全 文 ：第 wu卷 第 tt期
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林 业 科 学
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高强度微波辐射对落叶松木材渗透性的影响 3
江 涛 周志芳 王清文
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 采用高强度微波辐射落叶松木材 o将微波处理的木材试件与未处理试件在相同的条件下进行加压注水
试验 o测定吸水增重率k • „• l o用于评价木材的渗透性 ∀研究了试材初含水率 !处理材心层温度 !微波辐射功率 !微
波辐射时间等处理工艺条件与落叶松木材渗透性的关系 ∀结果表明 }适当控制上述处理条件 o高强度微波辐射处
理可以改善落叶松木材的渗透性 ∀落叶松木材适宜的初含水率范围是 ux h ∗ ys h ~适宜的微波辐射功率与落叶松
木材的初含水率有关 o本文条件下辐射功率可选择 | ∗ uw ®• ~适宜的辐射时间取决于木材的初含水率和选择的辐
射功率 o当落叶松木材的含水率为 vs h左右 o|1uv ®• 微波功率下辐射 xx ¶或 us ∗ uw ®• 微波功率下辐射 ux ¶时 o
经微波处理木材的吸水增重率是未处理材的 uss h以上 o木材的渗透性得到显著改善 ∀对微波处理改善落叶松木
材渗透性的机理进行讨论 o认为微波能够迅速使木材内部的水汽化 o在木材内部产生较大的蒸汽压 o冲破木材细胞
壁薄弱组织 o形成细微裂隙 o疏通水汽传导的途径 ∀随着微波功率的升高有利于微细裂隙的形成 o所需辐射时间缩
短 o但是过高的辐射功率或过长的辐射时间易造成木材开裂 ∀
关键词 } 落叶松木材 ~高强度微波辐射 ~渗透性
中图分类号 }≥z{t1v 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyltt p ss{z p sy
收稿日期 }ussx p tt p st ∀
基金项目 }黑龙江省杰出青年科学基金项目k≤sw p stl和黑龙江省留学回国基金项目k≤su≤tsl资助 ∀
3 王清文为通讯作者 ∀
Εφφεχτσ οφ Ιντενσιϖε ΜιχροωαϖεΙρραδιατιον ον τηε Περµεαβιλιτψ οφ Λαρχη Ωοοδ
¬¤±ª×¤² «²∏«¬©¤±ª • ¤±ª±¬±ªº¨ ±
k ΚεψΛαβορατορψοφ ΒιοpΒασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ} ײ ¬°³µ²√¨ ·«¨ ³¨µ°¨ ¤¥¬¯¬·¼ ²© ¤¯µ¦« º²²§o «¬ª«¬±·¨±¶¬√¨ °¬¦µ²º¤√¨ ¬µµ¤§¬¤·¬²± º¤¶¤³³¯¬¨§·² º²²§q ׫¨
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Κεψ ωορδσ} ¤¯µ¦«º²²§~¬±·¨±¶¬√¨ °¬¦µ²º¤√¨ ¬µµ¤§¬¤·¬²±~³¨µ°¨ ¤¥¬¯¬·¼
落叶松kΛαριξ γ µελινιιl是东北林区蓄积量最大的树种 o其天然林蓄积量在东北林区占针叶林总量的
ws h o仅在大兴安岭地区落叶松木材蓄积量可达 v1z亿 °v o约占该林区用材林总蓄积量的 zs h ~落叶松也是
东北 !华北 !华中地区的重要速生造林树种 o其人工林蓄积量在东北林区占人工林总量的 xs h左右k常建民
等 ot||zl ∀
落叶松木材质地坚硬 o力学强度高 o耐腐性强 o具有清晰 !自然 !典雅的纹理和令人赏心悦目的颜色等诸
