全 文 ：第 31 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.10
2015 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2015 277

微波干燥对蒿草茎秆力学性能的影响
孙 伟 1，穆晓凯 1，孙清超 1※，黄 明 2，李诗航 1，黄 信 1
（1. 大连理工大学机械工程学院，大连 116023； 2. 大连丰和草本著业有限公司，大连 116000）

摘 要：为探索蒿草茎秆对木质材料的可替代性，研究自然状态及微波作用下蒿草茎秆的抗径向压缩及弯折性能，测试
分析微波干燥前后材料微观结构变化。试验数据表明：微波干燥速度较快，在 700 W 干燥装置中，经 420 s 即可将 40 g
蒿草茎秆含水率从 55%降低到 10%以下，而自然干燥则需 2.5 h 才能完成，随着微波干燥时间延长，细胞壁的纹孔结构被
破坏，纤维组织由密变稀，增加了茎秆中的孔隙度。微波干燥 300 s 后，蒿草茎秆的径向压缩载荷从 550 N 提高到 630 N，
可承受的最大弯曲载荷和抗弯强度分别为 41 N 和 193.44 MPa，可以满足日常使用需求约 10 N，同时较自然干燥，茎秆
直线度由 1.1/210 (mm/ mm)变为 0.4/210 (mm/ mm)，且韧性明显改善，这主要因为微波干燥使蒿草茎秆内部微观结构发生
变化，释放了蒿草茎秆内部生长应力所致。研究结果为以蒿草茎秆为原料的一次性筷子的工业化加工提供了参考。
关键词：微波；干燥；力学性能；蒿草茎秆；微观组织
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.037
中图分类号：TH14; O341 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-10-277-06
孙 伟，穆晓凯，孙清超，等. 微波干燥对蒿草茎秆力学性能的影响[J]. 农业工程学报，2015，31(10)：277－282.
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.037 http://www.tcsae.org
Sun Wei, Mu Xiaokai, Sun Qingchao, et al. Effects of microwave drying on mechanical properties of wormwood stem[J].
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 277－282. (in
Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.037 http://www.tcsae.org

0 引 言
森林资源是人类发展所需要的主要资源之一，而中
国森林资源存在森林总量不足、森林质量不高，以及森
林管理水平有待提高等问题，可采资源与社会需求之间
的矛盾仍十分尖锐，保护森林资源任务艰巨。
中国的一次性筷子产业消耗了大量木材资源。据统
计中国每年约生产 450 亿双一次性筷子，消耗林木资源
近 500 万 m3，需砍伐 2500 万棵生长 20 a 的大树[1]，寻找
木质一次性筷子的替代产品意义重大。
蒿草（Artemisia integrifolia Linn.）为一年生草本植
物，常见于中低海拔湿润或半湿润地区的路旁、河边、
灌丛及沼泽地的边缘，花果期 8－11 月，优势在于繁殖
快，再生能力强，生长期短，主要野生在黑龙江、吉林、
辽宁、内蒙古及河北等地[2-3]；蒿草茎秆呈圆柱形，高度
可达 1.5 m 以上，平均直径约 5～9 mm，直径 6 mm 以上
蒿草茎秆去除表皮后，其规格可以满足一次性筷子使用
要求，可作为一次性木质筷子的潜在替代资源。由于蒿
草分布广泛，成本较低，易于采集，蒿秆原料运输至工
厂经截断、浸泡、烘干、矫直、抛光、消毒等过程就可
制作完成一次性筷子，年产量在 10 亿双左右，具有明显

