冷凍預處理對樟子松微波膨化的影響范文

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《木材工業雜志》2016年第三期

摘要：

采用MATLAB圖像處理方法，研究含水率、冷凍時間和冷凍溫度對樟子松冷凍預處理后微波膨化程度及均勻性的影響。結果表明：試材含水率20%時膨化效果較好，含水率在纖維飽和點以上時，在一定范圍內，提高含水率可增大膨化程度，但膨化均勻性較差；冷凍時間延長能夠提高膨化程度，對膨化均勻性影響不顯著，以冷凍36h時的膨化效果較好；冷凍溫度降低可提高膨化程度，但溫度過低使膨化均勻性變差，以–20℃冷凍時的膨化效果較好。

關鍵詞：

冷凍預處理；微波處理；膨化程度；均勻性

與天然林木材相比，人工林木材普遍存在材質差、密度及表面硬度較低等不足，功能化處理是有效改善人工林木材理化性能、提高其利用價值的方法之一。功能化處理效果與功能性助劑的浸注性能及木材細胞通道暢通與否關系密切。因此，改善木材的滲透性，提高功能性助劑在木材內部的浸注深度和均勻性，是開展木材功能化研究的核心[1-2]。提高木材滲透性的方法主要分為：外力處理（機械力、蒸汽、冰凍等）、生物處理和化學處理三種[3-4]。化學處理所用藥劑價格比較昂貴，生物處理存在接種霉菌或變色菌的可能，推廣受限。微波處理具有提高木材滲透性和木材干燥同時進行的優點[5]，近年來發展迅猛，已應用于木材阻燃、防腐等處理[6-7]，為木材的增值加工利用開辟了新途徑。但目前國內普遍采用的微波設備功率偏小，不能顯著增加木材的滲透性，使功能化處理達不到應有的效果[8]。有研究表明，通過木材的冷凍預處理，細胞腔中的水結冰后可使得細胞腔直徑增大，對細胞壁進行擠壓，破壞部分紋孔膜或產生細小裂紋[9]，冷凍材再經微波處理，可使細小裂紋進一步擴張，從而提高木材微波膨化程度和膨化均勻性。樟子松（Pinussylvestris）是目前應用較為廣泛的一種木材，其材質較軟，紋理通直，多用于化學改性和功能化處理。因此，筆者以樟子松為試材，分析冷凍預處理對其微波膨化程度及均勻性的影響，以期為樟子松木材功能化處理工藝制定提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料樟子松：外購，尺寸4000mm×300mm×300mm（長×寬×厚），刨切加工成350mm×80mm×25mm（長×寬×厚）的板條，分類、編號后，薄膜包裹，備用。

1.2試驗方法1）冷凍預處理以木材含水率、冷凍時間和冷凍溫度為變量因子，根據文獻和前期試驗結果，設定冷凍預處理的因子水平（見表1）。2）微波處理采用WX20L連續式木材微波設備，微波功率21kW，處理時間100s。

1.3膨化程度及均勻性評價1）圖像采集：將試材從中部鋸切開，以180目砂紙對橫截面砂光，用微距鏡頭采集圖像，取樣尺寸為60mm×25mm（寬×厚）。2）轉成二值圖：利用MATLAB軟件對采集的圖像進行類型轉換、圖像增強、圖像分割及圖像形態學處理，得到圖像的二值圖。3）圖像網格劃分：將二值圖像按照像素點對行（寬）和列（厚）進行網格劃分，圖片大小為4144像素×1861像素。4）裂紋統計：分別以行數、列數為橫坐標，以每一行、列的裂紋總像素點（裂紋所在處值為1，非裂紋處值為0）為縱坐標，將橫、縱坐標轉為國際單位制mm，得到相應的行、列向裂紋分布曲線。利用MATLAB軟件統計分析行、列裂紋分布曲線，得到裂紋的總面積、行向及列向裂紋尺寸均值。

