柴媛，陶鑫，梁善慶，傅峰

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

地采暖用木質(zhì)地板基材具有良好的傳熱性能是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)快速取暖的必要條件，但其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.10～0.12 W/(m·K)[1-2]，為熱的不良導(dǎo)體。木質(zhì)基材傳熱性能對(duì)于地采暖用木質(zhì)地板表面的受熱均勻性、時(shí)效性與舒適性均有影響，導(dǎo)熱性能差的木質(zhì)地板需要更多的傳熱時(shí)間才能達(dá)到取暖溫度，而傳熱性能良好的木質(zhì)基材不僅可以縮短傳熱時(shí)間，還能促進(jìn)地采暖用木質(zhì)地板的產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)升級(jí)[3-5]。關(guān)于基材性質(zhì)對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響因素研究主要為紋理方向、密度、含水率等，木材的各向異性決定著沿不同紋理方向的傳遞熱量能力也不相同，研究表明木材導(dǎo)熱性能的各向異性主要受其化學(xué)組分中纖維素的影響。由于木材細(xì)胞壁物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.25～0.34 W/(m·K)，遠(yuǎn)高于孔隙部分內(nèi)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.021 W/(m·K)，因此密度越大的木質(zhì)基材其細(xì)胞壁物質(zhì)所占比例就越大，導(dǎo)熱性能也越好[6]。采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)定7個(gè)初含水率10%～22%梯度下膠合板的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)快速升溫階段中導(dǎo)熱系數(shù)和芯層內(nèi)部溫度的高低與含水率因素呈正相關(guān)[7]。熱量輻射具有自下而上的方向性，因此木質(zhì)基材厚度越大，垂直輻射距離就越長(zhǎng)，導(dǎo)熱性能就越弱。目前，有關(guān)木質(zhì)基材受熱面積以及發(fā)熱層溫度對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響研究較少[8]。

低熔點(diǎn)合金(low melting point alloy，LMA)是指熔點(diǎn)在300 ℃以下的金屬，主要由錫(Sn)、鉍(Bi)、鉛(Pb)、銦(In)、鎵(Ga)等元素組成。相比于木材，LMA具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)強(qiáng)度。相比于一般金屬，低熔點(diǎn)合金可在較低溫度下轉(zhuǎn)為熔融液態(tài)，可以與木質(zhì)基材物理結(jié)合，制備出金屬化木材。錫鉍合金因不含鉛元素，綠色環(huán)保，且熔點(diǎn)為138 ℃，未達(dá)到木材熱分解溫度，因此多被用于浸漬木材。為提高木質(zhì)基材的導(dǎo)熱系數(shù)，通過(guò)把高導(dǎo)熱、低熔點(diǎn)合金加溫轉(zhuǎn)化為熔融液態(tài)，采用高溫高壓的浸漬工藝與木質(zhì)基材復(fù)合，可制備出高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬化木質(zhì)復(fù)合材料。金屬化木質(zhì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5.23 W/(m·K)，是天然木材的數(shù)十倍，同時(shí)沖擊韌性、抗拉強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性等均得到提高[9-11]。隨著高能微波膨化處理技術(shù)的發(fā)展，該處理技術(shù)可使木材表面產(chǎn)生宏觀裂隙，有利于LMA在不通過(guò)高溫高壓的工藝下對(duì)木材進(jìn)行填縫型浸漬處理，實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)合金/微波膨化木復(fù)合材料的“填縫型”制備技術(shù)。填縫型錫鉍合金/微波膨化木復(fù)合材料以木質(zhì)部分為主體，LMA呈固體狀態(tài)僅填充于微波膨化木縫隙中，形成新型的導(dǎo)熱木質(zhì)復(fù)合材料[12-13]，可用于地采暖用實(shí)木地板新產(chǎn)品的研發(fā)，但是其木材紋理方向、受熱面積、加熱溫度對(duì)傳熱性能的影響有待深入研究?；诖?，筆者以填縫型錫鉍合金/微波膨化木復(fù)合材料(WMC)為研究對(duì)象，通過(guò)分析WMC表面溫度變化、溫度分布及溫度不均勻度，探明不同紋理方向、受熱面積及加熱溫度對(duì)傳熱性能的影響，并結(jié)合已有傳熱理論進(jìn)一步闡明WMC傳熱規(guī)律，為WMC應(yīng)用于采暖用木質(zhì)地板提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

