木材高强微波处理及其结构失效机制研究进展

王振宇，林兰英，傅峰*，周永东，李善明，彭立民，伊松林

(1. 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091； 2. 北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083)

木材不仅是当今社会常用建筑材料中唯一可再生、可降解的生物质材料，而且具有强重比高、纹理美观、绝缘隔热等独特的优良性能。如今，木材已被广泛地应用于家具制造、室内外装饰、人造板生产等行业领域，是国民经济建设的重要生产资料和人民生活必不可少的物质资源。然而，尽管经过长期的经营与维护，我国森林资源已在整体上呈现数量持续增长、质量不断提升、效能日益增强的良好发展态势，但我国仍是一个缺林少木的国家，森林资源总量相对不足，有限的森林资源既要提供经济产出，又要发挥其在生态安全与文化服务方面的重要价值[1]。此外，在我国实施天然林保护工程以及优质木材资源进口压力骤增的大背景下，虽然人工速生林得到大面积种植，但其木材材质尚不能与天然林木材相媲美，这也放大了我国森林资源质量不高的短板，使得我国优质木材资源的供需矛盾日趋尖锐。

人工林速生材往往存在强度低、不耐腐、尺寸稳定性差等材质缺陷，严重制约了其实木化利用，因而多被作为人造板生产的主要原料。我国不仅人工林面积居世界首位，而且国内木制品市场规模巨大，在这些因素的推动下，我国现已成为全球最大的人造板生产、消费和贸易国。虽然人造板具有木质资源利用率高、成本低、稳定性好等优点，但其也缺少了实体木材的天然纹理、质感和文化内涵等诸多特征，而且其在生产、使用过程中涉及的甲醛释放等环保问题也被广为诟病，很难真正取代实体木材;因此，要从根本上缓解我国木材供需矛盾，仍需从改善速生材材质入手，探索速生材实木化利用的新途径。为了达成这一目标，众多学者基于物理、化学及生物的方法[2]，在木材功能性改良领域进行了深入的研究，提出了诸如乙酰化[3]、高温热处理[4]、树脂浸渍[5]、溶胶-凝胶法[6]等一系列木材改性方法，实现了低质材的材性改良，甚至在一定程度上赋予了木材新的功能化特征，提高了木制品的附加值。较为常用的木材功能性改良方法中，大多涉及向试材中注入改性剂(或功能体)这一过程，且改性剂的注入量、注入深度以及均匀程度与改性效果密切相关。尽管木材是一种多孔性材料，但受限于其流体通道的独特微观构造[7]，导致木材的渗透性并不高[8]，改性剂难以均匀地浸注到木材内部，这也在很大程度上影响了改性效果，成为制约速生材功能性改良及开发利用的关键问题。

木材高强微波处理技术是一种绿色、高效、快捷的木材预处理方式，能够大幅提升木材的渗透性能。微波作为一种特定频率的电磁波，具有独特的热效应，通过其对物体进行加热可实现极好的穿透性、选择性和均匀性，并且加热速度快、热惯性小，早期在木材加工领域中的应用主要集中于木材干燥[9-10]。与传统微波干燥不同，高强微波处理(通常能量密度大于50 kW·h/m3)使木材中的极性分子，尤其是水分子在短时间内吸收大量微波能，并在交变电磁场中因取向旋转相互摩擦碰撞产生热量，从而引起试材中水分的快速汽化，产生大量蒸汽；随着木材内部温度的升高和蒸汽量的增加，水蒸气压力迅速上升，木材内外压力差不断增大，最终在木材的薄弱环节处引发破坏失效，从而产生大量微观或宏观裂隙。新流体通道的出现，显著改善了木材的渗透性能，为木材改性及功能化提供了有利条件[11]，也为进一步开展木材功能性改良或结构优化，并最终实现速生材实木化利用奠定了基础(图1)。

图1 基于高强微波处理的速生材实木化利用过程Fig. 1 The solid utilization of fast-growing wood based on high-intensity microwave treatment

