中密度纖維板微波預熱后板坯內(nèi)水分和溫度的分布1)

余妙春 饒久平 謝擁群

(福建農(nóng)林大學，福州，350002)

中密度纖維板微波預熱后板坯內(nèi)水分和溫度的分布1)

余妙春 饒久平 謝擁群

(福建農(nóng)林大學，福州，350002)

研究了微波預熱對中密度纖維板板坯中水分和溫度分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明:微波預熱處理使板坯形成表層含水率高，芯層含水率低的含水率梯度，減小預壓高度、增加微波預熱時間、適當調(diào)高板坯初含水率有利于在板坯中形成表層含水率略高于芯層的含水率梯度;微波預熱處理使板坯形成芯層溫度高，表層溫度低的溫度梯度，形成了驅(qū)動內(nèi)部水分向表層滲透的蒸汽壓差，加速水分的遷移，使板坯中的水分重新分布;微波預熱處理減少板坯的熱壓工序，縮短熱壓時間，實現(xiàn)了生產(chǎn)線生產(chǎn)能力的提高和單位產(chǎn)量能耗的降低。

中密度纖維板;微波預熱;水分移動;溫度梯度

眾所周知，在人造板生產(chǎn)中，中密度纖維板(MDF)的能耗量是比較高的，而中密度纖維板的熱壓工藝是生產(chǎn)過程中能源消耗的主要環(huán)節(jié)[1]。為保證板坯中的膠黏劑能夠達到良好的固化，必須保證板坯中的溫度達到固化溫度。由于在低含水率情況下，板坯的導熱系數(shù)很低，且水分和溫度分布的耦合作用，不利于熱量由板坯表面向板芯傳遞[2]，從而不得不采用較長的熱壓時間。時間越長能源浪費和生產(chǎn)能力降低越多，使生產(chǎn)成本提高。為降低能耗、減少熱壓時間，國內(nèi)外進行了大量的板坯預熱研究?？送呒{(Kvaemer)公司和美卓(metso)公司采用蒸汽加熱技術(Steam Jet)[3];Celeste M.C.利用高頻電磁波加熱中密度纖維板板坯[4];加拿大林產(chǎn)品研究所Dr.James利用24 kW的工業(yè)微波裝置研究了微波預熱中密度板坯，可以使熱壓時間縮短66s左右[5]，使熱壓總體能耗下降。在國內(nèi)，謝力生研究了預熱對板芯溫度和熱壓的影響[6];關清洋、王旭研究了微波預熱板坯對水分重新分布及對熱壓時間縮短的作用，熱壓時間可以減少60s[7-8]。研究表明:利用微波對板坯進行預熱，可以有效地達到減少熱壓時間、降低產(chǎn)品單位能耗、提高生產(chǎn)線能力的目標。

將微波預熱技術與中密度纖維板預壓工藝結(jié)合，研究板坯預壓高度、加熱時間、初含水率等因素對板坯中的水分分布和溫度分布的影響，在保證和提高中密度纖維板物理力學性能的前提下，對微波預熱技術的應用進行探討。

1 材料與方法

木材纖維取自福建福人木業(yè)有限公司MDF生產(chǎn)線上施過膠的混雜纖維，主要樹種為馬尾松(占40％)和闊葉材混雜木(占60％)。

主要試驗儀器:HM15型攪拌機、海爾智能轉(zhuǎn)波王微波爐(800 W，2 450 Hz)、QD 壓機、Dieffenbacher實驗熱壓機、Press-Man控制系統(tǒng)、S.C.101-2型鼓風電熱恒溫干燥箱(浙江嘉興電熱儀器廠)、銅—康銅熱電偶(自制)、FPZ-1導熱系數(shù)數(shù)字電壓表(復旦科教儀器)、紅外線測溫槍、MP200B型電子天平(精度0.01g)。

水分分布規(guī)律試驗工藝:測量原纖維含水率→施水調(diào)節(jié)纖維含水率→分層制作板坯→壓機預壓→微波預熱→取試樣放入容量器→烘干測量試樣含水率。

溫度分布規(guī)律試驗工藝:測量原纖維含水率→施水調(diào)節(jié)纖維含水率→分層制作板坯→壓機預壓→微波預熱→插入熱電偶溫度計→讀取溫度并做記錄。

調(diào)節(jié)纖維含水率:將纖維置于105℃干燥箱中干燥，達到絕干狀態(tài)下取出，并用塑料袋包裝密封放入冰箱備用。將絕干纖維放入攪拌機中，根據(jù)纖維質(zhì)量加入設定含水率所需的用水量(11％～14％)，并充分攪拌。攪拌后的纖維放入塑料袋密封保存，使其含水率進一步均勻。

板坯制作:采用手工制作。按照目標厚度為20mm、幅面大小為190mm×190mm、密度為0.77g/cm3的中密度纖維板稱取纖維用量。將整張板坯的物料量平均分成5等分，進行分層鋪裝，層與層之間用紗布隔開，鋪裝完成放入壓機中進行冷壓，使其達到試驗要求的預壓高度。

