微波处理樟子松木材机理研究

摘要

木材微波处理作为一种快速高效改善木材渗透和浸渍性能的新型技术已经收到了广泛的关注，但由于微波处理木材机理和工业化设备开发等方面的研究不够深入，使其在木材工业化生产中没能得到很好的推广和应用。论文以樟子松为实验材料，首先对樟子松木材的解剖和介电特性进行了研究。在了解不同含水率樟子松介电特性的基础上，通过仿真模拟研究了不同含水率、木材厚度和木材在腔体中的位置条件下，木材断面的损耗功率密度，优化微波处理的均匀性。同时实时监测微波处理过程中木材不同部位的温度特性，分析了不同微波处理工艺参数下木材内部的温度变化规律，对微波处理木材的浸注性、微观构造和孔隙率等特性进行了研究。最后建立厚壁圆筒模型，通过理论计算射线薄壁细胞和管胞的破坏力，以期揭示微波处理木材的作用机理。论文得出的主要结论如下: (1)木材在连续隧道式微波处理设备中的损耗功率密度与其初含水率、在设备中的位置和木材厚度有关。不同含水率木材断面上的损耗功率密度分布规律基本相同，木材中心部位损耗功率密度最高，边部较低。木材在靠近微波源断面处，损耗功率密度随着含水率的降低而下降;随着木材在腔体中高度的提高，最大的损耗功率密度先增大后减小;随着木材厚度的增加，木材断面的损耗功率密度先升高后降低。 (2)在高强度微波处理过程中，木材内部的温度特性可以分为两种类型。类型1可以分为，前期升温、短暂的恒温和后续快速升温3个阶段;类型2可分为快速升温和恒温分为2个阶段。木材的最高温度和升温速率随着微波功率的增加而增大，随着木材初含水率的增大而减小。而木材恒温段的持续时间随着微波功率的增加而减小，随着木材初含水率的增大而增大。木材内部的最高温度和升温速度大小顺序为，上表面＞中心点＞下表面＞端部;在木材厚度方向上，离微波溃口距离越近，木材的最高温度和升温速率越高。 (3)微波处理能显著提高木材的浸渍特性，微波处理时间和微波功率对吸收染液增重率影响显著，其中微波处理时间影响最大，其次是微波功率;而在20-40％含水率范围内，吸收染液增重率受含水率影响不显著。当采用功率为20kW，处理时间90s的微波工艺处理木材时，处理材吸收染液增重率和染液在木材内部的渗透效果最好。 (4)微波处理提高木材浸渍特性的机理为:高强度微波处理使木材的纹孔结构发生破坏，部分闭塞纹孔被破坏。同时樟子松部分树脂道被破坏，并在树脂道周围沿着木射线方向产生宏观裂纹。微波处理使木材部分纹孔膜上的微孔和细胞壁中的间隙发生破坏，从而导致处理材内部小于200nm范围的微孔数量减少，在此范围内的累积孔体积和累积孔面积较未处理材下降;同时树脂道、纹孔口和部分细胞壁的破坏，使处理材大于8μm范围内的大孔数量增大。 (5)樟子松射线薄壁细胞破坏的内外压力差为0.38MPa，对应的木材内部饱和蒸汽的温度为146.3℃。樟子松早材内壁屈服的压力为1.28MPa，爆破压力为3.19MPa。对应的早材内壁屈服温度为185℃，使早材管胞爆破的温度为223℃。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2微波特性及加热木材原理

1．2．1微波的特性

1．2．2高强度微波处理木材原理

1．3微波处理木材国内外研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4研究的目的与意义

1．5研究的主要内容

1．6技术路线

2．1引言

2．2材料和方法

2．2．1材料

2．2．2主要仪器设备

2．2．3方法

2．3结果与讨论

2．3．1樟子松木材解剖特性

2．3．2樟子松木材介电特性研究

2．4小结

第三章高强度微波处理木材内部损耗功率密度仿真模拟

3．1引言

3．2材料和方法

3．2．1材料和设备

3．2．2方法

3．3结果与讨论

3．3．1设备不同位置木材内部损耗功率密度分布

3．3．2木材含水率对损耗功率密度分布的影响

3．3．3木材在腔体中的高度对损耗功率密度分布的影响

3．3．4木材厚度对损耗功率密度分布的影响

3．4小结

第四章高强度微波过程中木材内部温度特性研究

4．1引言

4．2材料和方法

4．2．1材料

4．2．2设备

4．2．3试验方法

4．3结果与讨论

4．3．1不同含水率下木材内部温度随时间变化特性

4．3．2不同微波功率下木材内部温度随时间变化特性

4．4本章小结

第五章高强度微波处理木材浸渍和孔隙特性研究

5．1引言

5．2．1材料

5．2．2方法

5．3结果与讨论

5．3．1不同微波处理工艺木材浸渍特性研究

5．3．2微波处理材微观构造变化

5．3．3微波处理材孔隙特征

5．4小结

第六章高强度微波处理樟子松木材破坏力理论计算

6．1引言

6．2材料与方法

6．2．1研究材料

6．2．2模型假设

6．2．3理论基础

6．3结果与讨论

6．3．1樟子松射线薄壁细胞爆破力分析

6．3．2樟子松管胞爆破力分析

6．4小结

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

在读期间的学术研究

导师简介

致谢