人造板生产中采用的高频加热法，属于高频介质加热法。该技术是近几十年发展起来的一门新技术，应用十分广泛，在木材加工行业主要应用于木材胶合和木材干燥等工艺。高频介质加热是一种直接式加热，电场能量直接作用于介质分子，加热是从介质内各处同时进行的。这种加热的突出优点是:加热迅速、均匀以及有选择性，应用于木材干燥、软化及胶合处理，不仅能显著缩短木材加热时间，而且也有利于提高木材的质量(吴智慧，1994；刘忠传等，1990)。而对于高频热压胶合的探索性研究，国内外主要集中在介质损耗因素(Williaml, 1975; Anagnostopoulou-Konsta et al., 1988; Torgovnikov, 1994; 李先泽，1964)和高频热压胶合工艺以及高频干燥上(Nelson et al., 1990)，高频热压板坯内的温度测控鲜有报道，国内曾有利用热电偶和酒精温度计对板坯中心进行温度测量的报道(吴智慧，1991)，但未对整体板面温度分布及板坯厚度方向的温度变化趋势进行研究。

高频热压胶合中，温度是胶黏剂固化的必要条件，也是影响胶合质量的主要因素之一，故而对温度的测控具有重要意义。本文基于此使用三聚氰胺甲醛树脂浸渍过的杨木单板，组坯后应用高频热压制备家具地板及木构件用板方材的工艺技术，压制厚度大于30 mm的板材。在热压过程中使用热电偶测试板坯内的各点温度，进而研究高频电场中板坯内的温度分布和变化规律。

1 材料与方法 1.1 主要材料

沙兰杨(Populus × canadensis cv. ‘Sacrou 79’，以下简称杨木)单板，购自河北文安大柳河镇，密度0.32 g·cm^-3；幅面360 mm×180 mm，厚度1.9 mm，选择单板平整、无腐朽、无死节；浸渍后单板质量增加率约41%，干燥后含水率约8%。

浸注用三聚氰胺甲醛树脂胶(MF)，购自北京大兴利佳纸业，主要成分包括三聚氰胺、甲醛、乙醇(二乙二醇)、氢氧化钠、水。其外观透明，固体含量50%~54%，密度1.240 ~1.245 g·cm^-3，20 ℃黏度30 ~90 mPa·s，pH值8~9。

1.2 主要仪器设备

介质加热高频发生器: GJ10-6B-I-JY，频率6.78 MHz，功率10 kW，国产；测温设备: MASTECH MY-64，国产；K型热电偶:正负两极分别为镍铬-镍硅，国产；热压机: Laborpresse RPL 250，单层，幅面600 mm×600 mm，德国。

1.3 试验方法 1.3.1 测温点的配置

为找出高频电场中板坯内的温度变化趋势和温度分布，对板坯水平方向和垂直方向进行多点布局。水平方向选取5个点，其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ和Ⅴ#均离板坯长边30 mm，短边15 mm，Ⅲ#位于中心位置；垂直方向由下往上每隔2层在板坯中心位置选取1个点，1#靠近上极板(负极)，12#靠近下极板(正极)，水平方向和垂直方向的标号见图 1。

1.3.2 K型热电偶的测温方法

高频介质加热热压胶合试验中，热电偶测温主要在组坯的同时将K型热电偶一端埋入板坯内，另一端通过延长线伸出板坯外可接测量仪表。为避免仪表的感应采用间断或定时测量温度方法，测温在关闭高电压后进行，测温前进行接地放电操作(吴智慧，1991)。同时由于热电偶的动态响应速度快，在高频关闭后显示仪表所反应的瞬时温度并不一定是胶层的真实温度，所以本次试验在关闭高频30 s后进行放电测温。

1.3.3 试验方案

试验工序主要分辊压浸注、单板干燥、组坯、高频热压定型和温度测量。

1) 辊压浸注:对单板辊压浸注三聚氰胺甲醛树脂，压辊驱动转速保持恒定为800 r·min^-1。浸注树脂之后，单板在胶槽中继续浸泡15 min，然后准备进行干燥。

