全 文 ：第 ww卷 第 y期
u s s {年 y 月
林 业 科 学
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微波处理对木材染色性能的影响
常 佳t 王金林t 王清文u 李春生t 王志同t
kt1 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|t ~u1 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 } 以 ux °°厚杨木 !桦木 !柞木厚板为研究对象 o进行微波处理 o通过改变木材初含水率 !辐射时间和微波
辐射强度 o以木材真空加压浸渍处理得到的增质率和上染率为评价指标 o研究微波处理条件与木材染色性能的关
系 ∀结果表明 }木材的增质率和上染率在含水率为 vs h时最大 o并随初含水率的增大而减小 o随微波处理时间的延
长和强度增大而增大 ∀
关键词 } 微波处理 ~木材染色 ~增质率 ~上染率
中图分类号 }≥z{t1vx 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lsy p sts| p sw
收稿日期 }uss{ p su p u{ ∀
基金项目 }国家/ {yv0计划/木基复合装饰材料制造技术0 ~/十一五0国家支撑专题 / 家具地板材的功能修饰与仿真技术0 ~/ 创新 |w{0项目
/竹木基重组装饰材料制造与示范0专题 ∀
Εφφεχτσ οφ Ωοοδ ∆ψεινγ ωιτη Μιχροωαϖε Προχεσσινγ
≤«¤±ª¬¤t • ¤±ª¬±¯¬±t • ¤±ª±¬±ªº¨ ±u ¬≤«∏±¶«¨ ±ªt • ¤±ª«¬·²±ªt
kt1 Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ ΙνδυστρψoΧΑΦ Βειϕινγ tsss|t ~u1 ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ
Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ} Œ± ·«¬¶³¤³¨µo·«¨ ux °°2·«¬¦® ³²³¯¤µk Ποπυλυσ τρεµυλαl o ¥¬µ¦«k Βετυλα πλατψπηψλλαl ¤±§·«¨ ²¤®k Θυερχυσ
µονγολιχαl ¥¼ °¬¦µ²º¤√¨ ·µ¨¤·¨§¤¶·«¨ ²¥­¨¦·o º¨ µ¨ ·µ¨¤·¨§º¬·«·«¨ §¬©©¨µ¨±·°¬¦µ²º¤√¨ µ¤§¬¤·¬²±¬±·¨±¶¬·¬¨¶o·µ¨¤·¬±ª·¬°¨ ²µ
°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k≤l ¥¨©²µ¨ °¬¦µ²º¤√¨ ·µ¨¤·¬±ªo·«¨ ± √¤¦∏∏° ¤±§³µ¨¶¶∏µ¨ ¬°³µ¨ª±¤·¬²±¬±·«¨ ·µ¨¤·°¨ ±··¤±®qŒ·¬¶§¬¶¦∏¶¶¨§
·«¤··«¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨·«¨ ¦²±§¬·¬²±¶²© °¬¦µ²º¤√¨ ·µ¨¤·¬±ª³µ²¦¨¶¶¤±§·«¨ ³¨µ°¨ ¤¥¬¯¬·¼ ²©§¼¨ § º²²§ √¨¤¯∏¤·¨§¥¼·«¨
º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ¤±§·«¨ §¼¨ ∏³·¤®¨ q׫¨ µ¨¶∏¯·¶«²º¨ §·«¤··«¨ • „• ¤±§·«¨ §¼¨ ∏³·¤®¨ o·«¨ °¤¬¬°∏° ¤·vs h
