电子束技术在竹材仓储中的应用前景

孙丰波 费本华 江泽慧

(国际竹藤中心 北京 100102)

竹类植物生长周期短，可再生性强，其价值集生态学、材料学和人文特性于一体，一次种植，永续利用[1]。近年来，竹资源的广泛开发与利用对于缓解我国木质资源缺乏发挥了极其重要的作用，竹材、竹制品在建筑、装饰、造纸等多个领域广泛应用，展现了良好的产业前景。然而竹材中的营养物质，如淀粉等的含量较高，容易引发竹材霉变和虫蛀，甚至腐朽等，不易仓储；竹材所含木质素经紫外线照射容易产生降解，形成有色基团，容易发生变色[2-3]；竹材的天然特性要求其产业发展须依靠绿色环保的仓储加工技术。

竹材仓储是指为了克服竹材生产和需求2个阶段之间的时间差，保证竹材的效用不会因为时间而下降，将竹材及竹制品存放至仓库进行管理的措施。在仓储过程中，为了延长竹材的保质期，解决竹材虫蛀、霉变和腐朽等问题，必须对竹材、竹制品进行防护预处理。目前竹材仓储加工预处理主要通过干燥或者直接进行炭化处理，能耗高，很难兼顾性能、环境友好及高效利用等指标。大量研究表明，电子束辐照技术已在粮食、水果、蔬菜、干果、肉类、水产品等的仓储保鲜领域有广泛的应用，是一种绿色环保的仓储预处理技术，可以直接灭杀害虫或致使害虫不育、不孵化和不羽化等，能彻底解决霉菌灭杀、虫蛹难杀和虫害抗性等常规防治存在的难题，可替代或补充化学熏蒸剂等传统的处理手段[4]。另外，电子束具有很高的能量，对纸张、木板等介质具有强穿透能力，可直接对包装好或者贴标签的产品进行处理，从而实现动态处理，提升仓储的机械化、自动化和智能化水平。

2020年新冠肺炎疫情爆发，令人始料未及，是对中国仓储行业的一次重大考验，对各类仓储产品的杀菌、消毒、保鲜技术要求也越来越高，绿色环保的仓储技术成为发展主流。在此背景下，将电子束辐照技术引入竹子仓储加工、功能性改良领域，通过系统地表征电子束辐照对竹材结构、化学成分、物理力学性质、防霉机制等的影响规律及其内在联系，全面评价电子束辐照对竹材品质的影响机制，研发竹子电子束仓储技术、加工利用技术，推动竹木材改性技术的升级换代，对于现代仓储技术的绿色、环保、可持续发展，促进竹子仓储技术的高效化、精准化、规模化、市场化发展，具有重要的科学价值和深远的实践意义。

1 电子束技术在竹材仓储领域应用的特点

20世纪60年代，在木质复合材料领域，利用γ射线等高能射线处理木材与乙烯基单体，或木材与含有C=C双键的预聚物，引发产生聚合，制造高性能木塑复合材料，为辐照技术在木材等生物质材料领域的应用研究开辟了新的途径[5-6]。相比传统热固化工艺，辐照法制备工艺因其操作更加简便、固化时间短、改性效果优良而越来越引起人们的重视。辐照引发固化具备如下优点：1)固化过程时间较短、反应充分，单体在实体材料中的残留较少；2)可以不用或者少用自由基作为引发剂，利于单体的回收利用，节约成本；3)在常温或者低温下均可完成，可减少单体在热挥发时的损失，能耗少、污染小，更加环保；4)可以实现实时控制反应过程，更具有可控性、可操作性；5)产品具力学、尺寸稳定性以及防腐、耐腐性能等更加优良[7-15]。

