农业废弃物秸秆在人造板制造中的应用

农业废弃物秸秆在人造板制造中的应用

0农作物秸秆及其它资源丰富随着世界经济的快速发展和人口的增加，木材产量逐年增加，森林资源逐年减少。秸秆资源是一种巨大的可再生资源,有着“第二森林资源”之美誉,并且其将成为潜力巨大的木材替代资源。我国是农业大国,也是世界秸秆资源最为丰富的国家之一,每年可收集麦秸、稻草、高粱秆、玉米秆、棉花秆、豆秸和芦苇等资源超过8亿t,占全世界秸秆总量的30%。其中粮食秸秆占总量的90.5%,其他主要品种如稻草、麦秸和玉米秆等分别占总量的27.5%、15.2%和36.7%;然而,秸秆在我国的利用率却不足5%,其余大部分农作物秸秆一般都是用于焚烧处理、储藏作为饲料或还田作为肥料等。若能充分利用大量农业废弃物秸秆料,则对目前资源紧张和环境恶化状况的改善非常有利。本研究根据农业废弃物秸秆的特点,从多方面分析并总结了其在人造板制造方面的应用情况,并讨论了相应胶粘剂的选择和使用,从而为进一步拓宽农业废弃物秸秆的综合利用提供有效的参考依据。1农业废弃物与木材主要营养成分含量的比较农业废弃物秸秆的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木素,还包括少量的糖、油脂和蜡等,表1为部分农业废弃物秸秆的化学成分。与木材相比,其具有以下特性:(1)灰分含量高,农业废弃物秸秆的灰分含量(>2%)普遍高于木材的灰分含量(<1%);(2)灰分中主要成分是SiO2,其在植物纤维表面呈非极性状,从而影响了胶粘剂的吸附和氢键形成,降低了植物纤维与胶粘剂的结合力;(3)农业废弃物的热水抽提物含量较高,一般阔叶材为2%~3%、针叶材为2%~7%,而麦秸等(热水抽提物含量)为10%~20%,农业废弃物的1%NaOH抽提物含量比木材高25%~40%;(4)农业废弃物的聚戊糖含量高,麦秸等的聚戊糖含量比针叶材高得多(相当于阔叶材的最高值),这些成分不利于提升胶粘剂的粘接强度。由于秸秆中低碳水化合物含量较多,故热压过程中易出现热解现象。2农业废物稻草的制造2.1稻秸板用胶胶胶制作的散湿性和粘度系统秸秆刨花板(作为人造板体系中的重要组成品之一)是利用农业废弃物秸秆加工成刨花或碎料,然后用胶粘剂按比例混合后,经铺装和热压制成的。秸秆刨花板的特点:(1)对环境污染小、生产工艺和设备比较简单,所涉及成本、能源和建厂投资等相对较低;(2)具有吸水率低、强度高、尺寸稳定、表面平滑、机械加工和表面装饰性好等特点。因此,刨花板生产和技术发展逐年增长,秸秆碎料板的研究与生产试验取得了突破性进展,并已相继进入工业化生产阶段。张伟采用异氰酸酯胶粘剂对麦秸刨花板的施胶技术进行了探讨,并对不同施胶方法(如气流式雾化施胶、离心式雾化施胶和高压无气式雾化施胶等)进行了比较。研究结果表明:当热压温度为160℃、热压时间为6min和板厚为12mm时,板材的静曲强度、内结合强度和弹性模量等随施胶量减小而下降,吸水膨胀系数随施胶量减小而增大;当施胶量相同时,胶滴平均粒径对弹性模量、内结合强度和吸水膨胀系数影响显著,而对静曲强度影响较小。刘淑丽用多种胶粘剂分别压制稻草碎料板,考察了施胶量、热压时间、热压温度和稻草含水率等对板材性能的影响。