玉米秸稈皮材料特性及其制板工藝研究.pdf

1、中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米秸稈資源十分豐富，但利用附加值較低?；谟衩捉斩捴衅ぁ?、葉等不同組分的化學(xué)成分的顯著差異，且玉米秸稈皮是玉米秸稈的主要組成部分，其干物質(zhì)占玉米秸稈干物質(zhì)總質(zhì)量的60％以上，機(jī)械強(qiáng)度高，其含有豐富的木質(zhì)素和與木材性能相近的纖維素，纖維形態(tài)特征與楊木相當(dāng)。玉米秸稈皮是一種非均質(zhì)材料，存在顯著的各向異性和變異性，玉米秸稈皮表皮層含有SiO2復(fù)合材料嚴(yán)重影響玉米秸稈皮的膠合性能；國(guó)內(nèi)外主要利用粉碎的玉米秸稈皮或混合木質(zhì)纖維

2、為原料生產(chǎn)板材，原料需要進(jìn)一步除雜，材料處理工序復(fù)雜且成本較高。為此，本文利用玉米秸稈皮穰葉分離機(jī)獲得完整的玉米秸稈皮，圍繞玉米秸稈皮的生物特性、力學(xué)特性、表面潤(rùn)濕性、熱穩(wěn)定性、膠合性能等材料特性，以及其表皮層的去除方法及制板工藝等方面開(kāi)展了研究，主要內(nèi)容及其結(jié)論如下：
　　（1）研究了玉米秸稈皮生物特性，得到了玉米秸稈皮的基本組織結(jié)構(gòu)、元素成分、化學(xué)成分及其纖維形態(tài)特征參數(shù)。玉米秸稈皮主要由表皮層和束狀組織組成，表皮層是不規(guī)則且

3、很薄的蠟質(zhì)層，厚度約0.04mm，其主要成分為SiO2；束狀組織主要由維管束和由纖維細(xì)胞經(jīng)木素和半纖維素粘合而成的纖維束組成，纖維束在近似垂直于玉米秸稈皮橫切面方向上緊密排列。玉米秸稈皮中所含化學(xué)成分與木材性能相近，其主要由C、O、Si等元素組成，還有少量的Mg、Cl、Ca、K、Fe、Cu、Zn等。與木材相比，玉米秸稈皮的纖維長(zhǎng)度較短，其平均值為1870μm；纖維寬度平均值為31.01μm，纖維壁厚度的平均值為4.59μm，纖維腔直徑的

4、平均值為6.55μm。
　?。?）研究了玉米秸稈皮的力學(xué)特性。為分析制板成型過(guò)程中玉米秸稈皮在高溫作用下的壓縮變形規(guī)律，選擇取樣高度、加熱溫度、加載速度和喂入量為試驗(yàn)因素進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，建立了玉米秸稈皮最大壓縮力的二次多元回歸模型；結(jié)果表明，各試驗(yàn)因素對(duì)玉米秸稈皮最大壓縮力都有極顯著影響，各試驗(yàn)因素對(duì)玉米秸稈皮最大壓縮力影響程度大小順序依次為：加熱溫度、取樣高度、喂入量、加載速度；采用頻數(shù)分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示，在試驗(yàn)因

5、素水平值范圍內(nèi)，玉米秸稈皮取樣高度宜中下部（第3節(jié)）、加熱溫度宜165~180℃、加載速度宜2.0~2.5mm/min、喂入量宜78~82g，在此試驗(yàn)因素參數(shù)組合范圍內(nèi)，將玉米秸稈皮壓縮到密度為0.610g/cm3時(shí)，玉米秸稈皮最大壓縮力小于100.9kN。研究了玉米秸稈皮生物特性與其力學(xué)特性的相關(guān)性，玉米秸稈皮力學(xué)特性與其纖維長(zhǎng)寬比、壁腔比等纖維形態(tài)特征參數(shù)存在相關(guān)關(guān)系，徑向抗拉強(qiáng)度與纖維壁腔比相關(guān)，軸向抗拉強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)寬比和纖維壁腔

6、比都相關(guān)，而軸向抗剪強(qiáng)度與纖維壁腔比相關(guān)。
　　（3）研究了玉米秸稈皮表面潤(rùn)濕性、熱穩(wěn)定性及其膠接機(jī)理。玉米秸稈皮表皮層去除前后，不同取樣高度之間的表面潤(rùn)濕性能、化學(xué)成分都存在明顯差異；去除表皮層，能夠提高玉米秸稈皮的表面潤(rùn)濕性能；玉米秸稈皮表皮層去除前，C、Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)其表面潤(rùn)濕性起主導(dǎo)作用，脂肪類、硅化物等疏水性物質(zhì)使玉米秸稈皮表面的親水性減弱。表皮層去除后，Si元素、抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)玉米

