孫豐波 費(fèi)本華 江澤慧

(國(guó)際竹藤中心 北京 100102)

竹類植物生長(zhǎng)周期短，可再生性強(qiáng)，其價(jià)值集生態(tài)學(xué)、材料學(xué)和人文特性于一體，一次種植，永續(xù)利用[1]。近年來(lái)，竹資源的廣泛開發(fā)與利用對(duì)于緩解我國(guó)木質(zhì)資源缺乏發(fā)揮了極其重要的作用，竹材、竹制品在建筑、裝飾、造紙等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)了良好的產(chǎn)業(yè)前景。然而竹材中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如淀粉等的含量較高，容易引發(fā)竹材霉變和蟲蛀，甚至腐朽等，不易倉(cāng)儲(chǔ)；竹材所含木質(zhì)素經(jīng)紫外線照射容易產(chǎn)生降解，形成有色基團(tuán)，容易發(fā)生變色[2-3]；竹材的天然特性要求其產(chǎn)業(yè)發(fā)展須依靠綠色環(huán)保的倉(cāng)儲(chǔ)加工技術(shù)。

竹材倉(cāng)儲(chǔ)是指為了克服竹材生產(chǎn)和需求2個(gè)階段之間的時(shí)間差，保證竹材的效用不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間而下降，將竹材及竹制品存放至倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行管理的措施。在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，為了延長(zhǎng)竹材的保質(zhì)期，解決竹材蟲蛀、霉變和腐朽等問(wèn)題，必須對(duì)竹材、竹制品進(jìn)行防護(hù)預(yù)處理。目前竹材倉(cāng)儲(chǔ)加工預(yù)處理主要通過(guò)干燥或者直接進(jìn)行炭化處理，能耗高，很難兼顧性能、環(huán)境友好及高效利用等指標(biāo)。大量研究表明，電子束輻照技術(shù)已在糧食、水果、蔬菜、干果、肉類、水產(chǎn)品等的倉(cāng)儲(chǔ)保鮮領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是一種綠色環(huán)保的倉(cāng)儲(chǔ)預(yù)處理技術(shù)，可以直接滅殺害蟲或致使害蟲不育、不孵化和不羽化等，能徹底解決霉菌滅殺、蟲蛹難殺和蟲害抗性等常規(guī)防治存在的難題，可替代或補(bǔ)充化學(xué)熏蒸劑等傳統(tǒng)的處理手段[4]。另外，電子束具有很高的能量，對(duì)紙張、木板等介質(zhì)具有強(qiáng)穿透能力，可直接對(duì)包裝好或者貼標(biāo)簽的產(chǎn)品進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)處理，提升倉(cāng)儲(chǔ)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化水平。

2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)，令人始料未及，是對(duì)中國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的一次重大考驗(yàn)，對(duì)各類倉(cāng)儲(chǔ)產(chǎn)品的殺菌、消毒、保鮮技術(shù)要求也越來(lái)越高，綠色環(huán)保的倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)成為發(fā)展主流。在此背景下，將電子束輻照技術(shù)引入竹子倉(cāng)儲(chǔ)加工、功能性改良領(lǐng)域，通過(guò)系統(tǒng)地表征電子束輻照對(duì)竹材結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、物理力學(xué)性質(zhì)、防霉機(jī)制等的影響規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系，全面評(píng)價(jià)電子束輻照對(duì)竹材品質(zhì)的影響機(jī)制，研發(fā)竹子電子束倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)、加工利用技術(shù)，推動(dòng)竹木材改性技術(shù)的升級(jí)換代，對(duì)于現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)竹子倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的高效化、精準(zhǔn)化、規(guī)?；?、市場(chǎng)化發(fā)展，具有重要的科學(xué)價(jià)值和深遠(yuǎn)的實(shí)踐意義。

1 電子束技術(shù)在竹材倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用的特點(diǎn)

