微波技術在我國木材加工與產品檢測中的應用

沈斌華，李小科，單志超，葉春香，崔啟鵬，姜 俊

（浙江省木業產品質量檢測中心南潯檢測所，浙江 湖州 313009）

微波技術是近代科學研究領域的重大成果之一，經過近十年的發展，它已經成為一門比較成熟的學科。微波技術具有高效、均勻、環保、節能等優點，廣泛應用于環境保護、生物、食品、商檢、醫藥、農業、地質、冶金、石油、化工等各個行業。微波技術在木材工業領域的應用也越來越受到重視，它可以大幅度縮短干燥時間、改善材性，還可以快速檢測產品質量。本文概述了微波技術在我國木材干燥、木材改性、膠粘劑合成、材料缺陷檢測、含水率檢測、甲醛釋放量檢測等方面的研究成果，為微波技術的進一步研究和應用提供參考。

1 微波技術在木材加工中的應用

1.1 木材干燥

微波干燥是利用高額振蕩的電磁波使木材中的極性水分子頻繁擺動產生的摩擦作用來加熱材料，熱量在內部直接產生，分布均勻，木材的溫度梯度和含水率梯度較小，具有加熱時間短、干燥質量好、提高出材率等優點。我國木材微波干燥技術經過近40年的發展，已形成一定規模。

20世紀70年代，我國對木材用微波干燥設備進行了初步研究，同時對微波干燥木材工藝進行了探索，初步掌握了微波設備制造技術。南京七七二廠研制出了木材微波干燥機，上海長征木材制品廠研制出大型駐波場諧振腔隧道式木材微波干燥機。這兩類型的微波干燥機應用結果表明微波干燥可以使干燥時間縮短幾十倍，但由于設備、工藝不成熟造成了木材開裂、變形等缺陷。

20世紀 80年代，我國木材干燥方面的專家對微波干燥工藝進行了一些基礎性研究，總結出了微波干燥木材的基本工藝。佟永會等研究了微波功率、干燥時間、干燥速度、含水率與干燥質量的關系，發現干燥速度和失水率均隨輻射功率和輻射時間的增加而增加，而木材干燥質量在一定限度內并不因此而發生變化[1]。朱政賢等通過對微波干燥常用樹種生產性工藝的試驗，總結出了常用樹種和規格鋸材的諧振腔型干燥機微波干燥基準[2]。

20世紀 90年代，我國木材微波干燥設備的生產技術得到進一步提高，設備的安全性和經濟性得到改善，通過對竹木材料的微波干燥試驗，總結出了基本可行的干燥工藝。南京七七二廠研制了 WX40L系列新型木材微波干燥機[3]，并在無錫家具二廠等十幾個工廠成功應用。葉宇煌等設計了一條竹料微波干燥線，每小時能將115 kg含水率為20%的竹筷干燥至10%，同時具有殺蟲防霉功能[4]。王麗宇研究了刺槐小徑木圓截片、斜截片微波干燥技術，提出刺槐小徑圓、斜截片的微波干燥工藝[5]。

進入21世紀，我國對微波干燥理論基礎、干燥設備、應用技術進行了系統研究，微波干燥技術在我國木材干燥中的應用逐步推廣。貴陽新奇微波工業有限公司研制出了WBD系列木材微波干燥機[6]。該設備具有干燥質量好、能保持木材的原色澤、干燥效率高等優點，初含水率為20%的木材干燥到10%只需8 h，而傳統干燥則需40 h。焦士龍等用微波干燥水青岡木材，研究了微波干燥動力學規律，建立了非穩態干燥速率方程[7]。王喜明等對微波作用下木材干燥應力釋放機理進行了初步研究，結果表明，木材經微波干燥處理，可以減弱木材干燥應力，減少含水率梯度，改善其干燥性能[8]。李賢軍以馬尾松為試材研究了木材微波真空干燥的基本規律，發現隨著微波輻射功率、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應地增加[9]。

1.2 木材改性

木材微波改性技術，是用一定頻率的微波局部或全部處理木材，破壞木材細胞壁上紋孔膜的薄弱環節，提高滲透性能，從而進行染色、浸漬等處理[10]。通過改性技術，可以賦予竹木材某些特殊的功能，使低檔竹木材高檔化，從而有效地利用竹木材料，提高經濟價值。

微波技術對于密度低的木材的滲透性改善最為明顯，為人工林木材的高效利用奠定了一定的基礎。楊琳等利用微波射對落葉松木材試件進行不同功率的處理，發現微波輻射能破壞落葉松木材徑向的薄壁細胞，細胞同時產生微細裂紋，輻射功率越大裂紋越明顯，滲透性更明顯[11]。

微波輻射可以軟化木材，能使木材在很短時間內彎曲成不同曲率半徑的形態。陳太安等利用微波加熱研究了楊木、楓揚、池杉和泡桐四種木材的彎曲性能，結果表明，楊木和楓楊在微波處理后，彈性模量變小，有助于木材的彎曲處理[12]。李軍研究了微波加熱水曲柳試件的彎曲工藝參數與產品質量的關系，最佳工藝條件為木材含水率60%，微波功率400W，加熱時間2 ～ 5 min[13]。

木材通過微波預處理，內外色澤更加均勻，木材利用價值更高。李賢軍等研究了微波預處理木材染色方法，具有設備投資小、工藝簡單、處理效果好等優點[14]。

通過微波處理將阻燃藥劑注入木材，阻燃藥劑不易流失，阻燃效果更加明顯。李曉東研究了微波處理技術在樟子松和水曲柳木材阻燃處理中的應用情況，實驗結果表明，采用微波處理的樟子松和水曲柳的阻燃效果優于常規處理方法[15]。

