微波處理對輻射松吸聲性能的影響*

樊正強 彭立民,2 劉美宏 馮 云

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所 北京 100091)

當今社會，隨著工業(yè)迅速發(fā)展和城市化進程不斷加快，伴隨而來的建筑噪聲和交通噪聲等噪聲污染給人們的身體、工作和生活造成了極大困擾，不僅嚴重影響人們的工作效率和生活質(zhì)量，而且還可能導(dǎo)致聽力下降、引起心腦血管等疾病(Montes-Gonzlezetal.，2018)。使用吸聲材料是解決噪聲污染、改善室內(nèi)外聲學(xué)環(huán)境的主要方法之一。

木材是一種可再生、加工性能好的多孔材料，但吸聲性能普遍較差。研究表明，除輕木(Ochromalagopus)等特殊木材外(王軍鋒等，2015；余珊等，2018)，大部分木材的平均吸聲系數(shù)(α)不超過0.2(Smardzewskietal.，2014；Jiangetal.，2004)，一般不能用作吸聲材料(α>0.2被稱為吸聲材料，α越大，材料的吸聲性能越好)。木材吸聲性能不佳是因為木材中除紋孔、導(dǎo)管等結(jié)構(gòu)外，其他孔隙相對封閉，且還存在樹脂、樹膠等物質(zhì)堵塞孔隙，從而導(dǎo)致聲波在木材中傳播較為困難(熊偉等，2018)?；谖锢矸?、化學(xué)法和生物法等改性手段改變木材自身屬性，使木材孔隙率增大、氣體滲透性提高，可以達到改善木材吸聲性能的目的，如宋博騏等(2015)采用150 ℃高溫蒸汽處理樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，處理后木材細胞壁收縮、胞間層出現(xiàn)間隙，吸聲性能得到明顯改善，但蒸汽處理存在處理時間長且不均勻的短板；Kang等(2008)采用苯與乙醇混合溶液對日本落葉松(Larixkaempferi)進行脫木質(zhì)素處理，處理后木材吸聲系數(shù)提高20%～30%，但化學(xué)試劑可能帶來環(huán)境污染問題；腐朽菌侵蝕楊木(Populus)能夠使木材紋孔膜消失，孔隙之間的連通性增加，吸聲性能提升，但微生物處理過程不易控制(王東等，2015)。

微波改性具有效率高、處理過程可控、環(huán)境友好等優(yōu)點，是實現(xiàn)木材功能化的重要手段之一。采用微波處理木材時，木材中的水分子會被交變電場迅速極化，旋轉(zhuǎn)摩擦生熱，熱量使木材中的水分迅速蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為水蒸氣，當蒸汽壓力達到紋孔和薄壁細胞等結(jié)構(gòu)的承受極限時，紋孔和射線薄壁細胞甚至厚壁細胞會被破壞形成新的流體通道，內(nèi)部孔隙連通性增加、孔隙率和滲透性提高(何盛，2014；Pooniaetal.，2016；Torgovnikovetal.，2009)。Wang(2014)采用30 kW功率微波處理樟子松，其吸聲性能得到顯著提升。

目前，我國對木材的需求量極大，每年都需要從國外進口大量木材。輻射松(Pinusradiata)是我國進口量最大的木材之一，具有生長周期短、加工性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝飾和家具制造領(lǐng)域，實現(xiàn)輻射松等進口木材高效利用、提高其附加價值具有重要意義。鑒于此，本研究采用高強度微波對輻射松進行改性處理，探究不同微波功率、處理時間和木材紋理方向?qū)椛渌晌曅阅艿挠绊?，以期提高木材的附加價值、拓展木材的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

輻射松生材木方購于江蘇省太倉創(chuàng)秋木業(yè)有限公司，產(chǎn)地新西蘭，規(guī)格為1 200 mm×200 mm×120 mm(軸向×徑向×弦向)，密度0.65～0.80 g·cm-3，含水率80%～100%。輻射松的基本構(gòu)造及主要性質(zhì)見表1。

