微波技术在我国木材加工与产品检测中的应用

2012-01-26沈斌华李小科单志超叶春香崔启鹏

浙江林业科技 2012年5期

沈斌华，李小科，单志超，叶春香，崔启鹏，姜俊

（浙江省木业产品质量检测中心南浔检测所，浙江湖州 313009）

微波技术是近代科学研究领域的重大成果之一，经过近十年的发展，它已经成为一门比较成熟的学科。微波技术具有高效、均匀、环保、节能等优点，广泛应用于环境保护、生物、食品、商检、医药、农业、地质、冶金、石油、化工等各个行业。微波技术在木材工业领域的应用也越来越受到重视，它可以大幅度缩短干燥时间、改善材性，还可以快速检测产品质量。本文概述了微波技术在我国木材干燥、木材改性、胶粘剂合成、材料缺陷检测、含水率检测、甲醛释放量检测等方面的研究成果，为微波技术的进一步研究和应用提供参考。

1 微波技术在木材加工中的应用

1.1 木材干燥

微波干燥是利用高额振荡的电磁波使木材中的极性水分子频繁摆动产生的摩擦作用来加热材料，热量在内部直接产生，分布均匀，木材的温度梯度和含水率梯度较小，具有加热时间短、干燥质量好、提高出材率等优点。我国木材微波干燥技术经过近40年的发展，已形成一定规模。

20世纪70年代，我国对木材用微波干燥设备进行了初步研究，同时对微波干燥木材工艺进行了探索，初步掌握了微波设备制造技术。南京七七二厂研制出了木材微波干燥机，上海长征木材制品厂研制出大型驻波场谐振腔隧道式木材微波干燥机。这两类型的微波干燥机应用结果表明微波干燥可以使干燥时间缩短几十倍，但由于设备、工艺不成熟造成了木材开裂、变形等缺陷。

20世纪 80年代，我国木材干燥方面的专家对微波干燥工艺进行了一些基础性研究，总结出了微波干燥木材的基本工艺。佟永会等研究了微波功率、干燥时间、干燥速度、含水率与干燥质量的关系，发现干燥速度和失水率均随辐射功率和辐射时间的增加而增加，而木材干燥质量在一定限度内并不因此而发生变化[1]。朱政贤等通过对微波干燥常用树种生产性工艺的试验，总结出了常用树种和规格锯材的谐振腔型干燥机微波干燥基准[2]。

20世纪 90年代，我国木材微波干燥设备的生产技术得到进一步提高，设备的安全性和经济性得到改善，通过对竹木材料的微波干燥试验，总结出了基本可行的干燥工艺。南京七七二厂研制了 WX40L系列新型木材微波干燥机[3]，并在无锡家具二厂等十几个工厂成功应用。叶宇煌等设计了一条竹料微波干燥线，每小时能将115 kg含水率为20%的竹筷干燥至10%，同时具有杀虫防霉功能[4]。王丽宇研究了刺槐小径木圆截片、斜截片微波干燥技术，提出刺槐小径圆、斜截片的微波干燥工艺[5]。

进入21世纪，我国对微波干燥理论基础、干燥设备、应用技术进行了系统研究，微波干燥技术在我国木材干燥中的应用逐步推广。贵阳新奇微波工业有限公司研制出了WBD系列木材微波干燥机[6]。该设备具有干燥质量好、能保持木材的原色泽、干燥效率高等优点，初含水率为20%的木材干燥到10%只需8 h，而传统干燥则需40 h。焦士龙等用微波干燥水青冈木材，研究了微波干燥动力学规律，建立了非稳态干燥速率方程[7]。王喜明等对微波作用下木材干燥应力释放机理进行了初步研究，结果表明，木材经微波干燥处理，可以减弱木材干燥应力，减少含水率梯度，改善其干燥性能[8]。李贤军以马尾松为试材研究了木材微波真空干燥的基本规律，发现随着微波辐射功率、木材密度、木材初含水率和干燥室真空度的增加，木材的平均干燥速率也相应地增加[9]。

1.2 木材改性

木材微波改性技术，是用一定频率的微波局部或全部处理木材，破坏木材细胞壁上纹孔膜的薄弱环节，提高渗透性能，从而进行染色、浸渍等处理[10]。通过改性技术，可以赋予竹木材某些特殊的功能，使低档竹木材高档化，从而有效地利用竹木材料，提高经济价值。

微波技术对于密度低的木材的渗透性改善最为明显，为人工林木材的高效利用奠定了一定的基础。杨琳等利用微波射对落叶松木材试件进行不同功率的处理，发现微波辐射能破坏落叶松木材径向的薄壁细胞，细胞同时产生微细裂纹，辐射功率越大裂纹越明显，渗透性更明显[11]。

微波辐射可以软化木材，能使木材在很短时间内弯曲成不同曲率半径的形态。陈太安等利用微波加热研究了杨木、枫扬、池杉和泡桐四种木材的弯曲性能，结果表明，杨木和枫杨在微波处理后，弹性模量变小，有助于木材的弯曲处理[12]。李军研究了微波加热水曲柳试件的弯曲工艺参数与产品质量的关系，最佳工艺条件为木材含水率60%，微波功率400W，加热时间2 ～ 5 min[13]。