微波預熱:為了防止上表層的水分向空氣中散失，在板坯的上表面上鋪放一張保鮮膜，然后放入微波爐中進行預熱，設定微波加熱時間(80s、100s)。

含水率計算:微波預熱完成后，迅速將板坯每層分成9小塊，分別取樣裝進容量器中進行稱質(zhì)量。將容量器連同裝入其中的纖維放入烘箱中，在105℃條件下烘至絕干。計算板坯中每層每小塊纖維的含水率，以找出整張板坯經(jīng)微波預熱后其含水率重新分布的規(guī)律。

溫度測量:將板坯分成5層，微波預熱后迅速把準備好的熱電偶觸點插入各層中間，每層插入兩個觸點，其中一個插在當層中間位置，另一個觸點插在當層邊部。安裝完后，放入壓機進行預壓(使觸點更好地接觸板坯纖維，減小試驗誤差)，最后讀取數(shù)據(jù)并進行記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 MDF微波預熱后板坯內(nèi)水分的分布

預壓高度對板坯中水分分布的影響:在微波預熱時間為80s、板坯初含水率為14％～16％條件下，改變板坯的預壓高度，對板坯中各個點的含水率進行測定，得到不同預壓高度的板坯各層平均含水率變化，見表1?？梢?，板坯中第4層的平均含水率最低(除預壓高度為8cm的板坯外)，其他層的平均含水率均高于第4層，同時隨著預壓高度的增加，板坯的含水率變化逐漸減小(即板坯中各層平均含水率的數(shù)值變化較小)，這可能是由于預壓高度越小使得水分移動到表層的距離縮短，所以在相同的時間條件下，預壓高度小的各層含水率的差距比較明顯。當預壓高度上升到8cm時，出現(xiàn)第5層平均含水率最低的現(xiàn)象，這和預壓高度為3、4、6cm的板坯產(chǎn)生最低含水率在第4層的高度實際上是一致的，只是預壓高度的整體提高使得各層的高度均有所提高，含水率的最低層也隨其向下移動。因此，不論是怎樣的預壓高度，皆出現(xiàn)了水分向上下表面移動的趨勢，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:微波的透射性能可以使物料內(nèi)外介質(zhì)同時受熱，由于內(nèi)部缺乏散熱條件，造成內(nèi)部溫度高于外部的溫度梯度分布，形成了驅(qū)動內(nèi)部水分向表面滲透的蒸汽壓差，加速水分向上下遷移。

表1 不同預壓高度的板坯各層平均含水率

微波預熱時間對板坯中水分分布的影響:在板坯初含水率為14％～16％，板坯高度為4cm條件下，改變微波預熱時間，對板坯中各個點的含水率進行測定，得到不同微波預熱時間的板坯各層平均含水率，見表2?？梢姡S著微波加熱時間的延長，板坯內(nèi)有更多的水分移動到了表層，而且含水率最高層和含水率最低層的含水率差值更大(當微波預熱時間為80s時，第2層含水率平均值最高為14.29％，第4層含水率平均值最低為12.55％，二者的差值為1.74％;當微波預熱時間為100s時，第1層含水率平均值最高為12.27％，第4層含水率平均值最低為9.94％，二者的差值為2.33％)，這可能是因為在較長的微波預熱時間下物料中的水分能吸收更多的微波能并將其轉(zhuǎn)變成熱能，形成水蒸氣向四周移動，同時較長的微波時間可以讓水分有充足的時間從第4層的位置向上、下層移動。

表2 不同微波預熱時間的板坯各層平均含水率

板坯初含水率對板坯中水分分布的影響:在微波預熱時間為80s，板坯高度為4cm條件下，改變板坯初含水率，對板坯中各個點的含水率進行測定，得到不同板坯初含水率的板坯各層平均含水率，見表3。可見，與初含水率為14％～16％的板坯相比，板坯初含水率為11％時，板坯內(nèi)各層的平均含水率變化較小，說明水分在板坯中移動的現(xiàn)象并不明顯。這可能是因為相同的微波預熱時間下，板坯中水分含量越多微波加熱時產(chǎn)生的蒸汽壓力越大，越有助于水分向四周移動擴散;板坯初含水率較低則反之。

表3 不同初含水率的板坯各層平均含水率 ％

2.2 MDF微波預熱后板坯內(nèi)溫度的分布

在微波預熱時間為80s、板坯初含水率為11％、預壓高度為3cm和5cm的條件下進行板坯內(nèi)部溫度測定試驗，得到各層平均溫度、各層正中心點溫度和各層邊部溫度(表4)。

表4 不同預壓高度的板坯溫度 ℃

板坯內(nèi)部縱切面上溫度的分布:預壓高度為3cm板坯中心層溫度最高，逐漸向靠近板坯表層和底層位置降低;預壓高度5cm板坯第4層與第5層的溫度最高，逐漸向靠近板坯表層和底層位置降低。

板坯正中心點在縱切面上溫度的分布:預壓高度為3cm板坯中心層正中心點的溫度最高，隨著向上下表層接近，溫度呈降低的趨勢;預壓高度為5cm板坯第4層與第5層正中心點的溫度最高，隨著向上下表層接近，溫度呈降低的趨勢。

