我國農(nóng)作物秸稈人造板研究現(xiàn)狀

我國農(nóng)作物秸稈人造板研究現(xiàn)狀

1農(nóng)作物秸稈人造板的研究環(huán)境和發(fā)展是21世紀(jì)世界的兩個主要主題。我國森林資源短缺,木材供應(yīng)緊張。要以不足世界5%的森林資源,滿足占世界22%人口的木材需求,同時還要保障世界7%耕地的糧食安全,任務(wù)十分艱巨。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境、造福子孫后代,國家啟動了天然林保護(hù)工程,許多地區(qū)實(shí)行了禁伐。但是,國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民群眾生活對木材的需求量卻不斷上升。解決這一矛盾的途徑有4條:大力發(fā)展人工速生林;適度擴(kuò)大木材進(jìn)口;通過科技進(jìn)步提高木材加工水平,包括廢舊木材回收利用;尋找木材原料的替代品。許多科技人員認(rèn)為,第四條途徑對緩解我國木材供不應(yīng)求的矛盾更具現(xiàn)實(shí)意義。大量研究試驗(yàn)已證明,農(nóng)作物秸稈是一種理想的木材原料替代品。我國是農(nóng)業(yè)大國。據(jù)統(tǒng)計,每年產(chǎn)生的秸稈總量約7×108t,其中60%為稻/麥秸稈。目前已有的利用途徑有:秸稈還田(約占20%);能源(沼氣、發(fā)電、固體燃料棒,約占15%～20%);建筑材料、造紙原料和各種添加劑等(約占15%)。尚有占總量一半的秸稈未找到出路。每到收獲季節(jié),秸稈被焚燒或推入河塘,構(gòu)成了對社會和環(huán)境的危害。探索一種既可以大量消耗農(nóng)作物秸稈又可以獲得良好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的應(yīng)用模式,已成為一個熱門課題。我國秸稈人造板的研究起步較晚,始于20世紀(jì)70年代,但進(jìn)展迅速。已成功開發(fā)出麥秸刨花板、中密度稻草板、麥秸纖維板、草/木復(fù)合中密度纖維板、軟質(zhì)秸稈板、輕質(zhì)復(fù)合墻體材料、秸稈炭、秸稈/塑料復(fù)合材料等多種秸稈產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代末期開始進(jìn)行麥/稻秸稈人造板的工業(yè)化生產(chǎn)。截至目前,我國秸稈板產(chǎn)能已達(dá)50×104m3/a,品種包含中密度稻草板、草/木復(fù)合中密度纖維板、秸稈/塑料復(fù)合材料和定向秸稈板等。生產(chǎn)線主要分布在江蘇、湖北、四川、山東和陜西等地區(qū)。通過自主技術(shù)創(chuàng)新以及對國外技術(shù)的消化吸收,我國已取得了1.5×104m3/a,5×104m3/a和8×104m3/a秸稈人造板成套生產(chǎn)線(包括工藝和設(shè)備)的自主知識產(chǎn)權(quán),可提供相應(yīng)規(guī)模的成套設(shè)備,初步形成了我國農(nóng)作物秸稈人造板新興產(chǎn)業(yè)。2各秸稈覆蓋低碳經(jīng)濟(jì)技術(shù)或有機(jī)肥果秸稈或或高果秸稈覆蓋技術(shù)農(nóng)作物秸稈分兩大類:糧食作物秸稈(麥秸、稻秸、玉米秸稈和高粱秸稈等)和經(jīng)濟(jì)作物秸稈(棉稈、麻稈、蓖麻稈、蘆葦稈、豆秸和油菜籽稈等)。