毛逸群 徐 偉，2 詹先旭

（1.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，南京 210037； 2.南京林業(yè)大學智庫林業(yè)產業(yè)發(fā)展中心，南京 210037；3. 德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，德清 313200）

楊木作為我國主要的人工林速生材材種之一，具有種植容易、環(huán)境適應性強、生長周期短、成材速度快的特點，被廣泛應用于木材工業(yè)[1-2]。楊木色澤柔和明亮、密度小且質輕，但存在顏色紋理單調、材質疏松、力學強度不足等問題[3-5]，使應用范圍受到局限，目前主要用于制造紙漿或膠合板芯材[6-7]。國內外對楊木染色和改性處理進行了大量的研究，以實現(xiàn)楊木的高質化利用[8-11]。在改性或染色處理過程中，楊木天然的內部結構導致其滲透性不夠理想、處理后效果不佳。

微波預處理是用于木材改性處理的一種新技術，通過使木材內部的水分在短時間內吸收大量的能量而升溫并汽化，使木材細胞內部的蒸汽壓升高，在蒸汽膨脹動力的作用下，木材的微觀構造產生不同程度的裂隙，因而在木材內部形成新的流體通道[12-15]，為木材的后期浸漬和干燥處理創(chuàng)造有利的前提條件[16-19]。本文研究微波預處理過程中的輻射強度、處理時間對楊木單板滲透性的影響規(guī)律，以獲得后續(xù)楊木改性處理理想的微波預處理工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

木材試件：采用產于蘇北的楊木(Populus spp.)單板，由德華兔寶寶裝飾新材有限公司提供。尺寸為100 mm×100 mm×2 mm，試件表面干凈平整，無節(jié)子和開裂等缺陷，用320 目砂紙進行簡單的打磨去除表面毛刺，并用洗耳球吹去表面浮屑后，放入設定溫度為25 ℃，相對濕度為60%的恒溫恒濕試驗箱中48 h，試件含水率控制在10%～13%。

聚乙二醇2000（PEG-2000）：分析純(AR)，分子量1 900～2 000，由無錫市亞太聯(lián)合化工有限公司提供。

蒸餾水：實驗室自制。

1.2 設備

微波化學反應器，鞏義市予華儀器有限責任公司產品，型號WBFY-201，滿功率輸出微波能為800 W，諧振腔尺寸為320 mm×315 mm×210 mm，微波最大體積功率為37.8 kW/m3；恒溫鼓風干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司產品，型號DHG-905385-III；真空浸漬設備：實驗室自制，由SCINCETOOL R410 實驗室無油真空泵（美國圣特斯國際集團產品）、藤原PC-3真空干燥器(藤原股份有限公司產品)組成；電子天平，上?；ǔ彪娖饔邢薰井a品，型號HC UTP-313；標智Benetech紅外線測溫儀GM320；玻璃干燥器與硅膠干燥劑，南京大光明試劑有限公司產品；德國勇士砂紙320 目；恒溫恒濕試驗箱，廈門群隆儀器有限公司產品，QL-HWHS-180L。

1.3 試驗方法

研究微波預處理過程中微波時間對楊木單板溫度和滲透性的影響，微波功率取100%，時間從0 ～80 s每10 s取一水平，共9 組試驗。研究微波功率對楊木單板溫度和滲透性的影響，微波預處理時間取50 s，功率取10%、30%、50%、80%、100%，共5 組試驗。試驗設置未經微波預處理的楊木單板試件為空白組以作對照。每一組正式試驗試件數(shù)量為5 個。諧振腔底部溫度會對試件升溫速率產生較大影響，因此在正式開始微波處理之前，需預測試試件溫度。先將預測試溫度的楊木試件平放于微波化學反應器的諧振腔底部中央位置，以本組微波強度和時間條件處理試件，處理結束后迅速取出預測試溫度楊木試件，并放入下一塊待預測試件，擺放位置應與上一試件相同，然后進行微波處理。重復此步驟，待預測試溫度的試件微波處理完成，所測出溫度達到一個穩(wěn)定區(qū)間后，開始正式試驗。正式試驗采用的試驗條件及方法與本組預測試溫度的相同。記錄正式處理每個楊木試件所用的微波功率、微波時間和微波處理完成后試件溫度（每次微波處理時楊木試件的擺放位置應一致，一次僅微波處理一個試件，預測試溫度的試件不參與后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計）。