收稿日期：2015-01-04 修订日期：2015-03-10
基金项目：辽宁省科技创新重大专项（201301002），辽宁省优秀人才培育项
目（2014028012）
作者简介：孙伟，男，黑龙江哈尔滨人，大连理工大学教授，博士，博士生
导师，主要从事复杂机械装备的设计及优化研究。Email：sunwei@dlut.edu.cn
※通信作者：孙清超，男，黑龙江哈尔滨人，大连理工大学副教授，博士，
主要从事低碳节能化设计研究。Email：sqc_dut@163.com
的取材和价格优势。但是，与木质材料相比，蒿草茎秆
制作一次性筷子方面存在以下不足：1）含水率高达
40%～60%，茎秆外圆磨削过程中易发生粘料现象，水分
缓慢迁移过程中易发生皱缩等现象，且不易长期存储；2）
蒿草茎秆内部往往存在生长应力，其释放将进一步影响
茎秆直线度。
微波干燥是植物材料烘干、校直过程中常采用的工
艺方式，其广泛应用于木材加工领域，以改善材料力学
特性及渗透性等[4-9]。国内外一些研究人员分析、测试了
微波干燥对于植物材料性能的影响，如周永东等[10-12]以
桉木为研究对象，从其微观构造角度出发，证明微波处
理可消除残余生长应力，改变木材内部结构，进而改善
了按木的加工特性；S. Ramasuamy[13]指出，木材中水分
的迁移在木材内外压力差作用下形成渗透流。周志芳等[14]
研究了高强度微波干燥对落叶松木材冲击韧性和弯曲性
能的影响，发现高强度微波处理后落叶松木材微观结构
发生变化且冲击韧性有所提高；李贤军等[15-16]研究了微
波处理对桉木性能的影响，发现增加微波辐射强度和时
间可显著提高木材渗透性；吕悦孝等[17]通过电镜观察了
微波改性处理后杨木和水曲柳木材超微构造的变化，经
微波改性处理后，导管间纹孔膜、木射线间纹孔膜大部
分破裂，侵填体成分减少并重新分布。P. Vinden 等[18-19]
应用微波进行木材干燥预处理，发现微波干燥后，黄杉
属（松科）等木材的渗透性和浸注性大幅提高；G.
Torgovnikov 和 P. Vinden[20]认为微波辐射也有利于斜叶
桉、蓝桉、亮果桉等木材生长应力和干燥应力的释放。
Piotr Zielonka 等[21]通过试验测定了微波干燥对云杉内部
农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

278
的温度和含水率分布，研究表明：直接面向微波辐射源
的木材表面吸收的微波能量最多，水分降低速率最快，
但最高温度出现在离外表面几毫米的木材内。
Torgovnikov 等[22-23]研究了微波干燥对辐射松、花旗松心
材、白桃花心桉和斜叶桉木材渗透性的影响，发现微波
干燥后，材料渗透性显著改善。国内外已经研究了微波
干燥对桉木、杨木以及松木等木材的影响，但是，目前
的相关研究报道中还未见微波干燥对蒿草茎秆力学性能
及微观测试相关的报道。
依据文献[14]分析，微波干燥后蒿草茎秆的微观结构
及力学性能是判断蒿草茎秆能否有效用于一次性筷子加
工的基础。为此，本文选取东北地区常见的蒿草茎秆，
进行微波干燥前后微观结构及弯曲、径向压缩性能分析
及试验，以揭示微波干燥对蒿草茎秆性能的影响，为实
现草本筷子的加工和应用提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料及仪器
蒿草是一年生植物，其茎秆的横断面由外向内为表
皮（青皮）、韧皮纤维层、木质部和骨髓部等。获取蒿
草的目的主要是获取其木质部，将其加工成一次性筷子。
本文试验样本来自大连庄河市 2014 年 11 月成熟期的 30
根蒿草茎秆，要求通直无虫害，含水率为 25%～40%，整
株平均可达 76～90 个侧枝，手工去叶和侧枝，株高为
1.3～1.5 m，分别在梢部（长度区间 1.1～1.5 m），中部
（长度区间 0.4～1.1 m）与底部（长度区间 0～0.4 m）截
取 3 段长度为 210 mm 茎秆，制成待测试样，存放于通风
阴凉处，温度为 15℃。具体的试样规格如表 1 所示，由
表中可以看出，整批蒿草茎秆从底部到梢部，直径范围
逐渐变小，梢部处直径为 4～5 mm 左右，由于蒿草茎秆
原料需经磨削等工艺去除部分余量，所以，对比日常使
用的直径 5～6 mm 左右的筷子可知，蒿草茎秆的梢部直
径偏小，不宜加工筷子，中部为筷子最佳加工位置，底
部次之。
含水率的测量采用希玛 AR971 型水分测试仪（东莞
万创电子制品有限公司生产），该仪器测量误差为±2%，
反应时间为 1 s。微波干燥装置采用格兰仕 G70F20N2L-DG
型微波炉（广东格兰仕生活电器商业有限公司），为了
提高干燥能力和速度，试验中使用功率为 700W。
表 1 试样性状及规格
Table 1 Properties and specifications of sample
试样部位
Sample position
直径范围
Diameter range/mm
含水率范围
Moisture content range/%
底部 6.93～8.52 28～32
中部 5.32～6.90 32～36
梢部 4.21～5.23 36～41

