（木材科学与技术专业论文）微波预热中密度纤维板板坯的研究.pdf

独创性声明 本人卢明，所卫交的学位( 毕业) 论文，是在指导教师的指导下，通过我的努力取得 的成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谫 的地方外 论文中不包含其他人发表或撰写过的成果。与我一同对本研究做出贡献的同忠，都在论文 中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的 责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名 无数 论文使用授权的说明 日期：2 0 0 5 年6 月 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采 埘影印或其他复制手段保存论文。 学位( 毕业) 论文 指导老师亲笔签名 保密，在 年后解密可适用本授权 5 。口 不保密，本论文属于不保密。口 日期：2 0 0 5 年6 月 日期：2 9 0 5 年6 月 r 舨瓣 ! 福建农林大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 微波预热中密度纤维板板坯 摘要 微波技术在木材工业上己得到了广泛的应用，但其在中密度纤维板生产上的应用还 很少。本文通过研究微波预热m d f ，为微波在中密度纤维板工业的可行性研究和生产 工艺的进一步改进提供理论依据。 首先。研究了微波预热对m d f 板坯中水分分布的调节作用。通过试验分析了预压 高度、微波加热时间、纤维初含水率三个因素对m d f 板坯中水分分布规律的影响。结 果表明，减小预压高度，增加微波预热时间，适当的调商板坯初含水率有利于在板坯中 形成表层含水率略高于芯层的含水率梯度。 其次，研究了微波预热对板坯中温度分布规律的影响，以及微波功率对板芯温度的 影响。结果表明，经微波预热后，板芯温度高于表层温度，这种温度梯度对水分的移动 存在作用力。内部温度的不断升高使得物料内部的水分向表面迁移，形成接近表层的含 水率大于芯层的含水率梯度：微波功率越大，板芯升温速度越快。 最后，研究了微波预热对m d f 板性的影响试验中分别对板的断面密度、各项力 学性能以及热压时板芯温度的变化进行了比较分析。通过 - 9 ( 3 4 ) 正交实验优化出微波预 热m d f 最佳生产工艺。试验表明：1 ) 未经微波预热的m d f ，表芯密度差大，内结合 强度小；经微波预热的m d f 表芯密度差小，内结合强度明显提高。2 ) 经微波预热后， 预压高度的改交会影响m d f 板性，即随着预压高度的减小，内结合强度逐渐交大。3 ) 筛选出正交试验的最佳工艺条件为：板坯初含水率为i1 ，微波预热时间为1 0 0 s ，板 坯预压高度控制在3 c m ，热压时间为5 m i n 。4 ) 在其他物理力学性能未下降的前提下， 微波预热大大缩短了热压周期，降低能耗。从而提高了生产效率。 关键词：中密度纤维板；微波预热：水分移动 温度梯度；物理力学性能 主题词：微波：中密度纤维板 福建农林大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 a b s t r a c t m i c r o w a v et e c h n i q u eh a sb e e nu s e dw i d e l yi nw o o di n d u s t r y b u ti th a ss e l d o mb e e n a p p l i e di nm d ep r o d u c i n gt h i c km d fc o n s u m e sm o s te n e r g yb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no f e q u i p m e n t t h i sa r t i c l en o to n l yp r o v i d e st h ef e a s i b i l i t yo f m i c r o w a v et e c h n i q u ea p p l y i n go n m d f , b u ta l s ot h e o r e t i c a lb a s e sf o r t h ef u r t h e rs t u d yo ht h em d f p r o c e s s i n g i n ：f i r s tp a r to f t h i sa r t i c l e ，t h ei n f l u e n c ei sd e s c r i b e dt h a tm i c r o w a v ep r e h e a tm d fm a t a n dr e d i s t r i b u t em o i s t u r ei nm d fm a t t h ee f f e c to f t h eh e i g h to f m a t ，t h et i m eo f m i c r o w a v e h e a t i n ga n di