随着高强微波处理技术在全面提升速生材材质、扩大速生材实木化利用范围中的作用日益凸显，越来越多的专家学者开始关注其在木材加工领域中的应用，并开展了一系列关于木材高强微波处理技术及其产业化应用的研究与尝试[12-14]。与此同时，由于高强微波处理产生的木材宏观组织结构及渗透性能变化通常是其细胞壁微观结构与性能的反映[15]，因此为了深入探究高强微波处理导致木材结构及材性变化的内在机理，并对高强微波处理效果进行有效调控，就需要结合木材的多尺度结构特征，准确认识和掌握其各层级结构在高强微波处理过程中的失效机制。基于此，笔者在系统总结前人有关木材高强微波处理技术研究现状的同时，立足于木材自身的多尺度结构特征，并引入木材弱相结构这一概念，对近年有关微波作用下木材多尺度结构失效机制的研究进展进行综述，以期为后续木材高强微波处理技术的机理研究及推广应用提供参考与借鉴。

1 木材高强微波处理技术

利用微波加热木材的历史可追溯至20世纪60年代，受限于当时并不成熟的微波技术水平和较高的处理成本，木材微波处理技术始终没有得到大范围的推广应用。直至20世纪90年代，得益于微波技术及相关设备的发展与进步，木材微波处理技术再次受到广泛青睐，并在木材微波干燥的基础上形成了以改善木材渗透性为首要目的的木材高强微波处理技术。相应的，众多木材微波处理设备相继问世，其主要可分为两大类：能够实现处理环境温湿度、真空度可调的箱体式微波设备，可连续进出料、生产效率较高的隧道式微波设备(图2)。无论在何种设备中，产生微波并决定设备功率的核心部件均为磁控管。单个磁控管微波源的功率一般为5～100 kW,通过将多个微波源进行叠加，木材微波处理设备功率可达300 kW[16]。微波功率与处理时间共同决定了在微波处理过程中木材单位体积所吸收的能量，即微波能量密度，这也是影响木材微波处理效果的关键因素。

图2 隧道式木材微波处理设备Fig. 2 The 200 kW tunnel-type microwave equipment of CRIWI for wood treatment

1.1 高强微波处理对木材材性的影响

传统的木材微波干燥等低能量密度处理旨在利用微波独特的加热特性，实现试材内外的同时均匀加热，从而提高干燥速率及干燥质量，而木材自身结构及材性并无明显变化。但在高能量密度微波处理中，由于高温高压蒸汽造成了木材结构较大程度的破坏，所以也导致了木材材性受到显著影响。研究表明，高强微波处理材材性方面的变化主要体现在渗透性能与力学性能两个方面。

1.1.1 高强微波处理材的渗透性能

经过高强微波处理后，新产生的流体通道是导致试材渗透性能提升的主要原因。Torgovnikov等[14]发现，在70～330 kW·h/m3的范围内，随着微波能量密度的升高，木材中产生的宏观裂纹不断增多，木材渗透性的增长幅度从最初的1.1～1.5倍，上升至数千倍。Poonia等[17]对喜马拉雅长叶松进行微波处理后，处理材顺纹方向气体渗透率较未处理材提高了近3倍，酸性铬酸铜防腐剂(ACC)浸渍量则增长了超4倍。Samani等[18]在研究不同类型防腐剂在楝树中的浸渍特性时，通过预先对试材进行微波处理，也达到了显著提升各类防腐剂浸渍量与浸渍深度的效果。胡嘉裕等[19]通过研究微波处理杨木的染色效果发现，微波处理90 s时，试材上染率和固色率分别较未处理材提高了21.15%和21.44%，且随微波处理功率的增大，试材染色效果更佳。Chai等[20]则基于高强微波处理后试材中孔道打开引起的渗透性能提升，较为均匀地向木材中浸渍了密度为7 400 kg/m3的金属合金，获得了密度为2 520～4 020 kg/m3性能独特的金属化木材。

高强微波处理材渗透性的提升，除了表现在有利于各类改性剂向木材中的导入，也反映在木材内部水分传输能力的大幅改善。Torgovnikov等[14]研究发现，在木材干燥前对试材进行高强微波处理，能够显著提高木材中水分的移动速度，从而有效减少木材干燥时间及整体干燥能耗。He等[21]指出，对尾叶桉进行高强度微波处理后，由于纹孔膜、射线薄壁细胞以及导管内侵填体的破坏使得木材纵向、横向渗透性均明显提升，干燥速率随之提高171%，干燥时间缩短了65%。Weng等[22]采用额定功率为20 kW的连续进给式微波处理设备(图3)对木材进行预处理后发现，基于木材中新形成的水分迁移通道，微波处理在加快木材干燥过程的同时，也降低了样品厚度方向上的含水率差异。