1.2 测定内容及方法
为揭示微波干燥前后蒿草茎秆力学特性的变化情
况，判断以蒿草茎秆为原料的一次性筷子加工、使用可
行性，从以下几方面分析微波干燥对蒿草茎秆力学性能
的影响：1）应用 MTS Test Suite MP2.3 型万能试验机
（美特斯工业系统中国深圳有限公司生产）测试微波干
燥前后蒿草茎秆径向受压特性，判断其加工可行性；2）
为获得应用环境下筷子的受力情况，测试微波干燥前后
蒿草茎秆抗弯特性，以判断草本筷子应用可行性。试验
选取 30 根蒿草茎秆，将其中部与底部（湿基）作为试样，
去除表皮后直径约 6 mm、长度为 210 mm，浸水至含水
率 55%，采用美国 MTS 万能试验机分别测试自然干燥，
微波干燥 100、160 及 300 s 蒿草茎秆的径向压缩力学特
征。自然干燥是在室外无风状态下进行，温度变化范围
(12±3)℃，平均温度 14.3℃，相对湿度变化范围为 25%～
45%，置于非阳光直射处经 2.5 h 晾晒至含水率 10%以下。
为了探究蒿草茎秆含水率与干燥速率的关系，同时
将含水率为 55%的 10 根（约 40g）蒿草茎秆试样顺序分
散在 700 W 的微波炉中进行干燥，分时间段在蒿草茎秆
的不同位置依次将水分测试仪的 2 根探针插入 1.5 mm 进
行含水率测量，取其平均值作为试验数据。
2 结果与分析
2.1 微波干燥对蒿草茎秆材性影响分析
2.1.1 微波干燥过程含水率变化
微波干燥过程中，微波渗透到蒿草茎秆内部，茎秆
内的自由水及吸着水以渗透流方式向外迁移，渗透流的
形成导致干燥速度进一步加快[24-25]。
通过微波干燥方式进行蒿草茎秆干燥处理，含水率
变化过程主要表现为降速干燥阶段，如图 1a 所示，该试
验中蒿草茎秆升速干燥阶段约为 120 s，该阶段含水率下
降 16%，预热阶段较短，这主要因为蒿草茎秆微波干燥
主要由内部水分的扩散控制引起[26]，蒿草茎秆微波干燥
恒速干燥阶段表现不明显，主要集中在降速干燥阶段。
同时，如图 1b 所示，由于微波干燥是从内到外进行，这

a. 蒿草茎秆干燥速率曲线
a. Drying rate curve of wormwood stem

b. 蒿草茎秆干燥曲线
b. Drying curve of wormwood stem

图 1 蒿草茎秆微波干燥速率曲线及干燥曲线
Fig.1 Microwave drying rate curve and drying curve of
wormwood stem
第 10 期 孙 伟等：微波干燥对蒿草茎秆力学性能的影响

279
里给出蒿草茎秆由外层到内层含水率变化均值的干燥曲
线图。从图中看出：随着微波时间延长，含水率逐渐降
低，且在前 120 s 内，含水率下降较快，在 700 W 功率的
微波炉中，经过 420s 即可将含水率为 55%的 10 根蒿草
茎秆（约 40 g）降低到 10%，420 s 以后含水率下降逐渐
变缓，该过程含水率趋近 5%，随时间递增含水率下降不
大，这表明在干燥后期，蒿草茎秆中的水分已经大部分
排除完毕, 此时，微波能少部分用于蒸发蒿草茎秆中残余
水分, 大部分能量被用来提高蒿草茎秆的温度[27]，干燥速
率逐渐下降。
2.1.2 水分迁移对蒿草茎秆纤维组织的影响
相关研究表明，渗透流是微波干燥过程中水分迁移的
主要方式，自由水及吸着水蒸气压力大于细胞壁的连接强
度后，细胞壁破裂形成渗透流[28]，其形成导致干燥速度进
一步加快，同时破坏了细胞壁的纹孔结构，释放了蒿草茎
秆生长应力，避免生长应力释放引起的结构变形。
为揭示微波干燥过程中渗透流对蒿草茎秆微观结构
的影响，应用 Ruihoge/睿鸿 XSP-06-1600x 型电子显微镜
（南京南派科技有限公司）测试微波干燥前后蒿草茎秆纤
维组织的变化。图 2a 为微波干燥前的纤维组织，图 2b
为微波干燥 300 s 后的纤维组织，两图均为放大 200 倍观
测。从图中可以看出，微波干燥后，内部纤维细胞组织
由密变稀。未经微波处理的蒿草茎秆纤维组织结构紧密，
形成相互交错的网络状结构，其微观组织结构决定了蒿
草茎秆含水率高、生长应力大等特征[29]。微波干燥后，
由于自由水及吸着水蒸气压力作用，起承力作用的长条
形纤维结构更加明晰，纤维层稀疏，细胞之间依靠横向
纤维进行连接，茎秆内部细胞会产生不同程度的裂隙，
增加了茎秆中的孔隙度，提高流体的迁移能力。