k≤l o¬±¦µ¨¤¶¨ º¬·«·«¨ §¨¦µ¨¤¶¬±ª²© °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·²µ¬±¦µ¨¤¶¬±ª²© °¬¦µ²º¤√¨ µ¤§¬¤·¬²±¬±·¨±¶¬·¬¨¶o·µ¨¤·¬±ª·¬°¨ q
Κεψ ωορδσ} °¬¦µ²º¤√¨ ·µ¨¤·¬±ª~º²²§§¼¨ ¬±ª~º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ~§¼¨ ∏³·¤®¨
澳大利亚墨尔本大学的 ײµª²√±¬®²√kt||vl提出微波干燥对于改善木材本身的非传导特性极有价值 o
≠²∏±ªkt||wl得出微波干燥可以提高木质纤维素材料的被浸渍能力 o„±·¬等kt|||l曾提出微波干燥是一种快
速且干燥质量好的方法 o澳大利亚学者 ∂¬±§¨±等也发现微波处理作为木材干燥前的一种预处理手段可以大
大提高辐射松k Πινυσραδιαταl和黄杉属k松科l等木材的心材渗透性和浸注性kײµª²√±¬®²√ ot||v ~⁄¨ §¬¦ετ αλqo
usstl ∀ײµª²√±¬®²√等kusss ~usstl在研究中还发现 o用高强度微波辐射渗透性低的热带木材心材能够显著改
善渗透性 o尤其是径向渗透性 ∀王喜明等kussul提出微波处理可使木材的某些性质得以改善 o特别是硬阔叶
树材的改善程度更大 o微波处理使木材细胞壁上纹孔膜等薄弱环节破坏 o木材中的浸提物析出或重新分布 o
同时木材的密度降低 ~弦径向干缩率之比增加 ~木材的吸水量增加 o从而使干燥速度加快 ∀微波处理还能
使落叶松kΛαριξ γ µελινιιl木材细胞壁上某些纹孔膜和细胞壁等薄弱的环节发生破坏 o形成了新的流体通道 o
从而改善落叶松木材渗透性k江涛等 oussy ~杨林 oussw ~江涛 oussyl ∀
欧洲山杨k Ποπυλυστρεµυλαl !白桦k Βετυλα πλατψπηψλλαl !蒙古栎k Θυερχυσ µονγολιχαl厚板的染色存在染不透 !
着色不均匀等问题 o这是因为厚板的渗透性差 o在厚板染色的过程中 o染液进入木材主要依靠木材径向渗透 ∀
木材经微波处理可以改善渗透性 o特别是径向渗透性 o以提高木材的染色性能 ∀本研究通过改变微波辐射强
度 !辐射时间和木材微波处理前的初含水率 o研究微波处理条件与木材染色性能的关系 ∀
t 材料与方法
111 试验材料
木材 }原木采购于黑龙江省绥芬河 o试验用原木直径大于 vs ¦°o经弦向锯切 !刨削成 wxs °°k顺纹l ≅
tss °° ≅ us °°的微波处理试件各 ws块 ∀试件部分干燥成含水率为 vs h !ws h和 xs h k ? v h l的 v种 o为防
止试件水分散失 !含水率分布不均 o采用冷冻和塑料薄膜包覆的方法保持含水率 ∀
染料 }酸性大红 Š• k≤ qŒq„¦¬§ • §¨zvl o最大吸收波长 Κ°¤¬ € xs| ±°∀
112 试验设备
• ⁄uw≥2st型多管微波处理设备 o订制 o产地南京 ~真空加压浸渍装置 ~ƒ⁄2tss型高周波木材水分仪 o
哈尔滨 ~ט2t{ss°≤紫外可见分光光度计 o北京 ∀
113 试验方法
t1v1t 微波处理 • ⁄uw≥2st型多管微波处理设备 o微波频率为 u wxs  ‹½o所采用的微波功率为 y1u{ !ts1u
和 uv1{ ®• o微波处理时间为 tx !ux !vx和 wx ¶∀
t1v1u 抽真空加压染色处理 微波处理后的试件在室温条件下达到平衡含水率ktu h左右l o称重k Ωsl后置