多优点 o深受人们喜爱k陆文达 ot||v ~姜来福等 ousssl ∀然而 o由于难干易裂 !渗透性差 !树脂含量高 !涂饰性
能差等突出缺点 o其用途受到严重制约 o过去主要用做枕木 !电线杆 !桥梁 !坑木等 ∀近年来 o随着木材资源结
构的变化 o对落叶松木材改性处理以适应建筑 !家具 !装饰 !人造板生产等行业的需要k周 ousstl o成为研究
的重点 o更是产业部门和地方经济发展中亟待解决的重大技术问题 ∀
解决落叶松木材干燥 !防腐处理 !阻燃处理 !脱脂和涂饰等问题 o必须首先克服其渗透性差的缺点 ~但迄
今为止还没有一种科学有效的方法来从根本上改善落叶松木材的渗透性 ∀影响落叶松木材渗透性高低的最
主要因素是纹孔膜微孔半径和数量k鲍甫成等 ot||ul ∀落叶松属木材中液体流动主要是通过管胞腔和管胞
两端搭接处具缘纹孔对所构成的纵向系统 o弦向渗透主要依靠管胞径壁上的纹孔k唐晓淑等 ousssl ∀有关研
究发现 }落叶松木材的具缘纹孔膜大多为已被结壳物质和抽提物所沉积或包裹 o有时心材中尚可看到在管胞
腔 !纹孔腔内甚至纹孔膜的表面覆盖一层薄的膜状物 o即一些阿拉伯半乳聚糖的覆盖膜或称非纤维素膜 o它
们常强烈地降低木材的渗透性k周 等 ot|{yl ∀因此 o改善落叶松木材渗透性的切入点之一 o就是要从改善
纹孔对水汽传导的有效性入手 ∀
usss年 o澳大利亚墨尔本大学 Šµ¬ª²µ¼等在国际林联主办的专题为/桉树木制品的未来0研讨会以及类似
的国际会议上 o介绍了他们开发的微波木材改性技术 o显示其用于热带木材处理时能明显提高木材的渗透性
k木材工业编辑部 ousst ~Šµ¬ª²µ¼ ετ αλqousss¤~usss¥~usss¦l ∀同年东北林业大学落叶松木材改性课题组提
出木材细胞爆破的概念 o并在此基础上开展了利用高强度微波辐射改善落叶松木材渗透性的研究 ∀
t 材料与方法
111 试验材料
长白落叶松板材为购自哈尔滨港木材交易市场的生材 o产地为伊春小兴安岭地区 o购进年轮宽度相近的
尺寸为 w sss °° ≅ uss ∗ vss °° ≅ ys °°的径切板材 u °v ~按照规格锯解成 vss °°k纵向l ≅ tsx °° ≅ kux ∗
vs °°l不含边材的毛坯板 ∀为防止试材水分散失 o用塑料薄膜覆盖并定期喷水 o并且每隔一定时间给试材
透气 o以防霉变 ∀将经过微波处理后的毛坯板 o刨削成 vss °° ≅ tss °° ≅ us °°的试件 o供渗透性试验用 ∀
112 试验方法
将所制得的试材用高周波木材水分仪kƒ⁄p tss型高周波木材水分仪 o含水率测量范围 s ∗ tss h o精度
? s1x h o穿透深度 xs °°l测定其初含水率 o并按照含水率分为不同的试材组 o每组试样 tu块 o组内各试材的
含水率相对误差 [ u h o取其平均含水率作为每组试材的含水率 ∀微波处理试验前 o在试件长边的厚度方向
一侧中部平行于板面钻 5w ≅ xs °°的孔 o以便安装温度传感器来测定处理材内部的温度 ∀对按含水率分组
的试材进行不同时间 !不同功率的微波辐射处理 o微波源为 • ⁄uw≥ p st型多管微波处理设备k委托南京三
乐微波技术发展有限公司加工l ∀微波频率为 u wxs  ‹½o共 |个档位 o各档位对应功率见表 t ∀
表 1 ΩΛ∆24Σ − 01 型多管微波处理设备的档位与微波输出功率的对应关系
Ταβ .1 Τηε χορρεσπονδινγ λεϖερ ανδ µιχροωαϖε ουτπυτ ποωερ οφ ΩΛ∆24Σ − 01 µ υλτι−µ αγνετρον µιχροωαϖε εθυιπ µεντ
档位 ¨√ µ¨ ´ µ ¶ · ∏ √ º ¬ ¼
功率 °²º µ¨Π®• x1xw z1v{ |1uv tt1s{ tu1|u ty1yu t{1wy us1vt uw1ss