n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n to f f i b e ro nr e d i s t r i b u t i o no f w a t e ri nt h i c km d fm a tw a s e x p e r i m e n t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em o i s t u r ec o n t e n ti nt h ef a c el a y e r w a sh i g h e rt h a ni nt h ec e n t e r , w h e nr e d u c i n gt h eh e i g h to fm a t , i n c r e a s i n gt h et i m eo f m i c r o w a v ep r e h e a t i n ga n dm o i s t u r ec o n t a n to fm a t ，t h i sm o i s t u r eg r a d i e n tc a ni m p r o v et h e m a s sa n dh e a tt r a n s f e rd u r i n gh o tp r e s s i n g a st h es e c o n dp a r to ft h ea r t i c l e t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c eo f m i c r o w a v ep o w e ro ut h et e m p e r a t u r ei nt h ec e n t r eo f m a tw e r ec a r r i e do na ni n v e s t i g a t i o ni n t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ei nt h ec e n t r eo ft h em a ti sh i g h e rt h a no nt h es u r f a c e l a y e ro ft h em a t m i c r o w a v ep r e - h e a t i n gn o to n l yi n c r e a s e st h eo v e r a l lm a tt e m p e r a t u r ew i t h h i g h e n e r g ye f f i c i e n c yw i t h i n av e r ys h o r tp e r i o do ft i m e ，b u ta l s om o s ti m p o r t a n t l y r e d i s t r i b u t et h em o i s t u r ec o n t e n tw i t h i nt h em a t , c r e a t i n gap o t e n t i a l l yf a v o r a b l em o i s t u r e c o n t e n tg r a d i e n t t h er e s u l ta l s oi n d i c a t e dt h a tt h em o r et h em i c r o w a v ep o w e ri s ，t h ef a s tt h e t e m p e r a t u r ei nc o r eo f p a n e li n c r e a s e d a tt h el a s t ，t h ep h y i l e a la n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e so fm d fa r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t nt h ec u r v es h o w e dt h a tt h ed e n s i t yp r o f i l ek e e pq u i t es m o o t hi nt h ep a n e lc e n t e r , w h i c hw a sp r e h e a t e db ym i c r o w a v e ，t h a nt h eo n e ，w h i c hw a sn o tp r e h e a t e d 2 ) i ft h em a tw a sp r e h e a t e db ym i c r o w a v e ，r e d u c i n gt h eh e i g h to ft h em a tc a ni n c r e a s e i bo ft h ep a n e l , t h e r ew e r en oo b v i o u sd i f f e r e n c e so nt h ep r o d u c tp r o p e r t i e so fm e d i u m d e n s