研究结果表明:采用UF(脲醛树脂)胶粘剂胶接的稻草碎料板强度很低,这是由于稻草表面呈光滑蜡质层,并且其表面是非极性的(由二氧化硅形成的);由PF(酚醛树脂)胶粘剂胶接而成的稻草碎料板性能优于由UF胶粘剂胶接而成的稻草碎料板,但前者的施胶量较大(即使施胶量达到14%时,板材的吸水厚度膨胀率和内结合强度等仍与标准相差很大);异氰酸酯胶粘剂可与水、稻草中的羟基反应形成化学键,并且其因分子相对较小而易渗透至稻草内部(形成机械结合),故制成的稻草碎料板强度高于由UF或PF胶粘剂制成的稻草碎料板[当w(异氰酸酯胶粘剂)=7%时,稻草碎料板的粘接强度即达到国家标准要求]。近年来,由于环保问题受到日益重视,故可再生胶粘剂[如淀粉胶粘剂、SPI(大豆分离蛋白)胶粘剂等]重新得到人们的广泛关注,并已再次成为研究热点之一。洪一前的研究结果表明:当温度为40℃时,用0.2%NaOH溶液对SPI进行改性,制成的胶粘剂具有相对最大的粘接强度;当模压温度为140℃、成型时间为10min以及压力为8MPa时,稻秸板的弹性模量、静曲强度和拉伸强度分别为456.33、8.42、2.70MPa;采用尿素改性SPI胶粘剂时,当模压温度为150℃、成型时间为20min和压力为8MPa时,稻秸板的弹性模量、静曲强度和拉伸强度分别为581.16、12.8、l.92MPa。于文吉以葵花秆为原料制造人造板。研究结果表明:葵花秆是一种较好的原料,葵花秆刨花板与木质刨花板性能接近;葵花秆刨花板的生产成本比木质刨花板降低了15%~20%,而其物理力学性能均高于国家标准要求,故其具有良好的市场竞争力。温耀龙进一步研究了葵花秆刨花板的耐水性和粘接性能。研究结果表明:葵花秆去除表皮后,其润湿性和胶接性能变得更优异;分别用PF胶粘剂、UF胶粘剂对葵花秆束进行热压,则前者的热压最佳工艺参数分别为施胶量10%、热压时间19min、热压温度140℃、热压压力4.5MPa,后者的热压最佳工艺参数分别为施胶量10%、热压时间19min、热压温度120℃和热压压力4.5MPa。寻觅采用UF胶粘剂制备烟秆碎料板。研究结果表明:烟秆/木材碎料板的各项物理力学性能优于普通纯烟秆碎料板,木刨花掺量对烟秆/木材碎料板的性能影响较大;烟秆/木材碎料板的较优工艺参数为施胶量11%、热压时间5min、密度0.85g/cm3和木刨花掺量75%等。苏团采用SEM(扫描电镜)和FT-IR(红外光谱)法研究了茶梗的化学组分、微观结构和纤维形态,并采用UF胶粘剂对茶梗碎料进行筛分、压制后,得到茶梗碎料板。其最佳的工艺参数分别为施胶量14%、热压温度125℃、热压压力3.3MPa和热压时间55s/mm。樊晓敏对芦苇的性能进行了研究。研究结果表明:UF胶粘剂对芦苇的润湿性低于MDI(二苯基甲烷二异氰酸酯)胶粘剂,芦苇与MDI在80℃左右发生胶接固化,而芦苇与UF胶粘剂之间的胶接强度并不明显;采用正交试验法优选出芦苇碎料板的优化工艺参数为施胶量6%、热压时间30s/mm、热压温度170℃和板密度0.85g/cm3,此时碎料板的弹性模量、内结合强度、静曲强度分别为3.43×103、0.36、20.9MPa,其2h吸水厚度膨胀率为2.13%,并且均达到GB/T4897.3—2003标准中的指标要求。张红杰等以施胶量、热压时间、热压温度和密度为试验因素,研究了改性UF胶粘剂玉米秸秆皮板的制板工艺,并采用正交试验法优选出生产该板材的最佳工艺条件为施胶量12%、热压温度155℃、热压时间4min、板厚10mm和密度0.7g/cm3。