借鉴国际上辐照食品通用的相关标准，可采用放射性核素60Co和137Cs的γ射线、机械源产生的X射线和电子束等对竹材进行辐照处理，其中60Co与电子束辐照的应用最为广泛。在竹子辐照技术功能性改良领域，应用放射性同位素60Co作为辐照源，以毛竹(Phyllostachysedulis)为研究对象，利用γ射线辐照技术处理竹材，研究了不同辐照剂量处理的竹材微观构造、宏观物理力学和化学性质等的变化规律，开展了γ射线辐照技术在竹材防霉中的应用研究[16-20]，取得了很好的效果。近年来，随着国际钴源价格的不断攀升，60Co辐照的投资成本相应提高，运行成本也大幅增加；同时，在实际应用中，由于60Co辐照空闲造成的能源浪费较大，加工效率相对较低，核废料污染严重等缺点，世界各国对60Co的发展都加强了管理和控制，60Co辐照技术正在被逐渐淘汰。

相比60Co，电子加速器不需定期补充辐照源，安全防护标准更加简单，投资、运行成本相对更低，具有发射功率大、能量可调、利用率高、加工时间短、剂量吸收均匀等特点，适用范围更广，随着在各领域的应用推广，电子束辐照加工技术正逐渐成为辐照技术应用的主流发展方向。如表1所示，在相同的辐照剂量下，相比γ射线辐射法，电子束辐照需要的辐照时间更短、穿透性更强、辐照效率更高，并且电子束辐射由电子设备产生，可通过断电控制辐射，生产过程及检修防护的可控性更好，无放射废料，更加环境友好[21-22]。

表1 2种不同辐射源的技术对比

2 电子束辐照技术的主要设备

20世纪60年代，一种高功率脉冲装置由英国原子武器研究中心的J. C. Martin率先研制成功，通过产生强流脉冲电子束的热源作用，材料表面温度短时间迅速升高，材料表层成分及组织结构发生变化，使材料表面的硬度、耐磨、耐腐蚀等性能提高，从而延长材料及构件的使用寿命[23-24]。电子束技术的主要设备如图1所示，主要功能如下[25]。

图1 电子束技术的主要设备

2.1 电子加速器系统

依靠电子加速器获得足够的高能量，再通过扫描器形成单向运动的辐射束，主要包括控制系统、微波功率源系统和恒温水冷系统等。辐照能力与电子加速器功率有关，国际上成熟生产和运行的工业加速器功率主要在50～200 kW。

2.2 传输系统(束下线)

用于运载加工货物，可依据被辐照物料的不同，设计不同的结构装置。设计必须满足物料输送、辐照面形成、辐照剂量尽可能充分利用等要求。

2.3 冷却系统

被辐照物料及传输装置因吸收大量电子动能产生热量，必须配套冷却系统以保证辐照系统长期稳定地工作。

2.4 供配电系统

为保证整个辐照加工主机及各部设备的电力供应和临时断电保护，设有专门的供配电系统。

2.5 排风系统

为了加强作业环境的空气清洁和气流流通，减少电子直线加速器工作时产生的少量臭氧及氮氧化物，需配套建设相应的通风除尘系统，并按照国家相关环保要求进行设计施工。

2.6 安全保护及监控系统

安全保护系统主要是为保护作业人员免受电子辐射伤害而配套的一系列装置和设备。系统的有效运行不仅包括保护操作人员的辐射安全，也包括对装置周围环境的保护，防止辐射危及公众安全。实时监控系统用于在加速器工作状态下，对束下辐照加工区域的监视和控制。

2.7 剂量测量系统

剂量测量系统是完成辐照作业的基础和保证，主要功能包括：测量接受的辐射剂量、测定辐照受体的剂量分布，通过剂量测定，有效控制辐照工艺。常用的辐照剂量计主要有2类：一类是精度高，但结构、操作复杂；另一类是日常检测用工作剂量计，测量简便、快捷。

3 应用现状及前景分析

电子束辐照技术是一种环保、绿色、可持续发展的仓储加工技术，具有良好的应用前景。在竹子仓储领域，利用电子束技术处理竹材，使辐射能代替热能，不仅可以降低能源消耗，而且在一定范围内降低了化学防护剂的使用，是践行节能减排、环境友好等基本国策的有效途径。