a. 微波干燥前
a. Before microwave drying

b. 微波干燥 300 s
b. Microwave drying of 300 s

图 2 微波干燥前后蒿草茎秆内部纤维组织对比（×200 倍）
Fig.2 Internal fibrous tissue contrast of wormwood stem before
and after microwave drying (200 times)

2.2 微波干燥对蒿草茎秆力学性能影响分析
2.2.1 微波干燥对蒿草茎秆径向压缩性能影响
由于蒿草茎秆是中空结构，与普通木质材料有所区
别，为了获得微波干燥对蒿草茎秆径向压缩性能的影响，
保证磨削加工可行性，本文对同一含水率为 55%的蒿草
茎秆进行不同微波时间下的径向压缩力学特性测试，测
试结果如图 3 所示。


注：A 点为塑性变形节点；蒿草初始含水率为 55%，下同。
Note：A is the note of plastic deformation；the initial moisture content of
wormwood stems is 55%, the same below.

图 3 不同微波处理时间蒿草茎秆径向压缩载荷-位移曲线
Fig.3 Radial compression load - displacement curve of different
microwave time of wormwood stem

从图 3 中可以看出，微波干燥不同时间对蒿草茎秆
的影响，随着微波时间的延长，茎草茎秆承受的最大载
荷缓慢增大，较微波前蒿草茎秆有小幅增长，变形量显
著增加，说明微波处理增加了蒿草茎秆的韧性。从 0 点
到 A 点，载荷与位移间近似符合线性变化规律，说明在
弹性变形范围（0 点到 A 点）内，微波处理前后，载荷
与位移之间的关系相近；A 点之后材料进入理想塑性变
形状态，即随着压缩位移增大，载荷相对保持不变直至
断裂。
微波干燥300 s后蒿草茎秆可承担最大径向作用力约
为 630 N 高于自然干燥处理的 550 N，其原因在于微波干
燥过程，水气膨胀及迁移过程改变了茎秆微观结构（如
图 2 所示），承力结构相对集中满足更高径向承载要求，
水分迁移过程形成的一系列微小纹孔裂隙未对茎秆径向
承力特性造成较大影响。同时蒿草茎秆韧性增加，这主
要与内部的生长应力一定程度的释放有关[14]，查阅相关
文献[30]，水曲柳及松木等木材磨削时所受到的最大径向
作用力为 382 N，所以蒿草茎秆满足磨削加工要求。
2.2.2 微波干燥对蒿草茎秆弯曲性能影响
测试分析微波干燥对蒿草茎秆弯曲特性的影响，可
以为一次性草本筷子的加工质量及应用可行性提供一定
的理论指导。由于筷子在使用过程中，含水率基本要控
制在 10%以下，因此本文主要对蒿草茎秆在含水率 55%
下经微波加热 300 s 以及自然干燥后进行弯曲力学测试，
测试结果如图 4 所示。
由图 4 所示的试验结果表明：微波干燥（41 N）与
自然干燥（48 N）相比，蒿草茎秆可承受的弯曲载荷降
低了，同时，在相同载荷作用下，微波干燥后茎秆弯曲
变形量变大，从图中可以看出，未经微波干燥的蒿草茎
秆，当位移达到 5 mm 左右，曲线瞬间下降，表明压头的
农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

