高光谱成像技术面分析干燥和热改性木材:一个探索性研究

文摘

自然风干、非烘干和热改性木材已经被高光谱研究近红外成像之间的980和2500海里为了获得空间化学信息。表明软件是用于探索、预处理和分析光谱数据从图像像素和链接这些数据通过光谱波长分配化学信息。PCA模型表明,高吸光度与酚抽提相关的地区组织和脂肪族碳氢化合物。锋利的波长乐队在2135海里发现了多变量分析为多元校正是有用的。这个峰值代表了最大的变化特征结区和相关地区木材富含碳氢化合物和酚,它也许可以用于未来的校准其他木材表面。热处理木材的判别分析表明,强大的策划和rip-cut木材表面之间的分化和两个热过程之间的歧视是非常清楚的。在2100纳米波长带显示的最大区别,可能对应于拉伸聚合物的C = oo的乙酰基,但这需要通过化学分析确认。

1。介绍

增加自动化wood-manufacturing过程将允许更面向客户的方法,鼓励企业在木材行业从传统的质量分级与高速目视检查相机系统(VIS)更复杂的系统的分级锯和进一步加工木材。VIS方法在某些情况下不够精确和高效的,因为木材变异性和wood-treatment异质性(1]。

近红外光谱(NIR)是一个著名的木头的无损分析技术。近红外光谱技术的优点是速度和能力来测量范围广泛的化学和物理性质,使这项技术有前途的工业使用[2]。的主要挑战发展一个有效的基于近红外光谱数据的预测模型,为其进一步在wood-manufacturing使用过程,然而,找到感兴趣的可靠的吸收范围在一个高度不均匀材料如木材和校准定量工艺参数评估模型(3]。便携式近红外光谱传感器使用积分测量实验开发,他们不会给一个二维空间可视化的近红外光谱吸收的变化从一个表面。这个弱点,至少在一定程度上可以减少通过使用更多的固定技术像高光谱成像准确的数据收集和模型开发和相关信息等其他来源的便携式近红外传感器。

高光谱技术可用于模型,量化的发展异型的木材表面的化学成分。当前研究的目的是利用高光谱成像技术和遵循的建议Sandak et al。4)建立分类模型对木材表面在近红外光谱区。高光谱成像提供了空间解决信息木材表面的近红外光谱范围内,和选定的波长可以开发校准模型为特定化合物。

工业干燥,尤其是热改性,木头影响木材的存在和结构成分(纤维素、半纤维素、木素和抽提),这可能反过来影响木材的特点,因此使用寿命材料在不同的产品。有很多困难在描述木材加热时发生的变化。同时发生一系列的化学反应,因为这些包括吸热和放热反应,确定发生温度的不同的反应几乎是不可能的。分析是进一步复杂化反应在不同成分之间的相互作用。这意味着信息从一个孤立的分析获得的导数的一个组件可以完全不同于实际发生在木材。不仅有木材中的组件之间的交互也木头和治疗大气之间的相互作用(5]。图1改变木材的显示了一个示意图表示组件在潮湿的条件下增加温度。

天然调味料的锯材加工锯材的古老方式除去水和增加其耐久性。相比工业木材干燥窑的温度远高于20°C,天然调味料需要很长时间,化学成分仍然接近木材的天然成分(6,7]。工业锯木厂过程中,为了提高窑干是在1800年代后期开发提供一个快速和控制干燥过程达到目标水分含量[6 - 12%8,9]。低于40°C,它主要是物理变化发生在木材,如排放水和挥发性抽提(10]。工业窑干ca。70°C的温度是主要的政权现在欧洲赤松和挪威云杉(11),温度,化学变化主要发生在采掘和半纤维素。木材干燥温度高于100°C已被证明具有较低的碳水化合物含量和易感性模具增长低于木材干在较低温度(12,13]。

热改性(TM)是一个过程,木属性被治疗的温度改变range160 - 260°C的基本上没有氧气存在。在TM、木材发生降解的化学和物理性质的变化和部分切除聚合组件,导致木材材料的质量损失(14]。这一修改的化学结构在TM结果在一个深色的木头,和热改性木材的水分吸收低于未改性木材(15]。TM过程删除从锯木抽提,这可以是一个优势,例如,当TM木材树脂在涂料的涂层由于少流血(5]。

