９８ ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＲＥＳＥＡＲＣＨ学术研究 玉米秸秆生物质板材加工工艺研究 吴婷婷 王秀仑 姚天曙 （１．安徽农业大学安徽合肥２３００３６； ２．三重大学生物资源学能源利用工学研究室 日本津市５１ ４—０００１） 摘要：本文主要以农业生物质转化和有效利用为出发点，利用玉米秸秆为原料，研制一种 可自然降解的新型绿色环保材料——生物质板材，来取代人们日常生活中现有的一部分塑料制品 等，以提高经济效益和减少、防止环境污染。研究与实验表明，将玉米秸秆经过前处理、纤维破 碎分离、压缩成形和干燥等工艺之后，制成生物质板材。与一般聚乙烯发泡板材进行对比，玉米 秸秆板材的强度是聚乙烯发泡板的１．８倍。因此，利用玉米秸秆制作生物质板材，其强度、自然降 解等特性优越，在食品包装、墙体隔热保温、覆盖等方面有广阔的应用前景。 关键词：农业生物质；玉米秸秆；压缩成形；板材；强度 引言 ２ｏ世纪９ｏ年代国际材料界提出了生物质材料 （Ｂｉｏｍａｓｓ ｍａｔｅｒｉａ１）概念”】：以二氧化碳通过光合作用 肪。晒干后的玉米秸秆含有８０％以上的木质素并含有丰 富的纤维素和半纤维素【３】。其中，木质素和纤维素可以 起到支架的承载作用，而半纤维素可以起到连接作用。 因此，通过研究和试验，设法重新结合木质素与纤维素 产生的淀粉、纤维素、半纤维素等可再生资源为原料生 产、并且使用后可以在自然环境中被微生物或光降解 为水和二氧化碳、或者通过堆肥作为肥料再利用的聚 合物。随着“低碳经济”全球化，人们更加注重保护环 的强度特性和半纤维素的胶黏特性，制作以玉米秸秆为 原料的板状材料。 １．玉米秸秆板材制作工艺 主要工艺流程为玉米秸秆的研碎、纤维分离、压 缩成型及干燥等四道工序。玉米秸秆是本实验主要利用 的物质。纤维本身具有强度高、耐腐蚀、回弹性和耐冲 境。过去被誉为“白色革命”的塑料，现如今却造成严 重的“白色污染”问题，再加上化石能源资源危机和 价格高涨，人们必将寻求可再生的生物能源替代化石能 源。玉米是世界各国广泛种植的粮食作物。玉米秸秆可 以作为农业生产中的一种可再生资源加以充分利用，有 击等特性；半纤维素的作用主要起到减少制品在使用时 的变形和在成型过程中起到有效胶黏剂等作用。同时通 过加热与加压过程促使纤维间脱水，重新建立纤维束尾 着重要的发展前景。 玉米（学名：Ｚｅａ ｍａｙｓ）为一年生禾本科草本植 物，玉米的原产地是美洲，在十六世纪传入中国，全世 端分子问的连接，加强材料的强度。 在玉米收获之后，平铺放在阴凉通风处自然风干， 界总产量最高的粮食作物，是我国北方的主要粮食作 物， 常年种植面积在２３３．３万ｈｍ２左右，其秸秆产量每年 约为１．８亿ｔｆ２】。但在农村，大部分人因不正确地焚烧秸 使其含水率约在５％左右。生物质板材制作的主要工艺 流程为：玉米秸秆的研碎、纤维分离、压缩成型及干燥 等四道工序，工艺流程如图１所示，制作工艺过程中的 实验数据如表ｌ所示 秆而浪费大量氮素资源，污染环境，影响人们的健康和 扰乱公共交通秩序。 闰贵龙等人的试验结果表 ，玉米秸秆含有３０％ 日圈 匦日圈日臣墅 以上碳水化合物、２％．４ 的蛋白质和０．５％．１ 的脂 图１工艺流程图 ＡｃＡＤＥＭＩＣ ＲＥＳＥＡＲｃＨ学术研究ｆ ９９ 表１玉米秸秆板材制作过程相关条件和数据 工艺流程 材料尺寸 实验设备 实验条件 研碎 ２ｃｍ左右／段 东芝ＱＳ一７型粉碎视 常温漫泡 ２ｒａｉｎ 前处理 纤维束状 ＬＤＯ－４５０型的恒温嚣 ３ ５℃水中４８ｈ 压缩 ｌ ００ｍｍ ｘ ｌ ００呦 ２ｍｍ ＲＨ～５０型万能试验机０－４．９ＩｖｌＰａ １ ２０ｍｈａ １ ００ｍｍ ｘ １ ００ａｍ×２ ５ 模具 干燥 １ ００ｍｍ １ ００ｒａｍ ｘ ２ｍｍ ＲＨ一５０型万能试验机 扳Ａ ７９℃ ｌ８３ｍｍ 板Ｂ １ ０１℃ｉ２７ｒａｉｎ １．