研究微波預處理方法對滲透性的影響，微波輻射時間取50 s,輻射功率取100%。未經預測試溫度的楊木試件記為A組：把試件平放于微波預處理設備的諧振腔底部中央位置，微波處理試件50 s后結束，取出試件并放入下一個待預測試溫度的試件進行微波處理，記錄微波處理每個試件所用的時間和所達到的溫度（每次微波處理時木材試件的擺放位置應一致，一次僅微波處理一個木材試件，并且前一個木材試件微波處理完成至后一個木材試件微波處理開始的時間間隔不一）。經過諧振腔預熱和預測試溫度且同樣以100%的功率微波輻射50 s的木材試件記為B組。

本研究以楊木試件浸漬質量濃度為20%的PEG-2000，并烘干后的增重率作為指標。將經過微波處理的試件和空白組試件放入60 ℃的恒溫鼓風干燥箱內，烘至含水率低于10%后，升高恒溫鼓風干燥箱溫度至103 ℃使木材試件達到絕干。將試件放入盛有干燥劑的干燥器中充分降溫至常溫，稱量試件質量并記錄（單位為g，精確到小數(shù)點后3 位）。干燥后的木材試件在真空浸漬設備內整齊堆放，木材試件之間留有空隙，頂部用重物壓住。配置質量濃度為20%的PEG-2000水溶液作為浸漬液，將浸漬液注入真空浸漬設備，至液面高于試件頂部約2 cm，先抽真空1 h，使真空度達到-0.1 MPa，然后恢復大氣壓并保持1.5 h。取出楊木試件，用蒸餾水簡單沖洗表面，用紙巾除去表面多余水分后，放入恒溫鼓風干燥箱中烘至絕干。將浸漬并烘干后的楊木試件放入盛有干燥劑的干燥器中充分降溫至常溫，稱量試件質量并記錄（單位為g，精確到小數(shù)點后3 位），計算木材試件的增重率。

2 結果與分析

2.1 微波預處理時間對滲透性的影響

圖1 輻射時間對試件溫度的影響Fig.1 Effect of microwave radiation time on the temperature of poplar wood specimens

表1 不同輻射時間下試件的溫度和浸漬增重率Tab. 1 The weight gain rate and the temperature of poplar wood specimens under different conditions of microwave radiation time

圖2 輻射時間對試件平均浸漬增重率的影響Fig.2 Effect of microwave radiation time on the weight gain rate of poplar wood specimens

圖1、2 所示反映了微波預處理輻射時間對楊木單板試件溫度和平均浸漬增重率的影響規(guī)律。以100%的微波輻射功率經過不同時間的預處理后，楊木試件的溫度和浸漬增重率如表1 所示。

