微波预处理对尾叶桉木材渗透性的影响

微波预处理对尾叶桉木材渗透性的影响

这棵桉树由于其强大的适应性、快速生长速度快、经济效益显著等特点，在世界100多个国家广泛种植。据不完全统计,在世界热带、亚热带地区引种栽培的桉树人工林面积已经超过1500万hm2。我国桉树人工林面积已超过200万hm2,仅次于巴西和印度,居世界第三位。但我国速生桉木普遍存在着内含物丰富、渗透性差,干燥与后期改性处理困难的难题,使得其实木高质化利用一直没有取得突破性进展。因此,如何实现速生桉木的高质化利用,已经成为我国木材企业和科技界当前都必须面临和需解决的重要课题。高强度微波预处理是近年来出现在木材改性领域的新技术,其基本原理是利用高强度微波对湿木材进行瞬时处理,使木材内水分在短时间内获得足够多的能量,产生相变和气体热压效应,在蒸气膨胀动力带动下,破坏木材内部构造,提高流体迁移能力,为木材后期的干燥、浸注处理,甚至新材料制备创造极为有利的前提条件。目前,澳大利亚已经制造出了功率高达300kW的木材微波预处理专用设备,并研究了微波预处理对木材体积膨胀率、渗透性和干燥速率的影响规律。其初步研究结果表明,高强度微波预处理可使木材体积增大13.4%,防腐剂渗透量增加10~14倍,干燥速率提高5~10倍,干燥质量显著改善。他们甚至还通过该技术对木材进行拆解和重构处理,试制出了具有高渗透性、低密度的新型木材与具有高强度、高表面硬度的新型木质复合材料。这一研究为速生材资源的高质化利用开辟了一条崭新的道路。但在我国,微波预处理技术的研究多采用小功率微波处理设备,甚至是家用微波炉,处理效果普遍不太理想。渗透性直接反映了流体以容积流形式进出木材的难易程度,是木材的一项重要物理性质,木材加工的许多方面都与其有着密切关系,如木材干燥,防腐、阻燃与尺寸稳定处理等。因此,本研究采用木材微波预处理专用设备系统研究微波辐射功率、辐射时间和木材初含水率对尾叶桉木材渗透性的影响规律,以期为后续桉木高质化利用高强度微波预处理技术的研发提供基础和科学依据。1材料和方法1.1微波预处理试验试材为尾叶桉E.urophylla人工林木材,采自广西柳州沙塘林场。根据试验要求将原木加工成厚度为25mm,长度为1.1m的整边板,放入冰柜中保存备用。试验时,再将整边板加工成断面尺寸为22mm×22mm,长度为57mm(纵向)的四面光长方体标准试件。试验设备为中国林科院木材所与南京三乐微波技术发展有限公司共同开发的微波预处理专用设备,该设备由微波系统、波导器件及加热系统、空气循环系统、木材进给和操作控制系统4部分构成,微波辐射功率为3kW。与普通家用微波炉(功率一般0.7~1.0kW)相比,虽然该设备的总辐射功率不是很高,但其谐振腔体积小,微波辐射强度高,每平方厘米的微波辐射功率为50.3W。在试验过程中,微波设备的辐射强度用实际输出电流来表示。1.2微波预处理试验当研究微波辐射强度对木材渗透性的影响时,所有试件的初含水率基本相等,约为75%,微波辐射时间为80s,微波辐射强度取0.3A、0.4A、0.5A、0.6A和0.7A五个功率水平。当研究微波辐射时间对木材渗透性的影响时,所有试件的初含水率约为75%,微波辐射强度为0.7A,微波辐射时间取40s、50s、60s、70s和80s五个水平。当研究不同初含水率条件下,同样程度的微波预处理对木材渗透性的影响规律时,先将试件含水率在室内条件下预先调节到20%、40%、60%、80%及90%以上5个水平,再用辐射强度为0.7A的微波对每一试件处理60s。试验时,将试件竖直装入微波谐振腔内(每次处理一个试件),启动微波发生器,按照上述试验方案对试件进行微波预处理,每个试验重复4次。微波预处理试验结束后,将所有处理试件和对照试件放置在恒温干燥箱(温度恒定为60℃)中干燥至含水率约为10%,然后将每组试件再分为两部分,其中一部分用环氧树脂封闭试件端面,使浸注过程中染液只能沿着木材的周向进入木材;另外一部分试件用环氧树脂封闭周向4个表面,使浸注过程中染液只能沿着木材的纵向进入木材。然后将所有试件放置在恒温恒湿箱中进行平衡处理,恒温恒湿箱中的温度维持在20℃,相对湿度为65%,保持时间为4昼夜(96h)。平衡处理结束后,立即称取所有试件初重,再将其置于浓度为0.2%的染液中(染色剂为试剂蓝)进行常压浸渍处理,浸渍时间为45h。在浸渍初期,每隔0.5~1.0h从染液中取出试件,用滤纸擦拭干净后称取其质量,约3h后,每隔2~4h测量试件的质量。常压浸渍完成后,称取试件质量,再将试件置于真空加压处理罐中进行高压浸注处理。在高压浸注处理前,处理罐抽真空,真空度为636mm汞柱,维持时间为40min,然后进行加压处理,处理罐内的压力维持在0.4MPa,保压时间为3h。