生物质建材研究――秸秆预处理工艺

         中国秸秆网综合报道，生物质建材是以生物质为基料,添加具有辅助和功能性质的材料,按照一定的配比,通过物理、化学或者两者结合的方式,形成的具有特殊功能和结构特点的建筑材料的统称。本文介绍了生物质的概念,明确了生物质建材的定义。并且分别从形态处理、界面处理、接枝、偶合以及生物处理几个方面详细叙述了生物质建材秸秆人造版的预处理工艺。

关键词 生物质 生物质建材 表面处理

中图分类号 TU528

0前言

　　能源是人类社会进步的基础,而当今社会面临着环境与发展的双重考验。纵观人类几千年的发展史,能源结构的重大变革始终伴随人类社会的进步。随着时代的变迁,多种能源并存的能源体系将成为新世纪能源结构的特征,生物质能源极有可能成为21世纪的主要能源之一。生物质建材——秸秆人造板的发展因此为人们所关注,而其原料处理问题是研究的重点方向之一。

1生物质与生物质建材

　　生物质是地球上最广泛存在的物质之一,地球上每年生长的生物质总量约2.2×10¹¹吨,相当于目前世界总能耗的10倍^[1]。图1为我国四种主要的生物质资源的比例图^[2]。

　　生物质建材是以生物质为基料,添加具有辅助和功能性质的材料,按照一定的配比,通过物理、化学或者两者结合的方式,形成的具有特殊功能和结构特点的建筑材料的统称。

　　由图1可以知道秸秆资源在生物质资源中的比重最大,我国是个农业大国,秸秆产量逐年递增,图2列举了我国主要的几种农作物的秸秆产量。

 

　　注：秸秆折算系数稻谷0.9,小麦1.1,玉米1.2,豆类1.6,棉花3.4,其他1.8^[3]

　　近些年来,国家秸秆禁止焚烧相关政策的出台与实施,以及对于林木替代产品越来越迫切的需求使得秸秆随着人造板业的兴盛而蓬勃发展,生物质建材——秸秆人造板的研究,已经被众多研究机构和科研部门所重视。秸秆的预处理问题也得到了普遍的关注。

2预处理方法

2.1形态处理

　　对于秸秆,大多数情况下不能对整个植株进行直接应用,需要进行形态处理,处理的方法有去髓（穰）、削片、刨花、粉碎等。

　　秸秆类非木质植物纤维原料一般外形较小,相对匀称,外表层有的因SiO₂的含量高而较坚硬且分布有一层蜡层,内部质地松软,密度较小。玉米秸秆经自然风干或人工干燥后,皮穰分离,会形成自然分离层。玉米秸秆经过皮穰分离后,再经制备成原料刨花,其密度值大有提高,提高了加工后的板材力学强度。^[4]我国现在投入生产的秸秆人造板只有两种：秸秆刨花板和秸秆纤维板。这两种都分别要经过刨花和粉碎的处理。经过粉碎物料各成分的量没有变化,但粉碎的物料没有膨胀性,体积小,可以提高基质浓度。

2.2界面处理

　　秸秆纤维被聚合物润湿性不良将导致界面粘合性较差。缺乏良好的界面粘合性所导致的恶果是界面张力的增加、材料多孔性和环境降解的出现。秸秆人造板的性能取决于组分的性能和组分间的界面相容性。通过界面处理能够改善能改善界面性能。

物理方法

　　物理方法有拉伸、压延、和热处理等方法。用拉伸、压延不改变纤维的化学组成,但可以改变结构和表面性能,从而改善纤维与聚合物的物理粘合。用球磨、振动磨、辊筒等将纤维素原料进行粉碎处理,木质素和半纤维素的聚合度降低,纤维素的结晶构造改变,提高了反应性能。