i l ) ，f i b e r b o a r d ，w h i c hw a sn o tp r e h e a t e db ym i c r o w a v et h r o u g hc h a n g i n gt h eh e i g h to f m a t 3 ) t h r o u g ht h er e s u l to fo r t h o g r a p h i c a le x p e r i m e n t ，t h eo p t i m u mp r o c e s s i n gi st h a tt h e i n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n to ff i b e rw a sll ：t h et i m eo fm i c r o w a v eh e a t i n gw a s1 0 0 s ；t h e h e i g h t o f m a t w a sc o n t r o l l e d i n 3 c m a n d t h e h o t p r e s s i n g t i m e w a s5 r a i n 4 ) d u r i n gh o tp r e s s i n g , t h et e m p e r a t u r ec o u l da t t a i n1 0 3 i nm a tc e n t e rw h i c hw a s p r e h e a t e db ym i c r o w a v ea n dr i s eq u i c k e rt h a nt h eo n ew h i c hw a sn o tp r e h e a t e d a n dt h e l o n g e rt i m eo f p r e h e a t i n gc a r r yo u tt h el e s st i m eo f h o tp r e s s i n g k e yw o r d s ：m i c r o w a v ep r e h e a t i n g ；m d f ；r e d i s t r i b u t i o no fw a t e r ；t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ； p h y s i c a la n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e s s u b j e c tw o r d s ：m i c r o w a v e ，m d f 2 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 中密度纤维板( m d f ) 是本世纪六十年代末期首先由美国推向市场的种新型的人 造板材，它是高效利用木材的主要方式，是木材工业高增值、高技术含量的主要产业。 它具有较高的强度，其冲击韧性、抗弯强度、握钉力均大于刨花板，表面光滑便于装饰 可以进行各种机械加工如钻孔，开榫铣槽等，并具有可模制和镂铣加工的特性。m d f 的厚度范围宽广，可以做成具有阻燃、防潮性能的产品，又可以产生出具有不同形状的 部件，从而可广泛用于强化木地板基材、家具制造、室内装修、车船的内部装修、音箱 制作及礼品包装等方面。随着m d f 生产工艺技术的改进与提高，使得m d f 在产品性能 上与刨花板、胶合板、以及硬质纤维板和其他木质板相比，有较大的优点，正是由于 m d f 具有独特的优良性能，所以其白问世以来得到迅速发展，现已遍及世界各大洲， 并一直具有很好的市场j ，4 l 。 近年来，我国中密度纤维板工业发展迅速，仅将2 0 0 2 年和2 0 0 3 年进行对比，我国 m d f 厂家由2 0 0 2 年的3 1 3 个增加到4 0 7 个；生产线已由上年的3 9 6 条增长到5 1 7 条；总设 计生产能力增长到2 0 4 4 3 万m a 。与2 0 0 2 年度相比，分别增长9 4 个厂家、1 2 1 条生产线 和6 8 2 5 万m a a 生产能力；增长比率分别为3 0 0 3 、3 0 5 6 和5 0 1 2 。另一方面科技的 发展促进设备的改进和提高。中纤扳产业的科研设计、设备制造厂家和生产使用厂一直 在不断探索和调整，以提高改进设备生产线。不少厂家原设计年生产能力1 5 7 5 立方米 的生产线。一跃而变成年产2 0 3 0 万立方米乃至更多的生产线：部分年产3 万5 万立方 米的图产或进口生产线，其超产能力大都达1 0 - 3 0 | 5 , 6 1 0 众所周知，在人造板生产中，中密度纤维扳的能耗量是比较高的。据统计中密度 纤维板在生产中平均总热量为1 5 6 8 0k w ( 1 3 5 0 万k c a g h ) ：实际最大用热量为2 0 1 l o k w ( 1 7 3 0 z j k c a l ，h ) ，其中热压所需的最大用热量为2 1 4 0 k w ( 1 8 4 7 2 k c a l h ) ”。对于热电的 能量损耗见表1 1 f l l 。 