微波检疫对3种木材的物理力学性能影响研究

张健东，张菲，付立华

(河北省塞罕坝机械林场，河北 围场 068466)

木材作为四大建筑材料之一，具有强重比高，天然的纹理、光泽和颜色以及易于加工等优点，广泛应用于结构建筑、家具、地板和室内装饰等方面，因此木材的尺寸稳定性和力学强度是衡量木制品质量好坏的重要指标之一。黑胡桃木，白蜡木和黄杨木是价值较高的进口阔叶材树种，加工性能好，适宜制作家具、木制品及结构材。黑胡桃木一般纹理直，有时也会带有波纹，是一种中等密度的坚韧硬木材，其抗弯强度和断裂强度适中，刚性低，蒸汽弯曲性能良好；白蜡木，质地坚韧而富有弹性，呈浅黄至浅黄褐色，木材强度高，弹性、冲击韧性及硬度在同类的轻质木材中较好[1]；黄杨属树种木材具有较强的抗虫耐腐性，而且容易锯解,切削面极为光滑，油漆后表面则更加光亮美观，胶粘容易，握钉力较强[2]。

由于近年来国内天然林禁伐，进口木材满足了国内对木材需求的同时，也加大了外来有害生物入侵的风险，我国木材检疫处理的方法有熏蒸法、水浸法、热处理法和微波处理法[3]。其中微波处理法作为一种有害生物处理技术，在口岸检疫除害处理工作中备受重视，其高效、快速、选择性、无污染和成本低的特性能够有效除去木材中的有害生物[4]。但微波处理过程中木材内部水分子被极化，迅速旋转和相互摩擦产生大量的热量，在短时间内迅速蒸发形成水蒸气，压力增加使木材中的纹孔膜、闭塞的纹孔、复合胞间层、薄壁细胞等组织被破坏[5-6]，从而影响木材的物理力学性质。

以黑胡桃木、白蜡木和黄杨木3种进口木材为研究对象，探讨微波检疫处理对其物理性质，尺寸稳定性和力学强度的影响，为企业合理高效加工利用，生产木制品提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

3种木材分别为进口黑胡桃木、白蜡木和黄杨木，均取自大连港森立达木材交易中心有限公司，分为微波检疫前后两组，处理参数为采用微波介电加热检疫处理设备，915 MHz微波，输出功率560 kW，处理条件为原木最低温度65 ℃，保温20 min。木材尺寸为500 mm×120 mm×25 mm(长×宽×厚)，含水率为20%～25%。

1.2 试验设备

101-2AB 电热鼓风干燥箱，HTC-250型恒温恒湿培养箱，WDW-100E微机控制电子式万能试验机，电子天平(精度为0.01 g)、游标卡尺(精度为0.01 mm)。

1.3 试验方法

物理性能：将微波检疫前后的3种试材加工成尺寸为20 mm×20 mm×20 mm小试件，每组选出30个，根据《GB/T 1934.2-2009 木材湿胀性测定方法》，首先将试样放入烘箱内烘至绝干，冷却后测出木材3个方向(轴向、径向和弦向)的尺寸以及质量；其次将试件放入恒温恒湿箱中，在20℃、65%RH条件下对所有试件进行平衡处理，在吸湿过程中，每隔6 h测量1次弦向尺寸变化，每次测量3个试件，直到2次测量结果之差小于0.2 mm，即认为尺寸达到稳定，再次测量所有试件3个方向的尺寸以及质量。最后在30℃、85%RH条件下继续重复上述试验过程直到试件尺寸不变，测量尺寸和质量。计算试件的吸湿湿胀，平衡时的含水率以及阻湿率(MEE)和抗胀率(ASE)。

木材平衡时的含水率，弦向、径向线湿胀率，体积湿胀率计算公式为(1)，(2)和(5)。评定木材的尺寸稳定性是根据木材的阻湿率和抗胀率，计算公式为(3)和(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，W为木材平衡时的含水率(%)；m1为试件平衡时的重量(g)；m0为试样绝干时的重量(g)；αW为3个方向的线湿胀率(%)；l1为试件平衡时3个方向的长度尺寸(mm)；l0为试件全干时的3个方向的长度尺寸(mm)；MD为未处理材的含水率(%)；MC为微波检疫处理材的含水率(%)；αVC为微波检疫处理材的体积湿胀率(%)；αVD为未处理材的体积湿胀率(%)；V1为试样平衡时的体积(mm3)；V0为试样绝干时的体积(mm3)。

力学性能：根据《GB/T 1936.1-2009 木材抗弯强度试验方法》和《GB/T 1936.2-2009 木材抗弯弹性模量试验方法》，将微波检疫前后的3种木材加工成尺寸为300 mm×20 mm×20 mm的试件，每组选出30个，在20℃、RH 65%的条件下进行平衡处理，使试样的含水率在9%～15%的范围内，测量木材的力学强度，并根据公式(6)和(7)将数值转化为含水率为12%的力学强度值。

E12=EW[1+0.015(W-12)] (6)

σ12=σW[1+0.04(W-12)] (7)

