù)處理可使木材體積增大13.4%,防腐劑滲透量增加10~14倍,干燥速率提高5~10倍,干燥質(zhì)量顯著改善。他們甚至還通過該技術(shù)對(duì)木材進(jìn)行拆解和重構(gòu)處理,試制出了具有高滲透性、低密度的新型木材與具有高強(qiáng)度、高表面硬度的新型木質(zhì)復(fù)合材料。這一研究為速生材資源的高質(zhì)化利用開辟了一條嶄新的道路。但在我國,微波預(yù)處理技術(shù)的研究多采用小功率微波處理設(shè)備,甚至是家用微波爐,處理效果普遍不太理想。滲透性直接反映了流體以容積流形式進(jìn)出木材的難易程度,是木材的一項(xiàng)重要物理性質(zhì),木材加工的許多方面都與其有著密切關(guān)系,如木材干燥,防腐、阻燃與尺寸穩(wěn)定處理等。因此,本研究采用木材微波預(yù)處理專用設(shè)備系統(tǒng)研究微波輻射功率、輻射時(shí)間和木材初含水率對(duì)尾葉桉木材滲透性的影響規(guī)律,以期為后續(xù)桉木高質(zhì)化利用高強(qiáng)度微波預(yù)處理技術(shù)的研發(fā)提供基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1微波預(yù)處理試驗(yàn)試材為尾葉桉E.urophylla人工林木材,采自廣西柳州沙塘林場(chǎng)。根據(jù)試驗(yàn)要求將原木加工成厚度為25mm,長度為1.1m的整邊板,放入冰柜中保存?zhèn)溆?。試?yàn)時(shí),再將整邊板加工成斷面尺寸為22mm×22mm,長度為57mm(縱向)的四面光長方體標(biāo)準(zhǔn)試件。試驗(yàn)設(shè)備為中國林科院木材所與南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司共同開發(fā)的微波預(yù)處理專用設(shè)備,該設(shè)備由微波系統(tǒng)、波導(dǎo)器件及加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、木材進(jìn)給和操作控制系統(tǒng)4部分構(gòu)成,微波輻射功率為3kW。與普通家用微波爐(功率一般0.7~1.0kW)相比,雖然該設(shè)備的總輻射功率不是很高,但其諧振腔體積小,微波輻射強(qiáng)度高,每平方厘米的微波輻射功率為50.3W。在試驗(yàn)過程中,微波設(shè)備的輻射強(qiáng)度用實(shí)際輸出電流來表示。1.2微波預(yù)處理試驗(yàn)當(dāng)研究微波輻射強(qiáng)度對(duì)木材滲透性的影響時(shí),所有試件的初含水率基本相等,約為75%,微波輻射時(shí)間為80s,微波輻射強(qiáng)度取0.3A、0.4A、0.5A、0.6A和0.7A五個(gè)功率水平。當(dāng)研究微波輻射時(shí)間對(duì)木材滲透性的影響時(shí),所有試件的初含水率約為75%,微波輻射強(qiáng)度為0.7A,微波輻射時(shí)間取40s、50s、60s、70s和80s五個(gè)水平。當(dāng)研究不同初含水率條件下,同樣程度的微波預(yù)處理對(duì)木材滲透性的影響規(guī)律時(shí),先將試件含水率在室內(nèi)條件下預(yù)先調(diào)節(jié)到20%、40%、60%、80%及90%以上5個(gè)水平,再用輻射強(qiáng)度為0.7A的微波對(duì)每一試件處理60s。試驗(yàn)時(shí),將試件豎直裝入微波諧振腔內(nèi)(每次處理一個(gè)試件),啟動(dòng)微波發(fā)生器,按照上述試驗(yàn)方案對(duì)試件進(jìn)行微波預(yù)處理,每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)4次。