2.2中密度纤维板的制备秸秆中高密度纤维板(以秸秆为原料,采用热磨法将秸秆原料分离成纤维,施胶后压制成板材)的表面质量较好,用途广泛,其性能可达到木制中密度纤维板的标准要求。赵安珍以狼尾草为原料,采用中密度纤维板常用的热压工艺条件,分析了狼尾草的化学成分和纤维形态,讨论了UF胶粘剂和狼尾草的胶接机制。研究结果表明:当施胶量12%(施胶过程中添加1.2%石蜡乳液作为防水剂,添加l%NH4Cl作为固化剂)、热压温度160℃、热压时间20s/mm、热压压力3.5MPa和密度0.89g/cm3时,制得的狼尾草中密度纤维板的综合性能相对较好。玄夕娟研究了蓖麻秆原料的化学成分。研究结果表明:蓖麻秆中SiO2含量相对较少,其适宜的胶粘剂是UF胶粘剂;采用正交试验法和单因素试验法优选出制备蓖麻秆中密度纤维板的最佳工艺参数为施胶量12%、热压温度140℃、热压压力3.5MPa、热压时间30s/mm(板厚10mm)和密度0.75g/cm3;当w(石蜡乳液)=1.5%时,该板材的吸水厚度膨胀率等各项指标可达到国家标准要求。马红霞采用UF胶粘剂或异氰酸酯胶粘剂压制棉秆,制得相应的中密度纤维板。研究结果表明:当施胶量12%、热压温度180℃和热压时间15s/mm时,由UF胶粘剂压制而成的棉秆中密度纤维板具有优异的力学性能和相对较高的24h吸水厚度膨胀率;由异氰酸酯胶粘剂压制而成的棉秆中密度纤维板,其最佳工艺参数为含水率18%、施胶量5%、热压温度160℃、热压时间15s/mm、防水剂掺量1%(或热压温度180℃、热压时间20s/mm),无防水剂时该板材性能可达到GB/T11718—1999标准中优等品的指标要求。2.3复合改性胶接界面性能秸秆纤维板若要达到木质中密度纤维板的标准要求时,其工艺技术难度相对较大,施胶量也相对较高,而草木复合纤维板的制造技术相对容易。通常,草木配比对草木复合纤维板的性能影响较大,随着木纤维含量的不断增加,草木复合纤维板的弹性模量、静曲模量和内结合强度逐渐增大,而吸水厚度膨胀率逐渐下降;石蜡乳液的引入,会有效改善板材的耐水性。姚飞等着重探讨了施胶量、草木配比、板密度及热压工艺条件等对板材性能的影响,同时对草木复合时胶接界面的性能进行了研究。结果表明:当稻草施胶量6%(胶种为异氰酸酯)、木纤维施胶量11%(胶种为UF)、热压温度160℃、热压时间30s/mm、密度>0.85g/cm3和草木配比≤3∶7时,制成的草木复合纤维板的各项性能均达到GB/T11718—1999标准中的指标要求。潘明珠将UF胶粘剂(施胶量12%、石蜡乳液掺量1.2%)用于草木复合纤维板的压制,当草木配比为1∶1时,制得的板材密度(0.78g/cm3)、弹性模量(3182.70MPa)、静曲模量(27.01MPa)和内结合强度(0.59MPa)均达到GB/T11718—1999标准中的指标要求。李慧媛等探讨了蒸煮压力对不同草木配比的复合纤维板、中密度纤维板性能的影响。研究结果表明:蒸煮压力对草木复合纤维板的质量影响较大,当蒸煮压力为0.8MPa、草木质量比为50∶50时,热磨的纤维形态良好,制成的板材综合性能相对较好。Yang等以稻草和木材碎料等为原料,制成了隔音、隔热