玉米秸秆皮材料特性及其制板工艺研究

中国是农业大国,玉米秸秆资源十分丰富,但利用附加值较低。基于玉米秸秆中皮、穰、叶等不同组分的化学成分的显著差异,且玉米秸秆皮是玉米秸秆的主要组成部分,其干物质占玉米秸秆干物质总质量的60%以上,机械强度高,其含有丰富的木质素和与木材性能相近的纤维素,纤维形态特征与杨木相当。玉米秸秆皮是一种非均质材料,存在显著的各向异性和变异性,玉米秸秆皮表皮层含有SiO2复合材料严重影响玉米秸秆皮的胶合性能;国内外主要利用粉碎的玉米秸秆皮或混合木质纤维为原料生产板材,原料需要进一步除杂,材料处理工序复杂且成本较高。为此,本文利用玉米秸秆皮穰叶分离机获得完整的玉米秸秆皮,围绕玉米秸秆皮的生物特性、力学特性、表面润湿性、热稳定性、胶合性能等材料特性,以及其表皮层的去除方法及制板工艺等方面开展了研究,主要内容及其结论如下:(1)研究了玉米秸秆皮生物特性,得到了玉米秸秆皮的基本组织结构、元素成分、化学成分及其纤维形态特征参数。玉米秸秆皮主要由表皮层和束状组织组成,表皮层是不规则且很薄的蜡质层,厚度约0.04 mm,其主要成分为SiO2;束状组织主要由维管束和由纤维细胞经木素和半纤维素粘合而成的纤维束组成,纤维束在近似垂直于玉米秸秆皮横切面方向上紧密排列。玉米秸秆皮中所含化学成分与木材性能相近,其主要由C、O、Si等元素组成,还有少量的Mg、Cl、Ca、K、Fe、Cu、Zn等。与木材相比,玉米秸秆皮的纤维长度较短,其平均值为1 870μm;纤维宽度平均值为31.01μm,纤维壁厚度的平均值为4.59μm,纤维腔直径的平均值为6.55μm。(2)研究了玉米秸秆皮的力学特性。为分析制板成型过程中玉米秸秆皮在高温作用下的压缩变形规律,选择取样高度、加热温度、加载速度和喂入量为试验因素进行压缩试验,建立了玉米秸秆皮最大压缩力的二次多元回归模型;结果表明,各试验因素对玉米秸秆皮最大压缩力都有极显著影响,各试验因素对玉米秸秆皮最大压缩力影响程度大小顺序依次为:加热温度、取样高度、喂入量、加载速度;采用频数分析法对试验结果进行优化,结果显示,在试验因素水平值范围内,玉米秸秆皮取样高度宜中下部(第3节)、加热温度宜165～180℃、加载速度宜2.0～2.5 mm/min、喂入量宜78～82 g,在此试验因素参数组合范围内,将玉米秸秆皮压缩到密度为0.610 g/cm3时,玉米秸秆皮最大压缩力小于100.9 kN。研究了玉米秸秆皮生物特性与其力学特性的相关性,玉米秸秆皮力学特性与其纤维长宽比、壁腔比等纤维形态特征参数存在相关关系,径向抗拉强度与纤维壁腔比相关,轴向抗拉强度与纤维长宽比和纤维壁腔比都相关,而轴向抗剪强度与纤维壁腔比相关。(3)研究了玉米秸秆皮表面润湿性、热稳定性及其胶接机理。玉米秸秆皮表皮层去除前后,不同取样高度之间的表面润湿性能、化学成分都存在明显差异;去除表皮层,能够提高玉米秸秆皮的表面润湿性能;玉米秸秆皮表皮层去除前,C、Si元素质量分数的变化对其表面润湿性起主导作用,脂肪类、硅化物等疏水性物质使玉米秸秆皮表面的亲水性减弱。表皮层去除后,Si元素、抽提物的质量分数降低,半纤维素的质量分数对玉米秸秆皮表面润湿性起到了决定作用。