１研碎处理 将采集通风干燥后的玉米秸秆剪碎成段，常温浸 泡，使碎秸秆段变柔软后，放入粉碎机进行研碎处理， 使秸秆碎片达￣Ｕ６ｍｍ以下，切断秸秆中的长纤维，并使 秸秆的纤维得到充分的帚化。再放入石磨中进行碾磨处 理，使纤维束大分子帚化成许多微纤维，从而暴露出更 多的活性羟基基团，为下一步的物理吸附打下基础＿４】。 １．２前处理 ． 将研碎后的玉米秸秆进行纤维离解处理，本研究采 用的是纯天然纤维离解处理方法，将试材放置恒温器中 进行天然纤维离解处理。这时的纤维束在３５℃水温里， 可以更好的伸展开，并变得柔软。在纤维离解后，第二 次用粉碎机进行１ｍｉｎ的研碎处理，使纤维束尾端的活性 羟基基团可以更多地暴露出来，增加可以重新连接的活 性基团。 １．３压缩 纤维离解处理后的玉米秸秆试材处于水分饱和状 态，这时进行压缩成形试验。将研碎处理后的玉米秸秆 均匀的填充在模具中，利用万能试验机进行压缩成形。 经过压缩，玉米秸秆被压缩成板状薄片，这里称为生物 质板。在压缩处理时，因为前面的纤维离解处理后，纤 维中的很多活性羟基基团暴露出来，在加大压力时迫使 羟基和氢基重新结合，从而达到了纤维的二次连接，提 高了材料的强度。 １．４干燥 最后对压缩成型后的生物质板进行传导电热干燥处 理。本研究采用的是冷压成形，在压缩后要进行干燥处 理。即在保持板材原有尺寸大小的同时，进行最后的脱 水和纤维结合。干燥处理时将生物质板放入两块钢板之 间，利用万能试验机对钢板加热，采用每一回１０ｍｉｎ， 正反面反复处理的方法。直到使生物质板的含水率降到 ５％左右时，干燥处理基本完成。 为验证生物质板的性能，在生物质板Ａ上切出规格 为４０ｍｍ￣１０ｍｍ的长方形试验片１和试验片２，在生物质 板Ｂ上切出试验片３和试验片４进行强度试验。 ２．生物质板材强度性能 ２．１弹性破坏应力试验方法 由于玉米秸秆板是利用纯天然的秸秆纤维制作而 成，为非均质材料。为了充分体现出它的物理特性，对 于非均质材料必须仔细考察材料性能和实际用途之间的 关系。为了调查不同玉米秸秆生物质板的强度，选择了 三点弯曲试验对生物质材料材料进行力学性能分析。 将材料做成４０ｍｍ×］Ｏｍｍ×２ｍｍ矩形试验片，在靠近 两端处进行支撑，然后在试验片的中心处以三点弯曲加 载。通过弯曲试验求出试验片的破坏应力（６）和弹性 模量（ ），以验证生物质板的力学性能。因为生物质 板材属于不均质材料，其长度和宽度采用游标卡尺分别 在５等分点测量取平均值，再利用千分尺在试验片表面５ 等分点处测量厚度后取平均值计算。 强度性能试验是利用材料性能试验机｛５｝进行的。 将得到的电压数换算成负荷（Ⅳ）和变形（ｍｍ），再 利用公式（１）、（２）求出材料的破坏应力（Ｇ）和弹 性模量（ ），从而对试验结果进行分析。 Ｗ／３（１） ａ＝ 式中： 一施加的负荷，Ｎ； ． ——挠度，１ＴＩ； 卜弹性模量，Ｐａ：，——支持跨距，Ｉｌｌ：６——试验 片的宽度，ｍ； ——试验片的厚度，ｎｌ；仃——破坏应 力，Ｐａ。 ２．２结果分析 分别对试验片１、２、３、４进行了弯曲试验。其结 果如图２所示，负荷与变形曲线变化都很相似。当挠度 在０．１．５ｒａｍ之间，试片所承载的负荷变化不明显，这是 因为试验片不像金属试验片那样表面平滑和规范，导致 负荷点与实验设备不完全接触。当负荷增加到一定程度 （２Ｎ）时，负荷点和支撑点的接触达到线接触，试验 片稳定地固定在支撑架上。曲线开始明显上升，随着负 荷增加挠度也成正比的逐渐增大，这与金属材料性质一 致。抛物线顶端比较平缓，顶点值不明显，出现这种现 象原因有两种。一是因为经过压缩之后的玉米秸秆板材 １ ｏｏ ｌ ＡｃＡ。ＥＭ。ｃ ＲＥｓＥＡＲｃＨ 学术研究 密度较小。二是由于纤维本身具有一定韧性，当负荷截 面达到变形极限后仍然有部分纤维连接，导致试验片没 有完全断裂，应力值变化小。