木粉尘是木材加工过程中的主要环境污染物，细微粉尘颗粒具有较强的迁移和扩散能力，使生产设备和原料蒙尘，降低设备的使用寿命与产品质量；长期暴露在木粉尘环境中可诱发呼吸道疾病甚至鼻癌，家具产业工人罹患鼻腺癌的概率每年高达0.5‰(Nylander et al., 1993)。此外，木粉尘也是生产过程中的主要安全隐患之一，粉尘颗粒的比表面积较大，化学活性强，极易燃烧，在封密的环境中甚至会发生爆炸，全球工业粉尘燃爆事故中有11%来自木材加工业(Yuan et al., 2015)。

近年来，随着环境压力日益增大，国家和各地方政府相继颁布了更加严格的粉尘排放标准。2007年北京市大气污染物综合排放标准(DB 11/501—2007)规定木粉尘排放限值为18 mg·m^-3，2010年起该限值被降至10 mg·m^-3，在2015年制定的木质家具制造业大气污染物排放标准(DB 11/1202—2015)中，该限值又被进一步降至5 mg·m^-3(2017年起实施)，这对除尘系统的设计和运行提出了更高要求，针对木材加工生产性粉尘特性的除尘装置和运行参数优化势在必行。

粉尘颗粒的粒度(尺寸)、粒形(形态)及其分布对粉尘的流动性、黏附性、凝聚性和燃爆性等都具有显著影响(Masuda et al., 2006)，是粉尘治理中需要考虑的首要属性。粒度小的粉尘比表面积大，相互间具有较大的接触面和凝聚力，易形成较为稳固的结构，流动性较低(Fitzpatrick et al., 2004)。生产性粉尘的流动性还受粉尘尺寸分布的影响，粒径分布广的粉尘具有较高的无约束屈服强度(Hann et al., 2007)，需要较高的外力才能让物料堆变形，易造成灰斗和料仓排料口的堵塞。形态方面，若粉尘颗粒形状与标准球形相差越大，则其堆积角越高，堆积密度和流动性越低(Robinson et al., 2002；Ridgway et al., 1969)；纤维状和片状颗粒在振动和加压条件下还会发生机械咬合作用，进一步限制其流动性(Juliano et al., 2010)；边角圆滑的颗粒流动性好于具有尖锐棱角的颗粒，且受压时在空间的分布更均匀，相互接触更充分，物料的密实度也更高(Hann et al., 2007)。不同形态参数对粉尘颗粒处理性能的影响还可能有交互作用，Cleary等(2002)研究认为，长宽比对有棱颗粒流动性的影响大于对圆形颗粒的影响。

以上研究的分析对象主要为玻璃、石英等无机颗粒物，或食品等其他有机粉尘，而对木材加工过程中的粉尘尺寸尤其是形态研究目前还较为缺乏。鉴于此，本研究以板式家具生产中板材锯切和油漆砂光粉尘为对象，采用图像法对其进行尺寸和形态研究，分析粒度粒形特征对粉尘流动性的影响，以期为板式家具生产线除尘系统的设计与运行参数优化提供基础数据。图像法借助对粉尘颗粒投影图像的精确分析，不仅可对颗粒的尺寸进行测量，更可实现对颗粒形态的多参数量化表征，在处理生物质粉尘，包括木质粉尘方面具有较高准确性和便捷性(Mazzoli et al., 2012)。

1 材料与方法 1.1 样品及制备

试验原料采自南京某板式家具公司，生产锯屑取自刨花板开料工段，圆锯机型号为顺德马氏MJ6132C，锯片直径305 mm，主轴转速5 000 r·min^-1。砂光粉取自板材PU底漆砂光工段，砂光机为顺德马氏MM2015带式砂光机，砂带磨料粒度为320目。