輻射松(Pinusradiata)，產(chǎn)自新西蘭，密度0.44 g/cm3，含水率30%～50%，鋸材尺寸800 mm×90 mm×50 mm。以3 500 kW/m3的微波功率處理26 s，依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/FDL 001—2017《膨化基材》中的相關(guān)要求，獲得Ⅲ級(jí)輻射松膨化木。錫鉍合金，主要成分為錫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)42%)、鉍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)58%)，熔點(diǎn)138 ℃，密度7.1 g/cm3，購(gòu)于河南鑠辰金屬有限公司。

1.2 錫鉍合金/微波膨化木復(fù)合材料的制備方法

錫鉍合金/微波膨化木復(fù)合材料(WMC)的制備流程見(jiàn)圖1a。輻射松木材經(jīng)高能微波膨化處理得到Ⅲ級(jí)微波膨化木，將微波膨化木在103 ℃下烘干5 h后置于熔融LMA中。由于采用的錫鉍合金熔點(diǎn)為138 ℃，為避免溫度過(guò)高造成木材結(jié)構(gòu)的破壞以及降低能耗，選擇略高于合金熔點(diǎn)溫度但仍保持流動(dòng)狀態(tài)的145 ℃作為浸漬熱處理溫度。

預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，Ⅲ級(jí)微波膨化木在真空度0.1 MPa、溫度145 ℃的條件下浸漬16 h制備出的WMC增重率最大，為229.6%。由于合金浸入木材中越多增重率就越高，設(shè)定在此工藝條件下制備錫鉍合金/微波膨化木復(fù)合材料。完成真空浸漬后迅速取出樣品并立即放入水中冷卻，以避免LMA在固化過(guò)程中從微波膨化木裂縫處流出，最后去除樣品表面的LMA，干燥處理后得到WMC。WMC中木質(zhì)基材與合金體積占比分別為90.5%和9.5%。

1.3 WMC傳熱性能的表征方法

為研究不同影響因素對(duì)WMC溫度變化規(guī)律的影響，取規(guī)格為50 mm×20 mm×15 mm的3種紋理WMC，分別分析縱向樣品(WMC1)、徑向樣品(WMC2)和弦向樣品(WMC3)在50 ℃加熱溫度下的溫度變化規(guī)律(圖1b)；取紋理方向?yàn)榭v向的樣品(WMC1)，分析其在30，50和70 ℃ 3種加熱溫度下的溫度變化規(guī)律(圖1c)；取紋理方向?yàn)閺较虻臉悠罚治?種受熱面積為10 cm2(WMC2)、15 cm2(WMC4)和20 cm2(WMC5)的樣品在加熱50 ℃條件下的溫度變化規(guī)律(圖1d)。作為對(duì)照組，未處理材是未經(jīng)微波膨化處理也未經(jīng)真空浸漬熱處理的輻射松基材，編號(hào)為UW(Untreated Wood)1～5，其紋理方向、加熱溫度和受熱面積完全對(duì)應(yīng)WMC1～5。WMC與UW均為氣干狀態(tài)，含水率8%～10%。

a)WMC制備工藝；b) 不同紋理方向；c) 不同加熱溫度； d) 不同受熱面積。圖1 不同類型WMC樣品示意圖Fig. 1 Schematic diagram of different types of WMC

1.3.1 溫度變化規(guī)律

采用多通道溫度記錄儀、K型熱電偶以及恒溫加熱板測(cè)試樣品的表面溫度變化規(guī)律。將樣品平放于恒溫加熱板上，7個(gè)K型熱電偶均勻地粘貼于樣品表面上，當(dāng)室溫下各點(diǎn)溫度讀數(shù)接近于室內(nèi)空氣溫度值并且溫度記錄儀可以正常采集數(shù)據(jù)時(shí)，準(zhǔn)備工作完成。開(kāi)啟加熱板預(yù)熱至設(shè)定溫度并保持穩(wěn)定時(shí)，將粘有熱電偶的樣品平放于加熱板上，記錄每個(gè)K型熱電偶的溫度值，并求其平均值作為此塊樣品的溫度值。將溫度記錄儀的掃描頻率設(shè)為每隔10 s記錄1次測(cè)試點(diǎn)的溫度值，通過(guò)高頻率的數(shù)據(jù)采集可降低試驗(yàn)誤差，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

