唐培朵 冼學(xué)權(quán) 黃正規(guī) 黃志民 黎演明

（1. 廣西科學(xué)院，廣西 南寧 530007；2. 廣西祥盛家居材料科技股份有限公司，廣西高性能無醛刨花板工程技術(shù)中心，廣西 崇左 532599）

微波是指頻率在300 MHz～300 GHz范圍內(nèi)的電磁波（波長1 m～1 mm）。目前國內(nèi)工業(yè)常用的微波頻率為915 MHz和2 450 MHz[1-3]。微波加熱是一種通過介質(zhì)與微波間的相互作用，使微波創(chuàng)造的電磁能轉(zhuǎn)化成熱能的加熱方法。但并非所有的材料都能被微波加熱，能被微波加熱的物質(zhì)稱為介質(zhì)。從分子結(jié)構(gòu)來分析，介質(zhì)是由極性分子、電偶極子、偶極子等組成。在無外加電場時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)電荷中心不重合，排列也雜亂無章，呈隨機(jī)分布狀態(tài)[4]。在微波電磁場的作用下，介質(zhì)電荷從隨機(jī)散布狀態(tài)轉(zhuǎn)為有序取向排列，始終以每秒數(shù)十億次的頻率不停地做取向運(yùn)動(dòng)，引起分子劇烈運(yùn)動(dòng)與碰撞摩擦，直接將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。

在木材行業(yè)微波多用于加熱、干燥、殺菌等方面，在這些應(yīng)用中木材結(jié)構(gòu)均未被破壞[5-8]。對木材進(jìn)行微波處理，利用的是微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)共同作用[9]。將木材置于微波電磁場中，木材分子和木材中的水分子均會隨著微波電磁場的變化而不停地旋轉(zhuǎn)、摩擦，由于兩者存在極性差異，故微波能主要被木材中的水分子吸收。

人造板生產(chǎn)需要消耗大量的能源[10-11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)1m3刨花板需要消耗熱能2.3～2.7 GJ，電能160～180 kW·h[12-13]。在刨花板的固化成型工藝中，由于木質(zhì)纖維的導(dǎo)熱性差，刨花板板坯需要在高溫下連續(xù)熱壓，通過熱輥由外到內(nèi)的熱傳遞加熱方式實(shí)現(xiàn)板坯整體加熱至160 ～180 ℃，能源和時(shí)間消耗較高。刨花板的固化成型是決定刨花板整體生產(chǎn)速率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[14-15]。利用微波對板坯進(jìn)行預(yù)處理，可使板坯尤其是板芯溫度在進(jìn)入熱壓機(jī)之前得到迅速提高，從而減少連續(xù)熱壓時(shí)間，降低能耗[16-18]。而微波加熱的定向性，可使刨花板板坯被整體加熱，使其內(nèi)部纖維組織與膠黏劑結(jié)合更加均勻，從而提升刨花板產(chǎn)品品質(zhì)。為此，本文采用微波加熱技術(shù)，并結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，對微波功率、預(yù)壓高度、微波預(yù)熱時(shí)間等因素對刨花板板坯中溫度分布規(guī)律的影響進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用刨花，含水率約為12%，由廣西祥盛家居材料科技股份有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

全數(shù)字化變頻工業(yè)微波爐（WeboX-A6型），微波頻率（2 450±50）MHz，轉(zhuǎn)盤式加熱，儀器倉體內(nèi)有6個(gè)先進(jìn)、巧妙設(shè)計(jì)的微波輸入饋口，加熱均勻，株洲市微朗科技有限公司；紅外熱成像儀（英菲P2型），采用英菲感知熱像頭及配套分析軟件，用于拍照和錄制視頻記錄溫度數(shù)據(jù)，無錫英菲感知技術(shù)有限公司；便攜式木屑水分儀（TK100W），青島拓科儀器有限公司；電子天平（JY2002），上海衡平儀器儀表廠；平板硫化機(jī)（JGW-300），青島金港灣機(jī)械有限公司；鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9240A），上海天呈實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司。