表 2 不同处理功率下测得数据的变异系数
Ταβ .2 Τηε χοεφφιχιεντ οφ ϖαριατιον(Χς ) οφ εξπεριµεντ δατα υνδερ διφφερεντ µιχροωαϖε ποωερσ
处理功率 ¬¦µ²º¤√¨ ³²º µ¨Π®• 未处理 ˜±·µ¨¤·¨§ |1uv tu1|u ty1yu us1vt uw1ss
含水率变异系数 ≤∂ ²© °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·Πh u1z u1y s1| u1| u1w u1t
心层温度变异系数 ≤∂ ²©¬±±¨ µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨Πh ) t1z u1s u1w u1u t1x
增重率变异系数 ≤∂ ²© º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²Πh v1u v1t v1z u1{ u1{ u1w
选取第 ¶档k|1uv ®• l !第 ∏档ktu1|u ®• l !第 √档kty1yu ®• l !第 ¬档kus1vt ®• l和第 ¼档kuw1ss ®• l
功率对试材进行处理 ∀处理后置于阴凉通风处 o待处理材和未处理材的含水率趋于相同k接近气干时含水率
{{ 林 业 科 学 wu卷
tu h左右l时 o置于真空加压处理罐中进行液体k水l渗透性检测试验 ∀木材渗透性试验装置如图 t所示 o主
要设备包括 ≤÷ p {型旋片式真空泵 !• p s1yΠus型空气压缩机和容积 s1w °v 真空加压处理罐k最高真空度
s1s|x °¤o最大压力 t1y °¤l ∀进行渗透性试验时 o分别依次将试材称重k Ωtl o抽真空k真空度 s1s|x °¤l
并保持真空度 us °¬±o注入蒸馏水 o加压kt1s °¤l并保压 tx °¬±o卸压 o再称重k Ωul ∀通过下式计算落叶松
试材的增重率 o以其该处理条件下的平均增重率作为其增重率 o用于评价木材的渗透性 ∀
增重率k h l € k Ωu p ΩtlΠΩt ≅ tss h
图 t 渗透性试验装置示意图
ƒ¬ªqt ׫¨ ¶®¨·¦« °¤³²©·«¨ ³¨µ° ¤¨¥¬¯¬·¼ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·¤¯ ©¤¦¬¯¬·¼
不同微波功率下各组试件的含
水率 !心层温度和渗透性试验吸水增
重率测定数据k对相同微波功率处理
的大量试件进行统计分析l的变异系
数见表 u ∀
u 结果与讨论
211 落叶松处理材初含水率与渗透
性关系
由于微波加热是把湿木料作为电
介质置于微波场中 o在频繁交变的电
磁场作用下 o木材中的激化水分子迅
速旋转 !相互摩擦 o产生热量加热木材 ∀微波加热与其他加热方法的区别是 }热量不是从木材外部传入 o而是
在被加热的木材内部直接发生 ∀木料沿整个厚度同时热透 o且热透所需时间与木料厚度无关k朱政贤 ot||u ~
王恺 ot||{l ∀因此 o落叶松木材在高强度微波场中 o木材细胞内的水分迅速生热汽化 o产生对细胞内壁的蒸
汽压力 o并使细胞纹孔膜等薄弱组织产生细微破裂 o从而改善和增强其渗透性 ∀通过电子显微镜观察 o证实
了上述设想 ∀如图 u所示 o¤为未处理材径切面的闭塞纹孔 o¥为经高强度微波辐射后落叶松木材径切面纹
孔塞出现了破裂 o¦为微波辐射后径切面出现的微细裂纹 ∀从图 u可以看出 o处理材的纹孔膜和径切面上都
出现了不同程度的裂隙 ∀
图 u 处理材及未处理材微观结构图k¤}≅ t sss o¥}≅ t sss o¦}≅ xssl
