王喜明 姚利宏 王雅梅 張曉濤 于建芳 賀勤 王哲 李源河

1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學材料科學與藝術(shù)設(shè)計學院 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學理學院

隨著新時代社會主義建設(shè)的發(fā)展，我國社會的主要矛盾已轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分發(fā)展之間的矛盾。人民生活品質(zhì)的日益提高，使得我國對木材的需求量也逐年增加。然而，我國森林覆蓋率不高，森林人均儲備量低于世界林業(yè)資源豐富國家的平均水平，加之天然林保護政策的實施，國產(chǎn)木材資源多依賴于人工林提供的小徑材，國產(chǎn)高質(zhì)量木材資源嚴重短缺，我國對木材資源進口的依賴性極高。2019年，我國木材消費總量為6.31 億立方米，占全球木材市場消費的19%，占亞洲木材市場消費的73.1%。僅2019年，我國木材進口總量就高達9788.36 萬立方米，比2010年增長了104%，其中原木進口量5980.00 萬立方米，鋸材進口量3808.36 萬立方米。目前，我國是全球最大的進口木材需求國。2010—2019年，我國木材進口量年均增長8.27%，其中進口原木和鋸材年均分別增長6.35%和11.15%。我國木材進口國主要有俄羅斯、蒙古、德國、新西蘭、澳大利亞、捷克等。

內(nèi)蒙古與俄羅斯、蒙古國接壤，占全國木材進口總量1/3 的俄蒙進口木材由滿洲里、二連浩特口岸進入我國境內(nèi)，內(nèi)蒙古也是我國原木進口最多的省區(qū)，鋸材進口量位居全國第二位，僅略低于廣東省。面對數(shù)量巨大的俄蒙進口原木、鋸材資源，利用先進技術(shù)對其進行檢疫檢驗、加工和高效增值利用顯得尤為重要。本文總結(jié)、介紹了進口木材檢疫性有害生物滅殺、綠色高效加工和高效增值利用三項技術(shù)。

一、進口木材檢疫性有害生物滅殺技術(shù)

隨著進口木材源源不斷地進入我國境內(nèi)，首先面臨的問題就是境外森林病蟲害入境對我國森林物種及生態(tài)系統(tǒng)的侵害，而且隨著進口木材數(shù)量的增多，侵害的幾率也大幅度增加。森林病蟲害會侵染健康的活立木，影響樹木生長，造成樹葉枯黃，形成癭瘤，導致樹木主干扭曲，甚至整株枯死，嚴重時可導致樹木大面積死亡。入境的森林病蟲害不僅會降低木材的利用價值，而且可能導致病蟲害的傳播，因此，入境森林病蟲害是我國林業(yè)發(fā)展中必須防控的不利因素，是入境木材重要的檢疫對象。做好進口木材的檢疫檢驗工作，是保證我國林業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定和維護我國森林資源健康發(fā)展的先決條件。利用先進的檢疫檢驗技術(shù)和科學有效的防治方法，是防止有害病蟲入境，避免因檢疫不合格、除害方法不恰當?shù)仍蛟斐缮植∠x害在我國境內(nèi)發(fā)展蔓延，從而影響我國木材產(chǎn)量的行之有效的手段。

針對進口木材中的有害生物，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學材料科學與藝術(shù)設(shè)計學院依托“內(nèi)蒙古自治區(qū)俄蒙進口木材加工利用工程技術(shù)研究中心”，研發(fā)了滅殺木材中檢疫性有害生物的柔性蒸汽裝備及高效處理技術(shù)，在不損害木材自身品質(zhì)和外觀的前提下，通過技術(shù)升級、成果轉(zhuǎn)化等途徑，實現(xiàn)了木材的大規(guī)模檢疫性處理，并且增加了有害生物體及真菌的滅殺種類，提高了木材中有害生物的殺滅率。

1.真空濕熱蒸汽處理技術(shù)

真空濕熱蒸汽處理系統(tǒng)由水環(huán)式真空泵、柔性真空處理室、蒸汽發(fā)生器和蒸汽控制器組成。柔性真空處理室由專門定制的柔性真空袋組成，具有良好的氣密性和導熱性。柔性真空處理室內(nèi)部配備有測試裝置，用于記錄柔性袋和被處理木材的溫度，濕熱蒸汽從蒸汽發(fā)生器進入柔性真空袋內(nèi)部。