由于采集的粉尘数量较多，故采用旋转锥型分样器(Fritsch，Laborette 27)将粉尘分为8份具有相同粒径分布的样品，以减少取样造成的测量偏差。在试验中随机选取其中1个样品袋样品进行测试。

1.2 粒度粒形测量

采用Occhio Scan600粒度粒形分析仪分析样品尺寸和形态。为避免样品颗粒重叠和团聚，样品经真空分散器(Occhio，VDD270)进行分散，真空分散器通过顶端的有机薄膜将样品与下部真空沉降仓分隔开，工作时通过真空泵在沉降仓中形成负压，使有机薄膜因两侧压差增大而破裂，样品在脉冲气流带动下进入真空沉降仓并充分分散，沉降在底部的测量平台上，在1 280 dpi分辨率下进行图像扫描。为正确区分扫描图像中的颗粒和背景，在扫描前还需设定1个合适的灰度阈值，该阈值若设定太低则无法将颗粒物从图像背景中有效分离出来，若设定太高则又会将背景中的噪声信号纳入颗粒计算中，出现“幽灵”颗粒。根据设备推荐的参数范围及预试验结果，本研究设定灰度阈值为70。锯屑和砂光粉各重复测量5次，锯屑单次测量颗粒数为2 977~9 494，砂光粉单次测量颗粒数为4 861~25 684，均符合图像法对颗粒测量数量的要求(Souza et al., 2011)。

1.3 堆积角测量

堆积角是粉尘的流动性指标，可综合反映颗粒物在装载、输送和排料等过程中的流动性。堆积角间接反映了粉尘间的摩擦力，堆积角越小，粉尘之间的摩擦力越小，粉尘的流动性越好。一般认为堆积角在30°以下的粉尘具有很好的流动性，堆积角在45°以上时粉尘的流动性差(王弘等，2006)。

堆积角测定采用注入法，其原理是在一块完全平整的水平板上方一定高度固定一个专用漏斗，将给定体积的粉尘样品通过此漏斗，测定所得到的锥形体的高度及底边圆直径，从而得到粉尘的堆积角。测量采用中国日化研究所研制的AR-Ⅰ型堆积角测定仪，测试过程依照GB/T 11986—1989，堆积角由下式给出：

$\mathit{\varphi = }{\rm{\;\;arctan}}\frac{h}{D} \times \frac{{180}}{{\rm{ \mathit{ π} }}}。$

(1)

式中：φ为堆积角(°)；D为粉尘锥形体底边圆直径(mm)；h为粉体的锥形高度(mm)。

1.4 数据处理

采用Callisto3D图形分析软件对扫描图像(图 1)进行分析。Callisto3D可对扫描图像中每一个颗粒进行单独成像，计算其尺寸和形态参数并获得统计数据。

本研究采用以下参数表征粉尘尺寸和形态：

1) 面积等效直径(area diameter)  面积等效直径(图 2)是以与所测颗粒具有相同投影面积的圆的直径表征颗粒尺寸的参数(下文所有粒径均为面积等效直径)，计算方法如下：

${D_{\rm{A}}} = \sqrt {\left({4 \times \frac{A}{{\rm{ \mathsf{ π} }}}} \right)} 。$

(2)

式中：D_A为面积等效直径(μm)；A为颗粒的投影面积(μm²)。

2) 长宽比(aspect ratio)  长宽比(图 2)是表征颗粒形态的参数，可以判断一个颗粒的形状，长宽比越接近100%，则该颗粒的长宽越接近；长宽比越小，则颗粒的形状越狭长，计算方法如下：

${\rm{Asp = }}\frac{{{D_{{\rm{F\;min}}}}}}{{{D_{{\rm{F\;max}}}}}} \times 100\% 。$

(3)

式中：Asp为长宽比(%)；D_{F min}为最小弗雷特直径，即颗粒轮廓平行切线间的最小距离(μm)；D_{F max}为最大弗雷特直径，即颗粒轮廓平行切线间的最大距离(μm)。