纤维素和木质素的降解温度被认为是高于纤维素和采掘(图1)。然而,纤维素和木质素的降解是很难预测,一些研究表明,这些组件可以在较低温度下开始降低如110°C,微小的变化开始愈创木基木质素单元(14,16]。

抽提,本地和TM过程中所形成的退化,趋向木材的表面在干燥和TM (17),和一些采掘挥发已经在中等温度下10]。

在目前的工作,经验丰富的自然表面的化学成分,非烘干,热从两个不同的进程修改锯材(ThermoD®和WTT过程)与近红外光谱研究了(波长从900年到2500海里)。自然风干和非烘干木材加工在大气条件下,ThermoD-modified木材处理在过热蒸汽温度为212°C下大气压力;WTT过程,锯材加工在饱和蒸汽温度为170°C的压力6条。在这种情况下,可以实现修改ThermoD流程类似,但在相当低的温度下(18,19]。

2。材料和方法

2.1。木材料

总共40绿色(未乾木材)flat-sawn络腮胡,22×100毫米截面和长度至少为4.5 m,来自十个不同的欧洲赤松(松果体sylvetrisl .)树收集后直接锯在瑞典北部一个锯木厂。董事会被切成样品的长度1米给四个匹配时董事会。样品只包含边材被选作研究,而这些板分为两组天然调味料或窑干。

25毫米厚之间的自然经验丰富的样本single-stacked贴纸和干燥室内的温度20°C和10%相对湿度,没有任何额外的空气循环。30天之后平均含水率为4.2±0.6%。这是一个非常“软”干燥的迁移采掘木材表面的干燥是将低。

25毫米厚之间的非烘干样本双垛与bark-side贴纸表面向外的每一对为了实现引导水流/水分从董事会的内部bark-side表面。一个小规模的实验室窑的窑干了空气循环(3 m / s)和最大干球温度为75°C, 45小时。干燥后的平均含水率为13.9±3.8%。相比,天然调味料,干燥过程是将更严厉,导致更多的抽提和干燥后表面分解组件。

策划热修改欧洲赤松(抗旱性l .)董事会从ThermoD获得®和WTT®工业过程。

ThermoD董事会根据治疗终点Thermowood©过程在212°C Heatwood Hudiksvall AB,瑞典。描述的流程运行,因为它是ThermoWood手册(20.类ThermoD]。ThermoD过程包括三个阶段:(1)温度升高,高温干燥、使用热量和蒸汽:温度迅速提高到100°C。之后,温度是稳步增长到130°C。总时间是12小时。(2)热改性:窑是增加到212°C。当目标水平已经达到了,3个小时的温度保持不变。总时间是12小时。(3)冷却和水分条件:使用水喷淋系统温度降低。当温度达到80 - 90°C,柴remoistured达到木材含水率为4 - 7%。总时间是12小时。

WTT董事会在170°C热修改根据丹麦WTT Arvidsjaur Utetra公司流程的瑞典。在第一个小时,温度提高到40°C和真空应用之前。在接下来的45分钟,温度提高到60°C和保持不变(60°C)为25分钟。窑预热到140°C在4小时和保持不变(140°C) 30分钟。窑进一步加热大约2个小时,直到温度达到155°C和保持不变(155°C) 15分钟。此后,窑加热到170°C和保持不变(170°C) 30分钟。应用过程中,压力当窑的温度达到60°C和稳步一起长大的压力温度6条170°C。在170°C热改性后,窑冷却第一次为8小时80°C,为2小时65°C。压力逐步下降到0时,窑温度达到60°C。

干燥和热改性后,所有尺寸的样本锯给标本15×50×220毫米(T W××L),这意味着热改性标本都策划和锯表面。所有的标本都存储在相同的条件下在室温下的前五个月近红外光谱测量。

2.2。图像采集

拿扫帚系统配备高速高光谱相机(Specim短波红外成像3)在短波红外(短波红外成像)900 - 2500纳米范围的低温冷却mercury-cadmium-telluride (HgCdTe)检测器384空间像素和288光谱带决议用于近红外光谱测量(图2)。相机像素大小是24×24µm, 31毫米焦距镜头使用。内部黑色和白色的引用(Spectrolon)标准被使用,即。,the dark adjustment was based on camera dark current and Spectrolon was used as a white reference before each measurement.