高压浸注处理结束后,称取试件质量,计算其平均染液吸收量。在某时刻,试件的常压浸滞染液吸收量用该时刻试件的质量减去试件的初始质量来表示。试件的高压浸注染液吸收量用高压浸注处理前后木材试件的质量差来表示。2微波辐射时间对木材渗透率和染液吸收量的影响规律图1和2分别表示微波辐射强度对尾叶桉木材横向和纵向常压浸渍染液吸收量的影响规律。不同微波强度处理试件横向与纵向的高压浸注染液吸收量列于表1中。从图和表中可以明显看出,微波预处理可以明显提高木材渗透性和染液吸收量,且随着微波辐射强度的增加,木材渗透性和染液吸收量增加幅度越大,特别是当微波辐射强度在0.5A以上时,木材染液吸收量的增加更明显。与未处理材相比,当微波辐射强度从0.3A增加到0.7A时,木材横向浸渍染液吸收量增加率从2.82%提高到55.80%,其相应的纵向浸渍染液吸收量增加率从4.27%提高到26.06%。在同样的微波强度变化范围内(0.3~0.7A),对应的木材横向高压浸注染液吸收量增加率从32.14%提高到411.61%,纵向高压浸注染液吸收量增加率从8.95%提高到34.63%。这是由于随着微波辐射强度的增加,单位时间内,木材能吸收更多的微波能,木材内水分的蒸发速率越快,产生更大的水蒸汽膨胀动力,在蒸汽膨胀动力的作用下,木材内部产生更多的微观孔隙,形成更多新的流体通道,从而直接导致了木材渗透性和染液吸收量的大幅提升。从以上图表中,还可以发现两个基本规律:一是微波预处理对木材周向渗透性的影响明显大于对纵向渗透性的影响;二是高压浸注染液吸收量的提高率远大于常压浸渍染液吸收量的提高率。究其原因,可能在于:与纵向相比,木材横向渗透性很小,使得微波预处理过程中在木材内部形成的裂隙对木材横向渗透性的改善效果明显优于纵向;在微波爆破预处理中,由于木材内部所产生的蒸汽压力大于表层区域,所产生的裂纹主要集中在试件的中心区域,而表层区域基本完好,在常压浸渍中,染液在短时间内无法突破表层区域而进入有大量裂隙的中心区域,因而其染液吸收量提高程度较小。在高压浸注中,木材内外存在较大静压力差,染液突破表层区域后能更快在内部多孔隙区域内渗透,因而其染液吸收量的提高程度远大于常压条件下。图3和4分别表示微波辐射时间对尾叶桉木材横向和纵向常压浸渍染液吸收量的影响规律。对照件与不同微波辐射时间处理试件的高压浸注染液吸收量列于表1中。从图表中可以看出,随着微波辐射时间的延长,木材横向、纵向的常压浸渍和高压浸注染液吸收量都显著增加。这是由于微波辐射时间越长,单位质量的湿木材能获得更多的微波能量,木材内部更多水分得以蒸发,形成更高水蒸汽膨胀压力,使木材内部能形成更多的微观裂隙,木材渗透性提高越明显,试件染液吸收量增加。当微波辐射时间从40s增加到80s时,与未处理材相比,木材横向和纵向的浸渍染液吸收量增加率分别从4.58%增加到44.76%和从5.03%增加到43.04%,其横向和纵向高压浸注染液吸收量增加率分别从39.41%增加到209.77%和从8.02%增加到61.53%。特别是当微波辐射时间在60s以上时,木材染液吸收量增加幅度愈明显。同时,在本组试验中,也发现了同样的规律:微波预备处理对木材周向渗透性的影响明显大于对木材纵向渗透性的影响;二是高压浸注过程中染液吸收量的提高率远大于常压浸渍过程中染液吸收量的提高率。图5和图6表示不同初含水率微波处理材在常压浸渍过程中的横向和纵向染液吸收量变化曲线。当木材初含水率为20%、40%、60%、80%和90%以上五个水平时,同样微波处理条件下木材试件的平均高压浸注染液吸收量亦列于表1中。从图表中可看出,随着木材初含水率的降低,其常压浸滞与高压浸注染液吸收量都略呈增加趋势。这是由于在相同的微波辐射条件下,木材初始含水率越低,其质量越小,单位质量湿木材能获得更多的微波能量,因此其温度高、水分汽化速度快,木材内部压力越大,直接导致了木材内部将出现更多的微观裂隙。当被处理材初含水率从9彩缤纷5%以上降低到20%时,木材横向和纵向常压浸渍染液吸收量分别可提高10.57%和6.58%,其相应的高压浸注染液吸收量分别可提高7.41%和8.98%。需要指出的是,虽然木材初含水率对微波处理后木材的染液吸收量有一定影响,即对木材渗透性的改善有一定的效果,但与微波辐射强度和时间对木材渗透性的影响程度相比,木材初含水率的影响较小,因而在实际生产中,可以不考虑木材初含水率变化对渗透性改变的影响。3微波处理桉木渗透率的变化本研究以尾叶桉木材为研究对象,采用木材微波预处理专用设备,系统研究了微波辐射强度、时间和木材初含水率对尾叶桉木材渗透性的影响规律。结果表明:通过微波预处理可以显著提高桉木渗透性;在本