图3 连续进给式20 kW木材微波处理设备[22]Fig. 3 The 20 kW continuous feeding microwave equipment for wood treatment

1.1.2 高强微波处理材力学性能

虽然高强微波处理导致的木材组织结构破坏，使得木材渗透性能得到了明显提升，但往往也伴随着处理材力学强度的下降。Torgovnikov等[11]指出，随着微波处理强度的提高，处理材的抗弯弹性模量和抗弯强度呈逐渐下降的趋势，且弦向力学性能损失较径向更大，在经55.6～286.1 kW·h/m3的微波处理后，木材弦向抗弯弹性模量和抗弯强度分别降低了17%～65%和15%～80%，径向抗弯弹性模量和抗弯强度则分别降低了12%～29%和15%～70%；因此，结合高强微波处理材的具体应用场景与目标，合理选择微波处理条件，控制处理材结构(尤其是厚壁细胞)破坏程度，从而实现渗透性与力学强度的平衡在微波处理技术的应用过程中具有非常重要的意义。Liu等[23]采用“低功率微波-平衡-高功率微波”的工艺流程，对含水率为25%的落叶松木材进行处理，在基本维持力学性能的前提下使木材渗透性提高了约3倍。Hermoso等[24]提出，为了平衡桉木渗透性与力学性能，应在100～120 kW·h/m3范围内选择微波处理强度。

此外，在适当的条件下，高强微波处理不仅不会造成试材力学强度的大幅度下降，还会对处理材的某些力学特征产生积极影响。Aksenov等[25]的研究结果显示，相较于传统的对流加热方式，经微波处理后，木材表面硬度的提升程度更高。在干燥前进行高强微波预处理，也能通过在木材内部引发物理、化学松弛，使木材内部应力得到释放，明显减少因木材内部应力产生的开裂、变形等缺陷，有效提高干燥质量[14,26]。Harris等[27]研究表明，采用强度为70 kW·h/m3的微波对木材进行预处理，可使干燥后无缺陷材的比例提高24%。Dömény等[28]基于微波处理过程中水热共同作用引起的木材基质软化与木材流变特性变化，完成了木材密实化处理前所需的塑化过程。研究结果显示，微波作用起到了较好的木材塑化效果，不仅使得压缩后木材密度分布更加均匀，而且压缩过程并没有对木材细胞壁结构造成明显破坏。与之类似，当将高强微波预处理用于辐射松木材的弯曲定型过程时，在微波能量密度为63.1 kW·h/m3的条件下，可使试材弯曲系数达到0.032，优于白蜡、榆木等弯曲性能优良的材种[29]。

1.2 木材高强微波处理效果的影响因素

高强微波处理对木材材性的影响效果与很多因素相关，除了前文提到的微波能量密度，微波频率、微波场分布、微波馈口数量，以及木材自身的含水率、介电常数等特性都会影响到处理过程中木材内部的温度及蒸汽压力，并最终影响微波处理效果；所以，对微波处理效果的影响因素进行研究与分析，是精准调控高强微波处理材材性的重要环节。