經(jīng)過真空條件下的濕熱蒸汽處理后，將進口木材從柔性袋中取出，再將每根原木劈開，以檢查是否存在存活的天牛幼蟲，若3 小時內(nèi)沒有任何活動跡象，即表示幼蟲死亡。經(jīng)過觀察，處理后的原木中所有的亞洲長角天牛幼蟲、蛹和成蟲均已死亡。在不同的初始溫度下，10～26 厘米徑級的原木所需要的最長處理時間為500 分鐘。原木的平均初始含水率為32.4%，處理后原木的重量有所增加，平均含水率上升了9.1%，含水率的上升與加熱原木及補償熱量損失所需要的濕熱蒸汽正比例相關(guān)。該研究表明，在500 分鐘以內(nèi)，真空濕熱蒸汽處理技術(shù)可以殺滅10～26 厘米徑級原木中的亞洲長角天牛。在木芯溫度達到60℃、處理時間為60 分鐘的條件下，該技術(shù)可以完全殺滅目前所有的亞洲長角天牛幼蟲、蛹和成蟲；在木芯溫度達到70℃、處理時間為60 分鐘的條件下，該技術(shù)可以完全殺滅木材中的真菌微生物。研究中發(fā)現(xiàn)柔性真空處理系統(tǒng)對熱處理兼容性良好，熱量損失較少，對原木含水率的影響較小，且比傳統(tǒng)熱處理技術(shù)節(jié)能約25%，是一種經(jīng)濟有效的進口木材病蟲害處理系統(tǒng)。

2.60Co-γ 射線電子束輻照技術(shù)

竹產(chǎn)品中的竹綠虎天牛幼蟲可以采用60Co-γ 射線對其進行輻照處理，輻照可以抑制幼蟲的發(fā)育，該技術(shù)采用86-Gy 作為標準的輻照劑量。研究發(fā)現(xiàn)，電子束輻照技術(shù)不會產(chǎn)生放射性廢物，而且沒有輻照源，其操作高效、精準、可控性強，整體上屬于一種綠色環(huán)保的處理技術(shù)，是國內(nèi)未來進口木材檢疫檢驗技術(shù)發(fā)展的熱點。輻照處理技術(shù)還可與其他檢疫處理技術(shù)結(jié)合使用，從而對進口木材中病蟲害的滅殺起到增效作用，并且能極大程度減少對所處理木材的影響。

二、進口木材綠色高效加工技術(shù)

1.基于內(nèi)應力的木材干燥精準控制技術(shù)

該技術(shù)針對木材因水分缺失出現(xiàn)的干縮濕脹現(xiàn)象，設(shè)計了一種基于溫濕度試驗箱控制的溫度、濕度、力學性能測試系統(tǒng)，PLC 干縮力控制系統(tǒng)和模糊自整定PID 切換控制系統(tǒng)，旨在揭示木材干燥全程的含水率、質(zhì)量、干縮量、干縮力的多元線性關(guān)系。

基于這種一體化控制系統(tǒng)的理念，以俄羅斯進口樟子松為例，在溫度為60℃、相對濕度為40%時，通過木材控溫測試系統(tǒng)實時檢測，樟子松的干縮量隨時間正比例增大，質(zhì)量隨時間變化減小，干縮力隨時間變化先減小后增大，11 小時左右達到平衡狀態(tài)。在干縮力達到平衡狀態(tài)時，質(zhì)量變化、干縮量也隨即達到相對平衡，且其所受最大干縮力和最大干縮量分別為0.28 兆帕和1.69 毫米，質(zhì)量變化為19.36 克。

利用PLC 干縮力控制系統(tǒng)，可以快速、自動、準確地實現(xiàn)對木材干縮力的有效控制，避免木材的內(nèi)裂。當相對濕度為30%，在70℃、80℃、90℃3個不同的溫度條件下，干縮力分別為324 牛頓、249牛頓、319 牛頓時，木材出現(xiàn)了內(nèi)部開裂；在相同條件下，分別預設(shè)干縮力數(shù)值為250 牛頓、215 牛頓、260 牛頓，使其小于木材開裂的極限值，干縮力的變化模式為先減小后增大，并且達到預定值后基本保持不變。由此表明：利用PLC 干縮力控制系統(tǒng)作為核心控制器可以將木材干縮力控制在理想范圍之內(nèi)。

2.木材密實、炭化、干燥一體化技術(shù)

該技術(shù)可以有效改善木材的力學性能，增強木材的尺寸穩(wěn)定性、耐腐性和耐久性等。采用正交試驗法測試炭化溫度、壓縮比、炭化時間、干燥溫度4個因素與被處理進口木材力學性能之間的關(guān)系，根據(jù)對密度、硬度、抗彎強度、抗彎彈性模量幾方面的探索，經(jīng)過綜合考量，確定最佳工藝為：炭化溫度200℃、壓縮率50%、炭化時間為3 小時、干燥溫度160℃。