與木材原料相比,秸稈原料在細(xì)胞構(gòu)成、化學(xué)組成、纖維形態(tài)、表面官能團(tuán)和潤濕性方面都存在著較大的差異。2.1原料纖維細(xì)胞含量從表1可知,秸稈原料除麻稈和棉稈纖維細(xì)胞含量與闊葉材接近外,其他原料纖維細(xì)胞含量相對較低,雜細(xì)胞含量較高。纖維細(xì)胞含量是決定原料能否在中密度纖維板生產(chǎn)中應(yīng)用的先決條件,至少應(yīng)達(dá)到30%以上。2.2秸稈原料的確定原料的化學(xué)組成是評價原料質(zhì)量的重要指標(biāo),也是制定生產(chǎn)工藝的重要依據(jù)。通常,原料的纖維素含量高,纖維得率高,強(qiáng)度好,有利于保證產(chǎn)品強(qiáng)度性能。木素含量高的原料,蒸煮軟化較困難;抽提物含量高對纖維分離、施膠乃至熱壓膠合都有不同程度的負(fù)面影響;灰分含量高易造成粉塵污染;糖分含量高的原料,其制品易發(fā)霉變質(zhì)。從表2中可知,秸稈原料與木材相比,纖維素含量相對較低,其中以稻麥秸最低?；曳?、抽提物和糖分含量相對較高。2.3秸稈原料的選擇纖維的形態(tài)包括長度、寬度、長寬比和壁腔比等,是衡量原料質(zhì)量的又一重要指標(biāo)。長寬比大,纖維細(xì)長,有利于纖維間的交織。壁腔比越小,纖維可壓縮性越好。從表3可知:秸稈原料中棉稈、蓖麻稈和甘蔗渣的纖維較長,接近于針葉材,甚至比之更長。其他草類原料的纖維較短。蓖麻稈和甘蔗渣纖維細(xì)胞的壁腔比較小,是較理想的人造板生產(chǎn)原料。2.4化合物結(jié)構(gòu)的物理表征利用紅外光譜分析秸稈表面的官能團(tuán),結(jié)果如圖1所示。根據(jù)纖維素和木質(zhì)素紅外光譜的歸屬結(jié)果,稻草秸稈及稻草纖維表面紅外光譜的歸屬特征可歸納為:a.波數(shù)3640～3200cm-1為—OH伸縮振動峰。一般含—OH的化合物通常在3640～2500cm-1范圍內(nèi)有一個或數(shù)個峰。隨化合物結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)不同,峰位置與峰形都呈現(xiàn)規(guī)律的變化,游離的—OH基伸縮振動峰出現(xiàn)在3640～3610cm-1時呈尖峰;b.波數(shù)2930～2910cm-1為甲基(—CH3)與亞甲基(—CH2)的對稱伸縮或反對稱伸縮峰;c.波數(shù)1600～1200cm-1范圍存在系列光譜吸收峰,為糖類物質(zhì)特征峰;d.波數(shù)1000～1240cm-1范圍為C—O和C—C基團(tuán)特征峰,而有機(jī)硅化物的—O—Si—O—基團(tuán)特征峰也在此范圍。此外,對比稻草秸稈內(nèi)外表面的紅外光譜可知,稻草秸稈內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)以C—H與C—O為主體,并含有一定量的氧化硅,形成了以糖類物質(zhì)為骨架并摻雜硅類有機(jī)物的封閉層,但內(nèi)表面的活性官能團(tuán)數(shù)量比外表面多,反應(yīng)活性優(yōu)于外表面。2.5秸稈原料的影響從膠黏劑潤濕的熱力學(xué)條件可知,液體對被膠接物表面的接觸角及表面張力可以反映出膠黏劑對該物體的潤濕性。從表4可知:與柳安及意楊相比,UF以及MDI-UF混合膠液對麥秸表面的潤濕性能較差(接觸角較大);MDI對麥秸和柳安及意楊單板的潤濕性能相似;MDI與UF相比,前者對麥秸有較好的潤濕性能。由于麥秸表面蠟質(zhì)含量較高,會阻礙水溶性UF的滲透,所以宏觀上表現(xiàn)為UF對其表面的接觸角較大。