3) 粗糙度(roundness)  粗糙度反映颗粒整体接近圆的程度，是颗粒的实际面积与以该颗粒的最大弗雷特直径为直径的圆面积之比，粗糙度越接近100%，则整体形态越接近圆，计算方法如下：

${\rm{Rnd = }}\frac{{4 \times A}}{{{\rm{ \mathit{ π} }} \times \mathit{D}_{{\rm{F\;max}}}^2}} \times 100\% 。$

(4)

式中：Rnd为粗糙度(%)。

4) 坚固度(solidity)  坚固度是颗粒整体凹度的度量描述符，可反映颗粒表面是否存在凹凸及凹凸的程度，坚固度越接近100%，则凸包(图 2)面积与颗粒实际面积越接近，颗粒轮廓内凹的部分就越少，计算公式如下：

$S = \frac{A}{{{A_\mathit{c}}}} \times 100\% 。$

(5)

式中：S为坚固度(%)；A_c为颗粒边界凸包的面积(μm²)。

5) 钝度(bluntness)  钝度是在颗粒物投影轮廓的每个突起部位画内切圆，将其直径与颗粒最大内切圆直径相除后取其平均值(图 2)，表示颗粒表面的尖锐程度，钝度越小，则颗粒表面越尖锐，完美的圆形的钝度为100%，计算公式如下：

$B = \frac{{\sum\nolimits_{i = 1}^N {{d_\mathit{i}}} }}{{N{D_{\rm{n}}}}} \times 100\% 。$

(6)

式中：B为钝度(%)；d_i为第i个突起部位内切圆直径(μm)；D_n为颗粒最大内切圆直径(μm)；N为颗粒投影轮廓上突起的数量。

以上参数中，面积等效直径是锯屑和砂光粉尘的尺寸参数；长宽比和粗糙度是粉尘颗粒形态的宏观描述符，反映颗粒整体的几何比例；坚固度和钝度是颗粒形态的介观描述符，提供颗粒形状和表面织构的信息。

2 结果与分析 2.1 粒径分布

木材加工生产性粉尘的粒径分布较广，其下限可低于10 μm，上限可达mm级，但生产中只关注粒径小于100 μm的部分(Yepes et al.，2011)，该部分颗粒沉降速度较慢，扩散范围较广，对生产和健康的影响较大，是本研究的主要分析对象。

图 3所示为锯屑和砂光粉粒径在0~100 μm区间的分布情况，其百分比是以样品总量为基准计算的。由图可见，锯屑中粒径小于100 μm的颗粒数量百分比为87.1%，而砂光粉中该类颗粒占比高达99.7%，表明细小颗粒物占锯屑和砂光粉的绝大多数。这其中，不论是锯屑还是砂光粉，均在10~20 μm粒径区间数量最多，占比分别达到19.1%和31.6%，其次为20~30 μm区间，占比分别为17.2%和26.2%。同时，在粒径小于40 μm的各区间，砂光粉的数量百分比显著大于锯屑，前者在该区间所占比重为89.5%，而后者为60.5%，约为前者的2/3，表明砂光粉的粒径分布相对集中，尺寸更加细小。

粉尘的粒径分布与其产生过程密切相关。砂光粉是砂带磨粒在材料表面进行磨削的结果，总体上可视作尺寸非常微小的刀头的切削过程，采样工厂中砂带磨料粒度为320目，对应磨粒的平均粒径仅为36 μm，因而形成的粉尘颗粒尺寸也相应较小。锯屑尺寸总体上大于砂光粉，但也含有相当数量的小颗粒，这是因为除了锯齿在木材表面因锯切作用而产生粉尘外，锯身与木材间也会因磨擦产生一部分相对细小的粉尘颗粒(Chung et al., 2000)。此外，粉尘在排放过程中还因与刀具、基材和粉尘颗粒间的相互作用而产生二次破碎，使尺寸进一步缩小。