高强微波处理过程中，木材内部的温度及压力变化是造成木材材性变化的直接原因。微波作用下木材内部温度的变化过程可概括为快速升温、恒温、后期升温3个阶段，蒸汽压力最大值通常出现在恒温阶段。当微波功率提高时，木材内部温度上升速率加快，恒温段温度及蒸汽压力峰值增大，但恒温段时间及压力保持时间相应变短[30]。微波频率主要决定微波在木材中的穿透深度，当微波难以穿透试材时，会导致微波能量利用率降低，处理材内部温度场均匀性变差，从而影响处理效果。木材微波处理采用的微波频率多为2 450或915 MHz，两者对应的波长分别为12.2 与33.5 cm，后者在木材中具有更大的穿透深度，适用于处理尺寸相对较大的试材。由于微波场的分布情况也会对处理效果产生影响，因此通过优化谐振腔结构提高微波场均匀性，一直是微波设备设计与制造过程中需要考虑的重要内容，常见的优化方式包括：适当增加谐振腔体积与谐振模式，或通过在谐振腔内加设风扇状金属搅拌物使微波充分反射并形成驻波场等[31]。同时，通过模拟微波处理材内部温度场发现，增加馈口数量，将单向馈入变为双向馈入甚至多向馈入，也能够实现提高处理效果均匀性的目的[32-33]。此外，微波场方向与木材纹理方向两者间相对关系的变化也会使木材处理效果产生差异，当微波沿木材顺纹方向馈入时，木材对微波的吸收率是横纹馈入时的1.6～2.1倍，且木材受热更加均匀；而横纹馈入时，则更利于迅速打通木材内部水分通道并提高试材的渗透性[11]。在木材自身特性对微波处理效果的影响方面，木材含水率是需要重点考虑的因素之一。廖春荣等[34]发现，微波在木材中的穿透深度会随着木材含水率的增加而减小；熊令明等[35]则指出，试材含水率对木材微波吸收能力有重要影响，当含水率为40%～60%时，微波处理对试材结构破坏最为严重。从木材介电特性对木材吸收微波能量过程的影响看，介电常数越大，试材吸收的微波能也就越多；故Ramasamy等[36]基于木材介电常数的变化规律，对木材在微波场中的一些响应特征进行了解释，指出微波处理效果之所以与木材含水率、纹理方向等因素有关，是因为介电常数会随木材密度和含水率的增加而增加，而且顺纹方向的介电常数高于横纹方向。

2 木材多尺度弱相结构及其在微波作用下的失效机制

木材的弱相结构是一个相对概念，由于木材内部各组成单元之间性质存在差异，在受到外界作用时最先萌生破坏失效的结构位点便被称为木材的弱相结构。在高强微波处理过程中，木材的材性变化同样源于微波作用所导致的木材弱相结构的破坏失效，且弱相结构的破坏程度及发展延伸方式直接关系到微波处理效果的好坏；因此，为了厘清木材高强微波处理的深层机理，就必须有针对性地基于木材弱相结构概念，对高强微波处理过程中木材结构的失效机制展开研究。

2.1 木材多尺度弱相结构及其失效机制

木材是一种复杂的多孔性高分子复合材料，并且具有明显的多尺度结构特征。随着木材结构从大尺度向小尺度的依次深入，可将其归纳为木材组织结构、细胞壁壁层结构以及纳米级高分子结构3个层级。相应的，木材中的弱相结构也具有多尺度性，普遍存在于木材内的各基本组织(细胞)之间、木材细胞壁内各层之间以及木材化学组分之间。

近年来，探究不同尺度木材结构单元在各类外部作用下的响应，逐渐成为木材科学的前沿领域，相关研究不断增多，但少有研究明确提出弱相结构并揭示其失效机制。力学载荷不仅是木材使用过程中较为常见的外部作用形式，而且在微波处理导致木材结构失效的过程中也发挥着重要作用。在木材组织结构尺度上：王东[37]发现顺纹拉伸时木材破坏始于早材交叉场区域管胞，而施加顺纹弯曲载荷时，木材由受拉部位最外侧的交叉场区域的管胞处开始发生破坏；任宁等[38]发现木材中由拉伸产生的裂纹在遇到导管、早晚材边界等结构时往往会改变原先的扩展方向，并顺着这些组织的边缘延展。在壁层结构尺度上：Zink等[39]研究表明木材顺纹拉伸时，细胞壁会发生细胞壁横断、壁层内部破坏、胞间层分离3种情况，其中壁层内部破坏往往发生在S1和S2层之间；Wang等[40]通过构建细胞壁多层结构模型并结合有限元分析指出，在顺纹拉伸时，管胞应力集中和初始断裂主要位于S2层，而在剪切载荷下，应力集中和初始断裂多位于S1与S2层间的界面处。在纳米级高分子结构尺度上：Stevanic等[41]提出在外载荷的作用下木材化学组分内的C—C和C—O共价键受到破坏，从而导致细胞壁骨架分子解体，是细胞壁破坏失效的主要原因；Wang等[42]基于顺纹拉伸载荷下应压木与普通木材高分子结构的变化差异，探究了木材细胞壁的变形机理，指出应压木在静态红外光谱中的纤维素糖苷键及分子内氢键特征峰在拉伸后出现较普通木材更大的位移，而在动态拉伸过程中应压木纤维素和基质间较大的相对滑移也令其细胞壁结构发生更大变形。