通過(guò)恒溫加熱儀提供樣品熱量，觀察不同影響因素下樣品表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，使用溫度記錄儀記錄加熱600 s內(nèi)的升溫速率，然后再記錄停止加熱420 s內(nèi)的降溫速率。升降溫速率ν=(t2-t1)/(τ2-τ1)，單位為℃/s。其中，t1為時(shí)間τ1時(shí)的平均溫度，t2為時(shí)間τ2時(shí)的平均溫度。

1.3.2 溫度分布及溫度不均勻性

參考標(biāo)準(zhǔn)JG/T 286—2010《低溫輻射電熱膜》的試驗(yàn)方法，通過(guò)恒溫加熱板給試件加載不同溫度，采用紅外熱成像儀分別在加熱180，420 s及斷熱420 s時(shí)測(cè)試樣品表面溫度，利用3D紅外成像軟件分析溫度分布及溫度不均勻性。

2 結(jié)果與分析

2.1 紋理方向?qū)MC溫度變化的影響

在加熱50 ℃條件下WMC和UW 6種樣品的表面時(shí)間-溫度變化曲線見(jiàn)圖2a。由圖2a可見(jiàn)，樣品表面溫度變化趨于一致，均可分為溫度增長(zhǎng)區(qū)、溫度穩(wěn)定區(qū)和溫度下降區(qū)。隨著加熱時(shí)間的增加，樣品表面溫度也隨之增加，WMC1和WMC2最終在429 s后溫度趨于穩(wěn)定，表面最高溫度分別為41.71和39.75 ℃，相對(duì)初始溫度分別增加12.94和11.77 ℃；WMC3在500 s后溫度趨于穩(wěn)定，表面最高溫度36.43 ℃，相對(duì)初始溫度增加10.41 ℃。對(duì)應(yīng)的UW表面最高溫度分別為39.25，32.67和31.27 ℃。從中可知，無(wú)論是WMC還是UW樣品，縱向傳熱(編號(hào)1)所能達(dá)到的穩(wěn)定溫度均高于徑向(編號(hào)2)與弦向(編號(hào)3)傳熱。WMC1表面最高溫度比WMC3高5.28 ℃，而UW1表面最高溫度比UW3高7.98 ℃，說(shuō)明基材本身紋理方向?qū)鳠嵝阅艿挠绊懜螅琇MA的加入有助于降低WMC在不同紋理方向的溫度差距。WMC的表面最高溫度均高于對(duì)應(yīng)的UW樣品，說(shuō)明在同樣紋理和加熱溫度條件下，填充高導(dǎo)熱系數(shù)的LMA可使WMC傳熱性能高于未處理材。

圖2b和圖2c分別為樣品的升溫速率和降溫速率，WMC1、WMC2和WMC3的升溫速率分別為0.023，0.021和0.019 ℃/s，降溫速率分別為0.038，0.032和0.028 ℃/s?？v向傳熱時(shí)WMC的升溫速率和降溫速率最高，徑向與弦向傳熱時(shí)的升降溫速率差異較小，并且弦向值略小于徑向值，這與已有研究中紋理方向?qū)δ静膫鳠嵝阅苡绊懙难芯拷Y(jié)果相同[14]。由于導(dǎo)熱系數(shù)的高低也反映著升降溫速率的快慢，熱流順著木材管胞傳熱或散熱，因此縱向傳熱的木材導(dǎo)熱系數(shù)較高，其升降溫速率也較快[15]。

圖2 不同紋理方向WMC的溫度變化(a)和升降溫速率(b,c)Fig. 2 Temperature diagram (a) and heating/cooling rates (b,c) of WMC in different grain directions

圖3 不同紋理方向WMC溫度分布(a)和溫度不均勻度(b)Fig. 3 Temperature distribution (a) and temperature unevenness (b) of WMC in different grain directions