在微波源輸出功率為100%時，微波處理時間越久，楊木單板試件的溫度越高。微波預處理輻射時間從0 s增加至50 s時，試件浸漬增重率的平均值由26.8%逐漸上升到38.2%；時間超過50 s后，試件浸漬增重率平均值逐漸下降。試件浸漬增重率在0 s至50 s內逐漸增大，這是因為木材中的水分和木材物質中存在的許多極性分子在微波場中急速擺動摩擦產生大量的熱，水分蒸發(fā)氣化產生膨脹動力，使木材內部微觀構造產生裂隙，使流體能通過這些微觀裂隙更加容易進入木材內部。在一定時間范圍內，微波輻射時間越長，木材中的極性分子所吸收的能量越多，木材試件所達到的溫度越高，所產生的蒸汽膨脹動力越強，因此在木材內部所產生的微觀裂隙更多[20]。在輻射時間超過50 s后，試件浸漬增重率的平均值隨著輻射時間的增加而逐漸下降，其原因可能是在微波輻射時間50 s后平均溫度達到135.5℃并繼續(xù)升高，木材內部發(fā)生脫水反應，羥基含量降低，并且木材聚合物中熱穩(wěn)定性較差的組分如半纖維素開始發(fā)生熱解[21]，使得木材內部與浸漬液之間的氫鍵結合減少，浸漬液在導管中的潤濕性降低導致其進入緩慢。綜上所述，在本試驗條件下微波預處理輻射時間50 s較佳。

2.2 微波預處理功率對滲透性的影響

用不同輻射功率微波預處理50 s后，楊木試件達到的溫度和浸漬增重率如圖3、4 和表2 所示。輻射功率為0%為空白組。

圖3 輻射功率對試件溫度的影響Fig.3 Effect of microwave power on the temperature of poplar wood specimens

在微波輻射時間恒定為50 s時，隨著微波源輸出功率的增加，楊木單板試件溫度平均值逐漸上升，試件浸漬增重率的平均值由26.8%逐漸上升到38.2%。這是因為隨著微波源輸出功率的提升，木材中極性分子在單位時間內所吸收的能量越多，升溫速率越快，由水分蒸發(fā)汽化速率越快，所產生的蒸汽膨脹動力越強，在木材內部所產生的裂隙也越多，浸漬過程中浸漬液在木材內部空隙中的流動效率更高。因此，在本試驗條件下微波預處理較佳的條件為輻射時間50 s，輻射功率100 %。

圖4 輻射功率對試件平均浸漬增重率的影響Fig.4 Effect of microwave power on the weight gain rate of poplar wood specimens

表2 不同輻射功率下試件的溫度和浸漬增重率Tab.2 The weight gain rate and the temperature of poplar wood specimens under different conditions of microwave power

2.3 微波預處理方法對滲透性的影響

未經諧振腔預熱和預測試溫度的楊木試件記為A組，經預測試溫度的楊木試件記為B組。以同樣的工藝用質量濃度為20%的PEG-2000 水溶液真空-常壓浸漬后，試件浸漬增重率統(tǒng)計如表3，B組試件與A組試件相比，平均浸漬增重率由33.09%提升至38.24%，提升了0.16 倍；浸漬增重率變異系數(shù)由0.153 減小至0.059，減小了0.61 倍。這是由于在相同微波預處理時間和功率條件下，B組木材試件的升溫速率比A組試件的升溫速率更快且更為穩(wěn)定，使得A組楊木試件內部達到的蒸汽壓更高，木材內部所形成的裂隙更多。

綜上所述，在微波預處理過程中，需要注意諧振腔與試件接觸部位的溫度控制，以減小同組試件升溫速率差異對微波處理效果的影響。

表3 不同處理方式下試件的溫度和浸漬增重率Tab. 3 The weight gain rate and the temperature of poplar wood specimens under different conditions of methods of experiment

3 結論

微波預處理可以使經質量濃度為20%的PEG-2000 真空-常壓浸漬后的楊木單板平均增重率從26.8%提升至38.2%；隨著微波預處理輻射時間的增加，楊木單板浸漬增重率的平均值先上升后下降，并在輻射時間為50 s時達到頂峰；隨著微波源輸出功率的增加，試件浸漬后的平均增重率逐漸上升。在本試驗條件下，微波預處理含水率為10%～13%的楊木單板的優(yōu)化組合工藝條件為微波源輸出功率100%，微波輻射時間50 s。在此條件下，可使楊木單板在短時間內達到135.5 ℃。在微波預處理過程中，應注意諧振腔與試件接觸部位的溫度控制，以減小同組試件升溫速率差異對微波處理效果的影響。