于处理罐中 o抽真空k真空度 s1s| °¤l并维持 vs °¬±o将木材中的空气尽可能抽取 ~打开阀门 o使染液k浓度
s1t h l回流至压力罐中 o加大压强使染液进入木材kt °¤!vs °¬±l o取出后常压下继续在染液中浸泡 t «~染
色处理后的木材称重k Ω¥l o计算增质率 Μ€ k Ω¥ p ΩslΠΩs ≅ tss h ∀
真空加压浸渍染色过程中 o配制浓度为 s1t h染液 x sss °o室温下搅拌均匀 o取 x °配制低浓度染液
测量吸光度kΑsl o染色后将剩余的染液加蒸馏水稀释至 x sss °o测量吸光度kΑ·l并计算上染率k Χ·l ∀
表 1 不同初含水率条件下增质率和上染率
Ταβ .1 Τηε ΩΑΡ ανδ τηε δψε υπτακε οφ διφφερεντ ΜΧ χονδιτιονσ
木材初含水率
≤Πh
微波处理后称重
• ¬¨ª«·¤©·¨µ
°¬¦µ²º¤√¨
·µ¨¤·¬±ª ΩsΠª
饱水试验后称重
• ¬¨ª«·¤©·¨µ
¶¤·∏µ¤·¬²± ¬¨³¨µ¬°¨ ±·
Ω¥Πª
增质率
• „•Πh
上染率
⁄¼¨ ∏³·¤®¨
Χ·Πh
vs utw1{ ws{1u txy1z uz1vw
杨木 °²³¯¤µ ws t{v wsw1y twy1v uw1s|xs tx|1v v|t1t tut1u uv1vz
ys txs1sx v{v1x |s1tu ut1ww
vs uvs1v vz| tsx vt1u|
桦木 …¬µ¦« ws usv1wx vzz1{ {x1zv ux1yt
xs usv1{x wtz1yx yw1y{ us1ty
vs uuu1t vtt1z w{1|v t{1{y
柞木 ’¤® ws ut|1u vtz1t ww1y| tx1y{
xs uts1{x vtv1| ws1ww tv1||
u 结果与分析
211 木材初含水率对微
波处理后木材染液渗透性
的影响
在高强度微波的辐射
下 o木材细胞中的水分快
速汽化 o形成向外扩散的
蒸汽压作用于细胞壁 o并
在纹孔膜等薄弱环节形成
突破 o造成纹孔膜破裂 ~
木材细胞内的蒸汽压增
高 o由于木材射线细胞的
胞壁较薄 o内压增高可导
图 t 木材初含水率对增质率和上染率的影响
ƒ¬ªqt ׫¨ ©¨©¨¦·²© ≤ ·²·«¨ º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ¤±§·«¨ §¼¨ ∏³·¤®¨
致其破裂而形成染液和蒸汽易于通过的
径向通道 o同时增加了木材的内表面积 o
提供了更多的染料附着基 o以提高木材的
上染率 ∀所以 o木材的初含水率是影响微
波处理后木材渗透性和上染性的主要因
素 ∀试验中 o各树种采用相同的微波处理
条件 o即微波功率采用uv1{ ®• o微波处理
时间 vx ¶o结果见表 t和图 t ∀
如图 t所示 o杨木 !桦木和柞木在微
波处理条件相同的情况下 o增质率和上染
率随木材初含水率k含水率大于纤维饱和
点l的增加而降低 ∀这是由于在高强度微波的辐射下 o木材中的水分作取向运动 o相互摩擦产生热量 o使水分
汽化 o迅速增大的蒸汽压强能瞬间冲破木材结构中最薄弱的部位 o形成通道 o从而改善木材的渗透性 ∀含水
率较高的木材 o在微波辐射中 o汽化过程所吸收的热量较多 o在相同的微波功率下辐射相同的时间 o有可能只
有部分水分汽化 o不能冲破薄壁细胞或纹孔膜 o木材的染液渗透性和染色性劣于低含水率的木材 ∀结果表
stt 林 业 科 学 ww卷
明 }杨木 !桦木和柞木在含水率为 vs h左右增质率和上染率均为最大 o即染色效果最好 ~杨木随含水率增加