而MDI是一種反應(yīng)型的膠黏劑,能與麥秸及木材表面的—OH,—COOH等活性基團(tuán)反應(yīng),而且在反應(yīng)前MDI以小分子狀態(tài)存在,很容易滲入麥秸表面。綜上所述,與木材相比,秸稈原料存在以下兩個顯著的特點(diǎn):a.秸稈細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)組分與木材不盡相同;b.秸稈表面多含有不利于膠合的物質(zhì)。因此,與木質(zhì)人造板相比,秸稈人造板生產(chǎn)技術(shù)存在以下兩大難點(diǎn):a.采用傳統(tǒng)的辦法進(jìn)行物料破碎或纖維分離,得率低,形態(tài)差,影響了產(chǎn)品的物理力學(xué)性能;b.采用傳統(tǒng)的脲醛樹脂或酚醛樹脂膠,難以得到滿意的膠合強(qiáng)度(尤其是內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度)。3制板工藝3.1麥秸表面預(yù)處理對處理效果的影響大部分秸稈表面富含一種脲醛膠黏劑難以潤濕的蠟狀物質(zhì),并集中了大量硅元素,給膠黏劑的潤濕及膠合固化帶來了很大的困難?？萍既藛T一直在試圖通過人工處理來改變秸稈表面的特性。現(xiàn)已經(jīng)見諸報導(dǎo)的方法有水熱處理法、生物處理法、機(jī)械處理法、化學(xué)處理法以及等離子體處理法。以上處理方法的主要機(jī)理在于:通過上述處理,消除秸稈表面的難膠合物質(zhì),激化表面物質(zhì)活性,分散不利于膠合的物質(zhì),改變影響膠合的官能團(tuán)的數(shù)量和分布。稻、麥秸稈機(jī)械粉碎均能保存完整的表面形貌,且稻草比麥秸更易機(jī)械破碎。紅外光譜分析表明(見圖2):經(jīng)機(jī)械粉碎后稻草外表面纖維素和木質(zhì)素特征峰均非常微弱,尤其是3200cm-1附近的羥基峰幾乎不可見;電子自旋共振波譜(ESR)分析表明:兩種碎料的自由基均明顯高于其相應(yīng)的秸稈,在溫度為100～200℃范圍內(nèi),隨著溫度升高,表面自由基強(qiáng)度明顯增加。經(jīng)過機(jī)械粉碎的麥秸碎料表面自由能要高于稻草碎料,而麥秸表面自由能高于稻草。使用6%異氰酸酯作為膠黏劑生產(chǎn)的兩種秸稈碎料板性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)(GB4897.3-2003)的要求,且麥秸碎料板的性能更佳。麥秸經(jīng)過水熱處理后,紅外光譜分析表明(圖3):麥秸外表面1070cm-1和800cm-1處的FTIR譜峰沒有減弱,表明SiO2不能被水熱處理去除;1733cm-1峰略有減少,羥基峰(3300cm-1)略有增加,說明脂肪類物質(zhì)有少量溶出;在1700～1300cm-1波數(shù)范圍內(nèi),顯現(xiàn)出系列小峰(1637cm-1,1580cm-1,1537cm-1,1465cm-1,1418cm-1,1367cm-1),據(jù)分析,應(yīng)為簡單碳水化合物的溶出,使木素、纖維素類物質(zhì)暴露出來所致。熱處理時間對處理效果具有明顯的影響。此外,適度的NaOH水熱處理,可以同時去除碳水化合物、脂肪類物質(zhì)和SiO2等無機(jī)礦物質(zhì)。稻草經(jīng)微波處理后,紅外光譜分析表明(見圖4):稻草外表面SiO2特征峰沒有減弱,且在3360cm-1處的羥基以及木素和纖維素的特征峰處理前后也無顯著變化。