表1 - 1 中纤板能薰消耗指标 因此在保证产品产量和质量的前提下，在生产或工艺设计中有意识的进行节能设 计，是降低产品成本，提高经济效益的有效途径。本研究就是在保证和提高中纤板物理 3 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 力学性能的前提下，利用微波对板坯进行预热达到缩短热压时间，提高设备利_ f j 率。 中密度纤维板生产线的建设正朝着大规模、高质量、高档次、大幅面及产品厚度范 围人，适应性广的方向发展在中密度纤维板的产量不断增加的情况下，开发新产品、 增加产品品种、提高产品质量、降低成本将是今后企业发展的主攻方向【9 】。 1 2 国内外研究现状 热压是生产线的关键工序，也是质量与产量的核心控制部位。它与企业降低成本。 提高效益紧密地联系在一起。因此，缩短热压周期、寻找最佳热压工艺条利：成为大家深 入探讨的课题”“。目前，关于热压工艺的研究主要有以下几种； i 、南京林业大学木材工业学院徐咏兰教授提出了利f = f 蒸汽喷射、真空负压抽吸技术米 制造厚型中高密度纤维板。她主持的“厚型中高密度纤维板制造技术”项目通过了江苏 省科技厅组织的专家鉴定。采用该技术缩短了热压时间，降低能耗，减少砂光余量，减 少板材剖面密度梯度，提高产品尺寸稳定性与性能，降低产品成本，解决了目前国内制 造厚型中高密度纤维板关键技术难题1 1 2 l 。 美卓公司生产了一种加装在连续热压机前的一个楔形蒸汽喷射装置板坯芯层 加热器f c o r c h e a t e r t ) 。它是板坯在到达热压机之前由芯层加热器上的带锯条锯成上下 两片扳坯，下片板坯留在运输带上，上片扳坯从楔形蒸汽加热器上表面滑过。蒸汽箱上 下两侧横向排列的喷嘴将蒸汽喷入锯开的板坯芯层中，将芯层加热到4 0 - 6 0 c 。此芯层 加热器可有效地应用于生产厚度1 2 m m 以上的板，在中密度纤维扳和高密度纤维板生 产线上，如板的厚度为1 2 3 9 r a m ，产量可增加2 0 。此外，蒸汽处理可提高板的质量 和改善板的横向密度分布。从已安装芯层加热器的生产线证明，该装置可适用于大范围 的板厚度、生产线速度和铺装宽度m i 。 2 、谢力生于2 0 0 4 年在“林业科技”中发表了一篇名为“板坯预热及板坯初始温度对干 法纤维板热压传热的影响”的文章，文章中的实验主要是通过热板接触预热板坯，来测 定板坯在热压过程中中心层的温度变化，研究板坯预热及板坯初始温度对干法纤维板热 压传热的影响规律 i s l 。 3 、2 0 0 0 年杜宫本等人在“木材工业“上发表的“中密度纤维板板坯表面增湿处理”上， 研究了中纤板板坯表面进行增湿处理，即在成型线上向板坯的上下表面定量喷洒冷水， 使表层含水率高于芯层，产生“蒸汽冲击”效应，以此获得与蒸汽注入热压相似的效果。 初步研究结果发现：增湿处理后，板材物理力学性能显著提高。预固化层厚度有所降低 f 1 9 】。 4 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 4 、c e l e s t em c 在2 0 0 4 年时利用热压机一高频电磁波联合加热中密度纤维板板坯来减 少热压周期，降低热压扳的温度，井建立了三维立体模型来预测热压时板坯中水分年1 1 温度的分布情况。 高频加热的原理是，介质材料是由许多一端带正电和一端带负电的偶极分子所组 成，将介质置于高频电场时，偶极分子方向将变换1 0 0 万次以上，在快速摆动的过利 中，分子在释放能量的同时产生类似摩擦和高速碰撞作用井都以热的形势表现出来， 使介质内部温度均匀上升而不受厚度的影响。将热压板接触热压与高频介质加热同 时旌行，可弥补被加热材料周边散热快的不足，保证受熟更加均匀1 2 0 川。 5 、王瑾和柯其虬于1 9 9 8 年在“林产工业”发表的“中纤板热压工艺的试验研究”一 文中，利用二次回归正交组合设计法安排试验，采用二次回归数学模型分别拟台中纤 板的内结合强度、静曲强度、吸水厚度膨胀率与热压温度、热压压力、热压周期以及 ( t 1 t ) 1 0 0 四个变化因素闷的关系，为直观的分析和优选熟压工艺参数提供很 大的便利 2 2 1 。 由于生产中密度纤维板的设备投资所需的资金较大，为了用活原有设备，增加经 济效益，许多厂家纷纷对旧设备进行技术改造，关于这方面的研究有以下几个： 1 、广东省岭南综合勘察设计院的丁丹与潘淑清在“刨花板生产线改造为中纤板生产线 的工艺设计”一文中介绍将刨花板生产线改造成中纤板生产线的工艺设计，分析热磨、 干燥、铺装、热压几个关键工序的特点，总结生产线改造成功的经验口j 。 2 、广东威华股份有限公司1 9 9 7 年购进上海人造板机器厂年产3 万m 3 生产线一条。1 9 9 9 年7 月，该公司和上海人造板机器厂合作，对熟压机组进行技术改造，由原7 层( 4 x1 6 ) 改为9 层，其余部分稍作改动，理论上增产近3 0 。改造后运行良好。产量增加的同时 降低了单位消耗( 总消耗增加不大) 。据统计。改造后申密度纤维板平均屯能消耗降低了 3 0 k w h m 3 ，煤耗降低了o 0 3 t i n 3 ，降耗显著【2 4 j 。 随着生产规模不断扩大，控制管理的要求不断提高，中密度纤维板生产技术未来 的发展趋势向能够制造出智能型、自动化程度高的中密度纤维扳生产设备方向发展， 目前国内在这方面的研究主要有： i 、吉林省林业科学研究院的徐忠、王军等人研究了纤维板热压机微机自动控制系统。 