280
压力超过茎秆的强度极限，茎秆发生折断，然而经微波
300 s后的蒿草茎秆，位移达到7 mm左右才有此现象发生，
发生折断时的位移明显扩大，表明经微波干燥后，蒿草茎
秆韧性增加，同时，与自然干燥相比，蒿草茎秆的直线度
明显改善，由 1.1/210 (mm/ mm)变为 0.4/210 (mm/mm)，这
主要是因为微波干燥会使蒿草茎秆内部产生物理、化学
应力松弛，从而释放蒿草茎秆内部的生长应力[31]，另一
个原因则是微波干燥使蒿草茎秆微观结构发生一些变
化，蒿草茎秆经微波处理产生微细裂纹并进一步扩展,从
而形成较大的微裂隙,尤其是胞间层之间产生的裂隙,对
弯曲强度、冲击韧性及直线度都有一定的影响。试件在
加载过程中，破坏容易从已有的微裂纹或宏观裂纹处迅
速发展，使试件在较小的弯曲作用力下即产生破坏，抗
弯强度下降[14,32]。


图 4 微波干燥前后蒿草茎秆弯曲载荷-位移曲线
Fig.4 Bending load - displacement curve of wormwood stem
before and after microwave drying

筷子使用过程中相当于一个受集中力的悬臂梁，抗
弯计算公式为：
max maxM F L= （1）
4π
64
dI = （2）
max
max 2
M d
I
σ = （3）
式中：Fmax 为草本筷子使用过程中可承受的最大弯曲载
荷，N；L 为载荷作用点到固定端的距离，mm，取
L=100 mm；d 为工件直径，mm，取 d=6 mm； maxM 为草
本筷子受到的最大弯矩，N∙mm; I 为试件横截面对中性轴
的惯性矩，mm4; maxσ 为草本筷子受到的最大抗弯强度，
MPa。
根据图 4 测试数据，微波干燥后取 Fmax=41 N，由此
可得，蒿草茎秆的抗弯强度为 193.44 MPa。由文献[33]
可知，木材和竹材按同样试验方法所承受的抗弯强度分
别为 159.11 和 190.96 MPa，因此，用蒿草茎秆作为一次
性筷子加工原料满足抗弯强度要求。
2.2.3 分析结果对比
为了验证蒿草茎秆代替原有的普通竹木一次性筷子
的可行性，这里分别将 30 根经微波干燥后蒿草茎秆筷子
与日常生活中使用的普通木质筷子的径向压缩和弯曲载
荷取平均值进行对比，结果如表 2 所示。
表 2 一次性筷子与蒿草茎秆筷子力学性能对比
Table 2 Mechanical performance comparison of disposable
chopsticks and wormwood stem chopsticks
类型
Type
径向压缩载荷
Radial compression load
/N
弯曲载荷
Bending load /N

一次性木质筷子
Disposable woodiness chopsticks 860 35
蒿草茎秆筷子
Wormwood stem chopsticks 630 41