微波預(yù)處理試驗(yàn)結(jié)束后,將所有處理試件和對(duì)照試件放置在恒溫干燥箱(溫度恒定為60℃)中干燥至含水率約為10%,然后將每組試件再分為兩部分,其中一部分用環(huán)氧樹脂封閉試件端面,使浸注過程中染液只能沿著木材的周向進(jìn)入木材;另外一部分試件用環(huán)氧樹脂封閉周向4個(gè)表面,使浸注過程中染液只能沿著木材的縱向進(jìn)入木材。然后將所有試件放置在恒溫恒濕箱中進(jìn)行平衡處理,恒溫恒濕箱中的溫度維持在20℃,相對(duì)濕度為65%,保持時(shí)間為4晝夜(96h)。平衡處理結(jié)束后,立即稱取所有試件初重,再將其置于濃度為0.2%的染液中(染色劑為試劑藍(lán))進(jìn)行常壓浸漬處理,浸漬時(shí)間為45h。在浸漬初期,每隔0.5~1.0h從染液中取出試件,用濾紙擦拭干凈后稱取其質(zhì)量,約3h后,每隔2~4h測(cè)量試件的質(zhì)量。常壓浸漬完成后,稱取試件質(zhì)量,再將試件置于真空加壓處理罐中進(jìn)行高壓浸注處理。在高壓浸注處理前,處理罐抽真空,真空度為636mm汞柱,維持時(shí)間為40min,然后進(jìn)行加壓處理,處理罐內(nèi)的壓力維持在0.4MPa,保壓時(shí)間為3h。高壓浸注處理結(jié)束后,稱取試件質(zhì)量,計(jì)算其平均染液吸收量。在某時(shí)刻,試件的常壓浸滯染液吸收量用該時(shí)刻試件的質(zhì)量減去試件的初始質(zhì)量來表示。試件的高壓浸注染液吸收量用高壓浸注處理前后木材試件的質(zhì)量差來表示。2微波輻射時(shí)間對(duì)木材滲透率和染液吸收量的影響規(guī)律圖1和2分別表示微波輻射強(qiáng)度對(duì)尾葉桉木材橫向和縱向常壓浸漬染液吸收量的影響規(guī)律。不同微波強(qiáng)度處理試件橫向與縱向的高壓浸注染液吸收量列于表1中。從圖和表中可以明顯看出,微波預(yù)處理可以明顯提高木材滲透性和染液吸收量,且隨著微波輻射強(qiáng)度的增加,木材滲透性和染液吸收量增加幅度越大,特別是當(dāng)微波輻射強(qiáng)度在0.5A以上時(shí),木材染液吸收量的增加更明顯。與未處理材相比,當(dāng)微波輻射強(qiáng)度從0.3A增加到0.7A時(shí),木材橫向浸漬染液吸收量增加率從2.82%提高到55.80%,其相應(yīng)的縱向浸漬染液吸收量增加率從4.27%提高到26.06%。在同樣的微波強(qiáng)度變化范圍內(nèi)(0.3~0.7A),對(duì)應(yīng)的木材橫向高壓浸注染液吸收量增加率從32.14%提高到411.61%,縱向高壓浸注染液吸收量增加率從8.95%提高到34.63%。這是由于隨著微波輻射強(qiáng)度的增加,單位時(shí)間內(nèi),木材能吸收更多的微波能,木材內(nèi)水分的蒸發(fā)速率越快,產(chǎn)生更大的水蒸汽膨脹動(dòng)力,在蒸汽膨脹動(dòng)力的作用下,木材內(nèi)部產(chǎn)生更多的微觀孔隙,形成更多新的流體通道,從而直接導(dǎo)致了木材滲透性和染液吸收量的大幅提升。從以上圖表中,還可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)基本規(guī)律:一是微波預(yù)處理對(duì)木材周向滲透性的影響明顯大于對(duì)縱向滲透性的影響;二是高壓浸注染液吸收量的提高率遠(yuǎn)大于常壓浸漬染液吸收量的提高率。