1.2 試材處理方法

1.2.1 生材干燥處理 微波處理前，木材含水率不宜過高，否則不僅會導(dǎo)致微波穿透深度大幅下降，而且木材內(nèi)部溫度分布均勻性也會變差，影響最終處理效果(廖春榮等，2017)。將生材木方置于氣干棚或干燥窯內(nèi)進行干燥處理，含水率調(diào)控至40%～60%。

1.2.2 微波處理 將干燥后的木方置于連續(xù)隧道式高強度微波設(shè)備(南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司，型號WX100 L，隧道諧振腔長度0.5 m)中進行微波處理。經(jīng)初步試驗，微波功率選擇100、120和140 kW，處理時間選取20和30 s較為合適(試驗因素與水平見表2)。若微波功率過小、處理時間過短，微波起到的干燥作用較大，但對微觀結(jié)構(gòu)的破壞和木材孔隙率的提升作用較小，不能滿足試驗需求；若微波功率過大、處理時間過長，可能造成木材表面炭化甚至起火。木材紋理方向選擇徑切面和弦切面，橫切面實際應(yīng)用價值不大，在此不做討論。

1.3 吸聲性能測試

根據(jù)GB/T 18 696.2—2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數(shù)法》測試微波處理材和對照材的法向吸聲系數(shù)，每組4個試件，每個試件重復(fù)測試3次，取平均值。

使用四通道阻抗管系統(tǒng)(北京聲望公司)測試1/3倍頻程的法向吸聲系數(shù)。測試系統(tǒng)包括阻抗大管(型號SW422，直徑100 mm，測量頻率范圍63～1 600 Hz)、阻抗小管(型號SW477，直徑30 mm，測量頻率范圍1 000～6 300 Hz)、四通道聲學(xué)分析儀MC3242和噪聲振動測試軟件VA-Lab。

測試條件：大氣溫度19 ℃，相對濕度50%，大氣壓力101 325 Pa，空氣密度1.206 1 kg·m-3，聲速342.651 m·s-1，空氣特征阻抗413.273 Pa s·m-1，樣品厚度20 mm，板后空腔50 mm。

1.4 含水率和密度測試

根據(jù)GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》和GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》測試輻射松試樣含水率和密度，重復(fù)測試5次，取平均值。

1.5 微觀結(jié)構(gòu)形貌觀察

將微波處理材和對照材的徑切面和弦切面加工成5 mm×5 mm樣品，用導(dǎo)電膠固定樣品后使用離子濺射儀對其進行噴金處理，移入樣品倉，通過掃描電子顯微鏡(日立公司S-4800，加速電壓10 kV)觀察輻射松管胞和紋孔等微觀結(jié)構(gòu)形貌。

1.6 解剖構(gòu)造觀察和組織比量測算

使用滑走切片機(型號LEICA SM 2010R)將浸泡好的輻射松樣品切成厚15 μm的三切面切片，先用2%番紅水溶液染色1～2 min，再用梯度乙醇溶液脫水處理，經(jīng)二甲苯?jīng)_洗至完全透明為止，滴加少許加拿大樹膠制成永久切片，通過光學(xué)顯微鏡(型號基恩士VHX-6000)觀察其解剖構(gòu)造；運用ImageJ軟件對輻射松橫切面進行圖像特征處理，測算木材組織比量。

2 結(jié)果與分析

與對照材相比，微波處理材密度和含水率顯著下降，不同處理條件下輻射松吸聲性能均有不同程度提升，吸聲系數(shù)提高4.79%～201.9%，平均吸聲系數(shù)最高達0.320(表3)。功率在120 kW(包括120 kW)以下，微波處理材裂縫不明顯，功率在120 kW以上，微波處理材裂縫明顯。處理材裂縫是否明顯與木材含水率和接收到的總能量有關(guān)，在木材內(nèi)部自由水充足的條件下，當木材接收到的總能量超過某個閾值，其內(nèi)部就會在短時間內(nèi)產(chǎn)生足夠的水蒸氣壓力破壞自身結(jié)構(gòu)，進而出現(xiàn)明顯裂縫。