通过热稳定性分析得出,热压温度选取范围应小于200℃,施胶后玉米秸秆皮有较好的热稳定性;在30～200℃温度区间,施胶前玉米秸秆皮失重6.490%,施胶后玉米秸秆皮失重2.416%;在200～400℃温度区间,施胶后玉米秸秆皮失重速率迅速增大,两个最大失重点的温度分别为299℃和344℃,在两个最大失重点热解成分主要是小分子的CO2、CO、H2O和鲨烯、乙酸、糠醛、糠酯、苯酚等有机物质。通过FTIR分析,从施胶后玉米秸秆皮和玉米秸秆皮胶合板破坏后的断面的微观形貌可以看出,胶粘剂填充在玉米秸秆皮表面凹槽和空隙中,在玉米秸秆皮表面形成胶钉,使玉米秸秆皮纤维通过胶粘剂紧密粘合在一起;板材分层现象的出现主要是由于水分、空气的作用对胶接产生妨碍,在玉米秸秆皮凹凸表面形成了弱界面层。(4)研究了完整玉米秸秆皮制备及其表皮层去除的方法。利用自行设计的玉米秸秆皮穰叶分离机获得了完整玉米秸秆皮,在剥穰辊转速为1080 r/min、剥穰刀与支持板与之间的齿板间隙为1.8mm、剥穰刀片齿刃角为40°条件下,玉米秸秆皮穰叶分离机的除叶率在97%以上,穰剥净率在95%以上,玉米秸秆皮完整率大于95%。通过机械磨削法和NaOH溶液水浴处理两种方法去除玉米秸秆皮表皮层,结果发现,利用机械磨削方法处理玉米秸秆皮,其表皮层去除效果受到玉米秸秆皮含水率的影响,降低原料含水率能够提高表皮层的去除效果;采用NaOH溶液水浴处理方法,能够使玉米秸秆皮表皮层快速溶解,改变了玉米秸秆皮的力学性能,且受到溶液浓度、水浴温度和水浴时间的影响;在NaOH溶液浓度为9%、水浴温度为80℃、水浴时间为90 min条件下,Si脱除率为95.16%,处理后玉米秸秆皮的轴向抗拉强度平均值为91.47±3.15 MPa。(5)玉米秸秆皮制板工艺及其性能研究。在完整玉米秸秆皮表皮层去除方法研究的基础上,提出了完整玉米秸秆皮层积材和复合板两种不同类型板材的制备工艺。通过对完整玉米秸秆皮层积材和完整玉米秸秆皮复合板的进行制备试验和板材性能分析,研究发现,将表皮层碎料用于玉米秸秆皮复合板的表层,能够显著改善板材的物理性能(p<0.01);玉米秸秆皮层积材、复合板等板材物理力学性能受到玉米秸秆皮生理特性内在因素,以及施胶量、热压温度和热压时间等外在因素的影响;由穗位部及其以下的玉米秸秆皮制备的板材的性能,除IB外,均优于穗位部以上位置的玉米秸秆皮制备的板材(p<0.01);制备玉米秸秆皮层积材最佳工艺参数为:取样高度为根部、施胶量为12%、热压温度为150℃、热压时间为6min,在此工艺条件下,利用完整玉米秸秆皮制备的玉米秸秆皮层积材的力学性能达到了GB/T20241-2006《单板层积材》、LY/T1611-2003《地板基材用纤维板》的要求;随着施胶量的增大,玉米秸秆皮层积材的MOR、MOE、IB显著增大(p<0.01),其TS2h、WA2h呈减小趋势;在热压温度为150℃、热压时间为6min时,玉米秸秆皮层积材的物理力学性能较好,但随着热压时间的增大,TS2h、WA2h等物理性能指标却逐渐增大,其防水性能变差;制备玉米秸秆皮复合板的最佳工艺条件为:取样高度为中下部、表层比例为12%、热压温度为150℃、热压时间为6min,在此条件下制备的玉米秸秆皮复合板的物理力学性能均满足GB/T4897.3-2003《室内装修刨花板》的使用要求。