2.2 粒形 2.2.1 粒形分布

表 1归纳了锯屑和砂光粉4种粒形参数分布。2种颗粒的长宽比和粗糙度平均值较低，且数据分布范围较广。锯屑和砂光粉长宽比的P₁₀与P₉₀分别相差2.9和1.5倍，二者粗糙度的P₁₀与P₉₀更相差3.2和2.0倍，表明二者形态规则性较低，颗粒间的形状差异较大。相比之下，2种颗粒的坚固度和钝度平均值较高，且数据分布较为集中。坚固度指标中除锯屑的P₁₀外都高于90%，说明2种颗粒都具有极为平整的表面织构；钝度指标的分布略宽于坚固度指标，但锯屑钝度的P₉₀和砂光粉钝度的P₇₅都达到100%，说明2种颗粒边角的尖锐度都较低。

2.2.2 长宽比

由图 4可见，锯屑和砂光粉的长宽比总体上随粒径增加而逐渐降低，表明二者形态随尺寸增加有细长化的趋势。Guo等(2012)对松木、豆茎、稻草和芦苇的研磨颗粒通过图像法分析后也发现类似规律。与锯屑相比，砂光粉的长宽比在各粒径区间都高于锯屑，并且这种差异随着粒径增加而增大，从最初相差不到1%最终扩大到约20%，表明锯屑颗粒在宏观比例上变异性更大，细长颗粒的比重更高。

2.2.3 粗糙度

图 5所示为锯屑和砂光粉的粗糙度分布，从整体上看，2种颗粒的粗糙度都不大，均分布在60%以下，表明二者的粉尘形态与圆形差距显著。2种颗粒的粗糙度在粒径20~30 μm达到最大，然后开始下降。锯屑粗糙度的下降幅度显著大于砂光粉，随着粒径增加这种差距最终也达到了约20%，与长宽比的对比变化规律相似，表明锯屑形状的不规则性大于砂光粉。

2.2.4 坚固度

锯屑和砂光粉的坚固度总体较高，随粒径增加逐渐减小，但变化幅度有限(图 6)。砂光粉和锯屑在各粒径区间内坚固度指标相差较小，最大差异仅2.2%，表现出相似的表面织构特征。

2.2.5 钝度

锯屑和砂光粉的钝度分布规律与坚固度相似(图 7)，二者的钝度总体较高，表明颗粒的边角较为圆滑；随粒径增加2种颗粒的钝度不断减小，表明大颗粒的棱角相对更多，边界更尖锐。与锯屑相比，砂光粉钝度总体上稍大，但二者相差并不显著。

综上可知，锯屑和砂光粉的形态参数普遍随粒径增加而逐渐变小，表明大颗粒纵横向的宏观比例相差较大，形态不规则，轮廓相对尖锐，随粒径降低，颗粒形态趋于圆整规则。这与从二者扫描图像(图 8)得到的直观感受是一致的。锯屑颗粒的粒形参数在各尺寸区间都小于砂光粉，且大小颗粒间的参数差异也更大，表明其形态不规则性更强，大小颗粒间的形态差异也更显著。

锯屑和砂光粉的粒形变化特点是多种因素综合作用的结果。锯切和砂光都属于机械加工范畴，通过刀头的挤压和剪切将材料表层与基材强制分离，这种加工方式决定了形成的切屑在总体上形态并不规则。但切削方式不是决定粒形特征的全部因素，切屑产生后与刀具、基材以及颗粒之间都会相互作用，对粉尘颗粒的尺寸和形态也会产生影响。锯屑与砂光粉在排入空气前首先挤聚在锯齿或磨粒间隙，与锯片和砂带产生较为严重的挤压和磨蚀作用，使颗粒棱角的尖锐性降低，表面织构趋于平整。大颗粒由于具有较大质量和较高惯性，对小颗粒的磨蚀作用更显著，而大颗粒本身在挤压过程中可能发生断裂，生成纵横尺寸更加接近的小颗粒。此外，受刀具或砂带高速转动的带动，排入空气的粉尘颗粒具有较高的初速度并由此形成切屑流，由于大小颗粒的质量差异，其在切屑流中的速度并不相同，因而会相互碰撞使颗粒间再次发生磨蚀作用，进一步降低颗粒的表面粗糙度。