木材通过微波预处理，内外色泽更加均匀，木材利用价值更高。李贤军等研究了微波预处理木材染色方法，具有设备投资小、工艺简单、处理效果好等优点[14]。

通过微波处理将阻燃药剂注入木材，阻燃药剂不易流失，阻燃效果更加明显。李晓东研究了微波处理技术在樟子松和水曲柳木材阻燃处理中的应用情况，实验结果表明，采用微波处理的樟子松和水曲柳的阻燃效果优于常规处理方法[15]。

采用微波技术将化学物质浸渍入木材，可以提高木材密度，使木材强度增加。万东北等研究了微波辐射作用下杉木的氰乙基化改性技术，发现采用微波辐射20 min可获得与传统的恒温水浴反应240 min同样增重效果的氰乙基化木材[16]。滕莉丽等利用微波辐射对杉木苄基化改性进行了研究，杉木微波辐射100 min，增重效果与常规加热法基本相同，但反应时间缩短了58%[17]。

2 微波技术在胶粘剂合成中的应用

借助微波技术进行胶粘剂合成，反应速度比传统的加热方法快数十倍，具有操作简便、产率高、安全卫生等特点。徐衡等以苯酚和甲醛为原料，在碱性条件下用微波加热法合成了酚醛树脂[18]。马春平等以葡萄糖代替甲醛在碱性条件下以微波加热法合成葡萄糖苯酚树脂胶粘剂[19]。何承东等以尿素和甲醛为原料，在弱碱性条件下用微波加热合成了脲醛树脂[20]。

3 微波技术在产品质量检测中的应用

3.1 材料缺陷检测

多层胶合板、单板层积材通常会有气孔、疏松、树脂开裂、分层、脱粘等缺陷，木材通常会有树节、裂纹、伤疤等缺陷，这些缺陷在材料中的位置、尺寸可用微波检测技术进行评定。微波在竹木材料的不连续界面处产生反射、散射、透射，同时与被检测材料产生相互作用，微波场受到材料中的电磁参数和几何参数的影响，通过测量微波信号基本参数的改变达到检测竹木材料的缺陷。

M.Rockwitz等提出复合材料缺陷检测理论，公式为Ka≈1，该理论根据气隙的半径、微波功率计算缺陷尺寸[21]。邓志刚等研究了板材缺陷的微波检测技术，板材通过微波传感器进行缺陷检测，通过激光定位器定位,把信号输入计算机，在计算机上清晰地显示出节子的数量、尺寸和位置，软木和硬木的最大检测厚度分别为65 mm和50 mm[22]。

3.2 竹木产品含水率检测

微波检测含水率有加热烘干和测量介质介电常数两种方式，其最大的优点是快速，适用于含水率快速测定和在线测定，对生产过程的水分测定和控制有重要意义。尹晓兵等提出了微波炉—烘箱法（WB-HX）检测南方松木材含水率的方法[23]。该法总的测定时间为4 ～ 6 h，比常规的烘箱干燥法减少7 h左右，检测成本降低50%左右。蒋蓓应用微波技术研究单板含水率在线检测系统，系统通过测量水的介电常数的变化值达到测量含水率的目的，具有使用方便、速度快、测量精度高等优点[24]。

3.3 人造板甲醛释放量检测

人造板甲醛释放量微波萃取法是利用微波能强化游离甲醛的挥发速度，即利用微波加热来加速人造板样品中游离甲醛的萃取过程。与常规的甲醛释放量穿孔萃取法相比，微波萃取不使用甲苯，具有速度快、效率高、无污染等优点。吕长富等以水为萃取液，通过微波对人造板游离甲醛进行萃取，萃取时间少于3 min[25]。李小科等研究了中密度纤维板中甲醛释放量微波萃取方法，并进一步分析了微波萃取法与穿孔法的相关性[26]。

4 微波技术应用展望

通过对微波技术在我国木材工业的研究与应用情况的回顾可以看出，对微波干燥技术、改性技术研究较多，在产品质量检测方面的研究较少。然而随着木材资源的日益减少，木材工业研究的对象逐渐扩展到竹材、农业剩余物、藤材及其他禾本、草本植物。由于资源短缺和市场需求的持续增长，高效、节能是必然趋势。因此，微波技术在木材工业中的应用显得越来越重要。

4.1 木材干燥技术

微波干燥技术在我国木材加工行业的研究和应用较早，所以现在已初步掌握了微波加热原理和干燥工艺。由于微波干燥成本较高，主要用于珍贵木材的干燥。微波干燥技术关键难题是设备价格昂贵，阻碍了微波技术的进一步应用和推广。其解决途径是进行技术创新，增强PLC编程控制器、磁控管、微波变压器、变频器等核心部件的研发能力。虽然掌握微波设备核心技术需要一定时间，但微波干燥技术的产业化前景十分可观，微波干燥将是干燥技术在木材工业应用的主要发展方向。