但稻草內(nèi)表面在1070cm-1和800cm-1處的SiO2峰有了一定變化,隨著處理時間的延長,該峰略有減弱。而在3360cm-1處的羥基特征峰,處理前即比外表面明顯,經(jīng)微波處理后,隨著處理時間的延長羥基特征峰明顯增強(qiáng)。而且,木素(1595cm-1,1234cm-1)和纖維素(1430cm-1,1367cm-1,1317cm-1,1160cm-1,1034cm-1)的特征峰也有變化。另外,在稻草梢部內(nèi)表面經(jīng)微波處理后在1587cm-1,1307cm-1處出現(xiàn)了明顯的峰,這可能是稻草化學(xué)成分在微波處理過程中發(fā)生降解以后產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)?？梢?微波處理可以改善稻草內(nèi)表面的特性,使之比外表面更具活性,有利于稻草與膠黏劑之間的交聯(lián)。麥秸經(jīng)不同生物酶處理后,紅外光譜分析表明(見圖5):在3414～3433cm-1的—OH伸縮振動吸收光帶,3種生物酶預(yù)處理試樣的吸收值均有不同程度增加,其中以木聚糖酶處理樣的吸收值增幅最大,漆酶次之。而脂肪酶該處的吸收值略有提高。這是因?yàn)榻?jīng)木聚糖酶預(yù)處理時,木聚糖酶破壞了LCC連接,使得木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元酚羥基和Cβ,Cα位的醇羥基增加,同時木聚糖酶也能降解木聚糖生成有取代基和沒有取代基的較低級寡糖、木二糖和木單糖,因此糖分子上的羥基增多;漆酶預(yù)處理時也可以降解LCC中的木質(zhì)素,使得木素中紫丁香基結(jié)構(gòu)型O—H相對含量增多;同時也可能使脂肪醚鍵斷裂,使得醇羥基也略有增加。而脂肪酶的作用則是因?yàn)橹久焰I斷裂,引起醇羥基增加。纖維表面—OH的增加,有利于與脲醛樹脂膠黏劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成良好界面,提高板材物理力學(xué)性能。3.2秸稈原料制備工序秸稈人造板與木質(zhì)人造板生產(chǎn)工藝的重要區(qū)別之一在于原料單元制備的工藝和設(shè)備明顯不同。對秸稈原料來說,一般要經(jīng)過切草和分離兩道工序,最終得到足夠長度、理想的厚度和合適長細(xì)比的纖維狀和半纖維狀的原料單元。篩分值在20～80目之間的原料單元占主體。當(dāng)然,為了改善板材表面質(zhì)量,或者根據(jù)用隔離法解決異氰酸酯膠黏劑黏板的需要,在原料單元中保持一定的細(xì)料含量是必要的。試驗(yàn)表明,秸稈原料制備工序除了希望盡可能地去除表面脂肪類物質(zhì)和二氧化硅外,還要求獲得理想的單元形態(tài)和得率,必須注意兩個關(guān)鍵問題:a.選用合適的設(shè)備。試驗(yàn)證明,傳統(tǒng)錘式再碎機(jī)不適于用來分離稻秸原料單元,因?yàn)樵摲椒ㄖ饕繘_擊作用破碎秸稈,會造成物料形態(tài)不均齊和細(xì)料過多。采用旋翼式破碎機(jī),并選擇控制好底篩網(wǎng)眼形狀和孔徑,能獲得良好效果;b.控制秸稈原料的含水率。工廠從農(nóng)民手中收購的稻秸含水率在15%～20%,在這種含水率下加工會影響原料單元形態(tài)和得率。如果將含水率提升到30%～40%,將會收到很好的效果。3.3物料含水率的影響秸稈單元與木質(zhì)碎料干燥相比,有下列特點(diǎn):a.異氰酸酯在固化時將消耗部分水,物料可以在較高含水率情況下完成工藝動作,一般干燥后的物料含水率可以控制在5%～10%;b.