中密度纤维板微波预热后板坯内水分和温度的分布1)

余妙春 饶久平 谢拥群

(福建农林大学，福州，350002)

中密度纤维板微波预热后板坯内水分和温度的分布1)

余妙春 饶久平 谢拥群

(福建农林大学，福州，350002)

研究了微波预热对中密度纤维板板坯中水分和温度分布规律的影响。结果表明:微波预热处理使板坯形成表层含水率高，芯层含水率低的含水率梯度，减小预压高度、增加微波预热时间、适当调高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;微波预热处理使板坯形成芯层温度高，表层温度低的温度梯度，形成了驱动内部水分向表层渗透的蒸汽压差，加速水分的迁移，使板坯中的水分重新分布;微波预热处理减少板坯的热压工序，缩短热压时间，实现了生产线生产能力的提高和单位产量能耗的降低。

中密度纤维板;微波预热;水分移动;温度梯度

众所周知，在人造板生产中，中密度纤维板(MDF)的能耗量是比较高的，而中密度纤维板的热压工艺是生产过程中能源消耗的主要环节[1]。为保证板坯中的胶黏剂能够达到良好的固化，必须保证板坯中的温度达到固化温度。由于在低含水率情况下，板坯的导热系数很低，且水分和温度分布的耦合作用，不利于热量由板坯表面向板芯传递[2]，从而不得不采用较长的热压时间。时间越长能源浪费和生产能力降低越多，使生产成本提高。为降低能耗、减少热压时间，国内外进行了大量的板坯预热研究。克瓦纳(Kvaemer)公司和美卓(metso)公司采用蒸汽加热技术(Steam Jet)[3];Celeste M.C.利用高频电磁波加热中密度纤维板板坯[4];加拿大林产品研究所Dr.James利用24 kW的工业微波装置研究了微波预热中密度板坯，可以使热压时间缩短66s左右[5]，使热压总体能耗下降。在国内，谢力生研究了预热对板芯温度和热压的影响[6];关清洋、王旭研究了微波预热板坯对水分重新分布及对热压时间缩短的作用，热压时间可以减少60s[7-8]。研究表明:利用微波对板坯进行预热，可以有效地达到减少热压时间、降低产品单位能耗、提高生产线能力的目标。

将微波预热技术与中密度纤维板预压工艺结合，研究板坯预压高度、加热时间、初含水率等因素对板坯中的水分分布和温度分布的影响，在保证和提高中密度纤维板物理力学性能的前提下，对微波预热技术的应用进行探讨。

1 材料与方法

木材纤维取自福建福人木业有限公司MDF生产线上施过胶的混杂纤维，主要树种为马尾松(占40％)和阔叶材混杂木(占60％)。

主要试验仪器:HM15型搅拌机、海尔智能转波王微波炉(800 W，2 450 Hz)、QD 压机、Dieffenbacher实验热压机、Press-Man控制系统、S.C.101-2型鼓风电热恒温干燥箱(浙江嘉兴电热仪器厂)、铜—康铜热电偶(自制)、FPZ-1导热系数数字电压表(复旦科教仪器)、红外线测温枪、MP200B型电子天平(精度0.01g)。

水分分布规律试验工艺:测量原纤维含水率→施水调节纤维含水率→分层制作板坯→压机预压→微波预热→取试样放入容量器→烘干测量试样含水率。

温度分布规律试验工艺:测量原纤维含水率→施水调节纤维含水率→分层制作板坯→压机预压→微波预热→插入热电偶温度计→读取温度并做记录。

调节纤维含水率:将纤维置于105℃干燥箱中干燥，达到绝干状态下取出，并用塑料袋包装密封放入冰箱备用。将绝干纤维放入搅拌机中，根据纤维质量加入设定含水率所需的用水量(11％～14％)，并充分搅拌。搅拌后的纤维放入塑料袋密封保存，使其含水率进一步均匀。

板坯制作:采用手工制作。按照目标厚度为20mm、幅面大小为190mm×190mm、密度为0.77g/cm3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5等分，进行分层铺装，层与层之间用纱布隔开，铺装完成放入压机中进行冷压，使其达到试验要求的预压高度。

微波预热:为了防止上表层的水分向空气中散失，在板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(80s、100s)。

含水率计算:微波预热完成后，迅速将板坯每层分成9小块，分别取样装进容量器中进行称质量。将容量器连同装入其中的纤维放入烘箱中，在105℃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。

温度测量:将板坯分成5层，微波预热后迅速把准备好的热电偶触点插入各层中间，每层插入两个触点，其中一个插在当层中间位置，另一个触点插在当层边部。安装完后，放入压机进行预压(使触点更好地接触板坯纤维，减小试验误差)，最后读取数据并进行记录。

2 结果与分析

2.1 MDF微波预热后板坯内水分的分布

预压高度对板坯中水分分布的影响:在微波预热时间为80s、板坯初含水率为14％～16％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，得到不同预压高度的板坯各层平均含水率变化，见表1。可见，板坯中第4层的平均含水率最低(除预压高度为8cm的板坯外)，其他层的平均含水率均高于第4层，同时随着预压高度的增加，板坯的含水率变化逐渐减小(即板坯中各层平均含水率的数值变化较小)，这可能是由于预压高度越小使得水分移动到表层的距离缩短，所以在相同的时间条件下，预压高度小的各层含水率的差距比较明显。当预压高度上升到8cm时，出现第5层平均含水率最低的现象，这和预压高度为3、4、6cm的板坯产生最低含水率在第4层的高度实际上是一致的，只是预压高度的整体提高使得各层的高度均有所提高，含水率的最低层也随其向下移动。因此，不论是怎样的预压高度，皆出现了水分向上下表面移动的趋势，产生这种现象的原因是:微波的透射性能可以使物料内外介质同时受热，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，加速水分向上下迁移。

