微波處理后桉木干燥速率的影響因素

劉曉玲，陳松武，林家純，陳桂丹，羅玉芬，蒙芳慧，陳 艷

（廣西壯族自治區林業科學研究院 廣西木材資源培育質量控制工程技術研究中心，廣西南寧 530002）

為應對氣候變化，我國提出“碳達峰”和“碳中和”等目標。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》也將加快推動綠色低碳發展列入其中。木材干燥是耗能較大的產業，對其工藝進行不斷優化，有利于節能減排，對實現“雙碳”目標有重要作用。

我國是桉樹（Eucalyptusspp.）人工林種植大國。桉樹生長速度快，干形通直，輪伐期短，在一定程度上緩解了我國木材資源的壓力。速生桉木材生長應力大，滲透性差，易開裂變形，且多為5～10年生短周期小徑材，在干燥過程中極易產生開裂、皺縮等干燥缺陷[1-2]，桉木干燥技術成為其實木加工利用的關鍵。

近年來，不少學者對人工林桉木干燥技術開展研究。在干燥特性及常規干燥技術方面，陳松武等[3]、唐日俊等[4]、盧翠香等[5]、周橋芳等[6]和甘雪菲等[7]均采用百度試驗法對不同種類和規格桉木的干燥特性與干燥基準進行研究，結果均表明桉木宜采用軟干燥基準進行干燥。在干燥預處理方面，張耀麗等[8]均采用冷凍處理和微波輻射對尾巨桉（E.uro?phylla×E.grandis）木材進行預處理，分析兩種方法分別處理后尾巨桉木材的滲透性、干燥速度和皺縮特性；結果表明，兩種方法均能不同程度改善木材滲透性，提高木材干燥速度，減少木材皺縮。

微波干燥是一種干燥速度較快，對環境友好的低溫、高效木材干燥新技術[9]。周永東等[10]研究微波處理對桉木微觀構造及生長應力的影響；結果表明，在殘余生長應力消除中，要求微波輻射功率密度相對較低，輻射時間較長，處理過程中木材的溫度保持在木質素玻璃化轉變溫度之上；在木材微觀構造處理中，要求微波輻射功率密度高，處理時間短。江澤慧等[11-12]和費本華等[13]對桉樹人工林木材進行微波改性處理，發現微波處理可減小應力；李賢軍[14]研究馬尾松（Pinus massoniana）木材微波真空干燥過程中熱質遷移特性和基本規律；劉媛等[15]采用切片分析法，系統研究微波干燥過程中尾巨桉木材含水率變化特性，發現干燥溫度、時間和輻射功率對木材含水率影響極顯著，木材初含水率對干燥速度影響不顯著；劉志軍[16]以馬尾松為試材，系統研究木材干燥速度和影響微波利用率的一般特性。本研究在前人研究基礎上，基于正交試驗，對巨尾桉無性系廣林9 號（E.grandis×E.urophyllaGL?GU9）木材進行微波處理，分析試材進干燥箱初含水率、微波輻射功率和干燥溫度3 個因素對微波處理后試材干燥速率的影響，以期為桉樹木材微波處理的干燥技術提供更多理論支持和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

試驗材料為取自廣西某木材加工企業的巨尾桉無性系廣林9 號木材，5年生，木段小頭直徑均為14 cm 以下，長度約2 m，以鋸制加工成300 mm×44 mm×38 mm（長×寬×厚）規格的鋸材為試件，隔條規格為20 mm ×20 mm ×240 mm，隔條與試樣縱橫交錯，平鋪處理，每層均勻放置3根隔條。每組試驗鋪設3層，每層4塊試樣，共12塊試樣。

1.1.2 試驗設備

ORW08S-3Z 型爐式微波真空干燥處理箱（真空壓力0.08 Mpa，南京澳潤微波科技有限公司）、UF260 型電熱鼓風干燥箱（德國Memmert，+10 ～300 ℃）、電子天平（精度為0.01 g）、數顯電子千分尺（精度為0.001 mm）、數顯游標卡尺（精度為0.01 mm）、鋼直尺（精度為1 mm）和塞尺（0.02～1.00 mm）。

1.2 試驗方法

設置試材進干燥箱初含水率、微波輻射功率和干燥溫度3 個因素，每因素3 個水平；試材進干燥箱初含水率分別為30%、40%和50%，微波輻射功率分別為600、700 和800 W，干燥溫度分別為40、50 和60 ℃；設計正交試驗，共9 個試驗組合，同一試驗號重復9次，取平均值（表1）。以電熱鼓風干燥箱干燥為對照，對照組所用木材為未經微波處理的試件，僅對溫度和進干燥箱初含水率有要求。通過分析試樣的干燥速率，判斷影響試驗結果因素的主次，并選出最優方案。