它是当计算机接受每热压段热压信号时计算机会立即读取。并计算机根据这个读数， 找出所对应的最佳热压工艺曲线，实现热压机热压过程全自动化控制1 2 5 j 。 2 、东北林业大学的研究生于志刚的毕业论文是“集散控制系统在中密度纤维板热压生 5 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 产线中的应用研究”，论文利用集散控制的思想提出了一种适于中密度纤维扳热压生 产的小型集散控制系统( d c s ) 基于可编程控制器的热压生产线集散控制系统。该 系统采用分级式控制与管理的方式，采用计算机技术、控制技术和网络通讯等些新 技术。实现了功能上和地理上的分散，提高控制系统的可靠性。文章通过对连续式热 压机的热压生产工艺过程进彳i 了分析，在连续式热压机热压时间的控制上引入了模糊 控制方法。选择了能最大反映热压效果的热压机末端压力和扳坯含水率作为模糊控制 器的输入，来进行模糊推理，进而得出台适的热压时间，以达到提高产品质茸和生产 效率的目的口。 此外，还有很多学者研究并探讨不同树种制成的中密度纤维扳在板性和制造工艺上 不同： 1 、1 9 9 9 年黄洛华在“术材工业”中发表了“火炬松制造中密度纤维板工艺的研究”的 文章。文章通过对火炬松制造中密度纤维板制板工艺条件的研究，探索降低中密度纤维 板制造过程中纤维施胶量的可能性。研究结果表明：火炬松制造中密度纤维板是可行的， 采用8 的施胶量制板，板材的主要物理力学性能可达到美国m d f 国家标准a ns t a 2 0 8 2 - 1 9 9 4 和我国m d f 国家标准7 0 型及8 0 型特级品的要求f 2 7 】。 2 、吴章康等人于2 0 0 1 年在“云南林业科技”上发表的“桉树中密度纤维板性能研究” 文章探讨了桉树木材材性与中密度纤维板生产工艺的关系。由于桉树的纤维束细小，细 胞壁薄，纤维分离后的重新组台胶合力强，因而桉树中密度纤维板的内胶合强度值较 高。但是人工种植的桉树纤维短且强度低，杂细胞含量高，静曲强度和弹性模量较低口”。 3 、2 0 0 2 年杨小军，曹忠荣等人在“木材工业”上发表的“杉术室外型中密度纤维扳的 制造工艺”文章中以人工林杉木为原料，采用正交试验法，并对试验结果作统计分析， 结果认定以杉木为原材料制造室外型中纤板在工艺上是可彳亍的，此项研究为杉木制造室 外型中密度纤维板提供了理论依据p o j 4 、施霹于1 9 9 6 年在“福建林业科技”上发表的一篇“巨尾按木材用于中密度纤维板生 产工艺适应性初探”中，着重测试加入巨尾按木片后的纤维形态、纤维松密度、纤维p h 值及干燥纤维含水率，分析并比较了半成品与成品板的板面质量和物理力学性能，结果 证明在原料木片中加入一定比例的巨尾按木片可用于中密度纤维板的生产pa l 。 1 3 研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 对微波预热后板坯中水分、温度的分布规律以及中密度纤维板板性的研究，以板坯 6 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 初含水率、微波预热时间和扳坯预压高度为变化因子，说明微波预热对板坯内部水分、 温度分布规律的影响，从理论上论述微波预热m d f 板坯应用到生产上是可行的。然后 以扳坯初含水率、微波预热时间、板坯预压高度和热压时间为变化因子，进行压板试验， 埘试验数据来说明微波预热板坯不但能缩减热压周期，提高生产效率，而且还能提高扳 的各项力学性能，从而证明理论推测的正确性。本课题的研究不仅为中密度纤维板生产 工艺方法的进一步研究提供了思路，而且拓展了微波在木材工业上的应用范围。 1 。3 2 研究内容 1 3 2 1 微波预热后板坯中水分分布规律的研究 1 、研究并分析了预压高度、微波时间、板坯初含水率对扳坯中水分分布的影响，井分 别做出板坯各层含水率变化趋势图，进行对比分析，找出有利于进行热压的试验条 件。 2 、分别使用两种不同类型微波炉对板坯进行预热，研究预热后板坯中水分分布规律， 做出经不同微波炉预热后板坯内水分分布规律趋势图，对比微波的不同加热方式对 扳坯中水分重新分布的影响。 1 3 2 2 微波预热后板坯中温度分布规律的研究 1 、利用热电偶测量板坯内每层中心点和边部温度，分别做出层与层之间的平均温度、 各层中心点温度、各层边部温度变化趋势图，以及各层中心点与边部温度对比图 探讨板坯温度分布规律。 2 、利用水银温度计测量微波功率对板芯温度的影响。 1 3 2 3 徽波预热对m d f 板性的影响 i 、微波预热对m d f 剖面密度和板性的影响 2 、研究预压高度对经微波预热和未经微波预热的m d f 各项扳性的影响 通过正交实验来分析并研究板坯初含水率、预匿高度、微波时闻和热压时间四个因子对 m d f 扳性的影响，并通过计算选出最优生产工艺。 3 、通过测量热压过程中板芯温度的变化规律，来研究微波预热的对热压周期的影响， 并做出板坯热压过程中温度变化趋势圈。 