由表中可以看出，蒿草茎秆作为一次性筷子所受的
径向压缩载荷和弯曲载荷分别为 630 和 41 N，而日常生
活使用的普通一次性筷子的径向压缩载荷和弯曲载荷
860 和 35 N，参照国家标准（GB/T 24398-2009）中折断
试验方法测得筷子使用过程中受到的弯曲载荷最大约
6～10 N，对比两者数据可以看出，以蒿草茎秆为原料加
工一次性筷子，满足日常需求，同时具有经济性和环保
的推广价值。
3 结 论
微波干燥是以蒿草茎秆为原料进行一次性筷子加工
的重要工艺手段，为揭示微波干燥对蒿草茎秆材性及力
学性能的影响，理论与实验相结合开展研究，得到如下
结论：
1）微波干燥是有效的蒿草茎秆干燥手段，效率较高，
应用 700 W 干燥装置，经 420 s 即可将 10 根（约 40 g）
蒿草茎秆含水率从 55%降低到 10%以下，适合于蒿草茎
秆的干燥和校直工序的应用。
2）微波干燥 300 s 后，蒿草茎秆承受的径向压缩载
荷为 630 N 高于自然干燥的 550 N，材料呈现强化塑性变
形特点，说明微波干燥改变了茎秆微观结构，承力结构相
对集中，满足更高径向承载要求，对比木材磨削过程所受
径向压缩载荷情况，蒿草茎秆用于磨削加工一次性筷子是
可行的。
3）微波处理使蒿草茎秆的抗弯载荷下降，与自然干
燥相比，微波干燥后茎秆可承受的弯曲载荷从 48 降低到
41 N，同时蒿秆的弯曲变形量增大，说明蒿秆韧性增加。
微波干燥后的草本筷子可承受的最大弯曲载荷和抗弯强
度分别为 41 N 和 193.44 MPa，可以满足日常使用需求（最
大约 6～10 N）。经历微波干燥的蒿草茎秆可以作为制作
一次性筷子的原料，应用前景广阔。
[参 考 文 献]
[1] 付永民. 筷子设计研究报告[J]. 设计，2014(4)：15－17.
Fu Yongmin. Research report of chopsticks design[J]. Journal
of Design, 2014(4): 15－ 17. (in Chinese with English
abstract)
[2] 周建斌，张建，范文翔. 芦蒿秆热解产物性能及利用的研
究[J]. 技术开发，2008，22(3)：71－73.
Zhou Jianbin, Zhang Jian, Fan Wenxiang. Study on property
and application of pyrolysis productions of artemisia
selengensis straw[J]. China Forestry Science and Technology,
2008, 22(3): 71－73. (in Chinese with English abstract)
[3] 刘伟，董加宝. 芦蒿的开发利用[J]. 中国食物与营养，
2006(7)：22－23.
第 10 期 孙 伟等：微波干燥对蒿草茎秆力学性能的影响