板坯邊部在縱切面上溫度的分布:預壓高度為3cm板坯中心層的邊部溫度最高，向板坯表層和底層邊部位置靠近的溫度逐漸降低;預壓高度為5cm板坯第4層與第5層邊部的溫度最高，隨著向上下表層接近，溫度呈降低的趨勢。

板坯橫切面上的中心點溫度與邊部溫度的對比:預壓高度3cm和5cm的板坯在微波預熱80s的條件下，各層正中心點溫度與各層邊部溫度的對比可見，板坯各層中心點的溫度皆高于邊部的溫度。

總之，從上述試驗結(jié)果可見，經(jīng)微波預熱后，不論預壓高度的大小，板坯整體溫度升高，在板坯縱切面上，芯層溫度高于上下表層，橫切面上中心溫度高于四周。這樣的現(xiàn)象是由兩個原因造成的，一是水分子吸收微波能量以后，與其他分子發(fā)生碰撞或產(chǎn)生摩擦，有一部分轉(zhuǎn)動能量變成分子(主要是水分子)的平動動能，從分子運動論觀點知道，分子無規(guī)則熱運動(包括平動、轉(zhuǎn)動、振動)加劇，物料的溫度就上升;二是微波加熱時干燥層首先在物料內(nèi)層形成，然后由里層向外層擴散，與此同時，由于物料表面有熱損失以及水分的蒸發(fā)，故實際上物料內(nèi)部溫度高于表面溫度。

3 結(jié)論

采用微波對中密度纖維板進行預熱處理，可以對板坯中的水分起到調(diào)節(jié)作用，在板坯中形成表層含水率高，芯層含水率低的含水率梯度。減小預壓高度、增加微波預熱時間、適當?shù)恼{(diào)高板坯初含水率有利于在板坯中形成表層含水率略高于芯層的含水率梯度。

采用微波對中密度纖維板進行預熱處理，可以對板坯中的溫度起到調(diào)節(jié)作用，在板坯中形成芯層溫度高，表層溫度低的溫度梯度，形成了驅(qū)動內(nèi)部水分向表層滲透的蒸汽壓差，加速水分的遷移，使板坯中的水分重新分布。

在預壓階段引入微波預熱處理工藝，為熱壓過程在溫度和含水率分布進行了有利的調(diào)整和準備。利用微波對物體的加熱特性，可以有效地用較小的能耗，分擔熱壓機高耗能的熱壓加熱過程，達到縮短熱壓時間，實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)能力的提高和單位產(chǎn)量能耗降低的目的。

[1] 齊英杰，吳勃生，徐楊.我國中密度纖維板生產(chǎn)能力發(fā)展概況[J].林業(yè)機械與木工設備，2009，37(8):4-6.

[2] 謝擁群，陳瑞英，楊慶賢，等.木材干燥過程熱質(zhì)遷移及其耦合作用的研究[J].林業(yè)科學，2004，40(1):148-153.

[3] 溫武.人造板生產(chǎn)過程中的蒸汽注入技術[J].林產(chǎn)工業(yè)，2007，34(4):50-51.

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[5] Deng J，Xie Y Q，F(xiàn)eng M.An experimental study of microwave pre-heating of an MDF fiber mat:moisture and temperature distribution and the impact on hot-pressing[J].Forest Products Journal，2006，56(6):76-81.

[6] 謝力生.板坯預熱及板坯初始溫度對干法纖維板熱壓傳熱的影響[J].林業(yè)科技，2004，29(1):36-39.

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[8] 王旭.微波預熱 MDF板坯的實驗研究[J].福建林業(yè)科技，2006，33(1):36-39.

Moisture and Temperature Distribution of MDF Mat After Microwave Preheating

/Yu Miaochun，Rao Jiuping，Xie Yongqun(College of Material Science and Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-47～48，64

Medium-density fibreboard;Microwave preheating;Water movement;Temperature gradients

TS653.6

1)國家自然科學基金(30871982)。

余妙春，女1985年1月生，福建農(nóng)林大學材料工程學院木材科學系，碩士研究生。

謝擁群，福建農(nóng)林大學材料工程學院木材科學系，教授。E-mail:fjxieyq@hotmail.com。

2010年12月4日。

責任編輯:戴芳天。

An experiment was conducted to study the moisture and temperature distribution of medium-density fibreboard(MDF)mat after microwave preheating.Result showed that the microwave preheating made the mat form a moisture gradient with the high moisture of the edge layer and the low moisture of the central layer.And it could also reduce the preloading height，increase the microwave preheating time，and suitably raise the initial moisture content，which helped to form the moisture gradient.Moreover，the microwave preheating made the mat form a temperature gradient with the high temperature of central layer and the low temperature of the edge layer，which caused the vapor pressure difference.Thereby the internal water permeated to the surface layer and the velocity of water moving increased，which resulted in the redistribution of water in the mat.The microwave preheating could reduce the mat heating process and cut down the heating time，which realized the improvement of production capacity and the reduction of energy consumption per unit of production.