7 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第二章理论基础 2 1 微波加热理论 2 1 1 微波加热原理 微波是指波长为l m m 1 m ，( 即频率为3 0 0 3 0 0 0 0 0 m h z ) 的电磁波。目前国际上广泛 使川的微波加热频率为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z ! ”】。加热频率为9 1 5 m h z ( 波长3 2 8 c m ) 的微波炉主要用在商业和工业部门作为烘烤、干燥、消毒用；加热频率为2 4 5 0 m h z ( 波 眭1 2 2 e m ) 的微波炉主要作家庭烹调用。 微波炉中被加热的物质，又称介质。从分子结构来看可分为两大类：一类叫非极性 分子，在无外加电场时，其内部的正负电荷中心重合。另一类叫有极性分子，也叫极性 分子、电偶极子或偶极子，这种分子即使在无外加电场时内部的正负电荷中心也不重 合，呈随机分布状态。极性分子在未加外电场时，排列是杂乱无章的，对外不显极性f ”1 。 在有外加电场时，极性分子带正电的一端趋向电场负极，带负电的一端趋向电场正 极，从而形成一定程序的排列。当外加屯场消失后极性分子又变得杂乱无章。当外加 反向电场时，极性分子则按相反方向有序排列。若外加电场的极性反复变化极性分子 便跟着进行上述摆动1 3 # 1 。 在微波电磁场作用下，这样的取向运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子 的剧烈运动与碰撞摩擦，从而产生热量达到电能直接转化为介质的热能9 甜。 2 1 2 微波加热特点 1 ) 致热特性 微波遇到极性分子( 如水分子) 时，会引起分子的剧烈振荡而产生分子热( 水温升 高) 。这就是微波的致热性，即将微波创造的电磁能转化成了热能。 2 ) 加热速度快 常规加热方式是先对物体表层加热，若欲使物体整体加热，则必须通过积累在物体 表面的热量依靠热传导、对流、热辐射的形式运次地向物体内层传递，最终才加热接 个物体比如火焰、热风、电热、蒸汽、红外线等加热。 而微波加热不依靠表面热传导方式，开创了一种新的加热方式，及为物体深层范围 的加热，物体出现体热源( 范围) 状况阢3 “。由于内部缺乏散热条件，造成内部温度高 于外部的温度梯度分布形成了驱动内部水分向表面渗透的蒸汽压差加速水分的迁移 蒸发速度1 3 7 】。 3 ) 商效、节能 8 福建农林大学2 0 0 5 届颈士学位论文 物料吸收微波能量的转换率高。一般丽言，蒸汽加热时热能转换利用率为1 5 以 上，红外线加热为5 0 ，而微波加热时热能转换利用率高达9 5 以上，而且术材本身 的特性是随温度的升高，它的介电常数也随之增大所以在整个加热过科中，始终能保持 高效率9 6 1 。 不同的物质对微波的吸收是不同的。金属不吸收微波，当微波遇到金属只能作浅表 层的透射，火部分微波将反射回去，表现为反射微波，其反射规律如同光波在镜面上得 到反射一样；玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、普通的聚乙烯塑料等物质很少量的吸收微波， 微波遇到这些材料时能够顺利通过；含有水分的物质容易吸收微波能。物料的介电特 性( 指介电常数) 决定了它们对微波吸收强弱的程度 3 5 , 3 6 j ”。 4 ) 易于控制 微波的产生与否，就在电路通断瞬间。通电后磁控管及其系统连续不断的产生微波。 对于微波输出功率小于l k w 的磁控管，当接通电路约2 s 后即可达到正常工作状态即 产生微波；对于微波输出功率大于l k w 的磁控管虽接通电源屙必须进行系列点燃 加热灯丝以建立和调整磁场电流等能使磁控管达到正常工作状态的操作。但当加上工作 屯压后也是瞬问就产生微波。因此由磁控管工作过程来看，无论哪种输出功率的磁控 管产生微波均是受控于电路的接通与否，并且瞬间完成。事先不需要任何预加热。 微波加热无热惯性。当不需要加热物料时可立即断开电路停止微波的产生即 切断消除加热源头，使物料得不到热源热量的补绘，物料就会停止继续升温3 7 】。 2 1 3 微波传热学 微波加热是一种复合传热状态。水分子或术纤维分子吸收微波能量以后，如果与其 他分子发生碰撞或产生摩擦，就会有一部分转动能量变成分子( 主要是水分子) 的平动 动能。从分子运动论的观点知道，分子无规则热运动( 包括平动、转动、振动) 加剧， 物料的温度就上升与此同时，由于物料表面有热损失以及水分的蒸发，故实际上物料 内部温度高于表面温度，产生温度梯度。在其内发生热传导。而且由于被激发到高能级 上的水分子和木纤维分子也有可能向低能级跃迁，而产生热辐射。这就是微波加热以辐 射为主，热传导为辅的复合传热状态9 8 1 。 根据传热学理论，在微波电磁场中因物料吸收微波能量成为体热源故其动态热 传导方程为： w + k v 2 t = c , o ( 署 + 丑( 鲁 + c 肌( 署 式中霄为平均功率密度，k 为物料导热系数，c 和p 分别为物料的比热和密度， z ( 鲁) 为水分蒸发相变需热项，c p v ：( 考j 为物料传送加心方自) 上热量流失 桶建农林大学2 0 0 5 屈硕士学位论文 项，其中v ：为物料在z 方向的传送速率。 图2 1 表示常规的和微波干燥层形成示意图。