281
Liu Wei, Dong Jiabao. The development and utilization of
artemisia selengensis turoz[J]. Food and Nutrition in China,
2006(7): 22－23. (in Chinese with English abstract)
[4] 郑昕，曹金珍. 木材液体渗透性的改善方法[J]. 林业机械
与木工设备，2008，36(11)：33－35.
Zheng Xin, Cao Jinzhen. Methods to improve the liquid
permeability of wood[J]. Forestry Machinery and Woodworking
Equipment, 2008, 36(11): 33－35. (in Chinese with English
abstract)
[5] Zielonka Piotr, Gierlik. E, Matejak, M, et al. The comparison
of experimental and theoretical temperature distribution
during microwave wood heating[J]. Holzals Roh-und
Werkstoff, 1997, 55(5): 395－398.
[6] Dedic A, Zlatanovie M. Some aspects and comparisons of
microwave drying of beech (Fagus moesiaca) and fire wood
(Abies Alba)[J]. Holzals Roh-und Werkstoff, 2001, 59(3):
246－249.
[7] Hansson L, Anttl A L. The effect of microwave drying on
norway spruce woods strength: a comparison with conventional
drying[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003,
141(1): 41－50.
[8] Oloyede A, Groombridge. The Influence of Microwave
Heating on the Mechanical Properties of wood [J]. Journal of
Materials Processing Technology, 2000, 100(1): 23－67.
[9] Torgovnikov G, Vinden P. Microwave Method for Increasing
the Permeability of wood and it’s Applications[C]. 8th
international Conference on Microwave and High Frequency
Heating, Bayreuth, Germany, 2001.
[10] 周永东，傅峰，李贤军. 微波处理对桉木应力及微观构
造的影响[J]. 北京林业大学学报，2009，31(2)：146－
150.
Zhou Yongdong, Fu Feng, Li Xianjun. Effects of microwave
treatment on residue growth stress and microstructure of
Eucalyptus urophylla[J]. Journal of Beijing Forestry
University, 2009, 31(2): 146－150. (in Chinese with English
abstract)
[11] 牟群英，李贤军. 微波加热技术的应用与研究进展[J]. 物
理学和高新技术，2004，33(6)：438－442.
Mu Qunying, Li Xianjun. Applications of microwave heating
technology[J]. Physics and High Technology, 2004, 33(6):
438－442. (in Chinese with English abstract)
[12] 李贤军，张璧光，牟群英. 微波加热及木材微波干燥的应
用[C]//第九次全国木材干燥学术讨论会论文集，哈尔滨：
东北林业大学出版社，2003(9)：326－393.
[13] Ramasuamy S, Robert A H. High intensity drying [J]. Drying
Technology, 1999, 17(1/ 2): 73－95.
[14] 周志芳，江涛，王清文. 高强度微波处理对落叶松木材力
学性质的影响[J]. 东北林业大学学报，2007，35(2)：7－
8.
Zhou Zhifang, Jiang Tao, Wang Qingwen. Influence of
intensive microwave treatment on mechanical properties of
larch wood[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2007,
35(2): 7－8. (in Chinese with English abstract)
[15] 李贤军，傅峰，周永东. 高强度微波预处理对桉木渗透性
的影响规律[J]. 中南林业科技大学学报，2011，31(12)：
145－149.
Li Xianjun, Fu Feng, Zhou Yongdong. Effect of microwave
pretreatment on permeability of eucalyptus wood[J]. Journal
of Central South University of Forestry and Technology,
2011, 31(12): 145－149. (in Chinese with English abstract)
[16] Harris G A, Torgovnikov G. Microwave pretreatment of
backsaws messmate boards to improve drying: part1[J].
Drying Technology, 2008, 26: 579－584.
[17] 吕悦孝，薛振华，薛利忠. 微波改性木材的超微观察[J].
内蒙古林业科技，2001(4)：31－33.
Lü Yuexiao, Xue Zhenhua, Xue Lizhong. Observing
ex-microcosmic structure of microwave modified wood[J].
Inner Mongolia Forestry Science & Technology, 2001(4):
31－33. (in Chinese with English abstract)
[18] Vinden P, Torgovnikov G. The physical manipulation of
wood properties using microwave[C]// the future of eucalypts
for wood production of International conference of IUFRO,
Tasmania, 2000.
[19] Torgovnikov G, Vinden P. Micro wave method for increasing
the permeability of wood and its applications[C]// 8”th
international Conference on micro wave and high frequency
heating, Bayreuth, Germany, 2001.
[20] Torgovnikov G, Vinden P. Main aspect of microwave wood
modification applicable to the timber industry[C]//Global
congress on microwave energy applications, 2008: 407－410.
[21] Piotr Zielonka, Gierlik E, Matejak M, et al. The comparison
of experimental and theoretical temperature distribution
during microwave wood heating[J]. Holzals Roh-und
Werkstoff, 1997(55): 395－398.
[22] Grigory Torgovnikov, Peter Vinden. New wood based
materials “Torgvin” and “Vintorg”[C]// Proceedings of 5th
Pacific Rim Biobased Composites Symposium, Canberra,
Australia, 2000.
[23] Grigory Torgovnikov, Peter Vinden. Micro wave modification
of wood properties: improvements in wood permeability [C]//
International Research Group on Wood Preservation, Hawaii,
USA, 2000.
[24] John F Siau. TransPort Processes in wood[M]. NewYork:
SPringer-verlag Heidelberg, 1984: 42－51
[25] John F Siau. Wood: Influence of Moisture on Physical
Properties[M].Virginia: Department of Wood science and
Forest Products, Virginia Polytechnic Institute and State
University, 1995: 114－115.
[26] 郭徽，杨薇，刘英. 云南三七主根干燥特性及指标评价[J].
农业工程学报，2014，30(17)：305－313.
Guo Hui, Yang Wei, Liu Ying. Drying characteristics and
efficacy index evaluation for main root of Yunnan panax
notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of
Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014,
30(17): 305－313. (in Chinese with English abstract)
[27] 刘志军，张璧光，刘智. 间歇和连续微波干燥对木材内蒸
汽压力与温度变化的影响[J]. 林业科学，2008，44(7)：68－
72.
Liu Zhijun, Zhang Biguang, Liu Zhi. Variety of vapor
pressure and temperature in wood during intermittent and
continuous microwave drying[J]. Scientia Silvae Sinicae,
2008, 44(7): 68－72. (in Chinese with English abstract)
[28] 李贤军，吴庆利，姜伟. 微波真空干燥过程中木材内的水
分迁移机理[J]. 林业科学，2006，28(3)：150－153.
Li Xianjun, Wu Qingli, Jiang Wei. Mechanism of moisture
movement in wood during microwave-vacuum drying[J].
Journal of Beijing Forestry University, 2006, 28(3): 150－
153. (in Chinese with English abstract)
[29] 尹思慈. 木材学[M]. 北京：中国林业出版社，1996.
[30] 刘博. 木材及中密度纤维板磨削力的研究[D]. 北京：北京
林业大学，2008.
农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