式中，E12和EW为含水率为12%和W时的抗弯弹性模量(GPa)；σ12和σW为含水率12%和W时的抗弯强度(MPa)。

2 结果与分析

2.1 微波检疫对木材尺寸稳定性的影响

2.1.1 木材的湿胀率和抗胀率 3种木材微波检疫前后在20℃、65% RH和30℃、85% RH条件下的湿胀率如图1和图2所示。

图1 20℃、65%RH条件下3种木材的湿胀率Figure 1 The swelling efficiency at 20℃、 65%RH for three species of wood

图2 30℃、85%RH条件下3种木材的湿胀率Figure 2 The swelling efficiency at 30℃、 85%RH for three species of wood

由图1可知，在20℃、65%RH条件下，微波检疫前黑胡桃木的弦向湿胀率、径向湿胀率、体积湿胀率分别为2.44%、1.75%、4.51%，微波检疫后分别为2.20%、1.60%、4.18%，变化率是9.84%、8.57%、7.32%。微波检疫前白蜡木的弦向湿胀率、径向湿胀率、体积湿胀率分别为3.12%、2.15%、5.85%，微波检疫后分别为2.86%、2.01%、5.15%，变化率是8.33%、6.51%、11.96%。微波检疫前黄杨木的弦向湿胀率、径向湿胀率、体积湿胀率分别为2.24%、1.61%、4.18%，微波检疫后分别为2.13%、1.59%、4.02%，变化率是4.91%、12.42%、3.82%。

由图2可知，在30℃、85%RH条件下，微波检疫前黑胡桃木的弦向湿胀率、径向湿胀率、体积湿胀率分别为4.45%、3.62%、7.70%，微波检疫后分别为4.04%、3.42%、7.07%，变化率是9.21%、5.52%、8.18%。微波检疫前白蜡木的弦向湿胀率、径向湿胀率、体积湿胀率分别为5.95%、3.82%、8.33%，微波检疫后分别为5.33%、3.54%、7.26%，变化率是10.42%、7.33%、8.52%。微波检疫前黄杨木的弦向湿胀率、径向湿胀率、体积湿胀率分别为3.93%、2.92%、7.45%，微波检疫后分别为3.71%、2.72%、7.11%，变化率是5.60%、6.85%、4.56%。

在2种温湿度条件下，白蜡木的湿胀率最大，黄杨木的最小，其原因是白蜡木有较大的基本密度，而黑胡桃的基本密度和黄杨木的基本密度较小，密度大的木材内表面积越大，从绝干至纤维饱和点吸着的水分越多，导致其具有较强的湿胀性[1,7]。微波检疫处理后3种木材的湿胀率都有所下降，而且随着温湿度的升高，下降的趋势更加明显。这可能是因为在大功率的微波条件下，木材温度急剧上升，导致了木材内部的化学组分发生了改变，木材中半纤维素发生了热解，同时纤维素无定形区结晶化，使木材内具有亲水性的游离羟基减少，从而降低了木材的吸湿性，木材具有抗胀性[8-9]。3种木材在不同温湿度条件下的抗胀率如表1所示。

表1 微波检疫对木材抗胀率的影响Table 1 Effect of microwave quarantine on anti-swelling efficiency of wood

由表1可知，在20℃、65%RH和30℃、85%RH2种条件下，白蜡木的抗胀率最大，分别为11.97%和12.85%；黑胡桃木次之，分别为7.32%和8.18%；黄杨木的最小，分别为3.83%和4.56%。3种木材的抗胀率随着温湿度的增加而提高，尺寸稳定性得到有效改善。

2.1.2 木材的平衡含水率和阻湿率 木材的平衡含水率和阻湿率在2种环境条件下如表2所示。

表2 2种条件下木材的平衡含水率和阻湿率Table 2 EMC and MEE of wood at two set conditions

由表2可知，当环境的平衡含水率分别为12%(20℃、65%RH)和17.48%(30℃、85%RH)时，黑胡桃木的平衡含水率分别为12.31%和17.65%，白蜡木的平衡含水率分别为12.84%和17.39%，黄杨木的平衡含水率分别为12.62%和17.80%。微波检疫后，三种木材的平衡含水率有所下降，黑胡桃木的平衡含水率分别为11.29%和16.04%，白蜡木的平衡含水率分别为11.32%和15.09%，黄杨木的平衡含水率分别为12.24%和17.06%。3种木材具有一定的阻湿率，而且随着环境的温湿度增加，阻湿率也进一步上升。其中白蜡木的阻湿率最大，两种条件下分别为11.82%和13.18%；黑胡桃木次之，分别为8.28%和9.12%；黄杨木的阻湿率最小，分别为2.97%和4.13%。这可能是因为在高强度微波处理过程中，木材内部温度升高，木材中半纤维素发生热解反应，某些多糖容易裂解为糖醛和某些糖类的裂解产物[10-12]，这些物质又能发生聚合作用生成不溶于水的聚合物，使亲水性基团的数量减少，而且纤维素的无定形区在高温条件下脱去了大量的羟基基团，限制了与水发生相互作用[13]，提高了木材的阻湿率。