2) 单板干燥:利用移动夹具，将单板沿长度方向固定于烘箱的活动架下进行干燥，每块单板板面和侧缘之间的间距均超过5 cm，且不得贴近烘箱内壁，并定时掉转单板上下两端头。干燥温度75~80 ℃、时间20~30 min，单板终含水率8%左右。

3) 热压定型:利用常压浸渍后单板质量增加率约41%的杨木单板，按纵横交错组成25层的板坯，在热压单位压力1 MPa的高频压机中进行胶合制板。热压工艺参数为:高频电场板坯内中心层温度达到150℃左右关闭高频，10 min后压力卸到0.3 MPa，再5 min取出。

4) 温度测量:利用K型热电偶进行高频电场中板坯内垂直和水平方向各点温度的测量，考察板坯长宽方向和厚度方向温度场分布。

2 结果与分析 2.1 高频热压胶合中板坯内温度场分布

高频热压胶合中板坯厚度方向和长宽方向的温度变化数据分别见表 1，2。

2.1.1 垂直分布

从表 1和图 2可以看出：高频电场中板坯的中心或者两端温度并非最高，最高温度出现在靠近正极板的部位，最低温度出现在紧贴负极板表层。

根据理论木材在高频电场中吸收的热功率可以用功率密度P_v值表示，功率密度P_v与电场强度E、电场频率f和木材的介质损耗因素ε″之间的关系为P_v=0.556fE²ε″×10^－12 W·cm^-3，其中电场频率f一定，电场强度E与电压及板坯厚度等有关，介质损耗因素为介电常数与损耗角正切之积(成俊卿, 1985)。在含水率一定的情况下，温度分布为从负极板到正极板逐渐递增，这是因为越靠近正极板电场E越强功率密度越高，加热越快，越靠近负极板电场E越弱功率密度越小，加热越慢。最高温度出现靠近正极板的位置而非紧贴正极板的位置，是因为紧贴正极板那层被金属极板吸走了部分热量；最低温度出现在表层是因为表层负极板紧贴金属压板吸热快、负极板位置电场也弱，同时逸出水汽都聚集在表层，从而使得表层温度很低。

2.1.2 水平分布

从表 2和图 3可以看出：高频电场中水平方向板坯边缘前期加热不同步，板坯被加热后边缘各点温升不一致；同时从表 2可以看出水平方向的边缘各点温度超过100 ℃升温变慢，并逐渐接近。

根据文献(成俊卿，1985；陈新谋等，1979)，水的介电常数在常温约比绝干木材高40，比三聚氰胺固体树脂约高10倍；水的损耗角正切也比绝干木材和固体树脂约高8倍，所以水的介质损耗因素比绝干木材约高320倍，比固体树脂约高80倍，浸渍单板含水率是影响板坯加热快慢的最主要因素。对表 2中Ⅰ到Ⅴ#各热电偶的温升速度进行分析，发现Ⅲ#位置温升速度最快，其次为Ⅰ和Ⅱ，Ⅳ和Ⅴ#位置加热速度较慢。在同一个平面上，电场强度E一定，所以影响加热快慢的主要为介质损耗因素，Ⅲ#位置温升速度快是因为中心位置不易散热，Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ，Ⅴ#两端温度不同可能是因为组坯单板在干燥过程中两头悬挂时间并不完全等同，造成两头含水率略有不同，从而影响了温升速度。在超过100 ℃各点温度会逐渐接近，是因为温度超过100 ℃水分蒸发，含水率高区域水分蒸发快导致含水率下降加热速度下降，并且加热过程中水分流动，板坯各处含水率逐渐均匀，从而使得温度逐渐趋于同一稳定值。

2.2 高频加热中板坯内温度随时间变化的数学表达 2.2.1 曲线拟合及其差异性

首先对表 1，2中各组数据利用EXECL分别做出散点图，并做出对数、乘幂、指数和多项式的趋势线。从其拟合效果和R值得出指数曲线拟合效果弱于对数、乘幂和多项式。高频加热板坯内温度随时间变化不符合指数函数的变化趋势。

