濕熱蒸汽處理木質材料溫度動態監測研究?

李源河 宋 怡 姚利宏 徐偉濤 張 棟 張東彪

（1.內蒙古農業大學材料科學與藝術設計學院，內蒙古 呼和浩特 010018； 2.國家林業和草原局林產工業規劃設計院，北京 100010； 3.靖江國林有限公司，江蘇 靖江 214500； 4.大興安嶺神州北極木業有限公司，黑龍江 大興安嶺 165000）

天然林木材全面禁伐以來，我國每年進口大量木材，木材相關產業對于進口材的依賴程度逐年增長。2018 年，我國原木消費量5.7 億m3，其中一半以上為進口木材。根據檢疫檢驗規定，進口木材如果不進行及時消殺，其內部的有害生物會對國內的生態環境構成嚴重威脅。傳統消殺主要使用溴甲烷對木材進行熏蒸處理[1]，但溴甲烷會消耗大氣臭氧層且難以重復利用。濕熱蒸汽處理作為一種替代技術，具有環境友好性、經濟性等優勢，且技術較為成熟。為了達到殺死木材中昆蟲、真菌等有害生物的目的，濕熱蒸汽處理中最為關鍵的影響因素便是處理溫度與時間[2]。根據國際通行的木材產品處理標準，要求處理時木材中心溫度保持在56 ℃以上30 min[3]。然而研究表明，要想達到全面消殺的效果需要中心溫度保持在70 ℃以上30 min[3]。濕熱蒸汽處理效率評價的重要指標是達到木材結構中心所需消殺溫度的額外時間[4]，這一時間則受眾多因素共同影響，如木材種類、比重、含水率、截面尺寸、初始溫度、加熱溫度、加熱介質、堆放方法等[5]。本研究通過監測原木、木拼板、鋸材和單板層積材4 種木質材料在濕熱蒸汽處理下的升溫過程，對濕熱蒸汽環境下木質材料不同位置的升溫過程進行比較分析，以期為進口木質材料中有害生物的濕熱蒸汽消殺處理技術奠定應用基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗選用4 種木質材料：1）楊木(Populus L.)、樺木(Betula platyphylla Suk) 原木；2）樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)拼板；3）樟子松鋸材；4）樟子松單板層積材。選取楊木、樺木原木各一根作為試驗材，從伐倒的原木上沿樹高方向截取3.5 m至5.5 m處的原木段，其中楊木胸徑30 cm，樺木胸徑22 cm。樟子松方形拼板截面尺寸為30 mm×30 mm，長度為3 000 mm。樟子松鋸材截面尺寸為50 mm×180 mm，長度為3 000 mm。單板層積材截面尺寸為100 mm×100 mm，長度為3 000 mm。

1.2 設備

1.2.1 試驗裝置

圖1 鋼管搭建的矩形框架Fig.1 Rectangular frame constructed by steel pipe

試驗裝置搭建如圖1 所示。首先將預制的鋼管搭建成矩形框架，鋼管之間通過預留的插孔連接，矩形框架的規格尺寸為高2 000 mm、寬3 000 mm、長5 000 mm，尺寸均為軸心到軸心的距離。鋼管矩形框架的4 根立柱底部均設有斜向支撐以增加結構的穩定性，頂部的4 根鋼管設置有預留掛鉤，用于懸掛高密度聚氯乙烯（PVC）制成的耐高溫氣囊。

耐高溫氣囊由厚度為4 000D的高密度PVC制成。制作氣囊前首先對PVC樣品材的抗凍性和耐高溫性進行試驗：置于冷凍箱內于-20 ℃下冷凍48 h后，對樣品材進行彎折，應無任何破損跡象；然后使用銼刀對樣品表面進行破壞試驗，如只有輕微劃痕，表明材料在冷凍條件下具有良好的耐磨性。再對樣品材蒸煮4 h，同樣作銼刀破壞試驗，如無明顯破壞跡象，表明材料具有良好的耐高溫性能。

耐高溫氣囊立體展開圖設計近似一個側面為直角梯形的四棱柱,如圖2a所示，僅前側面開口用于裝填試材，裝填后可用金屬條和螺絲組成的金屬件封閉開口，開口正對的后側面預留3 個孔洞，分別用于進氣、排氣、排水，如圖2b所示，四棱柱其余四面完全封閉。四棱柱頂面的各邊預留PVC掛鉤，用于將耐高溫氣囊整體懸掛于鋼管搭建的矩形框架內，組成蒸汽處理試材的整體試驗裝置。

圖2 耐高溫氣囊軸測圖（a）和背面正視圖（b）Fig.2 Axonometric view of high temperature air bag(a)and Rear view(b)