除了力学载荷，国内外学者也分别对水、热、微生物等其他多个单一或协同外界作用形式下木材不同尺度结构的失效机制开展了广泛研究[43-47]。蒸汽爆破预处理是较为典型的协同外界作用形式，并且涵盖了微波处理中同样涉及的水、热、力共同作用过程，因而其所导致的木材多尺度弱相结构失效与高强微波处理具有一定的相似性。Muzamal[48]在蒸汽爆破处理后的木材内部发现了由于蒸汽压力快速释放造成的导管变形、开裂以及纹孔结构破坏。Marques等[49]提出，蒸汽爆破预处理不仅能够通过机械破坏提高处理材料的比表面积及其中纤维素组分的可及度，而且处理过程所对应的高温高湿环境，会导致水合氢离子的产生，并由此引发半纤维素的水解，生成有机酸，从而催化纤维素、半纤维素、木质素间醚键与酯键的断裂及主要化学组分的降解。

2.2 高强微波作用下的木材多尺度弱相结构失效机制

长期以来，国内外学者大多将木材组织结构的破坏作为解释高强微波处理材材性变化的主要原因，对木材组织结构尺度上发生的结构失效讨论也相对较多。吕悦孝等[50]对微波处理杨木和水曲柳的组织构造进行观察发现，处理后木材的纹孔膜发生破裂，导管内侵填体成分明显减少并重新分布。也有研究指出，微波处理还会造成木材射线薄壁细胞和树脂道破裂，甚至引起管胞壁的破坏[23,51]。Liu等[52]通过观察高强微波处理后落叶松的组织结构发现，微波作用对管胞的破坏主要集中在早材区域，而晚材管胞受到的影响则较小。根据Torgovnikov等[11]的总结，随着微波处理强度的增加，可将木材组织结构的破坏概括为3个阶段：首先出现的是纹孔膜的破裂以及侵填体等内含物成分分布的改变；随后射线薄壁细胞遭到破坏；最后出现管胞、木纤维等厚壁细胞细胞壁的破坏。但也有许多学者提出了不同观点或对该结论进行了进一步补充。王婧[53]在微波处理尾叶桉时发现，虽然木纤维间的复合胞间层和木纤维壁上均出现了裂纹，但射线薄壁细胞却只发生了一定程度的变形，并未破裂；何盛[54]也提出，微波处理过程中裂纹主要产生于胞间层区域，且相互垂直排列的不同类型细胞间的胞间层更易被破坏。

在木材细胞壁壁层结构尺度上，研究发现不仅纹孔结构会在细胞壁失效过程中扮演重要角色，而且细胞壁各壁层内微纤丝排列的方式、主要化学组分的分布等也会对失效形式有重要影响。Terziev等[55]在微波处理提高辐射松渗透性的研究中指出，微波处理会导致管胞细胞壁瘤层及S3层上产生裂隙，并对纹孔口造成破坏；同时，由于S3层微纤丝排列规则性较差，因此裂隙的生成及发展也没有体现出明显的规则性，而纹孔附近的裂隙则一般会沿着纹孔口延伸至细胞壁S2层。Weng等[56]的研究则更为深入地描述了自具缘纹孔端部延伸至管胞细胞壁的裂隙不仅会随着微波处理强度的增强而扩大延长，而且裂隙发展的方向与S2层微纤丝取向一致。何盛[54]从细胞壁各壁层化学成分差异的角度出发，提出由于复合胞间层的纤维素含量较低，木质素含量相对较高，微波处理产生的高温高湿环境可使复合胞间层内大量的木质素迅速软化，从而导致其强度下降并率先出现裂纹、发生失效。另外，他认为相互垂直排列的细胞间的胞间层更易发生失效的主要原因是两者细胞壁中微纤丝排列方向不同。Li与柴媛等[57-58]分别通过建立简化的细胞壁模型，对微波处理过程中木材薄壁细胞的受力情况及破坏条件进行了理论分析。研究指出，当细胞内外压力差增大到一定程度后，细胞会出现“屈服”现象，且该临界压强随细胞半径的增加而减小。由此推测，微波处理引发木材结构失效所需的最小压强应为试材最大薄壁细胞破坏时的压强。经计算，在桉木与杨木中需达到的温度与压强分别为168 ℃、0.84 MPa和184 ℃、2.03 MPa。