WMC不同紋理方向在180，420和840 s的溫度分布見(jiàn)圖3a。圖中可見(jiàn)，180 s時(shí)不同紋理方向下最大平均溫差為7.3 ℃，420 s時(shí)平均溫差縮短至6.7 ℃，降溫到840 s時(shí)各紋理方向的溫差進(jìn)一步縮短至3.1 ℃。說(shuō)明快速升溫時(shí)不同紋理間樣品表面溫度分布差異明顯，至降溫階段時(shí)樣品表面溫度逐漸趨近。圖3b為WMC的溫度不均勻度，即溫度最大值與最小值之間的差值。盡管不同紋理方向WMC的溫度不均勻度存在差異，但總體趨勢(shì)均是隨著時(shí)間的增加，溫度不均勻度先增加后減少。這是由于金屬材料LMA的傳熱速率遠(yuǎn)高于木材。在30～420 s的升溫階段，裂縫處LMA的溫度隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速升高，而木材的升溫速率較慢，所以在此階段隨著加熱時(shí)間的增加，這兩種材料的溫差越來(lái)越大，溫度不均勻度值呈增大趨勢(shì)。在600～840 s的降溫階段，被持續(xù)加熱至高溫的LMA溫度迅速降低，而木材的導(dǎo)熱系數(shù)較低故其降溫速率較LMA慢，高溫的LMA迅速降低，而保持較低溫度的木材部分降溫速率緩慢，所以在此階段下兩部分材料的溫度差距越來(lái)越小，即溫度不均勻性降低，溫度分布趨于一致。此外，表示弦向傳熱的WMC3溫度不均勻度整體低于縱向傳熱(WMC1)與徑向傳熱(WMC2)，升溫420 s時(shí)樣品表面溫度不均勻度為7.1 ℃，呈現(xiàn)較為平均的溫度分布，熱舒適性更佳。

2.2 加熱溫度對(duì)WMC溫度變化的影響

為了探究不同加熱溫度下樣品表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，以縱向傳熱的WMC1和UW1為研究對(duì)象，分別在30，50和70 ℃的穩(wěn)定加熱溫度下建立時(shí)間-溫度曲線(圖4)。由圖4a可見(jiàn)，不同加熱溫度下樣品的表面溫度具有一定的差異，加熱溫度越高其表面溫度也越高，說(shuō)明樣品傳熱性能與加熱溫度呈正相關(guān)。已有研究結(jié)果證實(shí)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)與加熱溫度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，確定系數(shù)大于0.97，并且橫紋方向下樣品受加熱溫度的影響更為顯著。隨著加熱溫度的提高，到達(dá)穩(wěn)定溫度所需要時(shí)間也越長(zhǎng)，3種加熱溫度下WMC表面溫度在229，319 和399 s內(nèi)趨于穩(wěn)定。同一加熱溫度下，WMC所能達(dá)到的最高溫度均比UW高，50 ℃下WMC表面最高溫度相對(duì)于UW的增幅為6.3%。3種加熱溫度下，WMC相對(duì)初始溫度的溫度增量也比對(duì)應(yīng)的UW高，并且隨著加熱溫度的增加，樣品相對(duì)于初始溫度的增量也在不斷升高。這是因?yàn)閃MC中所含有的LMA發(fā)揮了傳熱提升的作用。將WMC與UW樣品停止加熱以降溫，樣品通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流的方式散發(fā)熱量，導(dǎo)致其表面溫度下降，當(dāng)樣品表面溫度接近室溫時(shí)，降溫速度均顯著放緩。

圖4b表明，升降溫速率均隨加熱溫度的升高而加快。這是源于加熱溫度越高，木材孔隙部分的熱量傳遞和孔壁間熱量輻射能力得到增強(qiáng)，隨著木材獲得熱量的增多，其升溫速率也越快，木材樣品所能達(dá)到的表面最高溫度就越高。研究表明孔隙率對(duì)多孔材料導(dǎo)熱性能高低存在一定影響，但當(dāng)孔隙率高于45%時(shí)幾乎不隨溫度變化[16]。在降溫階段，擁有表面最高溫度的樣品失去熱量后溫度迅速降低，因此降溫速率加快，加熱溫度70 ℃時(shí)樣品的降溫幅度最大(圖4c)。

圖4 不同加熱溫度WMC的溫度變化(a)和升降溫速率(b,c)Fig. 4 Temperature diagram (a) and heating/cooling rates (b,c) of WMC in different heating temperatures

圖5 不同加熱溫度WMC溫度分布(a)和溫度不均勻度(b)Fig. 5 Temperature distribution (a) and temperature unevenness (b) of WMC in different heating temperatures