1.3 板坯制作

依據(jù)目標(biāo)厚度為18 mm、板面尺寸為300 mm ×300 mm、密度為0.72 g/cm3進(jìn)行組坯。稱取刨花1.167 kg，然后根據(jù)試驗(yàn)需求，將刨花平均分成若干等分，進(jìn)行分層鋪裝，層與層之間選用紗布隔開（紗布不僅可以起到分層的作用，同時(shí)還可以不影響水分的轉(zhuǎn)移），鋪裝完成后進(jìn)行預(yù)壓，使其達(dá)到試驗(yàn)要求的預(yù)壓高度。

1.4 溫度分布規(guī)律試驗(yàn)

試驗(yàn)工藝主要包括：刨花稱重→分層制作板坯→壓機(jī)預(yù)壓→微波預(yù)熱→紅外熱成像儀拍照并記錄。

溫度測量步驟：1）將板坯分成5 層，微波預(yù)熱時(shí)用紅外熱成像儀錄制視頻，微波預(yù)熱后迅速移開上層，并拍照記錄每層的溫度分布情況；2）將板坯分成2 層，微波預(yù)熱后迅速移開上層，用紅外熱成像儀拍照并記錄中間層1/2 處溫度分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波預(yù)熱后板坯中溫度的分布規(guī)律

采用頻率為2 450 MHz的工業(yè)微波設(shè)備對板坯進(jìn)行微波預(yù)熱處理，在微波預(yù)熱時(shí)間為45 s，預(yù)壓高度為60 mm，微波預(yù)熱功率為6 × 250 W、6 × 500 W和6 × 750 W的條件下進(jìn)行板坯內(nèi)部溫度測定試驗(yàn)，得到不同功率下板坯各層在微波預(yù)熱后的紅外熱成像圖（見圖1），不同功率下板坯各層最高溫度和平均溫度統(tǒng)計(jì)如表1 所示，根據(jù)P2 英菲熱像頭錄制的不同功率下微波加熱45 s的視頻數(shù)據(jù)繪制而成的板坯表層最高溫度隨加熱時(shí)間的變化規(guī)律如圖2 所示。

圖1 不同功率下板坯各層在微波預(yù)熱后的紅外熱成像圖Fig.1 Infrared thermal imaging of each layer of the slab at different power levels after microwave preheating

圖2 板坯表層最高溫度隨加熱時(shí)間的變化規(guī)律Fig.2 The maximum temperature of the surface of the slab changes with the heating time

表1 不同微波功率下板坯各層最高溫度和平均溫度Tab.1 The maximum temperature and average temperature of each layer of the slab at different microwave power levels

根據(jù)圖1所示紅外熱成像圖顏色差異，可快速直觀辨別出板坯內(nèi)部橫向切面上溫度隨微波功率增加而升高（例如：A4→B4→C4對比）。結(jié)合圖2分析可知，板坯整體溫度隨微波功率的增加逐步呈線性升高趨勢。此外，從表1分析可知板坯內(nèi)部縱向切面上各層溫度均比較接近（第一層除外）。這說明刨花板板坯經(jīng)微波預(yù)熱后，其內(nèi)部各個(gè)位置的溫度一致，微波加熱具有均勻性。但第一層也就是表層，其溫度均稍低于其他各層，呈現(xiàn)出板坯內(nèi)部溫度高于表層溫度，形成溫度梯度。這可能是由于板坯內(nèi)部缺乏散熱條件，且板坯表層不僅有熱損失，還有水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致板坯內(nèi)部溫度實(shí)際上高于表層溫度[19]。此外，在微波處理過程中，木材內(nèi)部的溫度分布規(guī)律及均勻性與微波加熱方式直接相關(guān)[20-22]。本試驗(yàn)采用的微波設(shè)備倉體內(nèi)有6個(gè)先進(jìn)的巧妙設(shè)計(jì)的微波輸入饋口，以雙向微波輻射方式進(jìn)行加熱，木材內(nèi)能形成內(nèi)高外低的溫度梯度，且溫度分布均勻性較好。