282
Liu Bo. Study on sanding force of wood and medium density
fiberboard [D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2008.
[31] 李贤军，傅峰，周永东，等. 木材微波改性技术研究进展[J].
材料导报，2007，21(11A)：295－297.
Li Xianjun, Fu Feng, Zhou Yongdong et al. Advances in the
research of wood microwave modification[J]. Materials
Review, 2007, 21(11A): 295－297. (in Chinese with English
abstract)
[32] 何盛，林兰英，傅峰，等. 六种木材的微波处理实验研究[J].
微波学报，2014，30(4)：90－96.
He Sheng, Lin Lanying, Fu Feng et al. Experimental study of
six species of wood treated by microwave[J]. Journal of
Microwave, 2014, 30(4): 90－96. (in Chinese with English
abstract)
[33] 邵卓平. 木材和竹材的断裂与损伤[D]. 合肥：安徽农业大
学，2009.
Shao zhuoping. Fracture and Damage of Wood and Bamboo
[D]. Hefei: Anhui Agricultural University, 2009.


Effects of microwave drying on mechanical properties of wormwood stem

Sun Wei1, Mu Xiaokai1 , Sun Qingchao1※, Huang Ming2, Li Shihang1, Huang Xin1
(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China;
2. Dalian Industry of fhcbzy Co. Ltd, Dalian 116000, China)

Abstract: To explore the substitutability between wormwood stem and wood, the transverse compression and bending
properties of wormwood stem under natural state and microwave drying are studied, and the microstructural changes before
and after microwave drying are analyzed. Microwave are common way of drying and straightening process of plant material,
which is widely used in wood processing industry in order to improve the mechanical properties, permeability and microscopic
structure of wormwood stem for the processing of disposable chopsticks. In this paper, we selected wormwood dry stems with
6 mm diameter and 210 mm length, which were soaked until the moisture content was about 55% for moisture content test
under the microwave drying. At the same time, to reveal the changes of mechanical properties of wormwood stem before and
after microwave drying, the following aspects of tests were carried out: 1) Using MTS universal testing machine to test the
radial compression characteristics of wormwood stem before and after microwave drying, to determine the feasibility of
mechanical processing; 2) In order to obtain the force condition of chopsticks in a typical application environment, testing the
bending properties of wormwood stem before and after microwave drying to determine the application feasibility of herbal
chopsticks. Experimental data showed that under the process of microwave drying for wormwood stem, the moisture content
change could be roughly divided into 3 stages: Speed-rising drying, speed-constant drying and speed-falling drying stage. In
this test, the speed-rising drying stage of wormwood stem was about 120 s, lower than the wooden material preheating time;
the moisture content of wormwood stem fell by 16% in this stage, which showed that a large number of cell wall crack had not
formed due to the moisture migration. The stage of microwave drying with constant speed for wormwood stem was not
obvious, and the drying was mainly in the speed-falling drying stage. As microwave time became longer, the moisture content
was reduced gradually and the moisture content decreased rapidly in the early 120 s. In the 700 W microwave oven, the
moisture content was reduced from 55% to 10% within 420 s (about 40 g). Decreasing rate of moisture content gradually
slowed down after 420 s, approaching 5%. As the microwave drying extended, the pit structure of cell wall was destroyed,
which released the wormwood stem growth stress and avoided the structure deformation caused by the stress release. However,
the fibrous tissue structure was compact for the wormwood stem without microwave drying, whose microstructure determined
it had high moisture content and large growth stress. In the process of external grinding, compared with the disposable
chopsticks with the diameter of about 5-6 mm for daily life, the middle part of wormwood stem was the best for processing
disposable chopsticks. The minimum radial pressure after microwave drying was 630 N, which was much greater than the
external grinding force. The result showed that using wormwood stem through the processing of microwave drying and
straightening as raw materials to get ideal herbal chopsticks was feasible. To verify the using feasibility of herbal chopsticks,
the loading way of three-point bending was used to test bending properties of wormwood stem. The toughness of wormwood
stem increased after microwave drying, and the herbal chopsticks could withstand the bending load of up to 41 N, which was
enough to meet the daily needs (the maximum was about 6-10 N). The results provide a theoretical basis for processing
disposable chopsticks using wormwood stalks as raw material.
Key words: microwaves; drying; mechanical properties; wormwood stem; stem microstructure