竹材介電性質研究

徐世克，湯 穎，章衛鋼，俞旭鋒，潘恩琴，李延軍

（浙江農林大學工程學院，浙江 臨安 311300）

竹材介電系數和介質損耗角是竹材介電性質的重要組成因子，是表明竹材在交變電場下介質極化和儲存電能能力的一個量，不僅對竹材高頻、微波加熱和竹材含水率的測量具有重要意義，而且能加快高頻微波加熱、軟化在竹材加工中的應用，同時為竹材密度檢測提供依據。高頻和微波加熱技術主要利用木竹材介電性質來進行木竹材的干燥、膠合、軟化、含水率測定等[1]。目前，國內學者對射頻下和微波頻率下等不同頻率段的常見樹種進行了介電性能的研究[2～5]。而國外學者對木材介電性質在較廣泛的范圍內作了研究[6～12]。但是國內外對竹材的介電性質研究較少，本文擬通過對竹材含水率、紋理、頻率等因素對竹材介電性質的影響進行系統研究，借鑒木材干燥時高頻常用頻率為7 ～ 13.6 MHz，在酚醛和脲醛膠膠合時頻率為13.5 MHz，主要針對竹材在高頻頻率范圍內的介電性能進行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料毛竹取自浙江省臨安市，選取不同竹齡的毛竹，將其剖分后制備成相同長度的竹片，將竹片按毛竹同一部位不同的紋理方向膠合成100 mm×40 mm×20 mm（長×寬×厚）的小竹方，再鋸制成直徑30 ～ 40 mm，厚度2.0 ± 0.5 mm的圓形薄竹片，用砂紙打磨光滑，使其厚薄均勻。實驗干燥后，放入干燥器內，按照實驗要求，利用調溫調濕箱調節含水率。

1.2 試驗方法

研究竹材紋理方向（橫向、徑向、弦向）、含水率（0% ～ 50%）、頻率（主要選取高頻射頻頻率段附近60 kHz ～ 13 MHz）、不同部位（節子、節間）、竹齡（1、2、4、6 a）等因素對毛竹介電常數和介質損耗角的影響及其相互之間的關系。

采用介電常數測試儀（STD-A），在恒定溫度20℃環境中進行測試，根據試驗需要選取電感，調整測試儀器頻率，一般為和電感相匹配的頻率。電感值為0.1 μH ～ 250 mH共7檔，可調頻率范圍為：100 kHz ～ 50MHz。介電常數計算方法：

式中：C為試樣的電容量（PF），C1為未放試樣測量電容，C2為放入試樣測量電容，ε為介電常數，d為試樣厚度（m），Ф為試樣直徑（m）。

介質損耗正切角tanδ計算方法：

式中，Q1為未放試樣測量電感；Q2為放入試樣測量電感。

2 結果與分析

2.1 紋理方向對竹材介電常數的影響

從圖1可以看出，在同含水率、溫度、頻率下測得不同紋理方向毛竹的介電常數，竹材橫向介電常數明顯大于弦向和徑向的介電常數，弦向介電常數和徑向介電常數相差不大。這主要與竹材的各向異性有關，竹材以縱向紋理為主，纖維長寬比比較大[13]，這就有利于各種物質和能量在縱向的傳導；微觀結構上，竹材的的組織大部分也是縱向的，因而竹材分子在縱向具有更大的活化能。在電場條件下，竹材在縱向的電流傳導遠遠大于徑向和弦向，弦向和徑向的傳導受到縱向組織的阻礙，竹材橫向分子官能團具有更大的自由度，能產生較大的活化能，因而介電常數相對于其他兩個方向要大些。

2.2 含水率對竹材介電常數的影響

從圖1可知，竹材介電常數隨著含水率的增加有顯著增加趨勢，介質損耗角正切值tanδ也隨含水率升高而明顯增大。在低于纖維飽和點時，隨含水率的增加，介電常數增加比較緩慢；在纖維飽和點附近時，竹材介電常數隨著含水率的增加而急劇增大；在含水率高于纖維飽和點時，含水率和介電常數近似成線性關系。