成像的样本分为两组:(1)自然经验丰富的和非烘干标本和(2)热修改后的标本。

三个经验丰富的自然和三个非烘干匹配标本随机选择的样本组,从每个标本和横切的准备。自然的标本被stain-fungus增长添加到数据集。样本来源是列在表中1。

6个标本的fine-sawn表面,和两个有粗糙表面为了检查表面条件的光反射的影响。输送带上的标本被随机为了获得代表浅浅的渗透在成像。所有的测量是由边材截面,camera-belt切线方向运动。

高光谱图像分析,数据自然经验丰富的和非烘干标本结合热样本的数据修改流程,ThermoD, WTT,表明使用“合并”功能的软件版本2.7.9软件,Prediktera,瑞典Umea [21]。一个mean-centring应用程序一般预处理技术对所有收集到的数据集。合并后的数字图像的结果呈现在图3。在图的标准RGB图像数据集3显示的计划表面ThermoD(图3 (b))和WTT(图3 (d))有更强烈的颜色比其他表面。

2.3。图像清洁和处理

八个标本的完整的数据矩阵自然经验丰富的和非烘干组和四个热改性木材标本含有1875840观察和288变量(光谱波段)作为测量参数。合并后的吸光度图像导出并分析表明软件版本2.7.9 [21]。

高光谱图像模型的多个图像数据集在图3被用来确定有用的感兴趣的研究领域不同因素的影响(木材干燥和热处理)。主成分分析(PCA)是用来清洁背景(输送带)和边缘效应的刷牙方法(21]。意味着定心和基线校正以获得清晰的情节类的分数。8个波长的光谱范围被删除由于TM的深色的颜色样品22),因此只有980和2500 nm之间的数据进行分析。280年最后一个光谱范围包括测量波长乐队,这是使用的主成分分析模型。偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型应用于热数据修改样本区分热修改过程和表面。最后的PCA模型只包括一个基线校正mean-centred数据。

3所示。结果与讨论

合并后,“背景清洗”高光谱数据集从木材表面图像如图3利用主成分分析法(PCA)处理,结果呈现在图吗4,从高光谱图像与空间数据位置得分情节的分组数据(图4(一)(图),还提供了光谱信息4 (b))。在图4(一)五个集群的吸光度图像可以看到(箭头)编号。这些集群相关特定地区木材表面。PCA模型用于评估合并后的高光谱图像的差异,这就使得人们有可能鉴别主要区别在样品和数据集的分组模式。PCA模型解释的方差数据的索引R2X_cum = 0.97(特征值3.47)的方差解释道X在我们的例子中波长数字矩阵。清洗后(除背景和边缘效应),提高了PCA模型(R2X_cum = 0.99461,特征值1.3426)有四个组件。第一和第二主成分(PC)的PCA模型解释了94%的总平方和(% SS)和4.34%的学生数据的可变性,分别。

六区可以得分图在图中标识4(一)标本和表面特征相关的RGB图像表面呈现在图3:(1)节由于存在颜色差异和抽提条件,密度高于环境。表示一个圆的面积分数阴谋有关节,latewood“弓”接近表面的结上右边ThermoD-modified木材(图3 (b))。(2)标本的rip-cut表面ThermoD和WTT过程由黄色箭头所示的区域。(3)几乎所有rip-cut WTT过程的表面和意外风干样品所代表的地区的地区紫色箭头所示。(4)自然的和非烘干标本所代表的区域用红色箭头表示。(5)的策划表面WTT修改样品所代表的区域绿色箭头所示。(6)策划的表面热改性标本(thermoD和WTT过程)所代表的区域蓝色箭头所示。

自然图像中像素的光谱相关经验丰富的和非烘干标本(图3(一个)从TM和空气/烘干)光谱比较和平均单谱图4 (b),这表明没有谱的区别。

近红外光谱谱图的光谱带作业4 (b)与提供的木材和木材成分的光谱Schwanninger [23]。平均峰值频谱图4 (b)自然图像的像素相关经验丰富的和非烘干样品和描述在表吗2。

