含水率对铣削木粉尘质量浓度和粒径分布的影响∗

2021-09-26王慧敏汪海波蔡依彤崔运祺朱南峰

林产工业 2021年9期

王慧敏汪海波蔡依彤崔运祺朱南峰

（南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037）

木材加工过程中会产生大量木粉尘，木粉尘对人体、环境及机械设备有极大的危害[1]，较高的木粉尘浓度甚至还会引发粉尘爆炸[2-3]。目前，常用的木材除尘器主要有旋风分离除尘器和脉冲袋式除尘器[4]。利用旋风分离器收集和清除设备上的粉尘，能量消耗大，污染环境，该法在木材加工领域的应用逐渐减少[5]。大多数木工车间使用脉冲袋式除尘器，但仍然存在诸多弊端，不能较好地除尘及保障工人身体健康[6]。在有关木粉尘的研究中，Očkajová等[7]研究发现，橡木、山毛榉在砂光过程中产生的粉尘颗粒大多为等距形状，而云杉粉尘颗粒大多为纤维形态；山毛榉粉尘颗粒含量最高，为93.34%，橡木粉尘为87.26%，云杉为76.94%。相关研究大多集中在刀具类型、木材种类与切削参数对木粉尘形成的影响[8-10]。Darmawan等[11]研究了直刃和螺旋刃铣刀对松木切屑形成的影响，结果表明：随着铣刀螺旋角的增大，螺旋型和流动型切屑数量增加，颗粒状切屑减少。Ugulino等[12]研究发现，红橡螺旋刨削产生的粉尘(0.1～15 μm)排放量随平均切削厚度的增加而减小。蒋永清等[13]在机床沿程方向布置采样点，发现在木工镂铣机床工作过程中，产尘浓度与镂铣刀具的切削速度成正比。汪海波[14]研究了铣削中密度纤维板(MDF)产生的粉尘流动性，此外还研究了进给速度、主轴转速、铣削深度对粉尘质量浓度及降尘质量的影响，提出降低转速、减小铣削深度、增加进给速度可降低粉尘质量浓度。

木材含水率也会对木粉尘产生很大的影响。目前含水率与粉尘的关系研究主要集中在煤矿开采[15]、金属加工[16]、生态环境[17]等行业，有关含水率对木粉尘的影响研究报道较少。因此，本文以木材含水率为切入点，以辐射松和红橡为研究对象，研究含水率对这两种木材在铣削过程中产生的粉尘质量浓度、粒形粒径分布情况的影响，以期为后续除尘设备及系统的设计提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

辐射松（Pinups radiata）与美国红橡（Quercus rubra）径切板材，尺寸为300 mm × 150 mm × 20 mm。试验前，对木板进行含水率调节。将木板在室温下置于蒸馏水中浸泡，隔一段时间取出称重，待其含水率达到预定水平，取出木板并用密封袋置于冰箱中存放3～5 d，使其含水率进一步均匀。本次试验选用的含水率水平为5%（绝干）、10%（气干）与35%（纤维饱和点附近）。

1.2 设备

铣削试验采用中国南兴装备股份有限公司制造的MGK01高速木材复合加工中心，选用川木三刃直柄铣刀，柄径×刀径×刀长均为12 mm × 8 mm × 20 mm；粉尘质量浓度测定采用配有TSP切割器的LD-5C激光粉尘仪，日本柴田科学公司制造；粉尘粒径粒形试验采用Scan 600粒径粒形分析仪，欧奇奥公司制造。

1.3 试验方法

1.3.1 铣削试验

试件铣削加工过程如图1 所示，被加工工件吸附在木工工作台上，刀具右偏置且沿顺时针方向旋转，图中直线代表刀具的铣削路径，进给方向、铣削深度如图所示。铣削中，控制工件铣削总量一定，主轴转速为16 000 r/min，进给速度为2 000 mm/min，铣削深度为2 mm，铣削宽度为3 mm，铣削时间为1 h。试验中关闭木工机床的吸尘装置，紧闭门窗，每组试验重复3 次。

图1 试件铣削加工示意图Fig.1 Schematic diagram of sample milling

1.3.2 木粉尘质量浓度和粒径粒形测点布置

在铣削加工工作面上，选定板材的中心点为原点，以刀具进给方向为Y轴正方向，水平面逆时针90°方向为X轴正方向，建立XOY平面坐标系。根据GBZ 159—2004《工作场所空气中有害物质监测的采样规范》要求进行监测[18]。

使用粉尘浓度采样仪检测粉尘浓度，测点布置如图2 所示。在X轴方向上以500 mm为一个间隔，布置5 列，Y轴方向上同样布置5 列，得到一个5×5 的网格，网格的25 个交点即为采样点位置；在X轴上距原点±250、±750 mm位置处增加4 个采样点，Y轴也同样增加4 个采样点；共计布置33 个采样点。每次铣削试验中，将激光粉尘仪置于距离地面700 mm的位置处，与试件板材同等高度。