表1 不同预压高度的板坯各层平均含水率

微波预热时间对板坯中水分分布的影响:在板坯初含水率为14％～16％，板坯高度为4cm条件下，改变微波预热时间，对板坯中各个点的含水率进行测定，得到不同微波预热时间的板坯各层平均含水率，见表2。可见，随着微波加热时间的延长，板坯内有更多的水分移动到了表层，而且含水率最高层和含水率最低层的含水率差值更大(当微波预热时间为80s时，第2层含水率平均值最高为14.29％，第4层含水率平均值最低为12.55％，二者的差值为1.74％;当微波预热时间为100s时，第1层含水率平均值最高为12.27％，第4层含水率平均值最低为9.94％，二者的差值为2.33％)，这可能是因为在较长的微波预热时间下物料中的水分能吸收更多的微波能并将其转变成热能，形成水蒸气向四周移动，同时较长的微波时间可以让水分有充足的时间从第4层的位置向上、下层移动。

表2 不同微波预热时间的板坯各层平均含水率

板坯初含水率对板坯中水分分布的影响:在微波预热时间为80s，板坯高度为4cm条件下，改变板坯初含水率，对板坯中各个点的含水率进行测定，得到不同板坯初含水率的板坯各层平均含水率，见表3。可见，与初含水率为14％～16％的板坯相比，板坯初含水率为11％时，板坯内各层的平均含水率变化较小，说明水分在板坯中移动的现象并不明显。这可能是因为相同的微波预热时间下，板坯中水分含量越多微波加热时产生的蒸汽压力越大，越有助于水分向四周移动扩散;板坯初含水率较低则反之。

表3 不同初含水率的板坯各层平均含水率 ％

2.2 MDF微波预热后板坯内温度的分布

在微波预热时间为80s、板坯初含水率为11％、预压高度为3cm和5cm的条件下进行板坯内部温度测定试验，得到各层平均温度、各层正中心点温度和各层边部温度(表4)。

表4 不同预压高度的板坯温度 ℃

板坯内部纵切面上温度的分布:预压高度为3cm板坯中心层温度最高，逐渐向靠近板坯表层和底层位置降低;预压高度5cm板坯第4层与第5层的温度最高，逐渐向靠近板坯表层和底层位置降低。

板坯正中心点在纵切面上温度的分布:预压高度为3cm板坯中心层正中心点的温度最高，随着向上下表层接近，温度呈降低的趋势;预压高度为5cm板坯第4层与第5层正中心点的温度最高，随着向上下表层接近，温度呈降低的趋势。

板坯边部在纵切面上温度的分布:预压高度为3cm板坯中心层的边部温度最高，向板坯表层和底层边部位置靠近的温度逐渐降低;预压高度为5cm板坯第4层与第5层边部的温度最高，随着向上下表层接近，温度呈降低的趋势。

板坯横切面上的中心点温度与边部温度的对比:预压高度3cm和5cm的板坯在微波预热80s的条件下，各层正中心点温度与各层边部温度的对比可见，板坯各层中心点的温度皆高于边部的温度。

总之，从上述试验结果可见，经微波预热后，不论预压高度的大小，板坯整体温度升高，在板坯纵切面上，芯层温度高于上下表层，横切面上中心温度高于四周。这样的现象是由两个原因造成的，一是水分子吸收微波能量以后，与其他分子发生碰撞或产生摩擦，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;二是微波加热时干燥层首先在物料内层形成，然后由里层向外层扩散，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。

3 结论

采用微波对中密度纤维板进行预热处理，可以对板坯中的水分起到调节作用，在板坯中形成表层含水率高，芯层含水率低的含水率梯度。减小预压高度、增加微波预热时间、适当的调高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。

采用微波对中密度纤维板进行预热处理，可以对板坯中的温度起到调节作用，在板坯中形成芯层温度高，表层温度低的温度梯度，形成了驱动内部水分向表层渗透的蒸汽压差，加速水分的迁移，使板坯中的水分重新分布。

在预压阶段引入微波预热处理工艺，为热压过程在温度和含水率分布进行了有利的调整和准备。利用微波对物体的加热特性，可以有效地用较小的能耗，分担热压机高耗能的热压加热过程，达到缩短热压时间，实现生产线生产能力的提高和单位产量能耗降低的目的。

[1] 齐英杰，吴勃生，徐杨.我国中密度纤维板生产能力发展概况[J].林业机械与木工设备，2009，37(8):4-6.

[2] 谢拥群，陈瑞英，杨庆贤，等.木材干燥过程热质迁移及其耦合作用的研究[J].林业科学，2004，40(1):148-153.

[3] 温武.人造板生产过程中的蒸汽注入技术[J].林产工业，2007，34(4):50-51.

[4] Celeste M C.Pereira high frequency heating of medium density fiberboard(MDF):Theory and experiment[J].Chemical Engineering Science，2004，59:735-745.

[5] Deng J，Xie Y Q，Feng 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] 谢力生.板坯预热及板坯初始温度对干法纤维板热压传热的影响[J].林业科技，2004，29(1):36-39.

[7] 关清洋.MDF板坯微波预热初探[J].福建林业科技，2002，29(3):69-72.

[8] 王旭.微波预热 MDF板坯的实验研究[J].福建林业科技，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，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 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)国家自然科学基金(30871982)。

余妙春，女1985年1月生，福建农林大学材料工程学院木材科学系，硕士研究生。

谢拥群，福建农林大学材料工程学院木材科学系，教授。E-mail:fjxieyq@hotmail.com。

2010年12月4日。

责任编辑: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.