ƒ¬ªqu ׫¨ °¬¦µ²¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·«¨ ·µ¨¤·¨§¶¤°³¯ ¶¨¤±§·«¨ ∏±·µ¨¤·¨§¶¤°³¯¨
试验表明 }微波处理前落叶松木材的初含水率对木材渗透性的影响较大 ∀如图 v所示 o当落叶松木材初
含水率低于纤维饱和点时 o各档处理材渗透性随含水率的增加而增加 o当初含水率达到或超过纤维饱和点
时 o各档处理材渗透性迅速增加至最大 o随后又随含水率的继续增加而呈现降低的趋势 ~如图 v中 us1vt ®•
处理材增重率最大处出现在初含水率为 vv h左右 o而未处理材的渗透性随初含水率的变化并无明显的变
化 ∀从全图看 o未处理材的渗透性仅在初含水率较低时与相同含水率的经 |1uv ®• 和 us1vt ®• 处理的试材
接近外 o其余各处均明显小于处理材的渗透性 ∀
当落叶松木材中的水分低于纤维饱和点时 o微波场中试材的水分被迅速加热汽化 ∀然而 o当含水率太低
时 o形成的蒸汽压力不足以冲破细胞壁薄弱部分或者产生的裂纹不大 ~随着木材含水率的增加 o被汽化的水
|{ 第 tt期 江 涛等 }高强度微波辐射对落叶松木材渗透性的影响
图 v 不同初含水率不同微波功率下处理材与未处理材的吸水增重率对比
ƒ¬ªqv ≤²°³¤µ¬¶²± ²© º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ¥¨·º¨¨ ±·«¨ ∏±·µ¨¤·¨§º²²§¤±§º²²§º¬·«§¬©©¨µ¨±·²µ¬ª¬±¤¯ °²¬¶·∏µ¨
¦²±·¨±·¶¤±§·µ¨¤·¨§¥¼ §¬©©¨µ¨±·°¬¦µ²º¤√¨³²º µ¨¶
分也在增加 o所产生的蒸汽对细胞壁的内压力也在增大 o这有利于产生较多和较大的微细裂纹 o因此渗透性
也相应增大 o直至到纤维饱和点前后达到最大 ∀当试材的初含水率远高于纤维饱和点时 o由于水的热容尤其
是汽化潜热很高 o同一功率相同处理时间内 o木材中的水分不足以达到沸腾 o因而所产生的蒸汽量相对少一
些 o木材内部组织所受蒸汽的压力不如纤维饱和点时的高 o使渗透性增加并不明显 ∀因此 o仅就提高渗透性
而言 o处理前木材的含水率并非越高越好 ∀此外 o从经济上考虑 o由于木材含水率越高 o需要消耗的微波能量
也越高 o因此 o低含水率在经济上是有利的 ∀试验表明 }落叶松木材的含水率在 us h ∗ ys h时适于微波处
理 o而在含水率在 vs h左右时易获得最佳的处理效果 ∀
212 处理材内部温度与渗透性的关系
落叶松木材内部温度的高低 o直接反映了试材内部水分吸收微波能量而汽化的程度 ∀图 w为不同微波
功率下试材心层温度与试材增重率关系的对比图 ∀从图中可知 o随着试材内部温度的升高 o试材的渗透性有
明显增高的趋势 ∀各档处理材内部温度低于 {s ε 时 o试材内部水分汽化程度不高 o对于木材细胞薄弱部分
形成内部压力较低 o对渗透性的影响不明显 o但随温度的升高略有上升 ~当内部温度高于 {s ε 时 o随着温度
的升高木材中水汽渐至沸腾 o产生的蒸汽量明显增加 o使木材内部的压力也迅速增加 o因而渗透性随着温度
的提高而明显提高并且幅度增大 ∀如 |1uv ®• 处理材 o当试材内部温度超过 {s ε 后 o微波处理试材的吸水
增重率的增幅明显增高 ~当温度在接近 |s ε 及其以上时 o试材的平均增重率可达 wx1w h o当木材内部压力继
续升高 o并可能高于常压时 o试材内部温度便可能高于 tss ε o但是 o温度过高又极易导致木材出现开裂 ∀
图 w 不同微波功率下处理材心层温度与试材吸水增重率的关系
