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《木材工業(yè)雜志》2016年第三期

摘要：

采用MATLAB圖像處理方法，研究含水率、冷凍時(shí)間和冷凍溫度對(duì)樟子松冷凍預(yù)處理后微波膨化程度及均勻性的影響。結(jié)果表明：試材含水率20%時(shí)膨化效果較好，含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，在一定范圍內(nèi)，提高含水率可增大膨化程度，但膨化均勻性較差；冷凍時(shí)間延長(zhǎng)能夠提高膨化程度，對(duì)膨化均勻性影響不顯著，以冷凍36h時(shí)的膨化效果較好；冷凍溫度降低可提高膨化程度，但溫度過(guò)低使膨化均勻性變差，以–20℃冷凍時(shí)的膨化效果較好。

關(guān)鍵詞：

冷凍預(yù)處理；微波處理；膨化程度；均勻性

與天然林木材相比，人工林木材普遍存在材質(zhì)差、密度及表面硬度較低等不足，功能化處理是有效改善人工林木材理化性能、提高其利用價(jià)值的方法之一。功能化處理效果與功能性助劑的浸注性能及木材細(xì)胞通道暢通與否關(guān)系密切。因此，改善木材的滲透性，提高功能性助劑在木材內(nèi)部的浸注深度和均勻性，是開(kāi)展木材功能化研究的核心[1-2]。提高木材滲透性的方法主要分為：外力處理（機(jī)械力、蒸汽、冰凍等）、生物處理和化學(xué)處理三種[3-4]?；瘜W(xué)處理所用藥劑價(jià)格比較昂貴，生物處理存在接種霉菌或變色菌的可能，推廣受限。微波處理具有提高木材滲透性和木材干燥同時(shí)進(jìn)行的優(yōu)點(diǎn)[5]，近年來(lái)發(fā)展迅猛，已應(yīng)用于木材阻燃、防腐等處理[6-7]，為木材的增值加工利用開(kāi)辟了新途徑。但目前國(guó)內(nèi)普遍采用的微波設(shè)備功率偏小，不能顯著增加木材的滲透性，使功能化處理達(dá)不到應(yīng)有的效果[8]。有研究表明，通過(guò)木材的冷凍預(yù)處理，細(xì)胞腔中的水結(jié)冰后可使得細(xì)胞腔直徑增大，對(duì)細(xì)胞壁進(jìn)行擠壓，破壞部分紋孔膜或產(chǎn)生細(xì)小裂紋[9]，冷凍材再經(jīng)微波處理，可使細(xì)小裂紋進(jìn)一步擴(kuò)張，從而提高木材微波膨化程度和膨化均勻性。樟子松（Pinussylvestris）是目前應(yīng)用較為廣泛的一種木材，其材質(zhì)較軟，紋理通直，多用于化學(xué)改性和功能化處理。因此，筆者以樟子松為試材，分析冷凍預(yù)處理對(duì)其微波膨化程度及均勻性的影響，以期為樟子松木材功能化處理工藝制定提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料樟子松：外購(gòu)，尺寸4000mm×300mm×300mm（長(zhǎng)×寬×厚），刨切加工成350mm×80mm×25mm（長(zhǎng)×寬×厚）的板條，分類、編號(hào)后，薄膜包裹，備用。

1.2試驗(yàn)方法1）冷凍預(yù)處理以木材含水率、冷凍時(shí)間和冷凍溫度為變量因子，根據(jù)文獻(xiàn)和前期試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定冷凍預(yù)處理的因子水平（見(jiàn)表1）。2）微波處理采用WX20L連續(xù)式木材微波設(shè)備，微波功率21kW，處理時(shí)間100s。