表3 微波處理材的吸聲性能①Tab.3 Sound absorption performance of microwave treated wood

2.1 輻射松的解剖構(gòu)造和微觀結(jié)構(gòu)形貌

觀察圖1中輻射松微觀三切面組織切片發(fā)現(xiàn)，早晚材管胞呈方形、不規(guī)則多邊形和卵圓形，在木材組織中占比最大(約91.1%)，為輻射松的主要構(gòu)造；早材管胞壁較薄，且大于晚材管胞；在弦切面可以觀察到輻射松存在單列和紡錘形2類木射線，單列木射線大多高3～10個細胞，紡錘形木射線具有徑向樹脂道，單列木射線數(shù)量遠多于紡錘形木射線；在徑切面可以觀察到管胞壁上具有1列具緣紋孔、1～2個松木型交叉場紋孔。

圖1 輻射松微觀三切面解剖構(gòu)造Fig.1 The anatomical structure of three main sections of radiata pineA:橫切面Cross section；B:弦切面Tangential section；C:徑切面Radial section.

木材在構(gòu)造上是一種非均一的有機體，各方向解剖構(gòu)造不同是各切面吸聲系數(shù)差異的主要原因。輻射松徑切面和弦切面的解剖構(gòu)造差異主要體現(xiàn)于木射線(在組織中占比約8.1%)，弦切面可以觀察到較為豐富的木射線，因而弦切面的微觀孔隙多于徑切面。

圖2A、B為輻射松對照材和微波處理材管胞胞間層的掃描電鏡圖，對照材軸向管胞之間連接緊密，紋孔結(jié)構(gòu)完好，而微波處理材出現(xiàn)明顯裂隙，這是因為裂隙處胞間層的連接相對其他地方薄弱，高強度微波處理使細胞內(nèi)部水分汽化破壞了胞間層的連接。圖2C、D為輻射松對照材和微波處理材管胞壁上紋孔的掃描電鏡圖，對照材大部分紋孔結(jié)構(gòu)完好，經(jīng)微波處理后紋孔緣被破壞，部分紋孔膜消失，紋孔口打開。圖2E、F顯示管胞壁上出現(xiàn)裂紋，裂紋與細胞軸向夾角30°左右，對應(yīng)管胞壁主體結(jié)構(gòu)的S2層(劉一星等，2012)，這表明管胞壁裂紋是沿著S2層微纖絲排列方向裂開的。

圖2 微波處理前后輻射松徑切面微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.2 Microstructure morphology of radial section before and after microwave treatment of radiata pineA：對照材胞間層；B：微波處理材胞間層破裂；C：對照材閉塞紋孔；D：微波處理材紋孔口打開；E：微波處理材管胞壁出現(xiàn)細微裂紋；F：微波處理材管胞壁裂紋(微波功率140 kW，處理時間30 s，含水率40%～60%)。A:True middle lamella of control samples;B:True middle lamella of microwave treated samples cracked;C:The control samples had aspirated pit;D:Pit aperture opened after microwave treatment;E:Micro-cracks appeared in the cell wall of microwave treated samples;F:Tracheid wall crack after microwave treatment(microwave power is 140 kW,treated time is 30 s,moisture content is 40%-60%).

上述微觀結(jié)構(gòu)變化說明，微波處理對輻射松木材至少產(chǎn)生紋孔膜消失、胞間層和管胞壁破裂3種影響，這些改變可以提高木材孔隙率和氣體滲透性，使聲波在木材中傳播更為通暢，耗散更多聲能，從而提高吸聲性能。