ƒ¬ªqw ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨¨ ± º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ¤±§¬±±¨ µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ²©·«¨ º²²§·µ¨¤·¨§¥¼ §¬©©¨µ¨±·°¬¦µ²º¤√¨ ³²º µ¨¶
s| 林 业 科 学 wu卷
所有经过微波辐射处理的试材的渗透效果 o均较未处理试材要高 ∀另外 o落叶松试材内部温度的高低和
升高速度 o也受到微波处理的功率 !处理时间 !试材的初含水率以及落叶松木材构造不均匀性等因素的影响 ∀
图 x 不同微波功率下处理 us ¶试材的吸水增重率对比
ƒ¬ªqx • ¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ²©∏±·µ¨¤·¨§º²²§¤±§°¬¦µ²º¤√¨ p·µ¨¤·¨§º²²§
¥¼ §¬©©¨µ¨±·°¬¦µ²º¤√¨ ³²º µ¨¶k·µ¨¤·¬±ª·¬°¨ us ¶l
213 微波处理功率与处理材渗透性
的关系
微波处理时功率的大小 o决定了
处理材中水分汽化速度的快慢 ∀图 x
为相同时间kus ¶l下 o不同处理功率的
处理试材与未处理试材初含水率和吸
水增重率的对比结果 ∀从图中可以看
出 o经过微波辐射处理后试材的吸水
增重率明显高于未处理试材 o其中
uw1ss ®• 处理的试材吸水增重率最
高 o表明渗透性最好 ∀随着处理功率
的降低 o处理材的渗透性随之降低 ∀
由于在相同含水率条件下 o经微波处
理的试材 o相同时间内功率高则试材
内部水分吸收能量大 o水分汽化速度
图 y 经 uw1ss ®• 微波辐射不同时间试材与未处理材的吸水增重率对比
ƒ¬ªqy • ¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ²©∏±·µ¨¤·¨§º²²§¤±§º²²§°¬¦µ²º¤√¨ p·µ¨¤·¨§
¥¼ §¬©©¨µ¨±··µ¨¤·¬±ª·¬° ¶¨k¥¼ uw1ss ®• °¬¦µ²º¤√¨ ³²º µ¨l
就快 o能很快地形成内压力冲破细胞
壁薄弱组织 o改善其渗透性 ∀但是 o在
采用高输出功率的微波处理木材时 o
处理时间 !试材在微波场中的分布状
况等处理条件的控制变得极为重要 o
条件控制不当时易发生爆裂 ∀
214 微波处理时间与处理材渗透性
的关系
微波辐射时间的长短 o直接关系
到处理材吸收微波能量的多少与试材
内部水分的升温程度 ∀图 y 为经
uw1ss ®•微波辐射不同含水率下不同
处理时间的处理试材与未处理材吸水
图 z 不同时间 !不同微波功率处理材吸水增重率对比
ƒ¬ªqz ≤²°³¤µ¬¶²± ²©·«¨ º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ²© º²²§·µ¨¤·¨§
¥¼ §¬©©¨µ¨±··µ¨¤·¬±ª·¬° ¶¨¤±§§¬©©¨µ¨±·°¬¦µ²º¤√¨ ³²º µ¨¶
增重率k • „• l对比图 ∀从图中可以看
出 o在含水率相同的情况下 o处理时间
越长 • „• 值越高 o说明对试材渗透性
提高的程度越大 o微波处理试材的渗
透性总是优于未处理材 ∀在相同含水
率和处理功率下 o处理时间越长试材
内部水分吸收微波能量就越多 o试材
中水分汽化的程度也就越充分 o对试
材薄弱组织所形成的压力越大 o造成
细胞壁薄弱组织的细微破坏越多k图
ul o因而渗透效果的改善就越明显 ∀
如果将图 y中不同初含水率试材的吸
水增重率进行平均 o则微波处理 ux ¶
的试材的平均吸水增重率为 vy1{z h o
明显高于微波处理时间为 us ¶的试材
t| 第 tt期 江 涛等 }高强度微波辐射对落叶松木材渗透性的影响