2結果與討論

不同試驗條件下，試件微波膨化裂紋統計結果，列于表1。

2.1含水率的影響由表1中1~4號可知，試材含水率為20%時，微波處理后的裂紋面積高于含水率30%（纖維飽和點）時的裂紋面積。試材含水率在纖維飽和點以下時，水分以結合水為主，冷凍過程中，結合水從細胞壁內析出，引起細胞壁的較大收縮，產生細小裂隙[10]。微波處理時，由于蒸汽壓的存在，使得裂隙進一步擴展，導致20%時的裂紋面積高于30%時。當試材含水率高于30%時，隨含水率的升高，微波處理后裂紋面積呈先增大后減小的趨勢。原因是隨含水率的升高，細胞腔中更多的自由水被冷凍成冰，導致更多的細胞壁遭到破壞。微波處理后，冷凍預處理產生的細小裂紋在蒸汽壓的作用下，進一步被破壞，膨化的裂紋面積增加。當含水率達50%時，由于含水率過高，細胞腔中大量自由水冷凍結冰，細胞壁受到的擠壓力過強，使得部分細胞壁產生較大裂紋。微波處理時，細胞腔內的蒸汽從大裂隙中散出，導致裂紋面積下降，微波膨化程度反而減小。4種含水率的試材―20℃冷凍24h，行向和列向裂紋尺寸分布，如圖1所示。由圖1可知，含水率為20%和50%時，裂紋在試件厚度方向上分布較廣，裂紋尺寸波動均較小；含水率為30%時的行向裂紋均值最低，而含水率為40%時的裂紋尺寸波動范圍最大。圖1中列向裂紋與行向裂紋有相似的變化趨勢，即沿試件長度方向，裂紋的尺寸呈現中部大兩端小，兩端的裂紋尺寸部分低于均值。含水率在20%和50%時，列向裂紋在基準線上下波動范圍較小，說明其裂紋均勻性較佳；而含水率30%時，以試件兩端裂紋尺寸較小；含水率40%時，試件中部裂紋尺寸波動大，說明此含水率范圍的裂紋分布均勻性均較差。綜合考慮膨化程度及裂紋均勻性，以試材含水率為20%時的微波膨化效果較佳。

2.2冷凍時間的影響由表1中5~8號試件的測試結果可知，隨冷凍時間的延長，裂紋面積先增加后趨于平緩。這主要是由于冷凍時間的延長，使得細胞腔內水分成冰的比例增加，導致紋孔膜和細胞壁的破壞程度不斷提高，微波處理后的膨化程度也隨之增高。但超過36h后，木材內的水分已完全冷凍成冰，繼續延長冷凍時間，細胞腔中冰的體積不再增大，故細胞壁和紋孔膜的破壞程度也不再增加。因而，微波膨化后的裂紋面積基本穩定。含水率為30%的試材在－20℃溫度下冷凍不同時間后，其行向和列向的裂紋尺寸分布，如圖2所示。從圖2可以看出，各冷凍時間下的行向裂紋尺寸都在均值的上下波動，未表現出明顯規律。冷凍時間分別為12h和24h條件下，膨化后試件一端裂紋尺寸接近于0，表明其端部沒有產生裂紋，試材膨化程度不高，同時裂紋的均勻性相對較差；冷凍36h的試件膨化程度較高，端部開始出現裂紋，并且列向裂紋波動的幅度較小，說明其均勻性較好。對比48h和36h冷凍微波后的試件可知，隨著冷凍時間的繼續延長，列向裂紋分布不再出現顯著變化。綜合考慮膨化程度及裂紋均勻性，確定以冷凍預處理36h的試件微波膨化效果較佳。

2.3冷凍溫度的影響由表1中9~11號可知，隨冷凍溫度的降低，裂紋面積呈增加趨勢，以―40℃冷凍的試件膨化程度最高。一方面是冰的蒸汽壓隨溫度降低的速度比水的蒸汽壓降速快，冷凍溫度越低，兩者的壓差增大，木材細胞壁內結合水析出速度加快，細胞壁驟縮程度增大，產生的細小裂紋更多[11]；另一方面是細胞壁內結合水析出到細胞腔內，當水分凝結成冰后，使細胞腔體積增大，細胞壁受到擠壓，導致紋孔膜或細胞壁的破壞程度增大[12]。冷凍溫度越低，紋孔膜和細胞壁的破壞越多，故而微波膨化后的裂紋面積越大。含水率為30%的試材，分別在不同溫度下冷凍24h后，行向和列向裂紋尺寸分布，如圖3所示。由圖3可見，冷凍溫度為0℃時，試件一端的行向和列向裂紋尺寸均趨于0，說明試件裂紋主要集中在試材中部，邊部未發生開裂。隨著溫度繼續降低，試件的邊部開始有裂紋產生，同時裂紋均值逐漸增加。－40℃下試件的行向和列向裂紋波動均明顯大于－20℃下的試件，說明－20℃時的裂紋均勻性更優。

3結論

1）含水率為20%時，樟子松試材經冷凍預處理后，微波膨化的裂紋勻性最佳；含水率增至纖維飽和點以上時，在一定范圍內提高試材的含水率，能增大微波膨化程度，但含水率過高也會導致膨化程度下降。2）在試件完全凍結前，在一定范圍內延長冷凍時間，可提高試材微波膨化程度，但對其微波膨化均勻性無顯著影響。本試驗條件下，冷凍預處理36h時，試件的微波膨化效果較佳。3）降低冷凍溫度能夠增大樟子松試材微波膨化程度，但溫度過低，膨化均勻性較差。綜合考慮，最佳冷凍溫度為－20℃。

作者：歐陽婧 林蘭英 傅峰 曹平祥 單位：中國林科院木材工業研究所 南京林業大學材料科學與工程學院