木材熱壓密實處理技術(shù)是一種綠色、環(huán)保的木材物理改性方法，可以有效改善木材的尺寸穩(wěn)定性和生物耐久性，還能有效改善木材顏色。木材在熱壓處理的過程中，細胞腔內(nèi)的溫度迅速上升而使水分在短時間內(nèi)蒸發(fā)，溫度和水分的變化導致壓力急劇上升，形成較高的總壓力差?？倝毫Σ顣顾窒蛲獠哭D(zhuǎn)移，從而在數(shù)小時甚至十幾分鐘內(nèi)使木材快速干燥?；诖嗽恚摷夹g(shù)研究了熱壓工藝對木材尺寸、徑向和弦向紋理、水蒸氣壓力、木材內(nèi)部溫度的影響。結(jié)果表明：板材內(nèi)部溫度和蒸汽壓力隨著熱壓時間、溫度的增加呈正比例增長。當熱壓溫度為120℃時，可確保30 毫米厚木材內(nèi)蒸汽壓力充足，但不能滿足80 毫米厚試件的壓力要求，板材內(nèi)部溫度和蒸汽壓力達到平衡所用時間與熱壓溫度呈反比例關(guān)系。

與未處理木材相比，處理后的木材密度增大了23%～37%，吸濕性明顯降低，尺寸穩(wěn)定性得到極大改善，減少了木材開裂、扭曲、膨脹等現(xiàn)象，抗彎強度和彈性模量分別提高了150.9%、445.3%，硬度也提高了87.5%。隨著熱壓密實、干燥、高溫熱處理效果的共同作用，木材各方面性能都得到明顯改善。密實、炭化、干燥一體化處理過程中伴隨著半纖維素的分解、水分的減少，導致木材中碳水化合物減少，切斷了腐朽菌生存所必需的能源物質(zhì)，有效改善了木材的耐久性、耐腐性，從而達到延長木材使用壽命的效果。就生產(chǎn)周期而言，一般的壓縮工藝、炭化工藝或者壓縮炭化聯(lián)合工藝需要1～3 天，而該技術(shù)所提供的處理方法在環(huán)保效果好的基礎(chǔ)上僅需要4.5～7 小時，極大地縮短了工藝周期，具有很強的可操作性和可觀的利潤空間。

3.木材干燥VOCs 智能捕捉技術(shù)

木材在干燥過程中排放出的揮發(fā)性有機化合物（VOCs）主要成分是萜烯類化合物和非萜烯類化合物。首先利用木材干燥VOCs 的采樣方法和測試分析方法，采用GC 和GC-MS 方法分析了VOCs 的主要成分。以進口俄羅斯樟子松木材為研究對象，檢測到在木材常規(guī)干燥過程中，其平均含水率從最初的55.86%下降到10.2%，在干燥過程中釋放出15 種化合物，其中包括甲醛等在內(nèi)的7 種不同的醛，α-蒎烯等6種不同的萜烯，以及其他2 種化合物。高溫干燥過程中釋放出的大多數(shù)揮發(fā)性有機化合物是萜烯，其中88.19%是α-蒎烯，并且高溫干燥時揮發(fā)性有機化合物的釋放量比常規(guī)干燥增加了6.4 倍。進口木材在高溫干燥過程中，醛類VOCs 的變化規(guī)律大致相似，前期逐漸增加，中期略有減少，后期又有所增加，尤其是正己醛和正戊醛的釋放速率在干燥后期大幅增加；對于其他醛類VOCs，整個干燥過程中釋放速率的變化很小。

木材干燥VOCs 智能捕捉技術(shù)針對高溫干燥過程中釋放的VOCs 的種類，采用氯化釹、硝酸鈰和硝酸鑭3 種金屬鹽與配體黑色素瘤抗原（MAGE）設(shè)計制備了不同的稀有金屬有機復合材料（Rare-MOFs）。測試結(jié)果表明，氯化釹與配體（Nd-MOFs）吸附材料和硝酸鈰與配體（Ce-MOFs）吸附材料分別對α-蒎烯、β-蒎烯、苯、四氯化碳4 種氣體都表現(xiàn)出了較好的吸附效果；硝酸鑭與配體（La-MOFs）吸附材料對α-蒎烯、β-蒎烯和四氯化碳吸附效果較好，對苯的吸附效果較差。進一步的試驗表明，所制備的3種MOFs 材料除了對4 種VOCs 氣體的脫附效果較好之外，還具備良好的循環(huán)利用性能。

三、進口木材高效增值利用技術(shù)

1.復合結(jié)構(gòu)梁、柱結(jié)構(gòu)材制造技術(shù)

該技術(shù)中研發(fā)了一種基于沙柳和喬木的復合結(jié)構(gòu)梁、柱的制備方法，即將沙柳制成規(guī)定厚度的網(wǎng)狀木束，含水率為8% ；將木段旋切成2.5～6.0 毫米厚的單板，氣干至規(guī)定含水率9%；采用浸膠方式施加膠黏劑，對沙柳木束進行浸膠，單板不涂膠，施膠后的木束在50℃條件下再干燥2.5 小時，將施膠木束的含水率控制在15%，然后組坯；將熱壓好的結(jié)構(gòu)板材進行接長、拼寬，制備復合結(jié)構(gòu)梁、柱。本發(fā)明對沙柳原料進行施膠，不需要對沙柳進行細小單元加工，然后利用奇數(shù)層組坯原則進行組坯，單板不用涂膠，簡化了沙柳材料利用的制造工藝，減少了能源的消耗。