2.2 微波功率對輻射松吸聲性能的影響

當處理時間為30 s、木材紋理方向為弦切面時，不同微波功率處理條件下 20 mm厚輻射松的吸聲系數(shù)如圖3所示，與陳瑞英等(1994)研究結(jié)果相吻合。微波處理材和對照材在1 000 Hz以下的低頻范圍內(nèi)變化不顯著，吸聲系數(shù)呈先上升后下降的趨勢；在1 000 Hz左右出現(xiàn)吸聲低谷，吸聲低谷出現(xiàn)是由于樣品面積過小，在阻抗大管與阻抗小管頻率交界處(1 000～1 600 Hz)引起的邊緣效應(yīng)所致(王鵬等，2008)；在1 000 Hz以上差異顯著，吸聲系數(shù)隨頻率升高呈上升趨勢，其中140 kW微波處理材吸聲系數(shù)上升趨勢最大，對照材吸聲系數(shù)趨于平穩(wěn)。不同條件下微波處理材的平均吸聲系數(shù)相比對照材均有顯著提升，微波功率越大，吸聲性能越好，140 kW微波處理材的平均吸聲系數(shù)高達0.320，比120、100 kW微波處理材和對照材提高37.3%、39.7%和91.6%。

圖3 不同微波功率處理條件下輻射松的吸聲系數(shù)Fig.3 Sound absorption coefficient of radiata pine in different microwave powers

微波處理材和對照材在1 000 Hz以下頻段存在1～2個共振峰，這是由材料自身共振造成的，當入射聲波頻率接近材料固有頻率時，更多聲能會在材料的共振效應(yīng)作用下轉(zhuǎn)化為機械能散失，導(dǎo)致在固有頻率處形成吸聲波峰；在1 000 Hz以上頻段時，低密度木材的吸聲性能顯著大于高密度木材，這是因為木材密度越低，流阻越小，中高頻段的吸聲性能對較低流阻具有選擇性(王東等，2015)。

微波處理材的吸聲系數(shù)在1 000 Hz以上高頻范圍比低頻范圍差異更顯著，這是因為，首先，微波改性處理導(dǎo)致木材微觀結(jié)構(gòu)破壞，孔隙之間連通性增加、孔隙率提高(孔隙率由對照材的64.7%最大上升至74.0%)，孔隙率提高對高頻范圍的吸聲性能提升更大(Chungetal.，2017)，且可使更多聲波進入木材內(nèi)部，木材內(nèi)部的比表面積增加，聲波與木材內(nèi)部孔壁摩擦增多從而提高吸聲性能；其次，高頻聲波的波長較短，不易發(fā)生衍射。

2.3 處理時間對輻射松吸聲性能的影響

當微波功率為140 kW、木材紋理方向為弦切面時，不同處理時間條件下20 mm厚輻射松的吸聲系數(shù)如圖4所示。微波處理材的吸聲系數(shù)在整個頻段幾乎均高于對照材，30 s處理材的平均吸聲系數(shù)比20 s處理材和對照材分別高28.5%和91.6%。在63～1 000 Hz頻段，微波處理材的吸聲系數(shù)呈先上升后下降的趨勢，30 s處理材和20 s處理材的平均吸聲系數(shù)相差不大；在1 000 Hz以上頻段，微波處理材的吸聲系數(shù)均呈上升趨勢，30 s處理材的平均吸聲系數(shù)比20 s處理材提升113.9%。

圖4 不同處理時間條件下輻射松的吸聲系數(shù)Fig.4 Sound absorption coefficient of radiata pine in different treated times

在微波功率、木材紋理方向相同的條件下，處理時間越長，輻射松吸聲效果越好，這是因為當木材中自由水含量一定時，處理時間越長，產(chǎn)生的水蒸氣越多，蒸汽壓力越大，對木材微觀結(jié)構(gòu)的破壞作用越強，能夠產(chǎn)生更多相互連通的孔隙通道，使得聲波更易與孔隙內(nèi)壁摩擦耗散聲能；但當處理時間超過某個閾值后，木材中自由水全部變?yōu)樗魵馍⑹В碌目紫锻ǖ啦辉僭黾?，木材平均吸聲系?shù)趨于穩(wěn)定。

2.4 徑切面與弦切面的吸聲性能對比

當微波功率為140 kW、處理時間為30 s時，不同木材紋理方向條件下20 mm厚輻射松的吸聲系數(shù)如圖5所示。微波處理材的吸聲系數(shù)在整個頻段幾乎均高于對照材，對照材徑切面的吸聲系數(shù)在1 000 Hz以上低于對照材弦切面，在1 000 Hz以下高于對照材弦切面，二者吸聲系數(shù)在高頻范圍內(nèi)趨于不變。相同微波處理條件下，處理材弦切面的平均吸聲系數(shù)比徑切面高9.6%～29.6%。