在仓储加工领域，电子束辐照技术的使用，不仅可以有效防治、杀灭害虫，防止霉变、腐朽，而且耗能少、效率高，已广泛应用于农产品储藏加工，尤其在粮食及其仓储加工技术领域，陈晓平等[4]对电子束辐照对大米遗传毒性进行评价，未发现电子束辐照大米显示遗传毒性作用；冯敏等[26]发现在不影响大豆品质的前提下，电子束辐照可使杀菌率达到100%；Youssef和Aziz 等[27-28]利用γ射线辐照杀灭黄曲霉，5 kGy的辐照剂量便可将黄曲霉全部杀死；崔龙、王若兰等[29-30]利用电子束对大豆进行辐照处理，分析了大豆的蛋白质含量、含油率、氨基酸组成及含量等营养品质在辐照过程中的变化规律，探讨电子束辐照对大豆蛋白质特性、抗营养因子活性及油脂品质的影响，研发了大豆的电子束辐照处理技术和储藏工艺。同时，辐照技术在水产品、中草药、烟草、干果、冷冻蔬菜等的仓储加工领域也有广泛利用[31-34]。

在木质材料领域，利用电子束辐射交联和辐射接枝是木材等高分子材料改性的常用方法。Stacy等[35]利用电子束辐照处理和加热法，制成了木塑复合材料，结果表明利用电子束进行辐射固化的丙烯酸酯聚合物比热固化方法转化效率高，固化的不含烯烃类官能聚乙二醇的低聚物损失量更低，并在木材内部完全固化，形成网状结构，提高了木材的尺寸稳定性和力学性能。唐辉等[36]利用电子束辐射制备出增强改性木材，对浸渍40%～150%的苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯单体的木材进行辐射处理，与原木材相比，抗压强度和硬度提高了50%～100%，吸水率降低至10%～30%。美国、加拿大等国家率先对木基木塑复合材料的研制取得了进展，研发出多种实验或工业化产品。相对于其他国家，中国从事木材辐照改性研究起步较晚，截至2018年年底，中国改性木材的年产量约30万m3，木基木塑复合材料作为高档地板用材料，可用于港口、码头、机场等地方，或者影院、游乐场、办公楼等场所。另外，电子束辐照可以用于纳米纤维素制备，崔国士等[37]利用电子束辐照制备了直径为60 nm的纳米纤维素分散液；同时，利用电子束辐照也可以对木材表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性进行改良。

综上所述，电子束技术展现出良好的应用前景，目前有关电子束辐照竹材的研究至今未见报道。在前期研究的基础上，提出了竹材电子束仓储主要工艺流程，如图2所示。为了开发竹子的新型绿色环保仓储技术，降低能耗和成本，提出竹子电子束辐照改性的优化方案，提升该技术的市场推广性，如何替代60Co辐照加工技术，使电子加速器及其衍生技术应用到竹材仓储加工领域，成为当前辐照技术在林业领域应用研究的重点。竹材辐照技术是核技术和林业交叉发展起来的高技术产业，对其研究应用不仅能定向改良竹材品质，实现竹材性能改善的目的，而且对于推动竹木材仓储加工及改性技术的升级换代，具有重要的科学价值和深远的实践意义。

图2 竹材电子束处理仓储工艺

4 小结

仓储是连接收购、销售和加工的重要中间环节，在调节供需、平抑市场、保持产品品质、提高经济效益等方面有重要作用。将成熟竹材及时采伐，及时仓储，适时利用，不仅有利于保障木材安全，而且有利于完善竹产业链条，帮助竹加工企业降低生产成本，提高市场竞争力。这一措施让竹林采伐、竹材加工按周期顺利进行，可持续保持竹林健康，是对再生资源的持续性积累，是国家材料、能源安全的重要举措[1]。竹材的加工利用迫切需要科学、绿色、高效的仓储加工技术。辐照技术处理竹材是核技术和林业交叉发展的高科技产业，具有辐照束流集中定向、辐照效率高、不产生放射性废物、无残毒、环保、低能耗和运行操作简便等特点。将电子束辐照技术引入木竹材的仓储加工、功能性改良领域，使辐照代替竹材化学防护剂，辐射能代替热能，不仅能开发竹材仓储新技术、定向改良竹材品质，而且可以显著降低竹材改性的能源消耗，符合我国长期以来大力提倡的环境友好、节能减排等基本国策，具有广阔的应用前景。