1.3膨化程度及均勻性評(píng)價(jià)1）圖像采集：將試材從中部鋸切開(kāi)，以180目砂紙對(duì)橫截面砂光，用微距鏡頭采集圖像，取樣尺寸為60mm×25mm（寬×厚）。2）轉(zhuǎn)成二值圖：利用MATLAB軟件對(duì)采集的圖像進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、圖像分割及圖像形態(tài)學(xué)處理，得到圖像的二值圖。3）圖像網(wǎng)格劃分：將二值圖像按照像素點(diǎn)對(duì)行（寬）和列（厚）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖片大小為4144像素×1861像素。4）裂紋統(tǒng)計(jì)：分別以行數(shù)、列數(shù)為橫坐標(biāo)，以每一行、列的裂紋總像素點(diǎn)（裂紋所在處值為1，非裂紋處值為0）為縱坐標(biāo)，將橫、縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)為國(guó)際單位制mm，得到相應(yīng)的行、列向裂紋分布曲線。利用MATLAB軟件統(tǒng)計(jì)分析行、列裂紋分布曲線，得到裂紋的總面積、行向及列向裂紋尺寸均值。

2結(jié)果與討論

不同試驗(yàn)條件下，試件微波膨化裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果，列于表1。

2.1含水率的影響由表1中1~4號(hào)可知，試材含水率為20%時(shí)，微波處理后的裂紋面積高于含水率30%（纖維飽和點(diǎn)）時(shí)的裂紋面積。試材含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，水分以結(jié)合水為主，冷凍過(guò)程中，結(jié)合水從細(xì)胞壁內(nèi)析出，引起細(xì)胞壁的較大收縮，產(chǎn)生細(xì)小裂隙[10]。微波處理時(shí)，由于蒸汽壓的存在，使得裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致20%時(shí)的裂紋面積高于30%時(shí)。當(dāng)試材含水率高于30%時(shí)，隨含水率的升高，微波處理后裂紋面積呈先增大后減小的趨勢(shì)。原因是隨含水率的升高，細(xì)胞腔中更多的自由水被冷凍成冰，導(dǎo)致更多的細(xì)胞壁遭到破壞。微波處理后，冷凍預(yù)處理產(chǎn)生的細(xì)小裂紋在蒸汽壓的作用下，進(jìn)一步被破壞，膨化的裂紋面積增加。當(dāng)含水率達(dá)50%時(shí)，由于含水率過(guò)高，細(xì)胞腔中大量自由水冷凍結(jié)冰，細(xì)胞壁受到的擠壓力過(guò)強(qiáng)，使得部分細(xì)胞壁產(chǎn)生較大裂紋。微波處理時(shí)，細(xì)胞腔內(nèi)的蒸汽從大裂隙中散出，導(dǎo)致裂紋面積下降，微波膨化程度反而減小。4種含水率的試材―20℃冷凍24h，行向和列向裂紋尺寸分布，如圖1所示。由圖1可知，含水率為20%和50%時(shí)，裂紋在試件厚度方向上分布較廣，裂紋尺寸波動(dòng)均較小；含水率為30%時(shí)的行向裂紋均值最低，而含水率為40%時(shí)的裂紋尺寸波動(dòng)范圍最大。圖1中列向裂紋與行向裂紋有相似的變化趨勢(shì)，即沿試件長(zhǎng)度方向，裂紋的尺寸呈現(xiàn)中部大兩端小，兩端的裂紋尺寸部分低于均值。含水率在20%和50%時(shí)，列向裂紋在基準(zhǔn)線上下波動(dòng)范圍較小，說(shuō)明其裂紋均勻性較佳；而含水率30%時(shí)，以試件兩端裂紋尺寸較??；含水率40%時(shí)，試件中部裂紋尺寸波動(dòng)大，說(shuō)明此含水率范圍的裂紋分布均勻性均較差。綜合考慮膨化程度及裂紋均勻性，以試材含水率為20%時(shí)的微波膨化效果較佳。