其中图2 i ( b ) 表示微波加热时干燥层 首先在物料内层形成，然后由里层向外扩散。圈2 ，1 ( a ) 表示常规加热时表层物料先接触 到热源，在表层积累一定的热量后，再依靠热传导方式逐次地向物体内层传递。 图2 2 ( a ) 和( b ) 分别表示依靠物料表面导热的外热源加热及微波加热物料为体热源 时，物料中的热量和质量迁移。以及温度梯度方向的模型示意幽。由于微波能透入物料 内部，并且微波能瞬时转化为热能使物料整体升温，里层水蒸气压力骤升驱动水蒸气向 物料表层排出，蒸气迁移方向为由内而外；物料表层因水分蒸发丽相对于里层的温度低 些，其温度梯度由物料外层指向里层，即热量传导方向为由内向外。所以微波加热时物 料的热量传导方向与蒸气的迁移方向一致，如图2 2 ( b ) 中所示。 微波 广 葬 譬 度 热 介 质 中心温度 ： ： 童 对 绝热层 干燥层 图2 1 常规的和微波干燥层形成示意幽 ( a ) 常规加热( b ) 微波加热 常规加热时，热介质向物料传递的热量因受物抖热传导能力的限制，来不及全部向 物料内层传去，造成在物料表面层的热量堆积，使该热量堆积处水分蒸发。其温度梯度 由物料内层指向外，而热量传导方向与蒸汽迁移方向相反，说明常规加热物料里外层温 差大整体温度分布不均匀，而且传递热量受阻于质量的迁移，于是延缓了整体温升过 程，印加热时间较长。 1 0 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 一 卜 一 ( a ) 常规加热 绝热层 i 2 3 干燥层 ( b ) 微波加热 图2 2 常规的和微波加热时热量和质量迁移方向模型示意图 r1 温度梯度方向2 热量传导方向3 蒸汽迁移方向1 室温 2 2 中密度纤维板生产工艺 1 木片通过水洗、压力蒸煮软化后，经热磨工序分离成为术纤维； 2 木纤维出热磨机口后，进入干燥管干燥，在干燥的同时完成对纤维的施胶； 3 施胶后的纤维经过铺装设备按照工艺要求铺成板坯，成型板坯含水率仅为8 一1 0 ： 4 成型板坯进入热压机进行热压。并经过锯边、砂光等工艺流程后，成为m d f 产品。 2 3 热压及热压时的水分移动 热压是指在热量和压力的联合作用下，板坯中的水分气化、蒸发板坯密度增加、 胶粘剂固化，原料中的各组成发生一系列物理化学变化，从而使纤维与胶粘剂间形成各 种结合力，生产出符合质量要求制品的过程。热压是生产线的关键工序，也是质量与产 量的核心控制部位，它与企业降低成本，提高效益紧密地联系在一起。 在热压过程中，板坯内水分起着较为关键的作用它可以增加纤维的可塑性和影 响板坯的导热性；参与木素和半纤维素的水解反应。所以，适当的板坯含水率，对板的 质量有保证作用。 依照传热传质的相关理论，热量与水分之间存在耦合关系。即温度梯度对水分的移动具 有驱动作用：相仿含水率梯度对热量的传递也有相应的影响。以下表达式说明了这一原 理： jq ：q ：一a c p 娶+ 8 警 四w l l 福建农林大学2 0 0 5 届顿士学位论文 ，；f ：一口尸( d _ o t + 挈) 出m 式中：热流矢量z 、水分矢量流岁口传导系数，c 和p 分别是木材的比热和密度 口为热传导系数，占热湿传导系数。 上式表明：提高表层含水率降低芯层含水率形成的和热传递相同方向的含水率梯 度，有利丁。热量由板的表面向板芯的传递。另一方面，水分在温度梯度的作用”f 的移动， 也带有人量的热量向板芯移动。所以，当前研究的许多工艺中，通过在表面加水的改善 热压效果的措施，也正是这一原理的应用。不仅如此，表层的高含水率在热板接触板坯 时带走的大量热量，也降低了表面预固化层的形成程度。 2 4 预固化层的形成机理 制品表面的疏松层，称为预塑化层( 或称软层) 。它影响着板面质量和光洁度，因 此要借助后续工序砂去，否则也影响制品的装饰加工。 使用脲醛树月目胶生产m d f 时，板坯经热压后其表层往往程度不同地出现“预固化 层”。预固化层的形成机理是：在扳坯送入熟压扳之间后，压板尚未完成闭合升压过程 时，板坯表层纤维与热压板直接接触，接受来自热压板的热量，温度急剧高当板坯表 层纤维温度升至脲胶固化温度时，施于纤维表面的脲胶即开始固化，固化过程很快( 仅 1 - 2 0 ，由于板坯表层纤维对热传导很敏感。尚未受至日热压工作压力时其纤维上的脲胶 已固化，而板坯进入正式热压过程后表层纤维尽管受到热压工作压力，但此时已无法形 成粘合，粘合过程只在板坯内层进行。待芯层胶粘剂固化完成后，表层纤维上的胶粘剂 已过度固化( 老化) ，失去了应有的结合强度，这就是常说的“预固化层” 4 1 4 “。 预固化层的大小直接关系到砂削量的大小，也是影响砂削的主要因索。中纤板生产 中的砂光工序在一定程度上可保证板面的平整度，减少厚度偏差。而其主要目的是去 除表面预固化层，因此，要减少砂削量，关键在减少中纤板的预固化层1 4 2 j 。 为此许多学者进行了解决预固化层问题的研究：( 1 ) 改变板坯表、芯层的施胶量和 胶种，进行大规模生产，可仿效刨花板生产，将表芯层纤维分别旖胶。表层用p f 胶， 芯层用u f 胶，表层的p f 胶由于固化温度高。因而m d f 表层预固化厚度降低。还可 以采用异氟酸酯胶粘剂( m d i ) 生产中纤板。同样可以降低预固化厚度。