结合木材多尺度结构特征，通过对微波作用下木材组织结构、细胞壁壁层结构以及纳米级高分子结构等多个层级中的弱相结构进行定位，并研究其微波响应特性，可初步总结出微波处理过程中木材多尺度结构的失效机制。首先，从整体上看在不同微波处理条件下，微波的非热作用及其在木材细胞内产生的高温高压蒸汽会率先引起木材主要化学组分间化学键的断裂，并导致半纤维素、纤维素等高分子结构的破坏、降解或重新排列；其次，高分子结构的降解及排列方式的改变会影响木材细胞壁壁层结构，造成细胞壁微力学性能发生改变，并在外部作用与内部应力的共同影响下引发细胞壁尺度上的破坏失效；随后，细胞壁壁层结构中的缺陷会继续发展延伸，逐渐形成木材组织结构尺度上的破坏，并最终对木材的整体结构与性能产生影响。

3 展 望

近些年高强微波处理技术在木材加工领域中的广泛应用，以及关于其对木材材性影响研究的不断深入，再次证明了微波处理技术能够在速生材实木化、高值化利用过程中发挥重要作用。与此同时，基于木材多尺度结构特征开展的高强微波作用下木材结构失效机制研究，也在一定程度上揭示了木材微波处理技术的作用机理。但现有的研究仍存在一定的局限性，笔者认为今后可从以下领域开展更为深入的研究工作：

1)精准定位高强微波作用下的木材多尺度弱相结构。木材结构破坏原因的复杂性、多样性均有可能造成微波处理后出现多种类型的结构单元失效，从而导致弱相结构定位不够明晰。因此，一方面可通过调整微波处理工艺，减少不同结构单元失效过程的重叠，厘清各失效形式出现的先后关系，减少弱相结构误判；另一方面，不能仅将表观破坏作为判定弱相结构的唯一依据，还需充分结合各结构单元的失效机制，明确高强微波处理所引发的具有代表性的弱相结构所在。

2)深入阐明高强微波处理中各作用形式间的耦合关系。高强微波处理本质上可看作是一种由水、热、力复合而成的复杂外界作用形式，但现有研究尚未充分阐明其中各单一作用相互间的耦合关系。故可分别对试材施加微波处理中涉及的一种或几种单一外界作用，在不同程度上模拟木材微波处理过程，并通过比较木材弱相结构失效情况，探明各外界作用间的耦合关系，消除高强微波处理中的黑箱过程，深刻揭示弱相结构失效机制。

3)全面构建高强微波作用下的木材多尺度弱相结构失效理论体系。仅在木材多尺度结构中的某一层级下研究弱相结构对微波作用的响应特性，而缺乏对不同层级间弱相结构相互联动机制的系统性总结，很难从本质上厘清微波作用下木材多尺度弱相结构的失效机制及其与木材材性间的关系。所以，应基于木材多尺度结构特征，从相邻层级间的弱相结构失效入手，逐步建立高强微波处理材自微观高分子结构到木材宏观材性间的联系，完善现有弱相结构失效理论体系。

总而言之，木材高强微波处理作为实现速生材实木化利用、缓解我国木材供需矛盾的关键技术，有着巨大的发展与应用潜力。针对现有研究的不足，通过在木材多尺度弱相结构定位、微波处理中各作用形式耦合关系阐明，以及多尺度弱相结构失效理论体系构建等方面展开深入研究，从而厘清高强微波处理过程中木材多尺度弱相结构的失效机制，完善木材微波处理基础理论，对精准调控微波处理过程，扩大其应用范围，具有非常重要的理论意义与实践价值。