鑒于微波加熱的均勻性，故接下來的試驗(yàn)均通過記錄板坯內(nèi)中間層1/2處溫度分布來考察微波預(yù)熱功率、預(yù)壓高度、微波預(yù)熱時(shí)間等因素對刨花板板坯中溫度分布情況的影響。

2.2 不同微波預(yù)熱功率對板坯中間層溫度的影響

采用頻率2 450 MHz的工業(yè)微波設(shè)備對板坯進(jìn)行微波預(yù)熱處理，分別選用6 × 400 W、6 × 500 W、6 ×600 W、6 × 700 W和6 × 800 W 5種不同加熱功率，在預(yù)壓高度60 mm，微波預(yù)熱時(shí)間為45 s的條件下進(jìn)行板坯內(nèi)部溫度測定，得到不同功率下板坯經(jīng)微波預(yù)熱后中間層1/2處紅外熱成像圖及溫度，如圖3和表2所示。

圖3 不同功率下板坯微波預(yù)熱后中間層1/2 處紅外熱成像圖Fig.3 Infrared thermal imaging at the middle layer of the slab at different power

表2 不同功率下板坯微波預(yù)熱后中間層1/2 處溫度Tab.2 Temperature at the middle layer of slabs at different power levels

從圖3中的紅外熱成像圖顏色差異及表2中統(tǒng)計(jì)的溫度增長趨勢，可以看出相同的微波預(yù)熱時(shí)間內(nèi)微波功率越大，板芯升溫速度越快，這說明微波功率越大越有利于提高板坯板芯的預(yù)熱溫度。目前，國內(nèi)外在板坯預(yù)熱方面做了大量研究，利用微波對板坯進(jìn)行預(yù)熱處理，一個(gè)重要的也是最直接的作用就是使板坯溫度，尤其是板芯溫度在進(jìn)入熱壓機(jī)前得到提高，縮小板芯初始溫度與固化溫度之間的溫差，從而達(dá)到減少熱壓時(shí)間實(shí)現(xiàn)快速固化，進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率并減少能耗[4,19,23]。此外，板坯被整體同步加熱，固化均勻，使內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)更加均勻化[24]，可提升刨花板產(chǎn)品品質(zhì)。

2.3 預(yù)壓高度對板坯中間層溫度的影響

分別選用40、60、80、100 mm和120 mm5種不同預(yù)壓高度，采用頻率2 450 MHz的工業(yè)微波設(shè)備對板坯進(jìn)行微波預(yù)熱處理。在微波功率為6×500 W，微波預(yù)熱時(shí)間為45 s的條件下對板坯內(nèi)部溫度進(jìn)行測定，得到不同預(yù)壓高度板坯經(jīng)微波預(yù)熱后中間層1/2處紅外熱成像圖及溫度，見圖4和表3。

圖4 不同預(yù)壓高度板坯微波預(yù)熱后中間層1/2 處紅外熱成像圖Fig.4 Infrared thermal imaging at the middle layer of the slab at different pre-pressure heights

表3 不同預(yù)壓高度板坯微波預(yù)熱后中間層1/2 處的溫度Tab.3 Temperature at the middle layer of slabs at different pre-pressure heights

從圖4的紅外熱成像圖可以看出，圖片中顏色和亮度相近，說明板坯經(jīng)微波預(yù)熱后中間層1/2處的溫度相近。這可能是因?yàn)榘迮鞯念A(yù)壓高度（40～120 mm）均在微波的穿透范圍內(nèi)，都可以達(dá)到均勻加熱的結(jié)果。在微波處理過程中，木材的加熱深度由微波頻率決定[6,25-26]。一般木材用的微波頻率為2 450 MHz和915 MHz，其對應(yīng)波長分別為12.2 cm和32.8 cm。然而表3中記錄的平均溫度雖接近，但仍有隨預(yù)壓高度降低呈現(xiàn)升溫的輕微趨勢。這可能是預(yù)壓高度越大，孔隙率越高，熱損失較快，不利于升溫；而預(yù)壓高度越小，樣品越致密，有利于傳熱與升溫。本試驗(yàn)采用的設(shè)備微波頻率為2 450 MHz，且板坯無預(yù)壓時(shí)，高度約為120 mm，預(yù)壓后高度均在微波加熱可及范圍內(nèi)，故呈現(xiàn)出預(yù)壓高度對微波預(yù)熱后的板坯溫度分布影響不大的結(jié)果，但仍有隨預(yù)壓高度降低而升溫的趨勢?？紤]到預(yù)壓成本，本試驗(yàn)均選用60 mm預(yù)壓高度作為試驗(yàn)條件。