的平均增重率ku|1yz h l ∀
图 z为不同时间 !不同功率下试材渗透性变化的对比图 o图中各点为该条件下各种含水率试材的平均吸
水增重率 o从图中可以看出经微波 |1uv !tu1|u和 uw1ss ®• 辐射的处理材随着处理时间的延长 o试材的增重
率都得到了明显的提高 ~从处理时间来看 o相同时间间隔内 o微波处理功率越高试材增重率增长速度越快 o所
用的处理时间越短 ∀低功率处理的试材 o可以通过延长处理时间获得较好的增重率 ~但低功率处理试材时 o
微波能效比不如高功率的高 o不利于实际推广应用 ∀
v 小结
落叶松木材处于高强度微波场中时 o木材细胞内的水分迅速生热汽化 o产生对细胞内壁的蒸汽压力 o使
细胞壁 !纹孔膜等薄弱组织破裂 o产生细微裂纹 o从而形成新的流体通道 o提高了木材的渗透性 ∀落叶松木材
渗透性提高的幅度受到处理试材的初含水率 !处理过程中试材的心层温度 !微波辐射功率以及微波处理时间
等因素的影响 o其影响规律可归纳如下 }
tl当落叶松木材的初含水率在纤维饱和点附近时k含水率约 vs h l o其微波处理试材渗透性改善的效果
最为显著 ∀在本文采用的试验仪器和试验条件下 o微波功率依次为 |1uv !tu1|u !ty1yu ! us1vt和 uw1ss ®•
时 o较好的处理时间依次为 zx !wx !vx !ux和 ux ¶左右 ∀
ul落叶松木材微波处理过程中 o试材心层温度在 tss ε 左右时 o其渗透性的改善较明显 o但当试材内部
温度较长时间超过 tss ε 或温度过高时 o因试材内压力过大极易导致木材开裂 ∀试材心层的温度取决于微
波功率 !辐射时间和试件的含水率 ∀
vl当微波功率一定时 o随着落叶松试材初含水率的增加 o适当延长处理时间 o能取得更好的渗透效果 ~采
用高功率微波处理试材时 o处理时间应适当缩短 o以防对处理材造成破坏 ∀
通过对微波辐射改善落叶松木材渗透性的试验 o证实了利用微波技术确能改善落叶松木材的渗透效果 ∀
然而 o由于落叶松木材的材质变异性很大并且极易开裂 o试验数据的波动较大 o给获取大量的重复数据造成
困难 o因此 o在微波处理工艺条件的精确定量 !微波处理落叶松木材的微观结构表征等方面有待于深入研究 ∀
参 考 文 献
鲍甫成 o吕建雄 qt||u q木材渗透性可控制原理研究 q林业科学 ou{kwl }vvy p vwu
常建民 o张 斌 qt||z1 落叶松干燥过程热质传递特性的试验研究 q哈尔滨建筑大学学报 o{kwl }zu p zx
姜来福 o于 辉 qusss1 落叶松木材利用途径探讨 q林业科技 ovkul }xx p xy
陆文达 qt||v q落叶松资源及其利用 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 otw p ty
木材工业编辑部 qusst1 木材微波改性技术 q木材工业 o| }vx p vy
唐晓淑 o罗文圣 o赵广杰 qusss q东北地区几种主要木材的液体渗透性 q北京林业大学学报 ouukxl }{y p |s
王 恺 qt||{1木材工业实用大全 }木材干燥卷 q北京 }中国林业出版社 ouus p uuu
周 o姜笑梅 qt|{y q黄花落叶松木材超微结构及其对渗透性的影响 q林业科学 ouukvl }uys p uy|
周 qusst1中国落叶松属木材 q北京 }中国林业出版社 otx p txz
朱政贤 qt||u1木材干燥 qu版 q北京 }中国林业出版社 ou{t p u{u
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k责任编辑 石红青l
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