2.3 堆积角

表 2所示为锯屑和砂光粉的堆积角，可以看出锯屑和砂光粉的堆积角都在50°以上，属于流动性差的粉尘，锯屑的堆积角略大于砂光粉，但二者没有显著区别。

3 讨论

锯屑和砂光粉的流动性很大程度上取决于粒度和粒形特征。锯屑和砂光粉主要由粒径小于100 μm的细微颗粒物构成，其中粒径小于40 μm的颗粒占有很高比重，这些颗粒的黏附性和凝聚性较强，在运动中易相互牵制或吸附在设备和管路的壁面，降低了颗粒总体的流动性。

在形态方面，2种粉尘颗粒形态总体不规则，个体间差异显著。大颗粒的宏观尺寸比例差异大，表面相对粗糙，轮廓尖锐，在运动中容易相互搭接和咬合，颗粒间易形成较多孔隙，流动性较差。小颗粒虽然形态相对规则，但在堆积时易填充在大颗粒间的孔隙中，其流动性一方面受孔隙腔体的限制，另一方面大小颗粒间的接触在总体上也增加了颗粒间的接触点，而这种接触产生的相互作用力要大于相同尺寸小颗粒之间的相互作用力(Paulrud et al.，2002)，使流动性进一步下降。

锯屑和砂光粉的流动特性对车间除尘系统的运行效能具有显著影响。在粉尘吸集端，小颗粒的高黏附性使其极易在加工机床内聚积，加大了吸集难度，对吸料口的数量、位置设置和形状设计提出了更高要求。低流动性也是造成粉尘输送管道和除尘器排料口堵塞的主要原因，其一方面降低了除尘系统的工作效能，另一方面也显著增加了粉尘燃爆的风险，因而需要在管道弯头后方、直立上升管道下方和排料阀上方等处设置检查孔，对系统不同部位粉尘堆积情况进行及时检查。此外，还需在排料器上方设置行程开关实时监测粉尘在灰斗的堆积高度，并在发生落料困难时通过击打装置促进粉尘的流动。

4 结论

1) 粒径小于100 μm的细微颗粒在锯屑和砂光粉中的数量百分比分别为87.1%和99.7%，2种粉尘都具有较强的悬浮和扩散能力。与锯屑相比，砂光粉的粒径分布相对集中，尺寸更细小，具有更强的黏附性和凝聚性。

2) 锯屑和砂光粉的长宽比和粗糙度都在50%左右，为宏观形态不规则的颗粒，且个体间形态差异大；但二者的坚固度和钝度平均值都大于80%，表明其介观表面织构极为平整，轮廓尖锐度较低。粒形分布数据表明，2种粉尘的形态随粒度减小而趋于规则。与砂光粉相比，锯屑颗粒的形态不规则性更强，大小颗粒间的形态差异也更显著。这种形态变化特点是多种因素综合作用的结果，不仅取决于切削方式，也受排屑过程中粉尘与刀具、基材以及颗粒之间相互作用的影响。

3) 锯屑和砂光粉的堆积角都大于50°，属于流动性差的粉尘。粒度和粒形特征对粉尘流动性具有显著影响。2种粉尘尺寸细小，颗粒间的黏附性和凝聚性都较强，降低了颗粒总体的流动性。在形态上，大颗粒形态不规则，在运动中会因相互咬合而制约其流动性；小颗粒虽然形态上相对规则，但易填充在大颗粒间的孔隙中，流动性也受到限制。