漂浮在空气中的粉尘微粒很难捕捉，直接收集很难，因此选定采样水平面X轴正方向上250 mm处为粉尘粒形粒径采样点，即图2 所示的A点，在该点位置上放置直径为40 mm的滤膜，对铣削加工过程中产生的粉尘收集取样。

1.3.3 木粉尘质量浓度采样分析试验

采用激光粉尘仪对粉尘质量浓度进行测量，流量为2 L/min，用直径40 mm的滤膜采集。在一个空间采样点连续监测10 次（1 min/次），对10 次数据进行加权计算，得出的平均值即为该位置处的粉尘浓度值。每测完一个采样点位置处的粉尘质量浓度，按照从左到右、从上到下的顺序将激光粉尘仪放置在下一个采样点位置处，依次挪动，从而得到整个空间内的粉尘质量浓度分布情况。由于不同木材对光度法测定值有一定的影响，因此根据式（1）确定质量浓度校正系数Kt值[19]。本文选用的校正系数Kt值如表1 所示。

表1 校正系数Kt的测定Tab.1 Determination of correction coefficient Kt

质量浓度转换系数Kt计算公式如下：

式中：ρ为粉尘仪直接读出的空气中粉尘质量浓度值，mg/m3；m2为采样后滤膜质量，1×10-3g；m1为采样前滤膜质量，1×10-3g；Q为采样空气流量，L/min；t为采样时间，min；K0为激光粉尘仪默认系数，0.001；Kt为质量浓度校正系数。

1.3.4 木粉尘粒径粒形采样分析试验

采用粒径粒形分析仪对样品进行粒径和形貌的统计分析。本研究设定灰度阈值为80。使用取样勺选取少部分粉尘样本（粉尘颗粒个数大约在1 000 个）置于有机薄膜上，木粉尘重复测量4 次，避免背景中的噪声信号影响试验结果。

2 结果与分析

2.1 粉尘质量浓度分布

图3 为辐射松粉尘质量浓度分布位置云图，其分布位置与图2 所示空间坐标系位置相同。随着木材含水率增加，区域内各点的粉尘质量浓度逐渐降低，高浓度区域分布面积逐渐减小；而低浓度区域内各点的粉尘质量浓度变化趋于平缓。

图3 辐射松粉尘质量浓度分布位置云图Fig.3 Cloud chart of mass concentration distribution of radial pine dust

图4 为红橡粉尘质量浓度分布位置云图，其分布位置也与图2 所示空间坐标系位置相同。随着含水率的升高，整体的粉尘浓度均呈明显下降趋势，分布规律与辐射松粉尘质量浓度相同。与辐射松粉尘质量浓度值比较，红橡粉尘质量浓度值降幅更大，高浓度区域分布面积减小的速度更快。说明增大含水率对减少红橡的粉尘浓度效果更为明显。

随着含水率增加，两种木材的粉尘质量浓度均下降。一方面，铣削产生的粉尘由于水分粘性力的作用相互吸引，不易随表层高能湍流场运动，另一方面，细小粉尘被牢固地吸引在大颗粒粉尘附近从而扬尘被抑制，辐射松和红橡粉尘质量浓度因此均整体呈减小趋势[20]。

由图3、4 可见，两种木材的粉尘高浓度区域和低浓度区域界限均比较明显。高浓度粉尘主要集中在X轴±250 mm，Y轴±250 mm范围内，也就是被加工板材附近；低浓度区域则在远离被加工板材的空间位置。这是因为，板材位置处一直进行铣削加工，源源不断地产生粉尘，因此粉尘浓度集中在板材中心附近，且呈现出明显的高浓度区域和低浓度区域。此外，在高浓度粉尘区域范围内，粉尘质量浓度分布近似于圆形分布，每个方向粉尘质量浓度大体相等，粉尘扩散速度相同。但是，随着距离的增加，粉尘质量浓度逐渐减小，每个方向上粉尘质量浓度也出现了明显的差异。铣削加工中，刀具高速旋转，粉尘在离开刀具的同时，也获得了一定的加速度[21]，根据粉尘扩散特性，从高浓度区域扩散至低浓度区域需要一定的时间，因此距离越远，粉尘质量浓度越低。这些粉尘微粒频繁地相互碰撞，其速度和大小不停地改变着，使得粉尘在不同方向上迁移速度各不相同，因而各方向上粉尘质量浓度出现明显差异。

比较图3 与图4 可知，不同含水率下，红橡各点粉尘质量浓度均高于辐射松粉尘质量浓度。这是由于红橡硬度和密度远大于辐射松，切削时需要更多的切削力，因此切削产生的粉尘初始速度增加，粉尘间的碰撞更为剧烈，高浓度区域向低浓度区域扩散速度慢，测得的红橡粉尘浓度较高。因此可以推断含水率对粉尘浓度的影响在针叶材和阔叶材中有较明显的差异。