试验片的接触点与施压装 置产生了轻微震动导致了曲线的轻微波动，误差在实验 范围内。 从曲线斜率来看，试验片１和试验片２来自同一块 生物质板，斜率不同，因此试验片的弹性模量也各不相 同。这是由于玉米秸秆板材是生物质材料，在压缩成形 时纤维分布不规则，压缩后板材内部纤维分布不均匀， 干燥时板材内部纤维与水分子也无法均匀结合，导致强 度不一致，弹性模量出现差异。同理，试验片３和４的弹 性模量也因此不同。 ３０ ２５ ２Ｏ ｚ １５ 襄 。 ０ Ｏ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ 掳 ｍ 图２负荷与变形的关系 从弯曲试验得出试验片的最大负荷，根据式（１） 计算出各个试验片的弹性模量如表３所示，从生物质板 Ａ、Ｂ上取出来的四个试验片弹性模量没有明显差别， 因此两种条件下都可以制作生物质板。 表３为各试验板材弹性模量 ＧＰａ 一………一弹性模量Ｅ ｊｊ …＿试验片 …一３．２５： 斌耸片？２．９１ 『…＿Ｉ …试验片 ３…ｊ２．８４ １一 冀墅 ４ ２．２１ 根据式（２）计算出试验片的破坏应力如表４所示 表４各个试验板材的破坏应力 ＭＰａ ：破坏应力ｄ 试验片１｝试验片２５２．５ ５ ３ 试验片３５１．６ ｛试验片４４６．３ 弹性模量Ｅ的数值和支撑点距离，与施加负荷 成正比， 与试验片的应变 、宽度６和厚度ｈ成反比。破坏应力。 与支撑点距离，和施加最大负荷 ，ｍ 成正比，与试验片的 宽度６和厚度ｈ成反比。 由于生物质板材是利用纯天然纤维制作而成，其纤 维方向不可定，为非均质材料，所以板材的各处强度相 应有所差异，导致了同一块板材的不同位置强度不同， 这与金属材料的均质性有所差异。 ３．结论 １）利用玉米秸秆为原料，通过研碎、纤维分离、压 缩成型和干燥４道工序成功制作完成了生物质板材。施 加最大压力０．４９ＭＰａ、干燥温度在７９℃．１Ｏ１℃之间均可 制作。 ２）生物质板材的最大破坏应力为５３ＭＰａ，同样试验 方法下食品包装托盘用发泡板材塑科的最大破坏应力为 ２９ＭＰａｌ５ｌ，玉米秸秆板材是其１．８倍，从力学角度上说， 生物质板材在食物托盘，营养钵等简单容器及墙体内部 隔热保温、覆盖方面有广泛应用的前景【６］。 ３１生物质板是利用纯天然玉米秸秆纤维制作而成， 由于制作过程中纤维的方向性无法掌握，导致成型的材 料为非均质材料，板材的各个部分强度也相应有所差 异。干燥成型后的板材由于内部纤维不均匀排列，受热 收缩方向和收缩力度不同，导致板材表面略有弯曲。因 此在材料填筑阶段和板材的防水、成型、成分含量等环 节还需进一步的研究。 瀚 参考文献 ［１］李十中生物质材料产业发展及其策略［Ｊ】．产业透视， ２００５（０７）：５０—５２． 【２】闫责龙，曹春梅，鲁琳，等．玉米秸秆不同部位主要化学成分和活 体外消化率比较卟中国农业大学学报，２００６，１１（０３）：７０—７４． 【３］鲁博，张林文，曾竞成，等天然纤维复合材料［Ｍ】．北京：化学工业 出版社．２００５． ｆ４ｌ－ｒ￣ｒ－建芝，张杰，徐桂转，等．玉米秸秆主要成分及热值的测定与分 析卟河南农业科学，２００６（０９）：３０—３１ ［５】Ｓｕｎ Ｈ，Ｗａｎｇ Ｈ，Ｋｉｔｏ Ｋ，ｅｔ ａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｍａｓｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｍａｒｉｎｅ ａｌｇａＵ］．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２００７，１０（４）：４８１—４９０． ［６ｌｌ耐岛三郎，右刚仲彦．觚 天然绒维［Ｍ］．日本柬京：大日本 因害，１９８３． 『７１吉田隆．， 才７。 叉手，ｙ夕 高性能化．再资源化技衍 ｌＭ］．日本柬京：ＮＳＴ，２００８