圖5 不同木材紋理方向條件下輻射松的吸聲系數(shù)Fig.5 Sound absorption coefficient of radiata pine in different wood grain directions

由輻射松的解剖構(gòu)造(圖1)可知，徑切面和弦切面結(jié)構(gòu)相近，主要差異在于木射線。輻射松弦切面存在豐富的單列木射線和少量紡錘形木射線，在組織中占比約8.1%。木射線是木材中唯一沿徑向排列的細胞，弦切面是木射線細胞的斷面，因而弦切面的微觀孔隙多于徑切面。當有聲波入射時，聲波與弦切面上微觀孔隙摩擦?xí)铀俾暷芎纳?，故弦切面的平均吸聲系?shù)略高于徑切面(陳瑞英等，1994；于海鵬等，2008)；同時，弦切面上早晚材為串聯(lián)分布，徑切面上早晚材為并聯(lián)分布，早材孔隙大于晚材，聲波易發(fā)生反射(王東等，2014)。

2.5 吸聲系數(shù)方差分析與顯著性檢驗

方差分析(表4)表明，微波處理工藝對輻射松的吸聲性能存在交互作用。對吸聲系數(shù)數(shù)據(jù)進行偏相關(guān)分析，結(jié)果如表5所示。

表4 吸聲系數(shù)方差分析與顯著性檢驗①Tab.4 Variance analysis and significance test of sound absorption coefficient

表5 各因素對微波處理材吸聲性能的偏相關(guān)分析Tab.5 Partial correlation analysis of each factor on sound absorption performance of microwave treated wood

由表4可知，微波功率、處理時間和木材紋理方向?qū)ξ⒉ㄌ幚聿牡奈曅阅芫酗@著影響，但處理時間和木材紋理方向共同作用對微波處理材的吸聲性能無顯著影響。由表5可知，微波功率、處理時間和木材紋理方向?qū)ξ⒉ㄌ幚聿奈曅阅艿恼嚓P(guān)程度為中等，3個因素對吸聲系數(shù)的影響順序為木材紋理方向>處理時間>微波功率。

3 結(jié)論

與對照材相比，微波處理材密度和含水率顯著下降，不同處理條件下輻射松吸聲性能均有不同程度提升，平均吸聲系數(shù)最高達0.320，分別比對照材徑切面和對照材弦切面提升201.9%和91.6%，微波改性處理是提高木材吸聲性能的有效方法；不同條件下微波處理材的吸聲系數(shù)在1 000 Hz以下的低頻范圍內(nèi)變化不顯著，吸聲系數(shù)呈先上升后下降的趨勢，在1 000 Hz左右出現(xiàn)吸聲低谷，在1 000 Hz以上差異顯著，吸聲系數(shù)隨頻率升高呈上升趨勢。微波功率越大、處理時間越長，處理材吸聲性能越好，吸聲系數(shù)曲線上升趨勢越大。通過光學(xué)顯微鏡觀察輻射松解剖構(gòu)造，弦切面相較于徑切面存在豐富的單列木射線和少量紡錘形木射線，弦切面的吸聲性能略好于徑切面。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，微波處理材軸向管胞壁和胞間層出現(xiàn)裂縫，管胞上紋孔膜消失，木材孔隙率和相鄰孔隙之間的連通性增加，聲波在木材內(nèi)部傳播更為通暢，在微觀層面上解釋了吸聲性能提高的原因。方差分析和偏相關(guān)性分析結(jié)果表明，微波功率、處理時間和木材紋理方向?qū)ξ⒉ㄌ幚聿牡奈曅阅芫酗@著影響，3個因素對吸聲系數(shù)的影響順序為木材紋理方向>處理時間>微波功率。最佳微波處理工藝為微波功率140 kW、處理時間30 s、木材紋理方向選擇弦切面。微波處理材的吸聲系數(shù)最高可達0.320，屬于吸聲材料范疇。