3種加熱溫度下WMC在180，420和840 s時(shí)的溫度分布和溫度不均勻度見(jiàn)圖5。當(dāng)加熱溫度為30 ℃時(shí)，WMC表面溫度較低且分布較為均勻，升溫與降溫階段的平均溫度分布在為25.3～29.5 ℃。隨著加熱溫度提高，WMC表面溫度分布越來(lái)越均勻，加熱溫度70 ℃時(shí)，WMC在420 s的溫度不均勻度最高，達(dá)20.7 ℃，此時(shí)的溫度不均勻度是加熱30和50 ℃下樣品的5.3倍和1.9倍。主要原因是LMA導(dǎo)熱系數(shù)10 W/(m·K)比木材導(dǎo)熱系數(shù)0.12 W/(m·K)高，LMA的熱傳遞極限更大，因此在越高的加熱溫度下，其升溫速率也越快，造成WMC中合金與木材兩部分之間的溫差增大。

2.3 受熱面積對(duì)WMC溫度變化的影響

加熱50 ℃溫度下不同受熱面積的WMC樣品的表面溫度變化情況見(jiàn)圖6a。由圖6a可見(jiàn)，3種受熱面積下WMC溫度未出現(xiàn)較大的溫度差距，與紋理方向和加熱溫度影響因素下的溫度變化相比可知，受熱面積對(duì)WMC表面溫度變化的影響低于紋理方向和加熱溫度的影響。受熱面積為20 cm2的WMC最高穩(wěn)定溫度(38.44 ℃)，僅比10 cm2的WMC最高穩(wěn)定溫度(37.25 ℃)提高了3.2%，說(shuō)明受熱面積的增加對(duì)提高最高穩(wěn)定溫度的作用不明顯。圖6b為3種受熱面積下WMC的升降溫速率。圖中可見(jiàn)，WMC升溫速率隨著受熱面積的增加而略有增加，升溫速率差值僅增加了0.001 8 ℃/s，遠(yuǎn)低于不同紋理變化時(shí)0.004 ℃/s的升溫速率差值，也低于不同加熱溫度變化時(shí)0.035 ℃/s的升溫速率差值。說(shuō)明在紋理方向、加熱溫度和受熱面積3種因素中，受熱面積的變化對(duì)升溫速率的影響最小。相同加熱溫度下，WMC的降溫速率隨著受熱面積的增加而基本保持一致，20 cm2的降溫速率較10 cm2僅增加了0.000 5 ℃/s。

圖6 不同受熱面積WMC的溫度變化(a)和升/降溫速率(b)Fig. 6 Temperature diagram (a) and heating/cooling rates (b) of WMC in different heating areas

不同受熱面積WMC樣品在180，420和840 s的溫度分布和溫度不均勻度見(jiàn)圖7。由圖7a可見(jiàn)，升溫階段不同面積下WMC表面平均溫度接近，平均溫度分布在33.4～38.6 ℃，降溫階段下不同受熱面積的平均溫度分布在28.5～28.8 ℃。由圖7b表明溫度不均勻度與受熱面積之間未表現(xiàn)出直接關(guān)聯(lián)，在相同時(shí)間點(diǎn)下15 cm2的WMC溫度不均勻度較10和20 cm2更低，其溫度分布較為均勻。

圖7 不同受熱面積WMC溫度分布(a)和溫度不均勻度(b)Fig. 7 Temperature distribution (a) and temperature unevenness (b) of WMC in different heating areas

3 結(jié) 論

通過(guò)測(cè)試和表征WMC的時(shí)間-溫度變化曲線、升降溫速率、溫度分布和溫度不均勻度，探明了不同紋理方向、加熱溫度以及受熱面積對(duì)WMC溫度變化規(guī)律的影響。主要結(jié)論如下：

1)不同紋理方向下，WMC表面溫度均隨著加熱時(shí)間的增加而增加，并且縱向傳熱均比徑向與弦向傳熱所能達(dá)到的穩(wěn)定溫度更高，紋理方向?qū)鳠嵝视绊戯@著。LMA的加入有助于提高WMC傳熱能力和降低不同紋理方向下WMC的溫度差距。

2)由于LMA發(fā)揮了傳熱提升的作用，不同加熱溫度下WMC表面最高穩(wěn)定溫度均比微波膨化木高。升降溫速率隨加熱溫度的升高而增大，相較于30 ℃的WMC，70 ℃時(shí)WMC升溫速率和降溫速率分別提升583%和400%。不同加熱溫度下，WMC溫度不均勻度均隨加熱時(shí)間的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且溫度不均勻度隨著加熱溫度的升高而上升。

3)隨著WMC受熱面積的增加，其穩(wěn)定最高溫度、升溫速率以及降溫速率均略有增加，在紋理方向、加熱溫度和受熱面積3種因素中，受熱面積的變化對(duì)升溫速率影響最小。