1.2.2 溫度記錄設備及溫度監測點布置

采用NAPUI TR 230X溫度記錄儀（東莞納普電子科技有限公司）記錄木質材料內部不同監測點的溫度數據。試驗中在楊木、樺木試材上各布置6 個溫度監測點；在樟子松拼板中布置2 個溫度監測點；在樟子松鋸材中布置4 個溫度監測點；在單板層積材中布置3 個溫度監測點，各溫度監測點的具體位置分布如圖3a所示，每一監測點均位于木材內部4 cm處安裝，用膠帶固定，通過數據傳輸線將溫度實時數據傳入溫度記錄儀。

耐高溫氣囊內部的環境溫度數據采用Data Logger溫度記錄儀（玉環智拓儀器科技有限公司）記錄，分別于樺木的前后兩端共布置3 個溫度監測點，監測數據取平均值作為耐高溫氣囊內部的環境溫度值，并將其與木材內部的升溫過程進行比較。

1.2.3 濕熱蒸汽供給裝置

濕熱蒸汽由YH-2218 智能換熱站（四平研弘自控設備有限公司）提供，該裝置包括貯水缸、液壓閥、補水泵、二次循環泵、換熱器、流量計、泄壓閥等設備，如圖3b所示。自來水注入后可通過該裝置轉換為濕熱蒸汽，并通過傳輸管道注入耐高溫氣囊內部。

1.3 試驗方法

根據上述方案完成試驗裝置的搭建，然后按圖3所示方法堆疊4種木質材料，在所有溫度測點布置好后擰緊螺絲，密封耐高溫氣囊前端，從后端進氣孔通入飽和蒸汽4 h，利用溫度記錄儀記錄4 h內木質材料內部溫度實時數據和耐高溫氣囊內部的環境溫度實時數據，采用Origin 2019軟件進行分析。

圖3 溫度監測點分布圖（a）和YH-2218 智能換熱站示意圖（b）Fig.3 Distribution of temperature monitoring points (a) and diagram of YH-2218 intelligent heat exchange station (b)

2 結果與分析

木質材料內部溫度的升高[6]可理解為熱量從濕熱蒸汽到木材內部某一位置的傳導過程[7]，這種三維的瞬態溫度場的場變量 T（x, y, z, t）在直角坐標系中應滿足熱平衡方程（1），式中第一項為木材升溫需要的熱量，第二、三、四項為由x、y、z方向流入木材的熱量，最后一項為木材內熱源產生的熱量，即木材升溫所需的熱量應等于流入木材的熱量與木材內產生熱量的總和[8]。計算濕熱蒸汽與木質材料的熱傳遞要求已知零時刻溫度場的分布和對流邊界條件才能求出溫度場分布。

式中：ρ為材料密度，kg/m3；c為材料的比熱容，J/(kg·K)；T為瞬態溫度場的場變量；t為時間，s；λx、λy、λz分別是材料沿x、y、z方向的熱導率，W/(m·K)；Q=Q(x, y, z, t)是物體內部的熱源密度，W/kg。

2.1 楊木、樺木升溫過程分析

如圖4a所示，濕熱蒸汽下，布置于楊木樹皮處的溫度監測點3-4、3-5、3-6 達到56 ℃的時間分別為30、50、210 min；達到70 ℃的時間分別為100、160 min與未達到。布置于端部髓心附近的溫度監測點3-2、3-3、3-8 達到56 ℃的時間分別是20、15、18 min；達到70 ℃的時間分別為35、30、150 min。從升溫時間可以看出，距離蒸汽進入孔洞越近的溫度監測點升溫時間越短。楊木端部監測點3-3、3-8 在60～90 min內溫度發生急劇下降，可能是由于這兩個監測點距離排氣、排水孔較近，排水、排氣導致了一定的熱量損失。整體來看，楊木各監測點溫度平穩升高，只有位于端部中心處的3-8 監測點溫度升高過程中多次發生回落，導致這一監測點溫度變化的原因可能是由于楊木直接接觸地面[9]，熱量傳導過程干擾因素較多[10]。由于距離蒸汽進入孔洞最遠，監測點3-6 最高溫度在4 h加熱過程中未能達到70 ℃。

如圖4b所示，濕熱蒸汽下，布置于樺木樹皮處的溫度監測點2-6、2-7、2-8 達到56 ℃的時間分別為100、120、120 min；達到70 ℃的時間分別為150、225、190 min。布置于端部髓心附近的溫度監測點2-5、3-1、3-7 達到56 ℃的時間分別是45、15、15 min；達到70 ℃的時間分別為60、20、60 min。由于樺木端部髓心附近監測點距離蒸汽進入孔洞較近，所以溫度在較短時間內升高到基準點的56 ℃和70 ℃。樺木各監測點溫度平穩升高，只有位于端部中心附近處的3-7監測點溫度升高過程中多次發生回落，可能是由堆垛方式引起的熱量損失所致[11-12]。