判断一组数据曲线拟合的好坏，可以根据拟合曲线的R值来判断。判断多组同类曲线拟合的好坏，除根据拟合曲线的R值之外，还需要看所有拟合曲线的差异性。在上述研究中，可以看到对数、乘幂和多项式的拟合效果较佳，为了进一步研究高频电场中温度变化趋势，对上述垂直分布的1~12#曲线和水平分布的Ⅰ~Ⅴ#曲线分别作对数y=aln(x)+b，4次方多项式y=ax⁴+bx³+cx²+dx+e和乘幂y=ax^b+c的整体拟合，拟合效果如图 2和图 3。

图 2，3中每条曲线均代表一个测温点温度随时间的变化，从拟合图形和数据可以看出: 1) 对数函数单条曲线回归除水平方向Ⅳ#的R²≈0.70外，其他均R²>0.82；所有拟合曲线的平行度较好，差异性较小。2) 乘幂函数单条曲线回归均R²>0.81；所有拟合曲线的平行度最好，差异性最小。3) 多项式函数单条曲线回归性能最佳，曲线拟合均R²>0.95；但所有拟合曲线的平行度较差，差异性较大。综合以上，利用乘幂函数拟合差异性较小，拟合效果较好。

2.2.2 数据曲线的再现性和前瞻性分析

曲线的方程求解和回归目的是为了进行未测量点温度的再现以及之后温度的预测分析，所以有必要进行曲线的再现性和前瞻性分析。再现性分析方法:在已测量的温度曲线中，剔除中间间隔的2个点，然后进行曲线回归求解曲线方程，之后根据方程求出这2点的温度与实测温度对比。前瞻性分析方法:在已测量的温度曲线中，剔除最后测温的2个点，然后进行曲线回归求解曲线方程，之后根据方程预测这2点的温度与实测温度进行对比。

从前面分析可以看出：指数拟合效果不佳，所以主要进行对数、乘幂和多项式的再现性和前瞻性分析；同时因为EXECL自带函数有限，所以引入Matlab曲线拟合工具，在对Matlab中自带函数进行选择分析后加入了正弦类函数。预测数据任选水平方向或垂直方向的，这里选取水平方向第Ⅲ#(再现性选择9和15 min数据，前瞻性选择23和27 min数据)，结果如表 3。

从表 3可以看出：乘幂函数的再现性和前瞻性较好，该函数下再现、预测温度和实测温度接近，对数函数、多项式函数和正弦函数的再现性较好但前瞻性均较差。利用其他的数据或者不同层数的板坯热压(41层或51层杨木)基本可得同样结论。

综合以上，高频热压胶合中板坯内温度并不是直线上升，它随高频加热时间变化可用乘幂函数y=ax^b+c表示。如果只是对于单条曲线进行回归，4次项以上的多项式函数R值较高，可用y=ax⁴+bx³+cx²+dx+e表示。

3 结论

1) 利用高频介质加热进行厚板坯的热压成型切实可行，但应进行设备屏蔽及荷载优化配置降低辐射。

2) 对于板坯的温度场分布，在板坯长宽方向，会因边缘各点的含水率差异导致加热过程中温度的不一致，但在超过100 ℃后各点升温变慢并逐渐接近；厚度方向，高频电场中板坯的中心或两表层温度并非最高，最高温度出现在靠近正极板的位置，最低温度出现在紧贴负极板表层。

3) 高频热压中树脂浸渍单板板坯内温度随时间变化曲线可用乘幂函数y=ax^b+c表示，如果仅仅对于单条曲线进行回归，4次项以上的多项式函数拟合R值较高，可用y=ax⁴+bx³+cx²+dx+e表示。

4) 高频加热受板坯含水率影响极大，所以必须严格控制同一张单板内各点含水率，工艺上主要是在树脂浸注结束干燥过程中将烘箱内单板每隔一段时间进行掉头悬挂，在干燥结束后利用塑料包裹存放24 h，使各点含水率尽量均一。同时所有试验表明，对于靠近负极的单板，其温度较其他层难以达到固化温度，在锯切时应该刨去表层几层单板而加以使用。