2.2 微波检疫对木材力学性能的影响

2.2.1 木材的抗弯弹性模量 3种木材微波检疫前后的抗弯弹性模量(MOE)如表3所示。

由表3可知，所有试样在20 ℃、65%RH(EMC=12%)条件下平衡处理之后测量力学强度，并根据公式(6)和(7)将抗弯弹性模量和抗弯强度转化为含水率为12%的条件并进行对比分析。研究发现微波处理后使3种木材的抗弯弹性模量有所降低，即刚度有所下降。微波检疫前，黑胡桃木抗弯弹性模量值范围在5.97～16.81 GPa，平均值为11.78 GPa，变异系数为17.34%；白蜡木抗弯弹性模量值范围在8.77～14.6 GPa，平均值为11.8 GPa，变异系数为9.27%；黄杨木抗弯弹性模量值范围在8.91～12.74 GPa，平均值为10.56 GPa，变异系数为8.67%。微波检疫后，黑胡桃木抗弯弹性模量值范围在8.19～13.38 GPa，平均值为11.05 GPa，变异系数为11.69%；白蜡木抗弯弹性模量值范围在7.82～14.45 GPa，平均值为11.59 GPa，变异系数为14.15%；黄杨木抗弯弹性模量值范围在7.99～12.16 GPa，平均值为10.38 GPa，变异系数为9.44%。3种木材的抗弯弹性模量分别下降了6.2%，2.03%和1.7%，这可能微波处理之后木材内部形成空穴，使细胞壁的柔性增加[13]。

表3 微波检疫对3种木材抗弯弹性模量的影响Table 3 Effect of microwave quarantine on MOE for three species of wood

2.2.2 木材的抗弯强度 3种木材微波检疫前后的抗弯强度(MOR)如表4所示。

表4 微波检疫对3种木材抗弯强度的影响Table 4 Effect of microwave quarantine on MOR for three species of wood

由表4可知，3种木材的抗弯强度也略有降低。微波检疫前，黑胡桃木抗弯强度值范围在78.25～135.45 MPa，平均值为102.17 MPa，变异系数为10.08%；白蜡木抗弯强度值范围在51.20～82.84 MPa，平均值为69.45 MPa，变异系数为10.30%；黄杨木抗弯强度范围在49.15～66.92 MPa，平均值为55.06 MPa，变异系数为6.72%。微波检疫后，黑胡桃木抗弯强度值范围在70.70～120.74 MPa，平均值为95.95 MPa，变异系数为12.93%；白蜡木抗弯强度值范围在44.96～81.21 MPa，平均值为65.47 MPa，变异系数为12.84%；黄杨木抗弯强度值范围在48.28～62.05 MPa，平均值为54.96 MPa，变异系数为5.80%。3种木材的抗弯强度分别下降了6.08%，5.73%和0.18%，这主要是因为微波处理后木材内部水分汽化产生水蒸气压力有微裂纹的产生了微裂纹，微裂纹造成木材强度的降低[14-16]。由于3种木材均属于阔叶材，阔叶材中的水分迁移通道主要是导管，导管细胞尺寸的大小和导管中的内含物决定了水分迁移的速度。因此处理过程中水蒸气压力上升较慢，处理后的木材产生的破坏相对较小，对木材力学性质造成的影响也较小。

3 结论与讨论

木材在微波检疫过程中，通过微波辐射以及微波处理导致木材内部水分蒸发产生的高温饱和蒸汽能够有效处理白蚁、天牛幼虫和松材线虫等有害生物，以及消灭霉菌和木腐菌；但同时也会影响木材的管胞、导管以及木纤维等微观构造，宏观上影响木材物理力学性质[17-18]。

研究表明， 在20 ℃、65%RH和30 ℃、85%RH2种温湿度条件下，由于白蜡木的基本密度大于黑胡桃木和黄杨木，因此其湿胀率最大，其次是黑胡桃木，最后是黄杨木。微波检疫后3种木材的湿胀性均有所下降，随着平衡环境的温湿度增加，下降程度越大。木材的吸湿性降低，平衡含水率也相应降低，木材的阻湿率增加。其中由于白蜡木的基本密度大于黑胡桃木和黄杨木，其抗胀率和阻湿率最大。微波检疫过程中部分厚壁细胞的细胞壁被破坏，胞间层被撕裂，导致其内表面积发生变化；同时木材中的极化水分子随着高频交变电磁场方向的变化而迅速旋转、相互摩擦、产生热量，使水分子本身发热，再将热量传给木材，使木材的半纤维素发生热解，纤维素的无定形区结晶化，木材的尺寸稳定性有所提高。

微波检疫后木材的抗弯弹性模量和抗弯强度都有所下降，由于微波条件下水分子传递给木材的热量使木材细胞壁中半纤维素和木质素发生玻璃化转变，纤维素的结晶度和聚合度有所降低，从而使木材软化，塑性增大；而存在于胞间层的半纤维素也降解，从而破坏了木材三大素之间的分子联结，导致胞间层被撕裂，破坏了木材细胞构造，力学强度有所降低[19-20]。但微波检疫对木材力学降低程度较小，建议在能够杀虫灭菌的条件下，降低微波输出功率，适当减少处理时间，从而保证木材的力学强度。