的过程中 o增质率下降明显 o而上染率的变化较小 ∀
212 微波处理功率对木材染液渗透性的影响
使木材中水分汽化所需要的能量全部由微波辐射提供 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 ∀试验所用的微波处理设备由
多个微波发射管分布在微波腔四周 o所选的 v个功率值是试材处于相对均匀微波场中时 o各方向微波发生管
所累加的功率值 ∀不同树种试件初含水率控制在 vx h k ? v h l o微波辐射时间为 vx ¶∀结果表明 }与未经微
波处理的试件相比 o木材的增质率和染色上染率都有明显提高 o并随着微波功率的增加而增加 o采用uv1{ ®•
微波处理时 o杨木 !桦木和柞木增质率与未处理材相比较分别增加了 {y1zz h !tss1v h和 zu1wx h o上染率分
别增加了 uu1sy h !ut1yu h和 vv1u{ h k表 u !图 ul ∀在这一含水率条件下 o杨木的增质率一直大于桦木 o而上
染率却低于桦木 o可能与木材内部结构相关 o需作进一步研究 ∀
表 2 不同微波辐射功率条件下增质率和上染率
Ταβ .2 Τηε ΩΑΡ ανδ τηε δψε υπτακε οφ διφφερεντ µιχροωαϖε ραδιατιον ποωερσ
功率
°²º µ¨Π®•
微波处理后称重
• ¬¨ª«·¤©·¨µ
°¬¦µ²º¤√¨·µ¨¤·¬±ª
ΩsΠª
饱水试验后称重
• ¬¨ª«·¤©·¨µ
¶¤·∏µ¤·¬²± ¬¨³¨µ¬°¨ ±·
Ω¥Πª
增质率
• „•Πh
上染率
⁄¼¨ ∏³·¤®¨
Χ·Πh
s ut|1s wsv1y {w1vv t{1||
杨木 °²³¯¤µ y1u{ tyy1x v|t1s tvx us1zvts1u tzs1z wuy1v tw|1z us1|z
uv1{ twt1t vyv1x txz1x uv1t{
s u|y1| wzy1w ys1xy uw1sx
桦木 …¬µ¦« y1u{ uxs1v wyv1z {x1w ux1x{ts1u uvv1v wx{1u |y1w| uy1|z
uv1{ usu1z ww{1v tut1v u|1ux
s uy|1s vxs1w vs1uz tt1zu
柞木 ’¤® y1u{ uu|1xx vts1z vx1vz tu1uvts1u uuv1tx vtt1w v|1yv tv1yt
uv1{ uvx1| vx|1s xu1u tx1yu
213 微波处理时间对木
材染液渗透性的影响
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 ∀杨
木 !桦木和柞木含水率均
控制在 wx h k ? v h l o微
波功率采用 uv1{ ®• ∀结
果表明 }与未经微波处理
的试件相比 o木材的增质
率和上染率都有明显提
高 o并随着微波处理时间
的增加而增加 o微波处理
wx ¶时 o杨木 !桦木和柞木
增质率与未处理材相比较
图 u 微波辐射功率对增质率和上染率的影响
ƒ¬ªqu ׫¨ ©¨©¨¦·²© °¬¦µ²º¤√¨µ¤§¬¤·¬²± ³²º µ¨·²·«¨ º¤·¨µ
¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ¤±§·«¨ §¼¨ ∏³·¤®¨
分别增加了 xt1ty h !vz1uy h和 v|1xt h o
上染率分别增加了 yv1|| h !tsx1w{ h 和
xx1uw h k表 v !图 vl ∀
在微波处理过程中 o随着木材内部温
度的升高 o水分汽化加剧 o木材内部产生
裂纹增多 o木材发出的异响可以从另一角
度解释木材内部随时间变化的规律 ∀特