采用微波技術將化學物質浸漬入木材，可以提高木材密度，使木材強度增加。萬東北等研究了微波輻射作用下杉木的氰乙基化改性技術，發現采用微波輻射20 min可獲得與傳統的恒溫水浴反應240 min同樣增重效果的氰乙基化木材[16]。滕莉麗等利用微波輻射對杉木芐基化改性進行了研究，杉木微波輻射100 min，增重效果與常規加熱法基本相同，但反應時間縮短了58%[17]。

2 微波技術在膠粘劑合成中的應用

借助微波技術進行膠粘劑合成，反應速度比傳統的加熱方法快數十倍，具有操作簡便、產率高、安全衛生等特點。徐衡等以苯酚和甲醛為原料，在堿性條件下用微波加熱法合成了酚醛樹脂[18]。馬春平等以葡萄糖代替甲醛在堿性條件下以微波加熱法合成葡萄糖苯酚樹脂膠粘劑[19]。何承東等以尿素和甲醛為原料，在弱堿性條件下用微波加熱合成了脲醛樹脂[20]。

3 微波技術在產品質量檢測中的應用

3.1 材料缺陷檢測

多層膠合板、單板層積材通常會有氣孔、疏松、樹脂開裂、分層、脫粘等缺陷，木材通常會有樹節、裂紋、傷疤等缺陷，這些缺陷在材料中的位置、尺寸可用微波檢測技術進行評定。微波在竹木材料的不連續界面處產生反射、散射、透射，同時與被檢測材料產生相互作用，微波場受到材料中的電磁參數和幾何參數的影響，通過測量微波信號基本參數的改變達到檢測竹木材料的缺陷。

M.Rockwitz等提出復合材料缺陷檢測理論，公式為Ka≈1，該理論根據氣隙的半徑、微波功率計算缺陷尺寸[21]。鄧志剛等研究了板材缺陷的微波檢測技術，板材通過微波傳感器進行缺陷檢測，通過激光定位器定位,把信號輸入計算機，在計算機上清晰地顯示出節子的數量、尺寸和位置，軟木和硬木的最大檢測厚度分別為65 mm和50 mm[22]。

3.2 竹木產品含水率檢測

微波檢測含水率有加熱烘干和測量介質介電常數兩種方式，其最大的優點是快速，適用于含水率快速測定和在線測定，對生產過程的水分測定和控制有重要意義。尹曉兵等提出了微波爐—烘箱法（WB-HX）檢測南方松木材含水率的方法[23]。該法總的測定時間為4 ～ 6 h，比常規的烘箱干燥法減少7 h左右，檢測成本降低50%左右。蔣蓓應用微波技術研究單板含水率在線檢測系統，系統通過測量水的介電常數的變化值達到測量含水率的目的，具有使用方便、速度快、測量精度高等優點[24]。

3.3 人造板甲醛釋放量檢測

人造板甲醛釋放量微波萃取法是利用微波能強化游離甲醛的揮發速度，即利用微波加熱來加速人造板樣品中游離甲醛的萃取過程。與常規的甲醛釋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、無污染等優點。呂長富等以水為萃取液，通過微波對人造板游離甲醛進行萃取，萃取時間少于3 min[25]。李小科等研究了中密度纖維板中甲醛釋放量微波萃取方法，并進一步分析了微波萃取法與穿孔法的相關性[26]。

4 微波技術應用展望

通過對微波技術在我國木材工業的研究與應用情況的回顧可以看出，對微波干燥技術、改性技術研究較多，在產品質量檢測方面的研究較少。然而隨著木材資源的日益減少，木材工業研究的對象逐漸擴展到竹材、農業剩余物、藤材及其他禾本、草本植物。由于資源短缺和市場需求的持續增長，高效、節能是必然趨勢。因此，微波技術在木材工業中的應用顯得越來越重要。

4.1 木材干燥技術

微波干燥技術在我國木材加工行業的研究和應用較早，所以現在已初步掌握了微波加熱原理和干燥工藝。由于微波干燥成本較高，主要用于珍貴木材的干燥。微波干燥技術關鍵難題是設備價格昂貴，阻礙了微波技術的進一步應用和推廣。其解決途徑是進行技術創新，增強PLC編程控制器、磁控管、微波變壓器、變頻器等核心部件的研發能力。雖然掌握微波設備核心技術需要一定時間，但微波干燥技術的產業化前景十分可觀，微波干燥將是干燥技術在木材工業應用的主要發展方向。

4.2 微波改性技術

木材改性是改善木材性能、實現次材優用的重要途徑。微波處理可以改善和克服竹木材料干縮濕脹大、尺寸穩定性差、易變色、易燃、不耐腐、不耐磨等缺陷。我國在微波技術木材改性方面的基礎性研究較薄弱，缺少應用性研究。因此，必須加大對微波改性的研究力度。

4.3 微波無損檢測技術

微波無損檢測是在不破壞竹木材的性能和使用效果的前提下，檢測板材缺陷、人造板的彈性模量、靜曲強度、密度等性能指標。微波無損檢測使竹木材料及人造板的質量控制和管理達到一個新水平，為人造板生產過程的工藝控制和自動化提供了必要條件。微波無損檢測技術在結構材、原木、層積材的質量檢測中有良好的發展前景。

4.4 微波萃取甲醛釋放量檢測技術

微波萃取技術在人造板甲醛釋放量檢測中的應用剛剛起步，需要借鑒微波萃取技術在環境、生化及食品分析中取得廣泛的應用經驗，加強甲醛釋放量專用微波萃取儀器設備的研究，加強萃取工藝的研究，加強微波萃取法檢測結果重復性和準確性研究，加強微波萃取法與穿孔萃取法可比性和相關性研究，使其得到更廣泛、更合理的利用。

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