2.4 不同微波預(yù)熱時(shí)間對板坯中間層溫度的影響

分別選用20、25、30、35 s和40 s 5個(gè)不同微波預(yù)熱時(shí)間，采用頻率2 450 MHz的工業(yè)微波設(shè)備對板坯進(jìn)行微波預(yù)熱處理。在室溫為30 ℃，微波功率為6×850 W，預(yù)壓高度為60 mm的條件下對板坯內(nèi)部溫度進(jìn)行測定，得到不同微波預(yù)熱時(shí)間的板坯中間層1/2處紅外熱成像圖及溫度，如圖5和表4所示。

圖5 不同微波預(yù)熱時(shí)間的板坯中間層1/2 處紅外熱成像圖Fig.5 Infrared thermal imaging at the middle layer of the slab at different microwave preheating time

表4 不同微波預(yù)熱時(shí)間的板坯中間層1/2 處的溫度Tab.4 Temperature at the middle layer of the slab at different microwave preheating time

由圖5的紅外熱成像圖可以看出，圖片的顏色隨微波預(yù)熱時(shí)間增加逐步變亮，說明板芯溫度也逐步上升。表4中統(tǒng)計(jì)的平均溫度數(shù)據(jù)也能清晰地反映出板芯溫度隨微波預(yù)熱時(shí)間的增加而逐步上升的趨勢。此外，在6 × 850 W功率下微波預(yù)熱35 s，板坯中間層1/2處的溫度從室溫30 ℃升至60.9 ℃，可實(shí)現(xiàn)迅速升溫30 ℃左右，說明微波加熱具有定向性，效率高。一般而言，蒸汽加熱時(shí)熱能轉(zhuǎn)換利用率為15%以上，紅外線加熱時(shí)熱能轉(zhuǎn)換利用率為50%，而微波加熱時(shí)熱能轉(zhuǎn)換利用率高達(dá)95%以上[9]。同時(shí)，木材中的表面水和分子結(jié)合水是刨花中的主要吸波介質(zhì)，故水分含量和水分的分散程度決定了木材微波加熱的熱效率。當(dāng)木材中含水率降到15%以下時(shí)，木材介電弛豫頻率小于微波加熱頻率，木材的介電常數(shù)隨溫度升高而不斷增大。本試驗(yàn)所使用的刨花初含水率約為12%，因此在整個(gè)加熱過程中始終能保持高效率。

3 結(jié)論

本文采用微波加熱技術(shù)，并結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，研究了微波功率、預(yù)壓高度、微波預(yù)熱時(shí)間等因素對刨花板板坯中溫度分布規(guī)律的影響，得出以下結(jié)論：

1）采用微波對刨花板坯進(jìn)行預(yù)熱處理，同一層板坯內(nèi)部溫度分布均勻，并隨著微波功率的增加，整體溫度逐步呈線性升高趨勢，但板坯表層因熱損失和水分蒸發(fā)，導(dǎo)致板坯內(nèi)部溫度實(shí)際上高于表層溫度，形成溫度梯度。

2）增加微波功率，降低預(yù)壓高度和增加微波預(yù)熱時(shí)間，有利于提高板坯整體溫度?；谖⒉▋?yōu)異的穿透性，在40～120 mm的預(yù)壓高度范圍內(nèi)，板坯經(jīng)微波預(yù)熱后其內(nèi)部溫度分布均勻。

3）微波對木質(zhì)纖維加熱具有定向性，可在35 s內(nèi)使板坯迅速升溫30 ℃，比傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)具有更快的加熱速度，且整個(gè)加熱過程中始終能保持高效率，有利于提高刨花板的整體生產(chǎn)速率，同時(shí)降低加熱能耗。