進(jìn)廠的稻秸含水率一般在15%～20%,在切草工序后由于增加了濕熱處理,使物料含水率升高到35%～40%,但水分儲存的部位與木材不盡相同,相當(dāng)部分凝聚于表面或物料界面交接層,水分易于除去;c.秸稈原料單元本身形態(tài)已經(jīng)高度細(xì)化,在干燥過程中,不存在因機(jī)械碰撞而導(dǎo)致形態(tài)受到損害的危險,傳熱方式可以包括接觸式傳熱和對流傳熱等。3.4提高混合劑用量由于制造秸稈人造板時,異氰酸酯施膠量較小,而秸稈原料單元的表面積很大,如何實(shí)現(xiàn)稻秸單元的高效均勻著膠,是一個重大技術(shù)難題。可以從以下3個方面入手:a.設(shè)法增大膠黏劑本身體積和覆蓋效率,提高秸稈原料單元單位表面的著膠率。對水溶性異氰酸酯膠黏劑來說,可加入一定比例水,或者混加防水劑乳液,增加膠黏劑體積噴灑總量。借助膠粒點(diǎn)焊膠合理論,用高度霧化壓力噴射系統(tǒng),大幅度提高單位稻秸物料表面積上可接受的膠黏劑霧化粒子數(shù)量,從而達(dá)到提高膠合效果的目的;b.有效提高物料摩擦強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)膠黏劑在物料間的有效傳遞,要求拌膠槳有足夠的旋轉(zhuǎn)速度,物料之間實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈攪拌和摩擦,但為了防止膠黏劑的預(yù)固化,拌膠機(jī)須配備水冷系統(tǒng);c.增加物料在拌膠機(jī)中的停留時間。筆者提出了采用加長拌膠機(jī)的思路,即對現(xiàn)有環(huán)式拌膠機(jī)結(jié)構(gòu)不作大的改動,攪拌槳轉(zhuǎn)速保持不變,甚至反而有所下降,使攪拌區(qū)工作長度增加一倍,也可以做成兩臺拌膠機(jī)串聯(lián)。為了改善稻秸人造板的性能拌膠時有時還需加入阻燃劑、防霉劑和其他添加劑,使用加長拌膠機(jī)也為上述化學(xué)藥劑的有效加入創(chuàng)造了條件。3.5鋪裝方法對鋪裝系統(tǒng)的影響氣流鋪裝、分級式機(jī)械鋪裝和拋輥式機(jī)械鋪裝等方式均可以用于秸稈人造板的鋪裝。由于不希望板子端面形成明顯的表層最細(xì)、芯層最粗的漸變結(jié)構(gòu)特征,所以不推薦使用氣流鋪裝。基于秸稈原料單元已經(jīng)很細(xì)小,如采用氣流法鋪裝則要求密封防塵系統(tǒng)相當(dāng)完善。若用拋輥式方法,則要求針輥間隔要非?？茖W(xué)合理,以防止有一部分碎料未受到針輥拋撒作用而直接下落。經(jīng)過綜合平衡,推薦采用分級式鋪裝系統(tǒng)或其他機(jī)械式鋪裝方法。在具體實(shí)施時,要根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)量、物料形態(tài)以及對板子端面特征的要求,合理調(diào)整分級輥轉(zhuǎn)速、間距以及其他工作參數(shù)。根據(jù)對分級式鋪裝系統(tǒng)的使用實(shí)踐,應(yīng)當(dāng)注意到秸稈中硅含量偏高可能對分級拋輥造成的嚴(yán)重磨損現(xiàn)象,以及拋輥產(chǎn)生磨損后可能會給鋪裝效果造成的影響。工業(yè)化試驗(yàn)表明,秸稈原料單元的板坯鋪裝厚度與板子熱壓后的公稱厚度比大約是10∶1。板坯預(yù)壓回彈后,厚度大約可壓縮30%～40%。板坯壓縮性與預(yù)壓壓力關(guān)系不如木質(zhì)原料密切。