( 2 ) 减少压板 的闭合、升压时间，缩短闭合时间，闭合速度加快，板坯表层在无压力的条件下逗留时 间短、即缩短了板坯与热压板接触的时间，这样表层树脂固化所需的温度不足，表层纤 维升温小，促使树脂提前固化的可能性太大减小；( 3 ) 增加板坯表面的含水率使板坯 表层比芯层含水率略高，由于表面水分蒸发，从而使板坯表层升温缓慢。仿效刨花板生 1 2 福建农林大学2 0 0 5 届硬士学位论艾 产中形成的蒸汽冲击效应，不仅能阻止树脂早期的固化发生，而且可以更好地保证扳子 的质量 4 1 , 4 2 1 。 2 5 微波加热板坯提高板坯温度 利用微波对板坯进行处理的一个重要的也是最直接的作用是使板坯，尤其是扳芯温 度在进入压机之前就得到了提高。其直接结果是使板芯初始温度与同化温度之间的温著 缩小。它是使热压时间缩短的因素之一。在国内外的研究中将这一机理定义为板坯的预 热研究。由于板芯升温时间的缩短，使板芯内的胶料预固化的的状况得到缓解，使产，钴 的内结合强度得以大幅度的提高。 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第三章微波预热后m d f 板坯内水分分布规律 3 1 试验材料、设备及工艺 3 1 1 试验材料 原料状况：取自福州人造板厂生产线上施过胶的混杂纤维。 3 1 2 试验方法及工艺 3 1 2 1 试验方法 1 ) 调节纤维含水率 本实验对不同纤维含水率分别进行了研究和比较，为了满足试验要求，须对纤维 含水率进行调节。以满足试验要求。调爷板坯含水率的方法及过程见图3 1 1 。 测量原纤维含水率 山 i 根据试验要求计算需添加的施水量 山 称量单板重纤维 j 堑整堑塑堑丝苎垒堡堑垫主堕查些堡望塑垡堑j 图3 i l 讽节板坯台水率的方法及过程 2 ) 板坯制作 板坯采用手工制作。按照目标厚度为2 0 r a m 、幅面大小为1 9 0 r a m 1 9 0 r a m 、密度 为0 7 7 9 c m 3 的中密度纤维板称取纤维用量。将整张板坯的物料量平均分成五等分，进 行分层铺装( 如图3 1 2 ) ，层与层之间用纱布隔开( 纱布起到分层的作用，同时不影响 微波预热过程中水分的移动) ，铺装完后放入压机中进行冷压，使其达到试验要求的预 压高度( 分别为3 e r a 、4 e r a 、6 e m 、b e r n ) 。 3 ) 微波预热 为了防止上表层的水分向空气中散失，在扳坯的上表面上铺放一张保鲜膜，然后放 入微波炉中进行预热，设定微波加热时间( 8 0 s 、l o o s ) 。 4 ) 含水率计算 微波预热完成之后，迅速将板坯每层分成9 小块( 如图3 1 3 ) 分别取样装进容器 1 4 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 中进行称重。将容器连同装入其中的纤维放入烘箱中，在1 0 5 ( 2 条件下烘至绝干，计算 板坯中每层每小块纤维的含水率，以找出整张板坯经微波预热后其含水率重新分布的规 律。 l 笙i3 1 2 3 1 2 2 试验工艺 l23 456 789 图3 1 4 试验工艺过程 3 1 3 试验设备 1 ) h m l 5 型搅拌机，用于调节纤维含水率，使得整张板坯各点的纤维含水率均匀一致； 2 ) 微波炉：用于扳坯预热。微波输出功率8 0 0 w ，频率为2 4 5 0 h z 。本试验分别使用两 台不同类型的微波炉进行比较试验。 a 格兰士微波炉，通过转动托盘来达到均匀加热的目的 1 s 福建农林大学2 0 0 5 届硕士学位论文 b 海尔智能转波壬微波炉，固定托盘不动，通过波形搅拌器旋转以不断改变腔内 模式的分布，达到均匀加热的目的【4 8 j 。 3 ) q d 压机。用于预压板坯，使其达到设定的预压高度。 4 ) s c 1 0 l 2 型鼓风电热恒温干燥箱( 浙江嘉兴电热仪器厂) 5 ) 其他试验设备：m p 2 0 0 b 型电子天平，精度o 0 l 克，最大称重2 0 0 克。 3 2 微波预热后板坯中水分分布规律 在热压过程中，板坯内水分起着重要的作用是，它在板坯中的分布状态影响着热 压时传热效率。本部分试验使用海尔转波炉对板坯进行预热。分别选用预压高度、微波 时间、板坯初含水率作为变化因子，研究这些因子对板坯中水分重新分布的作用。每张 板坯详细试验条件见表3 2 ： 表32 实验条件 3 2 1 预压高度对板坯中水分分布规律的影响 在微波预热时间为8 0 s 、板坯初含水率为1 4 - 1 6 条件下改变板坯的预压高度 对板坯中各个点的含水率进行测定，试验结果如见表3 2 1 。 1 6 福建农林大学2 0 0 5 屑硕士学位论文 表3 2 1 预压高度对微波预热后板坯中水分重新分布烈律的影响 板号第一层第二层第三层第四层第五层 m c w =m c m e 7 m e m c b 2 1 b 2 4 平均值 b 3 - 2 b 3 3 平均值 b 4 一l b 4 - 2 平均值 b l l b l - 2 平均值 1 3 9 2 1 4 5 5 1 4 ，3 8 1 2 7 8 1 3 5 4 1 3 7 3 1 3 ：5 0 1 4 6 3 1 4 0 7 1 42 2 1 25 i 1 3 3 7 1 3 2 9 1 3 4 6 1 33 8 1 3 7 3 1 4 1 4 1