PC2相关地区的自然经验丰富的和非烘干标本红色箭头在图所示4提出了二维图像,如图5。这是证实没有区别自然经验丰富的和非烘干的木制表面。

PC1和PC2描述数据变异的98.3%。的轮廓2 d图像和加载情节PC2图所示6。PC2由变化在1972 nm和2135 nm波长区域。高峰在1972海里与木材表面水分含量的变化。在C 2135海里对应于峰值_{基于“增大化现实”技术}- h拉伸和C = C拉伸木素和抽提和碳氢键拉伸和C = O拉伸的乙酰基半纤维素(23]。这些山峰可以用于多元校正之间的差别自然风干/非烘干木材和热改性木材。PC2分数中的红色区域由一个红色圆圈图如图所示4(一)有关小红色区域在图吗5由于节的存在。

的平均频谱ThermoD表面图的红色区域6(一)呈现在图7。推荐的光谱信号的详细解释Schwanninger已经从Wokman结合建议和韦24),表中描述3。

表面的平均频谱被真菌污染提出了绿线在图8。的频谱fungal-attacked表面没有很大区别的平均频谱自然经验丰富的和非烘干样品(图8)。

最大的地区差异最小的预处理光谱观察在波长1100 - 1200纳米区域和超过1650海里(数字7和8)。地区约1695和1744海里的吸收更大的图7比图8和可能与抽提。

在先前的研究中,结果表明,低分了糖和脂肪/树脂酸化合物迁移到自然经验丰富的和非烘干表面(25]。众所周知,化合物是退化,形成新的化合物如抽提/苯酚在热修改(26]。在目前的研究中,是不可能区分信号fungal-attacked木的nonattacked木材,由于无法确定真菌物种污染物质和分配乐队多糖矩阵。

判别分析的四种不同表面的热改性标本(b, c, d, e图3)执行,结果如图9。最大的差异化策划和rip-cut表面之间的被发现,但相当明显的歧视还发现两个热之间的修改过程。的分数阴谋PC1和PC4显示了表面(图一个明确的区分9(一个)),模型系数PC1和PC4表明波长最强的歧视,但他们不给答案没有进一步分析。该模型显示高R(解释变异)问(预测变化)的值(分别为0.99和0.77),表明一个明确的PC4的近红外光谱谱图的差异9。在2100纳米波长带(箭头在图9 (b))是特别有趣,可能与聚合物拉伸的C = oo (23),这可能与水解乙酰基挥发性羧酸(27]。

研究表面有一个异构的化学性质由于树生长因子和锯模式和因为干燥和热修改。除了木头多样性和处理因素,生物污染物的环境也可能影响木材表面的化学性质,但这种影响是建议未成年人对这项研究的结果的影响。

4所示。结论

使用高光谱成像和多变量分析可以区分(a)欧洲赤松木材表面热改性过程,从两个不同的(b) rip-cut表面从策划表面,和(c)表面的木材热从自然经验丰富的和非烘干木材表面改性。然而,并不是可以区分自然经验丰富的和非烘干的表面。

区域具有高吸光度与木材相关部件,如木质素,纤维素,半纤维素与酚醛组织抽提和脂肪族碳氢化合物。乐队差异相关峰值在2148 nm获得从PCA模型被发现是有用的自然之间的多元校正经验丰富的和非烘干木材和热改性木材。

热改性木材的PLS-DA显示最大的差异化策划木材表面和rip-cut表面和一个相当明确的两个热过程之间的歧视。乐队在2100 nm波长显示最大的区别,可能对应于C = oo的乙酰基的聚合物拉伸。

高光谱成像结合简单操作软件打开大不同加工木质表面的机会。适当的校准和预测模型的发展,然而,主要木材组件描述变化需要化学分析为了从实验室规模的实际实现。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有关于这篇文章的出版的利益冲突。

确认

作者要感谢北木材、谢莱夫特奥、瑞典;HeatWood AB、Hudiksvall、瑞典;和Carl-Johan Stenvall Arvidsjaur,瑞典,提供测试材料。欧洲区域发展基金的支持下,县Vasterbotten管理局,谢莱夫特奥市,和木材中心北大大赞赏和承认。此外,作者希望表达他们的感谢FP1407成本的支持行动。作者感谢教授保罗•Geladi SLU,同居,瑞典,实验光谱成像技术援助和富有成果的讨论。这项工作得到了瑞典研究理事会对环境农业科学和空间规划(简称FORMAS)(项目项目942-2016-64、2016和419年,2017年)。

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