20世紀(jì)60年代，在木質(zhì)復(fù)合材料領(lǐng)域，利用γ射線等高能射線處理木材與乙烯基單體，或木材與含有C=C雙鍵的預(yù)聚物，引發(fā)產(chǎn)生聚合，制造高性能木塑復(fù)合材料，為輻照技術(shù)在木材等生物質(zhì)材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究開辟了新的途徑[5-6]。相比傳統(tǒng)熱固化工藝，輻照法制備工藝因其操作更加簡(jiǎn)便、固化時(shí)間短、改性效果優(yōu)良而越來(lái)越引起人們的重視。輻照引發(fā)固化具備如下優(yōu)點(diǎn)：1)固化過(guò)程時(shí)間較短、反應(yīng)充分，單體在實(shí)體材料中的殘留較少；2)可以不用或者少用自由基作為引發(fā)劑，利于單體的回收利用，節(jié)約成本；3)在常溫或者低溫下均可完成，可減少單體在熱揮發(fā)時(shí)的損失，能耗少、污染小，更加環(huán)保；4)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制反應(yīng)過(guò)程，更具有可控性、可操作性；5)產(chǎn)品具力學(xué)、尺寸穩(wěn)定性以及防腐、耐腐性能等更加優(yōu)良[7-15]。

借鑒國(guó)際上輻照食品通用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可采用放射性核素60Co和137Cs的γ射線、機(jī)械源產(chǎn)生的X射線和電子束等對(duì)竹材進(jìn)行輻照處理，其中60Co與電子束輻照的應(yīng)用最為廣泛。在竹子輻照技術(shù)功能性改良領(lǐng)域，應(yīng)用放射性同位素60Co作為輻照源，以毛竹(Phyllostachysedulis)為研究對(duì)象，利用γ射線輻照技術(shù)處理竹材，研究了不同輻照劑量處理的竹材微觀構(gòu)造、宏觀物理力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)等的變化規(guī)律，開展了γ射線輻照技術(shù)在竹材防霉中的應(yīng)用研究[16-20]，取得了很好的效果。近年來(lái)，隨著國(guó)際鈷源價(jià)格的不斷攀升，60Co輻照的投資成本相應(yīng)提高，運(yùn)行成本也大幅增加；同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于60Co輻照空閑造成的能源浪費(fèi)較大，加工效率相對(duì)較低，核廢料污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，世界各國(guó)對(duì)60Co的發(fā)展都加強(qiáng)了管理和控制，60Co輻照技術(shù)正在被逐漸淘汰。

相比60Co，電子加速器不需定期補(bǔ)充輻照源，安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)更加簡(jiǎn)單，投資、運(yùn)行成本相對(duì)更低，具有發(fā)射功率大、能量可調(diào)、利用率高、加工時(shí)間短、劑量吸收均勻等特點(diǎn)，適用范圍更廣，隨著在各領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，電子束輻照加工技術(shù)正逐漸成為輻照技術(shù)應(yīng)用的主流發(fā)展方向。如表1所示，在相同的輻照劑量下，相比γ射線輻射法，電子束輻照需要的輻照時(shí)間更短、穿透性更強(qiáng)、輻照效率更高，并且電子束輻射由電子設(shè)備產(chǎn)生，可通過(guò)斷電控制輻射，生產(chǎn)過(guò)程及檢修防護(hù)的可控性更好，無(wú)放射廢料，更加環(huán)境友好[21-22]。

表1 2種不同輻射源的技術(shù)對(duì)比

2 電子束輻照技術(shù)的主要設(shè)備

20世紀(jì)60年代，一種高功率脈沖裝置由英國(guó)原子武器研究中心的J. C. Martin率先研制成功，通過(guò)產(chǎn)生強(qiáng)流脈沖電子束的熱源作用，材料表面溫度短時(shí)間迅速升高，材料表層成分及組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使材料表面的硬度、耐磨、耐腐蝕等性能提高，從而延長(zhǎng)材料及構(gòu)件的使用壽命[23-24]。電子束技術(shù)的主要設(shè)備如圖1所示，主要功能如下[25]。

圖1 電子束技術(shù)的主要設(shè)備

2.1 電子加速器系統(tǒng)

依靠電子加速器獲得足夠的高能量，再通過(guò)掃描器形成單向運(yùn)動(dòng)的輻射束，主要包括控制系統(tǒng)、微波功率源系統(tǒng)和恒溫水冷系統(tǒng)等。輻照能力與電子加速器功率有關(guān)，國(guó)際上成熟生產(chǎn)和運(yùn)行的工業(yè)加速器功率主要在50～200 kW。

2.2 傳輸系統(tǒng)(束下線)

用于運(yùn)載加工貨物，可依據(jù)被輻照物料的不同，設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)裝置。設(shè)計(jì)必須滿足物料輸送、輻照面形成、輻照劑量盡可能充分利用等要求。