圖1 不同紋理方向竹材介電常數隨含水率的變化Figure 1 Effect of bamboo texture on dielectric constant

竹材從絕干開始隨著含水率的增加，竹材中結合水的含量逐步提高，水的介電常數比較高（81）[13]，因此竹材介電常數會隨著竹材中水分的增加而提高。在纖維飽和點以下時，竹材細胞的結合水還未處于飽和狀態，竹材分子的官能團自由度比較小，分子運動能量小，影響了電流的傳導，介電常數增加就比較緩慢。當竹材含水率繼續增加，隨著竹材中結合水含量增加，在電場作用下竹材內部的分子運動急劇增加，活化能提高，在竹材纖維飽和點附近竹材分子運動劇烈，運動加速，電流傳導隨之加大，介電常數明顯提高；當含水率高于纖維飽和點時，結合水不再增加，竹材中的自由水不斷增加，此時竹材結合水對介電常數的影響不再起主導作用，自由水開始發揮主導作用，隨著自由水含量的增加，竹材分子運動速度減慢，竹材介電常數和含水率成線性相關關系。

2.3 頻率對竹材介電性能的影響

圖2、圖3為不同紋理方向的氣干毛竹材在不同的頻率下測量的介電常數和介質損耗角正切值。

由圖2、圖3可知，3個紋理方向竹材介電常數均隨著測量頻率的增大而減小；介質損耗角正切值也隨著頻率增大逐漸減小。從60 kHz到600 kHz介電常數隨著頻率的增加，降低明顯；從600 kHz到6 MHz，介電常數隨著頻率的增加變化不顯著；頻率大于6 MHz后，介電常數隨著頻率的增加而明顯增加。

圖2 介電常數隨頻率變化Figure 2 The dielectric constant and frequency

圖3 介質損耗角正切值隨頻率變化Figure 3 The tanδ of dielectric loss and the frequency

在低頻率下，竹材中一部分水分子和組織分子中的自由基隨著電流的變化而運動被激活，隨著頻率的不斷升高，竹材內部一部分水分子和組織分子自由基運動變化速度來不及跟上頻率的變化，被激活的自由基數目減少，電流在竹材內部的傳導減少，介電常數逐漸減小。當頻率大于600KHz后，竹材內部一部分分子運動來不及隨著頻率的變化速度，介電常數減少緩慢。

2.4 不同竹齡和部位毛竹介電性能的變化

由表1可知，相同頻率（13.6 MHz）和相同含水率（12%）條件下測試不同竹齡竹材的介電系數ε和損耗角正切tangδ時，介電常數ε先隨著竹齡增長而變大，4年左右最大，后又減小。介電常數隨著竹齡的變化規律與毛竹的生長特性有關，竹材密度隨著竹齡的增加逐漸增大，4年左右毛竹密度最大，介電常數也最大，之后隨著竹齡的增加，竹材逐漸到了老化年齡，密度逐漸減小，介電常數隨之減小。

相同含水率（12%）、溫度（20℃）、頻率（13.6MHz）條件下測試竹節部與竹間部位的介電常數。介電常數：節子 ＞ 節間。介質損耗角正切值：節間 ＞ 節子。節間部位介電常數比節子部位大，但是差別不顯著。

對于竹材，一方面節子部位的木質化現象比較嚴重，纖維素含量高，節子密度大于節間密度[13]，細胞壁物質含量大。另一方面節子部位分子官能團自由基數目比節間部分多，在電場中被激活的自由基數目增加，電流傳導加速，介電常數隨之增大。

表1 毛竹介電常數和介質損耗正切角Table 1 The dielectric constant and dielectric loss of bamboo culm

3 結論

（1）毛竹材橫向介電常數大于徑向、弦向介電常數，徑向弦向介電常數差別不明顯。

（2）介電常數隨著竹材含水率不同變化顯著，在纖維飽和點附近，竹材介電常數隨著竹材含水率不同變化顯著，高于纖維飽和點時，介電常數和竹材含水率近似成線性關系；

（3）竹材介電常數隨著電場頻率的增加而減小，變化顯著，當電場頻率高于600 kHz后，介電常數隨著電場頻率的增大變化緩慢。

（4）竹材年齡和竹節對竹材介電性能的影響，主要是因為竹材密度和竹材材質的不同，規律相對簡單，具體規律不顯著。

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