别是晚材结构致密的柞木 o声音变化明
显 ∀以初含水率为 ws h 的柞木为例 o采
用 uv1{ ®• 微波处理 ox ¶开始 o有水蒸气
冲出木材表面时的 / 嘶嘶0声 ~tx ∗ us ¶
时 o出现/噼啪0的爆裂声 ~vs¶左右时 o木
材爆裂声音连续 ~当柞木经微波处理 wx ¶或更长时间 o柞木断面或表面就会出现明显开裂或翘曲 ∀所以木
材在微波处理时 o应考虑微波功率与处理时间的交互作用 o控制微波处理工艺 ∀
v 结论与讨论
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使薄壁细
胞 !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同时增加了木材的内表面积 o提供了更
ttt 第 y期 常 佳等 }微波处理对木材染色性能的影响
表 3 不同微波辐射时间增质率和上染率
Ταβ .3 Τηε ΩΑΡ ανδ τηε δψε υπτακε οφ διφφερεντ µιχροωαϖε ραδιατιον τιµεσ
时间
׬° Π¨¶
微波处理后称重
• ¬¨ª«·¤©·¨µ
°¬¦µ²º¤√¨·µ¨¤·¬±ª
ΩsΠª
饱水试验后称重
• ¬¨ª«·¤©·¨µ
¶¤·∏µ¤·¬²± ¬¨³¨µ¬°¨ ±·
Ω¥Πª
增质率
• „•Πh
上染率
⁄¼¨ ∏³·¤®¨
Χ·Πh
s usz1t vxy1z zu1uw t|1uz
tx t|w1y vyt1v {x1yy uw1|
杨木 °²³¯¤µ ux utx1x wtt1y |t ux1wv
vx ust1t wsu1|x tss1w u{1yz
wx t{v1x v{v1|x ts|1u vt1y
s uw{1w wxv1{ {u1y| tz1{z
tx uvt1v wv{1z {|1yz uv1|z
桦木 …¬µ¦« ux uvv1t wxw1z |x1sz ux1|{
vx uvt1x wxy1{ |z1vu vs1zv
wx usu1{ wvu1| ttv1x vy1zu
s uxz vtx1u uu1yx |1uxu
tx uzt1{ vvy1y uv1{w ts1tt
柞木 ’¤® ux uxs1z vut1{ u{1vy tt1sx
vx uys1v vvz1v u|1x{ tt1z
wx uxx1t vvx1z vt1y tw1vy
多的染料附着基 o以提高
木材的上染率 ∀杨木 !桦
木和柞木的染液渗透能力
和上染着色性能受木材初
含水率 !微波功率和微波
处理时间的影响 o并存在
一定规律 }
tl 采用相同的微波
处理工艺时 o即微波功率
uv1{ ®• o微波处理时间
vx ¶o杨木 !桦木和柞木在
含水率为 vs h 左右增质
率和上染率均为最大 o即
染色效果最好 ~杨木在含
水率增加的过程中 o增质
率下降明显 o而上染率的
变化较小 ~
图 v 微波辐射时间对增质率和上染率的影响
ƒ¬ªqv ׫¨ ©¨©¨¦·²© °¬¦µ²º¤√¨·µ¨¤·¬±ª·¬°¨·²·«¨ º¤·¨µ
¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¬²k • „• l ¤±§·«¨ §¼¨ ∏³·¤®¨
ul 与未经微波处理的试件相比 o微
波处理试件k初含水率控制在 vx h左右 o
微波辐射时间为vx ¶l木材的增质率和染
色上染率都有明显提高 o并随着微波功率
的增加而增加 o采用 uv1{ ®• 微波处理
时 o杨木 !桦木和柞木增质率与未处理材
相比较分别增加了 {y1zz h !tss1v h 和
zu1wx h o上染率分别增加了 uu1sy h !