2.木結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震性能評價技術(shù)

（1）輕型木結(jié)構(gòu)建筑屋頂—墻體連接（RTWC）節(jié)點抗震性能評價

試驗以樟子松、SPF（由云杉、松木、冷杉3 種木材組合成的一種軟木組合木材）、花旗松3 種木材，配合2 種典型的金屬連接件為試驗對象，通過單調(diào)拉拔試驗，首先對每組試件的破壞模式進行了定性分析，然后對6 種RTWC 節(jié)點的荷載—位移曲線進行特征值分析，從最大荷載、屈服荷載、變形能力、耗能能力、延性比和初始剛度6 個特征值對節(jié)點的抗震性能進行了定量分析，最后利用Foschi 荷載—位移曲線模型對各節(jié)點的力學性能進行了仿真驗證，驗證結(jié)果表明測試結(jié)果與Foschi 模型擬合良好。結(jié)果表明，采用A 型金屬連接件試件的承載力遠大于采用B 型金屬連接件試件的承載力；花旗松試件的力學性能優(yōu)于SPF 和樟子松，但花旗松試件容易發(fā)生脆性破壞。除屈服性能之外，SPF 試件的力學性能均優(yōu)于樟子松試件。該技術(shù)得出了適用于RTWC 節(jié)點的Foschi 荷載—位移曲線模型的擬合參數(shù)。

（2）雀替—榫卯節(jié)點抗震性能評價技術(shù)

通過低周反復加載試驗，測試了3 種典型的中國傳統(tǒng)榫卯節(jié)點——直榫、半榫、透榫在含有雀替和不含有雀替構(gòu)件兩種情況下的力學性能。該技術(shù)從節(jié)點的變形模式、滯回特性、強度和剛度退化以及耗能能力幾個方面定量評價了榫卯—雀替組合節(jié)點的周期荷載響應性能。試驗結(jié)果表明：直榫節(jié)點的承載力最強，透榫節(jié)點和半榫節(jié)點由于榫頭形式的不對稱，滯回環(huán)不對稱，承載力較弱，并且半榫節(jié)點最容易出現(xiàn)拔出榫頭的現(xiàn)象。從能耗的角度看，雀替構(gòu)件可以有效地強化榫卯節(jié)點的耗能能力。

3.木材加工剩余物高效利用技術(shù)

（1）木材廢料回收技術(shù)

該技術(shù)設(shè)計了一種先進的木材廢料回收裝置，包括設(shè)備框架、木材加工裝置和出料裝置。設(shè)備中通過“引屑風扇”的安裝，使得細小木屑不會到處飄散?！耙硷L扇”為一種可拆卸的構(gòu)件，增加了裝置的實用性，節(jié)省了操作人員的勞動力，提高了清理的便利性。通過伸縮桿的安裝，可以不用將裝置抬起而倒出廢料。伸縮桿是由一種合金材質(zhì)制成的可伸縮壓縮桿，增加了整體裝置的靈活性、高效性和實用性，方便取出廢料，從而節(jié)省勞動力。該裝置內(nèi)設(shè)有風扇和透風隔離布袋，木材廢料粉碎時，風扇產(chǎn)生的風力將鋸末和粉塵吸至出風口，通過轉(zhuǎn)桿、齒輪，使木材廢料可被輕松推出壓縮裝置主體，便于取出。

（2）木絲板制造技術(shù)

木絲板是一種以木絲為基本材料，采用不同膠粘劑、不同組坯方式、不同熱壓工藝膠合而成的人造板。木絲板具有吸音、隔熱保溫、防火防潮、阻燃、防蛀蟲等優(yōu)點，是一種良好的建筑裝飾材料。木絲板制造技術(shù)（圖1）研究了木絲單體制備工藝、木材單體的性能、木絲染色處理工藝以及熱壓工藝（施膠量、熱壓時間、熱壓溫度和熱壓壓力）對木絲裝飾板物理力學性能和裝飾性能的影響。研究結(jié)果表明：木絲裝飾板最佳制備工藝參數(shù)為施膠量18%、熱壓溫度170℃、熱壓時間5 分鐘、熱壓壓力3 兆帕；染色處理后對木絲裝飾板的各項物理力學性能影響不顯著，且有效提高了其裝飾性；木絲單體的排列方式對木絲裝飾板的力學性能和吸聲性能影響顯著，對其物理性能影響不顯著。

圖1 木絲板制造技術(shù)