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微波技术在木材加工中的应用

人气: 发表时间:2019-01-19 17:23【
       微波加热技术在木材加工领域的应用包括:胶合、干燥、可塑化、热处理等,其中热处理是近年来新开发的应用领域。
一、木材的介电特性和微波加热的关系
       众所周知:热传导原理是从体表向内芯传导热量,由于物体不同的体积和热传导率,内部温度上升需要很长的时间。而微波加热是利用强交变电场作用使物体分子进行摩擦发热,瞬间产生的热量高,使物体在短时间内加热完毕。普遍认为,在微波场中放置的木材样品单位体积、单位时间产生的热量与ε·tanδ·ƒ 成正比。而木材的ε·tanδ比较大,热传导性能较差,适合采用微波来进行加热。
       我公司技术专家在木材微波技术应用上做了若干批次试验,在频率为2450MHz的微波电场下,木材含水率、木材纤维方向和介电特性之间具有一定的关系,当电场方向与木材纤维方向平行时,加热效率比直交方向好得很多。当电场强度降低1/е=0.37倍时含水率迅速降低。

二、微波干燥的原理
       木材属于水分含量较高的物体,才用微波进行干燥是相当理想的。微波加热的本质是从木材内部开始加热,微波辐射能量直接被水分子吸收转换为热量。木材的干燥只需要把木材中的水分蒸发,温度一般不超过100℃。传统的热风烘房干燥,木材内部的温度要上升到100℃,热量由表及里传导,表热风温度至少得达到200℃以上。
       微波加热是内部极性分子吸收微波能量转化为热能,木材内部温度升高形成蒸汽压。很容易就把内部水分压至木材外表,时间也相应缩短15~30倍。
       在常规工艺下,木材干燥总是按如下方式进行,表面水分被蒸发,形成内部和表面之间的含水量梯度,依照这一梯度,内部的水分向表面扩散,然后再从表面被蒸发,返复循环,以达到木材的干燥。从根本上来说,微波干燥是基于在微波电磁场中极性水分子相互之间剧烈地摩擦,这种分子之间的摩擦产生的热量使木材中的水分升温和蒸发,与对流加热、传导和红外辐射加热相比,微波加热的特点是具有强烈的渗透性。木材进入微波电磁场,电磁场就立即渗透进木材的深处使木材的表层和内部同时迅速地得到加热。由于这一独有得特性,微波干燥木材就有两个作用过程。一个是常规干燥木材一样的作用过程;另一个作用过程,也是独有的优点,就是借助于微波能的渗透作用,使木材内部的水分迅速地受热汽化,形成向外扩散的强大"压势",使内部的水分极快地扩散到表面上来。实际证明:在微波干燥中,木材内部水分向外扩散的速度远大于表面水分蒸发的速度。因此那种在自然干燥和热空气干燥木材中所出的表面硬化,及其影响水分向外扩散的现象根本就不存在。由于微波干燥木材具有这样双重的驱水作用过程,又无表面硬化等缺陷,所以干燥速度极快。相比之下,常规干燥需要15天左右,而微波干燥只需要十几分钟到几十分钟。由于微波干燥原理的特殊,其干燥结果也是与众不同的。这就是:无论木材沿横截面的湿度是完全一致,还是具有一定梯度,微波干燥的结果都是呈现为接近木材表面的湿度最大,而中心最小。这在实际应用中也是有利的。

三、木材的微波干燥曲线
       热风干燥是体表干燥,时间长、成材率低。木材的微波干燥法大致划分为升温干燥、恒速干燥、减速干燥等过程,在采用微波对木材进行干燥加工中,由于木材纤维影响其通透性能,大多数木材的通气性能都较差。采用内、外同时加热,避免木材表面温度和环境温度之间的平衡,避免木材内部温度和外部温度之间的平衡,尽量降低、消除木材本身的应力因素。提高微波木材干燥的成材率。

四、微波木材干燥特点
       1、速度快:微波干燥由于它独特的优点,故干燥速度极快。经客户选用我司连续式微波木材干燥设备生产结果表明:当微波功率为60千瓦左右,在不造成干燥缺陷的条件下,从8毫米厚的薄木板到50毫米厚方料,来料水分由35~40%烘干至20%左右''''''''''''''''其干燥时间只需10分钟至26分钟。若增大微波功率,必须采取相应的合理工艺。否则,其干燥速度虽然随之加快,但由于木材内部温度急剧上升,水分汽化,气压剧增,超过木材纤维允许的程度,造成开裂。所以微波烘干木材,其输出功率密度的增加是有限制的。
       2、 效率高:我们利用"提水率"这一指标来考核干燥效率的。所谓"提水率"是被定义为1千瓦的微波功率在1小时内,使被干燥物失水的公斤数,单位为公斤/千瓦·小时(kg/kwh)。提水率高,说明设备的效率高。我公司对四只树种的木材进行考核,结果表明:每只木材的提水率都在0.8~1kg/kwh左右或略为超过。同一只木材沿纤维方向的长度不同,则干燥效果具有明显的差别,我们用纤维结构比较紧密的柞木进行试验比较,长度短提水率高,反之则提水率低。众所周知,被加热的木材,随着逐渐冷却过程的进行,其内的水分是要进一步蒸发的。所以适当的加热烘干后冷却,能提高干燥效果。 
       3、质量好:木材在常规干燥过程中变的形、开裂,是由于木材失水后纤维收缩不均匀产生的。在自然干燥中,一方面由于木材表面的蒸发速度远大于内部水分的扩散度,形成了表面干内湿的状况,表层的干燥使纤维收缩,产生表里之间的应力。一方面,木材沿纤维方向的两端纤维毛细孔远大于其它部位,故纤维的收缩大大超过其余的部分,所以实际上木材两端在自然干燥中几乎没有不开裂和变形的,一般裂缝的长度在10~30cm不等。同时木材推放在晒场上,经长时间风吹日晒雨淋的反复侵蚀变质,引起许多木材霉烂,这种变形、开裂、霉烂变质都严重影响了木材的质量并造成了大量的报废。 
       在微波干燥过程中,由于微波干燥具有强烈的渗透性和选择性等优点,在干燥过程中,木板表里之间、两端和中间纤维的收缩基本上比较一致,所以开裂和变形小。经实际考察,一致认为微波干燥的木材质量较自然干燥的好。 
       当微波功率密度过大,木材内部热应力超过木材纤维所允许的限度,也会出现木材内部炸裂的现象,这就是微波干燥木材仍需要一定作用时间的原理所在。
       A、节约木材:木材是国家一类物资,节约木材不但具有经济效益,而且可以减少森林采伐,有重大的环境效益。在自然干燥中,由于变形、开裂、霉烂变质造成的木材报废相当严重,实践证明,采用微波干燥,木材的利用率至少可提高5%加快了木材使用的周期:由于木材自然干燥需要长达一年甚至数年的时间,为了维持生产的正常进行必须储存大量的木材以做周转,不仅占用很大的场地而且还要经常翻晒。采用微波干燥后,湿木材及时得到干燥,上述现象均可得到适当的改善。
       B、杀死木蛀虫:木蛀虫大多虫卵栖隐在木材中,变成成虫后就会破坏家具的外观和使用价值,木材在微波过程中,其内部的虫卵、幼虫也同时被杀死。据试验,在2450MHz的微波能量照射下,木材的温度在70~80℃,只需3min就能全部杀死虫卵和幼虫。

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