ut1yu h和 vv1u{ h ∀
vl 含水率在 wx h左右的杨木 !桦木
和柞木 o采用功率 uv1{ ®• 微波处理 o与
未经微波处理的试件相比 o木材的增质率和染色上染率都有明显提高 o并随着微波处理时间的增加而增加 ∀
超过 wx ¶o木材发生变形或翘曲增加 ∀
参 考 文 献
江 涛 qussy q微波细胞爆破法改性落叶松木材的脱脂技术 q东北林业大学硕士学位论文 q
江 涛 o周志芳 o王清文 qussy q高强度微波辐射对落叶松木材渗透性的影响 q林业科学 owukttl }{z p |u1
王喜明 o薛振华 o石丽慧 o等 qussu q微波改性木材的初步研究 q木材工业 otykul }ty p t|1
杨 林 qussw q利用微波改善落叶松木材的渗透性 q东北林业大学硕士学位论文 q
„±·¬„ o°¨ µµ¨ ° qt||| q„ °¬¦µ²º¤√¨ ¤³³¯¬¦¤·²µ©²µ²± ¬¯±¨ º²²§§µ¼¬±ª}·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¤±§°²¬¶·∏µ¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±¬± º²²§q • ²²§≥¦¬¨±¦¨ ¤±§× ¦¨«±²¯²ª¼ovv }
tuv p tv{1
⁄¨ §¬¦„ o¯ ¤·¤±²√¬¦ qusst q≥²°¨ ¤¶³¨¦·¶¤±§¦²°³¤µ¬¶²±¶²© °¬¦µ²º¤√¨ §µ¼¬±ª²© ¥¨ ¦¨«k Φαγυσ µοεσιαχαl ¤±§©¬µº²²§k Αβιεσ αλβαl q ‹²¯½ ¤¯¶ •²«2∏±§
• µ¨®¶·²©©ox| }uwy p uw| q
ײµª²√±¬®²√ Š qt||v q⁄¬¨¯¨ ¦·µ¬¦³µ²³¨µ·¬¨¶²© º²²§¤±§º²²§2¥¤¶¨§ °¤·¨µ¬¤¯¶q …¨ µ¯¬±}≥³µ¬±ª¨µ2∂ µ¨¯¤ªoŒ≥…‘v p xws p xxv|w p s1
ײµª²√±¬®²√ Š o ∂¬±§¨± ° q usss q ¬¦µ²º¤√¨ °²§¬©¬¦¤·¬²± ²© º²²§ ³µ²³¨µ·¬¨¶}¬°³µ²√ °¨ ±¨·¶¬± º²²§ ³¨µ°¨ ¤¥¬¯¬·¼qŒ±·¨µ±¤·¬²±¤¯ • ¶¨¨¤µ¦« Šµ²∏³ ²± • ²²§
°µ¨¶¨µ√¤·¬²±qŽ²±¤o‹¤º¤¬¬o˜≥„ o¤¼ tw p t| oŒ• Švt oŒ• ŠΠ• Š p wst{t1
ײµª²√±¬®²√ Š o∂¬±§¨± ° qusst q¬¦µ²º¤√¨ °¨ ·«²§©²µ¬±¦µ¨¤¶¬±ª·«¨ ³¨µ°¨ ¤¥¬¯¬·¼ ²©º²²§¤±§¬·¶¤³³¯¬¦¤·¬²±¶q{·«¬±·¨µ±¤·¬²±¤¯ ¦²±©¨µ¨±¦¨ ²± °¬¦µ²º¤√¨ ¤±§«¬ª«
©µ¨ ∏´¨ ±¦¼ «¨ ¤·¬±ªq…¤¼µ¨∏·«o Š¨ µ°¤±¼o°µ²¦¨ §¨¬±ª¶o≥³µ¬±ª¨µ√ µ¨¯¤ªo≥ ³¨·¨°¥¨µv p z1
≠²∏±ª„ qt||w qŒ°³µ²√¨ ° ±¨·²© ¥¬²2¥¤¶¨§¦²°³²¶¬·¨ ³µ²³¨µ·¬¨¶·«µ²∏ª«¦²¯§ ³¯¤¶°¤·µ¨¤·° ±¨·¶q≥ ¦¨²±§ °¤¦¬©¬¦…¬²2¥¤¶¨§ ≤²°³²¶¬·¨¶≥¼°³²¶¬∏° q¤¦¦²∏·¨µo
≤¤±¤§¤o‘²√ °¨¥¨µy p |1
k责任编辑 石红青l
utt 林 业 科 学 ww卷