農(nóng)作物秸稈板材的制備及其自膠合機(jī)理的研究.pdf

1、本文使用當(dāng)年玉米秸稈、當(dāng)年油菜秸稈和隔年油菜秸稈三種原材料，通過濕法工藝制備無任何添加的純生物質(zhì)板，借助X射線衍射儀、熱重儀、紅外光譜儀等技術(shù)研究成板過程中的自膠合機(jī)理，并使用DFT技術(shù)研究了微觀上熱壓壓強(qiáng)和溫度對氫鍵和共價鍵結(jié)合的影響，具體結(jié)論如下：
　　(1)玉米秸稈的抽提物含量、木素含量和聚戊糖含量高于油菜秸稈，但是綜纖維素和纖維素含量低于油菜秸稈。兩種秸稈材料的纖維素和木素含量略低于木材，聚戊糖含量略高于木材。陳秸稈的苯醇

2、抽提物含量高于新秸稈，但是半纖維素、木素和纖維素含量低于新秸稈，說明經(jīng)過一年的儲存，油菜秸稈的三大主要成分都發(fā)生了降解，降解生成的小分子單糖使得秸稈的苯醇抽提物含量上升。油菜秸稈和玉米秸稈的纖維多分布在0.5mm～1mm,油菜秸稈纖維的平均長度為1.4mm,玉米秸稈纖維的平均長度為1.14mm，能達(dá)到部分木材的纖維長度的水平。油菜秸稈纖維的長寬比為51，玉米秸稈纖維的長寬比為80，能達(dá)到部分木材的指標(biāo)，玉米秸稈甚至高于部分木材的指標(biāo)。<

3、br>　　從化學(xué)成份和纖維形態(tài)來分析，油菜秸稈和玉米秸稈可以替代木材用作造板材料。從纖維含量和纖維長度來說，油菜秸稈的更適合用于板材制造。
　　(2)通過浸泡-磨解-消潛-熱壓四個步驟生產(chǎn)板材獲得成功。對玉米和油菜兩種秸稈板材來說，密度范圍都在0.93g/cm3～1.15g/cm3，達(dá)到了JIS標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)板水平。制作工藝條件相同的新油菜秸稈板材比陳油菜秸稈板材的密度大。兩種秸稈板材的含水率相差不大：熱壓溫度為110℃時，板材含水率

4、在7％～8%，熱壓溫度在130℃～190℃變化時，板材含水率保持在4%左右。熱壓壓力由2MPa升高到6.5MPa時，玉米秸稈板材和油菜秸稈板材的密度隨著壓力的升高而升高，壓力繼續(xù)升高到8MPa時，板材密度變化不大。
　　制得的油菜秸稈板材的抗彎強(qiáng)度為32.87MPa～55.41MPa，抗拉強(qiáng)度為16.72MPa～29.45 MPa，滿足JIS標(biāo)準(zhǔn)的30號板材的要求。玉米秸稈板材的抗彎強(qiáng)度為22.90 MPa～49.33MPa，抗拉

5、強(qiáng)度為20.77MPa～33.31 MPa，滿足JIS標(biāo)準(zhǔn)的15號板材的要求。油菜秸稈板材的抗彎強(qiáng)度大于玉米秸稈板材，玉米秸稈板材的抗拉強(qiáng)度大于油菜秸稈板材。對于油菜秸稈板材和玉米秸稈板材，熱壓壓力在升到6.5MPa以前，抗彎強(qiáng)度隨著壓力的升高而增加；超過6.5MPa以后，抗彎強(qiáng)度隨壓力變化不明顯，這跟密度隨熱壓條件變化的趨勢一致。對于玉米秸稈板材，熱壓溫度為150℃時候，抗拉強(qiáng)度較別的溫度熱壓板材的抗拉強(qiáng)度大。溫度為110℃的熱壓條件