图4 红橡粉尘质量浓度分布位置云图Fig.4 Cloud chart of dust concentration distribution of red oak

2.2 粒径小于100 μm的粉尘质量浓度沿X轴分布情况

图5 所示为辐射松和红橡粉尘质量浓度沿X轴的分布情况。随着含水率的升高，辐射松粉尘质量浓度最大值变化明显，在含水率为5%、10%、35%时，最大值分别为6.1、4.3、3.7 mg/m3，质量浓度最小值分别为2.7、1.9、1.8 mg/m3。红橡粉尘质量浓度最大值分别为7.0、5.1、4.0 mg/m3，质量浓度最小值变化较为均匀，略高于空间内的初始粉尘质量浓度。铣削辐射松和红橡过程中，含水率从绝干到10%，仅仅增加了5%的含水率，粉尘质量浓度下降速度大于含水率从10%到35%范围内的下降速度。

图5 辐射松、红橡粉尘质量浓度沿X轴分布图Fig.5 Distribution of dust concentration of radial pine and red oak along X-axis

在木材比较干燥的情况下，小颗粒粉尘分散，增大了粉尘颗粒与气流的接触作用，而在木材含水率增至10%后，细胞间的结合水增加，小颗粒粉尘聚集在一起，粉尘质量浓度迅速下降，在含水率增至35%时，这种聚集效果不再明显，因此粉尘质量浓度下降速度减缓[22]。

2.3 粒径小于100 μm的沉降性粉尘形态

为了从微观的表面形态观察不同含水率对粉尘颗粒形状及颗粒表面的影响，对收集到的粒径小于100 μm的沉降性粉尘进行形态分析。图6 为部分收集到的粒径小于100 μm的粉尘形态图。不同含水率下，两种木材铣削产生的粉尘微观形态基本一致，以球状、块状居多，含水率对铣削木粉尘的形态无明显影响。红橡切出的粉尘与辐射松粉尘比较，红橡粉尘更为细小，形态也更为圆整规则。当颗粒物长宽尺寸相近时，其流动性会显著增加[23]，这可能是红橡粉尘质量浓度大于辐射松粉尘的原因之一。

图6 辐射松和红橡粉尘形态图Fig.6 Dust morphology of radial pine and red oak

2.4 沉降性粉尘粒径及累积粒径分布特性

图7为辐射松粉尘粒径与累积粒径分布随含水率的变化关系。由粉尘累积粒径分布曲线可知，0～100 μm之间的粉尘累积百分比大于50%，粉尘粒径主要集中在0～100 μm范围，铣削产生的粉尘主要为细小粉尘。根据粉尘粒径分布曲线，可以看出辐射松粉尘粒径峰值出现在10～25 μm范围，含水率增加，峰值出现位置不变，粉尘峰值逐渐减小，粒径小于100 μm的粉尘百分比减小。

图7 辐射松粉尘粒径与累积粒径分布Fig.7 Particle size and cumulative particle size distribution of radial pine

图8体现了红橡粉尘粒径与累积粒径分布随含水率变化的关系。红橡粉尘粒径也主要集中在0～100 μm之间，与辐射松粉尘粒径分布范围相比，两者大体相同。随含水率增加，红橡粉尘峰值逐渐减小。

图8 红橡粉尘粒径与累积粒径分布Fig.8 Particle size and cumulative particle size distribution of red oak dust

增大含水率，0～100 μm之间的各粒径粉尘百分比明显减小，累积粒径也随之减小。主要是因为当含水率低于纤维饱和点时，增加含水率即增加木材细胞间的结合水。一方面，从试验结果可以看出，含水率较高的木材在铣削过程中不容易发生劈裂现象；另一方面，从微观角度看，细胞壁逐渐软化，木材纤维韧性和强度增加，并且与刀具接触表面的粘接力增大[24]，因此含水率增加会减少小粒径粉尘的产生。

2.5 采样面粒径小于100 μm的沉降性粉尘中值粒径

工作面收集到粒径小于100 μm的粉尘中值粒径随含水率的变化如图9 所示。由图可见，含水率为5%时，辐射松和红橡粉尘的中值粒径较小，含水率为10%时次之，含水率为35%时中值粒径最大。在相同的铣削条件下，同一个采样位置处，随着含水率的升高，铣削产生的粉尘中值粒径增大。含水率增加，木材纤维的细胞壁韧性增加，破碎程度减小，其产生的粉尘颗粒粒径变大。相同含水率条件下，红橡铣削出的粉尘中值粒径均大于辐射松，并且粉尘中值粒径的增加速度也稍大于辐射松。主要是因为红橡密度和硬度较大，降低了铣削时的阻力[25]，铣削时更易切出完整的木屑，木粉尘的破碎程度较小，因而粉尘的中值粒径较大。