究其原因,可能在于:與縱向相比,木材橫向滲透性很小,使得微波預(yù)處理過程中在木材內(nèi)部形成的裂隙對(duì)木材橫向滲透性的改善效果明顯優(yōu)于縱向;在微波爆破預(yù)處理中,由于木材內(nèi)部所產(chǎn)生的蒸汽壓力大于表層區(qū)域,所產(chǎn)生的裂紋主要集中在試件的中心區(qū)域,而表層區(qū)域基本完好,在常壓浸漬中,染液在短時(shí)間內(nèi)無法突破表層區(qū)域而進(jìn)入有大量裂隙的中心區(qū)域,因而其染液吸收量提高程度較小。在高壓浸注中,木材內(nèi)外存在較大靜壓力差,染液突破表層區(qū)域后能更快在內(nèi)部多孔隙區(qū)域內(nèi)滲透,因而其染液吸收量的提高程度遠(yuǎn)大于常壓條件下。圖3和4分別表示微波輻射時(shí)間對(duì)尾葉桉木材橫向和縱向常壓浸漬染液吸收量的影響規(guī)律。對(duì)照件與不同微波輻射時(shí)間處理試件的高壓浸注染液吸收量列于表1中。從圖表中可以看出,隨著微波輻射時(shí)間的延長,木材橫向、縱向的常壓浸漬和高壓浸注染液吸收量都顯著增加。這是由于微波輻射時(shí)間越長,單位質(zhì)量的濕木材能獲得更多的微波能量,木材內(nèi)部更多水分得以蒸發(fā),形成更高水蒸汽膨脹壓力,使木材內(nèi)部能形成更多的微觀裂隙,木材滲透性提高越明顯,試件染液吸收量增加。當(dāng)微波輻射時(shí)間從40s增加到80s時(shí),與未處理材相比,木材橫向和縱向的浸漬染液吸收量增加率分別從4.58%增加到44.76%和從5.03%增加到43.04%,其橫向和縱向高壓浸注染液吸收量增加率分別從39.41%增加到209.77%和從8.02%增加到61.53%。特別是當(dāng)微波輻射時(shí)間在60s以上時(shí),木材染液吸收量增加幅度愈明顯。同時(shí),在本組試驗(yàn)中,也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律:微波預(yù)備處理對(duì)木材周向滲透性的影響明顯大于對(duì)木材縱向滲透性的影響;二是高壓浸注過程中染液吸收量的提高率遠(yuǎn)大于常壓浸漬過程中染液吸收量的提高率。圖5和圖6表示不同初含水率微波處理材在常壓浸漬過程中的橫向和縱向染液吸收量變化曲線。當(dāng)木材初含水率為20%、40%、60%、80%和90%以上五個(gè)水平時(shí),同樣微波處理?xiàng)l件下木材試件的平均高壓浸注染液吸收量亦列于表1中。從圖表中可看出,隨著木材初含水率的降低,其常壓浸滯與高壓浸注染液吸收量都略呈增加趨勢(shì)。這是由于在相同的微波輻射條件下,木材初始含水率越低,其質(zhì)量越小,單位質(zhì)量濕木材能獲得更多的微波能量,因此其溫度高、水分汽化速度快,木材內(nèi)部壓力越大,直接導(dǎo)致了木材內(nèi)部將出現(xiàn)更多的微觀裂隙。當(dāng)被處理材初含水率從9彩繽紛5%以上降低到20%時(shí),木材橫向和縱向常壓浸漬染液吸收量分別可提高10.57%和6.58%,其相應(yīng)的高壓浸注染液吸收量分別可提高7.41%和8.98%。需要指出的是,雖然木材初含水率對(duì)微波處理后木材的染液吸收量有一定影響,即對(duì)木材滲透性的改善有一定的效果,但與微波輻射強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)木材滲透性的影響程度相比,木材初含水率的影響較小,因而在實(shí)際生產(chǎn)中,可以不考慮木材初含水率變化對(duì)滲透性改變的影響。3微波處理桉木滲透率的變化本研究以尾葉桉木材為研究對(duì)象,采用木材微波預(yù)處理專用設(shè)備,系統(tǒng)研究了微波輻射強(qiáng)度、時(shí)間和木材初含水率對(duì)尾葉桉木材滲透性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:通過微波預(yù)處理可以顯著提高桉木滲透性;在本