圖4 楊木（a）、樺木（b）升溫過程曲線Fig.4 Heating process curve of poplar (a) and birch (b)

楊木、樺木各監測點除了3-6，2-7 之外，均在4 h加熱過程中達到70 ℃。楊木各監測點達到56 ℃和70 ℃的最長時間分別約為50 min和160 min（監測點3-6 最長時間數據異常故不采用）。樺木各監測點達到56 ℃和70 ℃的最長時間分別約為120 min和225 min。飽和蒸汽下楊木升溫速率明顯高于樺木，其原因可能是堆垛方式、離蒸汽進入孔洞的距離、木材的徑級等因素[13-14]。楊木、樺木樹種的差異對升溫時間的影響在本試驗中無法體現。

2.2 樟子松拼板升溫過程分析

如圖5所示，濕熱蒸汽下，溫度監測點1-1達到56 ℃和70 ℃的時間分別為150 min和170 min，試驗過程溫度雖有短暫回落但整體升溫趨勢穩定。集中堆垛的方式導致濕熱蒸汽難以進入內部[15]，因此溫度監測點1-3在4 h試驗的全過程中溫度均未達到56 ℃。

圖5 樟子松拼板升溫過程曲線Fig.5 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. splicing board

2.3 樟子松鋸材升溫過程分析

濕熱蒸汽下，樟子松鋸材的溫度監測點1-6、1-7、1-8、2-1 達到56 ℃的時間分別為45、90、120、80 min；達到70 ℃的時間分別為70、135、150、135 min。4 個監測點試驗過程中溫度雖有短暫回落，但整體升溫趨勢穩定（圖6）。

圖6 樟子松鋸材升溫過程曲線Fig.6 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. sawn timber

2.4 單板層積材升溫過程分析

圖7 樟子松單板層積材升溫過程曲線Fig.7 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. veneer lumber

如圖7 所示，濕熱蒸汽下，單板層積材的溫度監測點2-2、2-3、2-4 達到56 ℃的時間分別為70、105、110 min；達到70 ℃的時間分別為75、135、150 min。監測點2-2 距離蒸汽進入孔洞較近，因此在90 min內迅速升至高溫狀態并保持平穩趨勢。監測點2-3 升溫趨勢最平穩，說明在距離蒸汽進入孔洞中等距離的位置熱傳導環境相對穩定。監測點2-4 的溫度曲線在時間區間45～70 min之間起伏較大，這一變化可能是由排氣、排水導致的熱量損失所致[16-17]，70 min后進入穩定升溫狀態。

在耐高溫氣囊內部布置了3個環境溫度監測點，取平均值作為參考值（圖8）。濕熱蒸汽輸入氣囊后0～30 min內溫度迅速升高，30～240 min內溫度保持穩定狀態，240 min后由于排氣、排水溫度迅速下降。環境溫度曲線顯示，在試驗的全過程中濕熱蒸汽輸入穩定，耐高溫氣囊內部濕熱蒸汽環境狀態良好,試驗過程中耐高溫氣囊內濕熱蒸汽環境溫度持續保持在85 ℃左右。

圖8 耐高溫氣囊內部環境溫度曲線Fig.8 Internal temperature curve of high temperature resistant airbag

3 結論

1）試驗中楊木徑級大于樺木，距離蒸汽進入孔洞的距離基本與樺木相同，由堆垛方式引起的濕熱蒸汽接觸面積大于樺木[18-20]，在此條件下測得的楊木各溫度監測點達到56 ℃和70 ℃的升溫速率高于樺木，表明濕熱蒸汽接觸面積是原木升溫速率的關鍵因素[21-22]。

2）樟子松鋸材各溫度監測點的升溫速率大于木拼板，表明較大尺寸的鋸材在濕熱蒸汽環境下升溫速率更高，因其在集中堆垛過程中具有更大的濕熱蒸汽接觸比表面積[23-24]。

3）單板層積材各溫度監測點的升溫速率整體上與原木、鋸材差別不大，表明人造板材與天然木材在濕熱蒸汽環境下升溫速率基本相同[25-26]。

4）木質材料在濕熱蒸汽處理下均可快速達到標準要求的56 ℃，表明濕熱蒸汽熱處理可作為溴甲烷的替代技術，具有一定的環保意義。