2.2冷凍時(shí)間的影響由表1中5~8號(hào)試件的測(cè)試結(jié)果可知，隨冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋面積先增加后趨于平緩。這主要是由于冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，使得細(xì)胞腔內(nèi)水分成冰的比例增加，導(dǎo)致紋孔膜和細(xì)胞壁的破壞程度不斷提高，微波處理后的膨化程度也隨之增高。但超過(guò)36h后，木材內(nèi)的水分已完全冷凍成冰，繼續(xù)延長(zhǎng)冷凍時(shí)間，細(xì)胞腔中冰的體積不再增大，故細(xì)胞壁和紋孔膜的破壞程度也不再增加。因而，微波膨化后的裂紋面積基本穩(wěn)定。含水率為30%的試材在－20℃溫度下冷凍不同時(shí)間后，其行向和列向的裂紋尺寸分布，如圖2所示。從圖2可以看出，各冷凍時(shí)間下的行向裂紋尺寸都在均值的上下波動(dòng)，未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。冷凍時(shí)間分別為12h和24h條件下，膨化后試件一端裂紋尺寸接近于0，表明其端部沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，試材膨化程度不高，同時(shí)裂紋的均勻性相對(duì)較差；冷凍36h的試件膨化程度較高，端部開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，并且列向裂紋波動(dòng)的幅度較小，說(shuō)明其均勻性較好。對(duì)比48h和36h冷凍微波后的試件可知，隨著冷凍時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，列向裂紋分布不再出現(xiàn)顯著變化。綜合考慮膨化程度及裂紋均勻性，確定以冷凍預(yù)處理36h的試件微波膨化效果較佳。

2.3冷凍溫度的影響由表1中9~11號(hào)可知，隨冷凍溫度的降低，裂紋面積呈增加趨勢(shì)，以―40℃冷凍的試件膨化程度最高。一方面是冰的蒸汽壓隨溫度降低的速度比水的蒸汽壓降速快，冷凍溫度越低，兩者的壓差增大，木材細(xì)胞壁內(nèi)結(jié)合水析出速度加快，細(xì)胞壁驟縮程度增大，產(chǎn)生的細(xì)小裂紋更多[11]；另一方面是細(xì)胞壁內(nèi)結(jié)合水析出到細(xì)胞腔內(nèi)，當(dāng)水分凝結(jié)成冰后，使細(xì)胞腔體積增大，細(xì)胞壁受到擠壓，導(dǎo)致紋孔膜或細(xì)胞壁的破壞程度增大[12]。冷凍溫度越低，紋孔膜和細(xì)胞壁的破壞越多，故而微波膨化后的裂紋面積越大。含水率為30%的試材，分別在不同溫度下冷凍24h后，行向和列向裂紋尺寸分布，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，冷凍溫度為0℃時(shí)，試件一端的行向和列向裂紋尺寸均趨于0，說(shuō)明試件裂紋主要集中在試材中部，邊部未發(fā)生開(kāi)裂。隨著溫度繼續(xù)降低，試件的邊部開(kāi)始有裂紋產(chǎn)生，同時(shí)裂紋均值逐漸增加。－40℃下試件的行向和列向裂紋波動(dòng)均明顯大于－20℃下的試件，說(shuō)明－20℃時(shí)的裂紋均勻性更優(yōu)。

3結(jié)論

1）含水率為20%時(shí)，樟子松試材經(jīng)冷凍預(yù)處理后，微波膨化的裂紋勻性最佳；含水率增至纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，在一定范圍內(nèi)提高試材的含水率，能增大微波膨化程度，但含水率過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致膨化程度下降。2）在試件完全凍結(jié)前，在一定范圍內(nèi)延長(zhǎng)冷凍時(shí)間，可提高試材微波膨化程度，但對(duì)其微波膨化均勻性無(wú)顯著影響。本試驗(yàn)條件下，冷凍預(yù)處理36h時(shí)，試件的微波膨化效果較佳。3）降低冷凍溫度能夠增大樟子松試材微波膨化程度，但溫度過(guò)低，膨化均勻性較差。綜合考慮，最佳冷凍溫度為－20℃。

作者：歐陽(yáng)婧 林蘭英 傅峰 曹平祥 單位：中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院