6、時，陳秸稈的抗彎強(qiáng)度（28MPa）遠(yuǎn)小于新秸稈的抗彎強(qiáng)度（55.4 MPa）。隨著溫度的升高，兩種秸稈的抗彎強(qiáng)度非常接近，說明適當(dāng)?shù)脑黾訜釅簻囟龋ㄗ罴褳?50℃），陳秸稈板材的力學(xué)性能有很大的提高。
　　通過本文實驗可以發(fā)現(xiàn)：板材密度、熱壓壓力與板材的抗彎強(qiáng)度有很強(qiáng)的相關(guān)性；對玉米和油菜兩秸稈來說，最佳的工藝參數(shù)為熱壓溫度150℃，熱壓壓力為6.5MPa；陳秸稈雖然化學(xué)成份發(fā)生變化對成板不利，但是適當(dāng)?shù)奶岣邿釅簻囟?，制作的板材可?/p>

7、達(dá)到新秸稈制作的板材機(jī)械強(qiáng)度。
　　(3)熱壓前后，兩種當(dāng)年秸稈板材的半纖維素和纖維素含量均有所降低，而苯醇抽提物含量和木質(zhì)素含量均有所上升。說明半纖維素在壓板過程發(fā)生了少量降解，半纖維素降解的產(chǎn)物糠醛和糠醇會與木素發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于苯醇的木質(zhì)素膠。
　　對油菜秸稈板材，熱壓溫度在170℃和190℃板材比熱壓溫度在110℃、130℃和150℃板材第二階段初始的熱解溫度提前，可能由于半纖維素于170℃分解生成低分子糖類，導(dǎo)致

8、熱解變易。對玉米秸稈板材，溫度在150℃、170℃和190℃板材比熱壓溫度在110℃和130℃板材第二階段初始的熱解溫度提前，可能由于半纖維素于170℃分解生成低分子糖類，導(dǎo)致熱解變易。6.5MPa以前，隨著制板壓力的增加，失重率減少，6.5MP以后，制板壓力的變化對板材的失重率影響不大，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加熱壓壓力可以增加秸稈材料分子間和分子內(nèi)的結(jié)合的強(qiáng)度。
　　不同熱壓條件油菜秸稈板材的結(jié)晶度變化范圍為：0.57～0.63，玉米秸稈板

9、材的結(jié)晶度變化范圍為：0.56～0.60。熱壓壓力條件從2MPa上升到5MPa時壓制的板材結(jié)晶度略大于6.5MPa和8MPa，這說明過高的壓力可能會使得原有的纖維素結(jié)晶區(qū)受到一定的破壞，反而板材的結(jié)晶度會有所下降
　　對兩種當(dāng)年秸稈板材，熱壓壓力升高到6.5MPa以前，隨著壓力的增加，締合的氫鍵增多。對于油菜秸稈板材，熱壓溫度達(dá)到170℃以上，半纖維素特征峰(羰基,1730cm-1）強(qiáng)度吸收峰強(qiáng)度增加，說明到達(dá)這個溫度后，半纖維開

10、始水解；對于玉米秸稈板材，熱壓溫度達(dá)到150℃以上，半纖維素特征峰強(qiáng)度吸收峰強(qiáng)度增加，也說明到達(dá)這個溫度后，半纖維開始水解。隨著溫度的增加，半縮醛的C—O伸縮振動吸收峰強(qiáng)度變小，這表明在水和熱的共同作用下，木質(zhì)素和纖維素分子中更多的羥基相互脫水形成了更多的C—O—C共價鍵。
　　借助X射線衍射儀、熱重儀、紅外光譜儀等技術(shù)研究對秸稈自膠合起主要作用的因素為：1.羥基締合氫鍵的數(shù)量；2.半纖維素水解的衍生物發(fā)生聚合反應(yīng)；3.木質(zhì)素在達(dá)

11、到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時候發(fā)生軟化[84]。
　　(4)隨著壓力的增加，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素不同位置的羥基相互形成氫鍵的反應(yīng)能逐漸變?。ㄆ渲心举|(zhì)素分子羥基締合氫鍵的△G最小）從宏觀上體現(xiàn)為成板力學(xué)強(qiáng)度高；同時隨著熱壓壓力的增加，羥基締合氫鍵的△G趨于收斂，說明過高的壓力對氫鍵結(jié)合是無用的?？紤]到當(dāng)溫度升高到半纖維素的水解溫度，半纖維素水解衍生物發(fā)生縮合反應(yīng)時的自由能，經(jīng)計算得到反應(yīng)能為負(fù)，說明形成的共價鍵穩(wěn)定性高于氫鍵。這也解釋了溫