2.3 冷卻系統(tǒng)

被輻照物料及傳輸裝置因吸收大量電子動(dòng)能產(chǎn)生熱量，必須配套冷卻系統(tǒng)以保證輻照系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

2.4 供配電系統(tǒng)

為保證整個(gè)輻照加工主機(jī)及各部設(shè)備的電力供應(yīng)和臨時(shí)斷電保護(hù)，設(shè)有專門的供配電系統(tǒng)。

2.5 排風(fēng)系統(tǒng)

為了加強(qiáng)作業(yè)環(huán)境的空氣清潔和氣流流通，減少電子直線加速器工作時(shí)產(chǎn)生的少量臭氧及氮氧化物，需配套建設(shè)相應(yīng)的通風(fēng)除塵系統(tǒng)，并按照國(guó)家相關(guān)環(huán)保要求進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

2.6 安全保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)

安全保護(hù)系統(tǒng)主要是為保護(hù)作業(yè)人員免受電子輻射傷害而配套的一系列裝置和設(shè)備。系統(tǒng)的有效運(yùn)行不僅包括保護(hù)操作人員的輻射安全，也包括對(duì)裝置周圍環(huán)境的保護(hù)，防止輻射危及公眾安全。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)用于在加速器工作狀態(tài)下，對(duì)束下輻照加工區(qū)域的監(jiān)視和控制。

2.7 劑量測(cè)量系統(tǒng)

劑量測(cè)量系統(tǒng)是完成輻照作業(yè)的基礎(chǔ)和保證，主要功能包括：測(cè)量接受的輻射劑量、測(cè)定輻照受體的劑量分布，通過(guò)劑量測(cè)定，有效控制輻照工藝。常用的輻照劑量計(jì)主要有2類：一類是精度高，但結(jié)構(gòu)、操作復(fù)雜；另一類是日常檢測(cè)用工作劑量計(jì)，測(cè)量簡(jiǎn)便、快捷。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

電子束輻照技術(shù)是一種環(huán)保、綠色、可持續(xù)發(fā)展的倉(cāng)儲(chǔ)加工技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。在竹子倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域，利用電子束技術(shù)處理竹材，使輻射能代替熱能，不僅可以降低能源消耗，而且在一定范圍內(nèi)降低了化學(xué)防護(hù)劑的使用，是踐行節(jié)能減排、環(huán)境友好等基本國(guó)策的有效途徑。

在倉(cāng)儲(chǔ)加工領(lǐng)域，電子束輻照技術(shù)的使用，不僅可以有效防治、殺滅害蟲，防止霉變、腐朽，而且耗能少、效率高，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏加工，尤其在糧食及其倉(cāng)儲(chǔ)加工技術(shù)領(lǐng)域，陳曉平等[4]對(duì)電子束輻照對(duì)大米遺傳毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)，未發(fā)現(xiàn)電子束輻照大米顯示遺傳毒性作用；馮敏等[26]發(fā)現(xiàn)在不影響大豆品質(zhì)的前提下，電子束輻照可使殺菌率達(dá)到100%；Youssef和Aziz 等[27-28]利用γ射線輻照殺滅黃曲霉，5 kGy的輻照劑量便可將黃曲霉全部殺死；崔龍、王若蘭等[29-30]利用電子束對(duì)大豆進(jìn)行輻照處理，分析了大豆的蛋白質(zhì)含量、含油率、氨基酸組成及含量等營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)在輻照過(guò)程中的變化規(guī)律，探討電子束輻照對(duì)大豆蛋白質(zhì)特性、抗?fàn)I養(yǎng)因子活性及油脂品質(zhì)的影響，研發(fā)了大豆的電子束輻照處理技術(shù)和儲(chǔ)藏工藝。同時(shí)，輻照技術(shù)在水產(chǎn)品、中草藥、煙草、干果、冷凍蔬菜等的倉(cāng)儲(chǔ)加工領(lǐng)域也有廣泛利用[31-34]。