表1 正交試驗Tab.1 Orthogonal test

先將試材氣干至進窯目標含水率。對試材進行微波處理（對照組不作微波處理），微波真空壓力為0.08 Mpa，處理時間為20 min，每處理5 min 休眠1 min。將微波處理后的試材和對照試材置于電熱鼓風干燥箱中干燥，每6 h 測1 次重量，連續兩次測得重量基本不變時，停止干燥。

干燥試驗結束后，按照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質量》[17]中含水率試件、分層含水率試件制備測試樣品，采用分層含水率試件測定法測定木材分層含水率。干燥速率計算公式為[17]：

1.3 數據處理

采用Excel軟件對數據進行整理和分析。

2 結果與分析

通過干燥速率對試驗進行極差分析（表2）。結果表明，各因素對干燥速率的影響表現為C（干燥溫度）>A（試材進干燥箱初含水率）>B（輻射功率），干燥溫度對干燥速率影響最大；最優方案為C2A1B2，即干燥溫度50 ℃，試材進干燥箱初含水率30%，輻射功率700 W。

表2 正交試驗結果Tab.2 Results of orthogonal test

試材進干燥箱初含水率為30%時，干燥速率最大（0.650%/h）；輻射功率為700 W 時，干燥速率最大（0.627%/h）；干燥溫度為50 ℃時，干燥速率最大（0.590%/h）（圖1）。

圖1 不同因素對木材干燥速率的影響Fig.1 Effects of different factors on wood drying rate

設置進干燥箱初含水率為30%，對比微波處理試材和對照的干燥速率（圖2）。結果顯示，與對照相比，微波處理試材的干燥速率明顯提升。600 W條件下，微波處理試材的干燥速率比同等條件下對照試材高，但與微波頻率更高的條件相比，有一定差距。700 和800 W 條件下，試材干燥速率相差不大，均比同等條件下對照試材高；700 W 條件下的試材干燥速率比800 W條件下略高，可能是由于700 W微波作用下，木材細胞內部的水分蒸發速度增加，木材內部紋孔產生裂隙，內部水分蒸發速度加快，微波干燥頻率繼續增加時，水分蒸發通道已經暢通，速度相對降低[15]。從不同干燥溫度來看，40 ℃下干燥速率相對較慢，50 和60 ℃下相差不大，從節能的角度考慮，可采用50 ℃進行干燥。綜上所述，50 ℃和700 W 相對來說能更好地干燥含水率為30%左右的桉木。

圖2 不同干燥溫度及微波條件下木材含水率隨時間變化趨勢Fig.2 Chang trends of wood moisture contents with time in different conditions of drying temperatures and microwaves

3 結論與討論

與未經微波處理的試材相比，微波處理試材的干燥速率明顯提升。正交試驗結果顯示，干燥溫度、試材進干燥箱初含水率和輻射功率均對干燥速率產生影響，表現為干燥溫度>試材進干燥箱初含水率> 輻射功率，干燥溫度影響最大；在本試驗條件下，較佳的干燥工藝為干燥溫度50 ℃，試材進干燥箱初含水率30%，輻射功率700 W。

本研究結果顯示，干燥過程中，干燥溫度對干燥速率影響較大，干燥速率隨溫度升高而加快；含水率隨時間的變化曲線顯示，桉木在干燥初期（0～6 h）下降速度較快，之后下降速度變慢。王喜明等[18]認為桉木干燥速度隨溫度升高而加快，與本研究結果一致。劉媛等[15]認為，不同的微波輻射功率處理、干燥溫度及干燥時間對尾巨桉木材含水率和干燥速度影響差異極顯著，木材初含水率的差異對干燥速度影響不顯著；李賢軍[14]認為，木材初含水率對木材干燥速度影響略顯著。本研究結果顯示，木材初含水率對干燥速度影響較大。研究結果之間的差異可能是因為初含水率梯度和樹種的差異。

木材微波處理干燥技術是一種高效節能的干燥技術，目前在微波處理改善桉木特性研究方面取得了一些成果。但要達到“雙碳”目標，需開發可工業化應用的木材微波處理成熟技術。科研機構、木材加工企業和設備生產企業等需進行產學研聯合技術攻關，從木材處理專用微波設備、處理工藝、微波處理后木材殘余應力變化規律、微波處理對木材干燥的機理及微波處理對木材干燥質量的影響等方面進行深入研究。