玉米秸稈皮材料特性及其制板工藝研究.pdf

1、中國是農業(yè)大國，玉米秸稈資源十分豐富，但利用附加值較低。基于玉米秸稈中皮、穰、葉等不同組分的化學成分的顯著差異，且玉米秸稈皮是玉米秸稈的主要組成部分，其干物質占玉米秸稈干物質總質量的60％以上，機械強度高，其含有豐富的木質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。玉米秸稈皮是一種非均質材料，存在顯著的各向異性和變異性，玉米秸稈皮表皮層含有SiO2復合材料嚴重影響玉米秸稈皮的膠合性能；國內外主要利用粉碎的玉米秸稈皮或混合木質纖維

2、為原料生產板材，原料需要進一步除雜，材料處理工序復雜且成本較高。為此，本文利用玉米秸稈皮穰葉分離機獲得完整的玉米秸稈皮，圍繞玉米秸稈皮的生物特性、力學特性、表面潤濕性、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展了研究，主要內容及其結論如下：
　?。?）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構、元素成分、化學成分及其纖維形態(tài)特征參數。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胞經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。
　　（2）研究了玉米秸稈皮的力學特性。為分析制板成型過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因素進行壓縮試驗，建立了玉米秸稈皮最大壓縮力的二次多元回歸模型；結果表明，各試驗因素對玉米秸稈皮最大壓縮力都有極顯著影響，各試驗因素對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；采用頻數分析法對試驗結果進行優(yōu)化，結果顯示，在試驗因

5、素水平值范圍內，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，在此試驗因素參數組合范圍內，將玉米秸稈皮壓縮到密度為0.610g/cm3時，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特性的相關性，玉米秸稈皮力學特性與其纖維長寬比、壁腔比等纖維形態(tài)特征參數存在相關關系，徑向抗拉強度與纖維壁腔比相關，軸向抗拉強度與纖維長寬比和纖維壁腔

6、比都相關，而軸向抗剪強度與纖維壁腔比相關。
　?。?）研究了玉米秸稈皮表面潤濕性、熱穩(wěn)定性及其膠接機理。玉米秸稈皮表皮層去除前后，不同取樣高度之間的表面潤濕性能、化學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濕性能；玉米秸稈皮表皮層去除前，C、Si元素質量分數的變化對其表面潤濕性起主導作用，脂肪類、硅化物等疏水性物質使玉米秸稈皮表面的親水性減弱。表皮層去除后，Si元素、抽提物的質量分數降低，半纖維素的質量分數對玉米

7、秸稈皮表面潤濕性起到了決定作用。通過熱穩(wěn)定性分析得出，熱壓溫度選取范圍應小于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，兩個最大失重點的溫度分別為299℃和344℃，在兩個最大失重點熱解成分主要是小分子的CO2、CO、H2O和鯊烯、乙酸、糠醛、糠酯、苯酚等有機物質。通過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膠粘劑緊密粘合在一起；板材分層現象的出現主要是由于水分、空氣的作用對膠接產生妨礙，在玉米秸稈皮凹凸表面形成了弱界面層。
　?。?）研究了完整玉米秸稈皮制備及其表皮層去除的方法。利用自行設計的玉米秸稈皮穰葉分離機獲得了完整玉米秸稈皮，在剝穰輥轉速為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%。通過機械磨削法和NaOH溶液水浴處理兩種方法去除玉米秸稈皮表皮層，結果發(fā)現，利用機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性能，且受到

10、溶液濃度、水浴溫度和水浴時間的影響；在NaOH溶液濃度為9%、水浴溫度為80℃、水浴時間為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上，提出了完整玉米秸稈皮層積材和復合板兩種不同類型板材的制備工藝。通過對完整玉米秸稈皮層積材和完整玉米秸稈皮復合板的進行制備試驗和板材性能分析，研究發(fā)

11、現，將表皮層碎料用于玉米秸稈皮復合板的表層，能夠顯著改善板材的物理性能（p＜0.01）；玉米秸稈皮層積材、復合板等板材物理力學性能受到玉米秸稈皮生理特性內在因素，以及施膠量、熱壓溫度和熱壓時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為：取樣高度為根部、施膠量為12%、熱壓溫度為150℃、熱壓時間為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性能達到了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；在熱壓溫度為150℃、熱壓時間為6min時，玉米秸稈皮層積材的物理力學性能較好，但隨著熱壓時間的增大，TS2h、WA2h等物理性能指標卻逐漸增大，其防水性能變差；