在木質(zhì)材料領(lǐng)域，利用電子束輻射交聯(lián)和輻射接枝是木材等高分子材料改性的常用方法。Stacy等[35]利用電子束輻照處理和加熱法，制成了木塑復(fù)合材料，結(jié)果表明利用電子束進(jìn)行輻射固化的丙烯酸酯聚合物比熱固化方法轉(zhuǎn)化效率高，固化的不含烯烴類官能聚乙二醇的低聚物損失量更低，并在木材內(nèi)部完全固化，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能。唐輝等[36]利用電子束輻射制備出增強(qiáng)改性木材，對(duì)浸漬40%～150%的苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯單體的木材進(jìn)行輻射處理，與原木材相比，抗壓強(qiáng)度和硬度提高了50%～100%，吸水率降低至10%～30%。美國(guó)、加拿大等國(guó)家率先對(duì)木基木塑復(fù)合材料的研制取得了進(jìn)展，研發(fā)出多種實(shí)驗(yàn)或工業(yè)化產(chǎn)品。相對(duì)于其他國(guó)家，中國(guó)從事木材輻照改性研究起步較晚，截至2018年年底，中國(guó)改性木材的年產(chǎn)量約30萬(wàn)m3，木基木塑復(fù)合材料作為高檔地板用材料，可用于港口、碼頭、機(jī)場(chǎng)等地方，或者影院、游樂(lè)場(chǎng)、辦公樓等場(chǎng)所。另外，電子束輻照可以用于納米纖維素制備，崔國(guó)士等[37]利用電子束輻照制備了直徑為60 nm的納米纖維素分散液；同時(shí)，利用電子束輻照也可以對(duì)木材表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性進(jìn)行改良。

綜上所述，電子束技術(shù)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，目前有關(guān)電子束輻照竹材的研究至今未見報(bào)道。在前期研究的基礎(chǔ)上，提出了竹材電子束倉(cāng)儲(chǔ)主要工藝流程，如圖2所示。為了開發(fā)竹子的新型綠色環(huán)保倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)，降低能耗和成本，提出竹子電子束輻照改性的優(yōu)化方案，提升該技術(shù)的市場(chǎng)推廣性，如何替代60Co輻照加工技術(shù)，使電子加速器及其衍生技術(shù)應(yīng)用到竹材倉(cāng)儲(chǔ)加工領(lǐng)域，成為當(dāng)前輻照技術(shù)在林業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究的重點(diǎn)。竹材輻照技術(shù)是核技術(shù)和林業(yè)交叉發(fā)展起來(lái)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，對(duì)其研究應(yīng)用不僅能定向改良竹材品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)竹材性能改善的目的，而且對(duì)于推動(dòng)竹木材倉(cāng)儲(chǔ)加工及改性技術(shù)的升級(jí)換代，具有重要的科學(xué)價(jià)值和深遠(yuǎn)的實(shí)踐意義。

圖2 竹材電子束處理倉(cāng)儲(chǔ)工藝

4 小結(jié)

倉(cāng)儲(chǔ)是連接收購(gòu)、銷售和加工的重要中間環(huán)節(jié)，在調(diào)節(jié)供需、平抑市場(chǎng)、保持產(chǎn)品品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面有重要作用。將成熟竹材及時(shí)采伐，及時(shí)倉(cāng)儲(chǔ)，適時(shí)利用，不僅有利于保障木材安全，而且有利于完善竹產(chǎn)業(yè)鏈條，幫助竹加工企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這一措施讓竹林采伐、竹材加工按周期順利進(jìn)行，可持續(xù)保持竹林健康，是對(duì)再生資源的持續(xù)性積累，是國(guó)家材料、能源安全的重要舉措[1]。竹材的加工利用迫切需要科學(xué)、綠色、高效的倉(cāng)儲(chǔ)加工技術(shù)。輻照技術(shù)處理竹材是核技術(shù)和林業(yè)交叉發(fā)展的高科技產(chǎn)業(yè)，具有輻照束流集中定向、輻照效率高、不產(chǎn)生放射性廢物、無(wú)殘毒、環(huán)保、低能耗和運(yùn)行操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。將電子束輻照技術(shù)引入木竹材的倉(cāng)儲(chǔ)加工、功能性改良領(lǐng)域，使輻照代替竹材化學(xué)防護(hù)劑，輻射能代替熱能，不僅能開發(fā)竹材倉(cāng)儲(chǔ)新技術(shù)、定向改良竹材品質(zhì)，而且可以顯著降低竹材改性的能源消耗，符合我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)大力提倡的環(huán)境友好、節(jié)能減排等基本國(guó)策，具有廣闊的應(yīng)用前景。