施過異氰酸酯膠的稻秸單元鋪裝成板坯再經(jīng)預(yù)壓后,并不能像木質(zhì)刨花板板坯或木質(zhì)中密度纖維板板坯那樣形成一定的初強(qiáng)度,以保證板坯在機(jī)械運(yùn)輸時或直接用無墊板裝板過程中不發(fā)生松坯或散坯現(xiàn)象。這一點(diǎn)對于采用何種板坯運(yùn)輸方式和何種板坯熱壓進(jìn)料系統(tǒng)都有非常重要的關(guān)系。試驗(yàn)證明,用現(xiàn)行機(jī)械破碎方式制備的麥秸或稻秸碎料,施加異氰酸酯后鋪裝而成的板坯,即使經(jīng)過充分預(yù)壓,其初強(qiáng)度仍不能滿足無墊板輸送的最低要求。因此,不論采用何種形式的熱壓機(jī),以異氰酸酯為膠黏劑的麥秸或稻秸人造板生產(chǎn)線都不宜采用無墊板鋪裝熱壓系統(tǒng)。3.6秸稈人造板熱壓時間的優(yōu)化技術(shù)由于秸稈的導(dǎo)熱系數(shù)比木材低,傳熱速率慢,秸稈本身密度比木材低得多,導(dǎo)致秸稈人造板的熱壓時間要比同樣條件下(比如板子密度、厚度均相同)的木質(zhì)刨花板或木質(zhì)中密度纖維板長得多。以15mm厚的板材為例,施加脲醛樹脂的木質(zhì)人造板需熱壓5min左右,而施加異氰酸酯的稻秸人造板熱壓時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5min,幾乎相當(dāng)于木質(zhì)人造板的兩倍。為了縮短秸稈人造板的熱壓時間,可以考慮從以下幾個方面入手:a.對板坯進(jìn)行汽擊法處理;b.附加諸如高頻、微波等特殊加熱方式;c.添加固化促進(jìn)劑。此外,由于熱壓時秸稈人造板板坯內(nèi)部水蒸氣排泄要比木質(zhì)原料板坯困難,鼓泡、分層或炸板等熱壓缺陷也相對更容易發(fā)生。尤其對高密度板和特厚板更是如此,構(gòu)成了稻秸人造板熱壓技術(shù)難題。筆者建議,在配套手段不具備的前提下,盡可能不要采用寬幅面熱壓機(jī)。對于單層熱壓機(jī)來說,最好能設(shè)置真空降壓系統(tǒng)。無論采用何種壓機(jī),須設(shè)計好熱壓曲線,對溫度、壓力和時間進(jìn)行優(yōu)化。筆者認(rèn)為,無論從哪個方面講,選用連續(xù)壓機(jī)生產(chǎn)秸稈人造板是最好不過的,可以遵照稻秸稈板坯的特點(diǎn),在動態(tài)溫度場下對板坯加壓和排汽進(jìn)行優(yōu)化控制,以保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。應(yīng)用我國自己研制的農(nóng)作物秸稈(主要指稻麥秸稈)制造技術(shù)生產(chǎn)的人造板產(chǎn)品其物理力學(xué)性能滿足國家麥(稻)秸稈刨花板標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21723-2008)的要求。產(chǎn)品被用于家具制造、室內(nèi)裝修和包裝運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè),逐步受到廣大消費(fèi)者的認(rèn)可。4農(nóng)作物秸稈作為材料工業(yè)原料的可行性用農(nóng)作物秸稈替代木材原料和傳統(tǒng)墻體材料,有助于貫徹落實(shí)天然林保護(hù)政策,實(shí)現(xiàn)我國林業(yè)和林業(yè)工程的可持續(xù)發(fā)展,緩解我國木材原料供應(yīng)不足的矛盾和控制燒磚毀田,農(nóng)作物秸稈利用