7、秸稈皮表面潤(rùn)濕性起到了決定作用。通過(guò)熱穩(wěn)定性分析得出，熱壓溫度選取范圍應(yīng)小于200℃，施膠后玉米秸稈皮有較好的熱穩(wěn)定性；在30~200℃溫度區(qū)間，施膠前玉米秸稈皮失重6.490%，施膠后玉米秸稈皮失重2.416%；在200~400℃溫度區(qū)間，施膠后玉米秸稈皮失重速率迅速增大，兩個(gè)最大失重點(diǎn)的溫度分別為299℃和344℃，在兩個(gè)最大失重點(diǎn)熱解成分主要是小分子的CO2、CO、H2O和鯊烯、乙酸、糠醛、糠酯、苯酚等有機(jī)物質(zhì)。通過(guò)FTIR分析，

8、從施膠后玉米秸稈皮和玉米秸稈皮膠合板破壞后的斷面的微觀形貌可以看出，膠粘劑填充在玉米秸稈皮表面凹槽和空隙中，在玉米秸稈皮表面形成膠釘，使玉米秸稈皮纖維通過(guò)膠粘劑緊密粘合在一起；板材分層現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于水分、空氣的作用對(duì)膠接產(chǎn)生妨礙，在玉米秸稈皮凹凸表面形成了弱界面層。
　　（4）研究了完整玉米秸稈皮制備及其表皮層去除的方法。利用自行設(shè)計(jì)的玉米秸稈皮穰葉分離機(jī)獲得了完整玉米秸稈皮，在剝穰輥轉(zhuǎn)速為1080r/min、剝穰刀與支持板

9、與之間的齒板間隙為1.8mm、剝穰刀片齒刃角為40°條件下，玉米秸稈皮穰葉分離機(jī)的除葉率在97%以上，穰剝凈率在95%以上，玉米秸稈皮完整率大于95%。通過(guò)機(jī)械磨削法和NaOH溶液水浴處理兩種方法去除玉米秸稈皮表皮層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用機(jī)械磨削方法處理玉米秸稈皮，其表皮層去除效果受到玉米秸稈皮含水率的影響，降低原料含水率能夠提高表皮層的去除效果；采用NaOH溶液水浴處理方法，能夠使玉米秸稈皮表皮層快速溶解，改變了玉米秸稈皮的力學(xué)性能，且受到

10、溶液濃度、水浴溫度和水浴時(shí)間的影響；在NaOH溶液濃度為9%、水浴溫度為80℃、水浴時(shí)間為90min條件下，Si脫除率為95.16%，處理后玉米秸稈皮的軸向抗拉強(qiáng)度平均值為91.47±3.15MPa。
　?。?）玉米秸稈皮制板工藝及其性能研究。在完整玉米秸稈皮表皮層去除方法研究的基礎(chǔ)上，提出了完整玉米秸稈皮層積材和復(fù)合板兩種不同類型板材的制備工藝。通過(guò)對(duì)完整玉米秸稈皮層積材和完整玉米秸稈皮復(fù)合板的進(jìn)行制備試驗(yàn)和板材性能分析，研究發(fā)

11、現(xiàn)，將表皮層碎料用于玉米秸稈皮復(fù)合板的表層，能夠顯著改善板材的物理性能（p＜0.01）；玉米秸稈皮層積材、復(fù)合板等板材物理力學(xué)性能受到玉米秸稈皮生理特性內(nèi)在因素，以及施膠量、熱壓溫度和熱壓時(shí)間等外在因素的影響；由穗位部及其以下的玉米秸稈皮制備的板材的性能，除IB外，均優(yōu)于穗位部以上位置的玉米秸稈皮制備的板材（p＜0.01）；制備玉米秸稈皮層積材最佳工藝參數(shù)為：取樣高度為根部、施膠量為12%、熱壓溫度為150℃、熱壓時(shí)間為6min，在此工

12、藝條件下，利用完整玉米秸稈皮制備的玉米秸稈皮層積材的力學(xué)性能達(dá)到了GB/T20241-2006《單板層積材》、LY/T1611-2003《地板基材用纖維板》的要求；隨著施膠量的增大，玉米秸稈皮層積材的MOR、MOE、IB顯著增大（p＜0.01），其TS2h、WA2h呈減小趨勢(shì)；在熱壓溫度為150℃、熱壓時(shí)間為6min時(shí)，玉米秸稈皮層積材的物理力學(xué)性能較好，但隨著熱壓時(shí)間的增大，TS2h、WA2h等物理性能指標(biāo)卻逐漸增大，其防水性能變差；