　　还可以使用水煮或蒸爆处理,其中蒸爆处理被认为是植物纤维素资源转化利用过程中取得的重大突破^[5]。这种方法在农业^[6]造纸业^[7] 和制糖业^[8]都有所应用,其利用高温、高压蒸汽对纤维素物料进行处理,改善纤维性能。美国专利^[9]采用水蒸汽、氨等作为工作介质对植物纤维素蒸爆处理,为加大处理强度,H. Mamers等^[10]提出了在反应器中充入氮气的中温高压力蒸爆方法。传统制造纤维板工艺^[11]散发的甲醛气体对人体有害。蒸爆处理增大生产成本。Robert W . T等可从所处理的物料中所含的半纤维素和纤维素中得到97%的木糖和87%的葡萄糖,稀酸处理所得产物主要含木糖。加拿大阿尔伯塔研究协会(ARC)的研究表明酸的作用是使秸秆的缓冲容量和pH值降低,从而更适合与UF胶合,而不是去除蜡状物和二氧化硅。还表明用酸处理农作物秸秆,以促进与UF的胶合,这并不是必须要进行的^[28]。郭佩玉等^[29]通过研究发现,强酸对细胞壁木质素、纤维素、半纤维素有溶解和降解作用,使物质消化率显著提高。

　　其它还有降低秸秆纤维的亲水性以及秸秆的包润等方法,例如用聚合物的溶液或树脂低粘度分散体包润增强织物。包润树脂可根据实际需要选择常见聚合物或为专门目的改性过的聚合物。

2.3接枝共聚

　　Shukla等将苯乙烯接枝到棉纤维上,结果表明,随聚苯乙烯接枝率的提高,纤维的吸水率降低,这有利改善界面,但可能引起纤维强力的下降。接枝还可以通过辐射引发进行,在惰性气体保护下对纤维进行辐射使其表面产生反应活性点,而后立即将纤维放入含有接枝单体的溶液中接枝 。

　　Zubaidi等人将表面刻蚀与接枝反应相结合,接枝效率很高, ,但棉强力下降。以引发剂引发的接枝共聚也很常见,如以铈离子引发,自由基产生在链骨架上。

　　艾军等^[30]采用化学接枝的方法对麦秆纤维进行了改性研究。结果表明,可以通过化学接枝方法,提高麦秆纤维表面的反应活性,从而有可能使其能与一些难以胶接的材料进行胶接,或增加胶接过程中的化学键胶接和氢键结合。

2.4界面偶合

　　界面偶合是一种非常重要的处理方法。从理论方面来考虑,在复合材料中,纤维—聚合物与偶连剂形成共价键或络合键。麦秆中的主要化学成分是纤维素、半纤维索及木质素,为了改善它与胶粘剂间界面的粘接性,可采用偶联剂进行处理。

　　羟甲基化合物偶联。含羟甲基的化合物可与纤维素反应形成稳定的共价键。这些反应在纺织工业中早有应用^[31]。该反应原理应用于纤维素纤维增强不饱和聚酯。用羟甲基三聚氰胺对纤维素处理,可降低纤维素的吸水性和增加纤维素的湿态强度^[32]。

　　有机硅交联。硅偶联剂可以改善相界面的亲水性,特别是环氧基硅和氨酯基硅尤为如此。硅烷可用作天然纤维和聚合物复合材料的偶联剂^[33]。 L.UmaDevi等^[34]用硅烷试剂处理菠萝叶纤维与不饱和聚酯树脂制备复合材料,其机械性能优于用2%NaOH溶液处理所制得的同种复合材料。

　　上述方法的共同优点一方面是发生偶联反应后纤维表面的羟基减少,从而纤维的吸水性减小,有于纤维与基体聚合物的键合稳定性;另一方面,偶连剂处理可使纤维和聚合物之间形成交联网络,减少纤维的溶胀。

2.5生物酶处理

　　生物酶技术主要是在制浆工艺上的应用和生物处理^[35,36],由于麦秸表面物质在某些方而与树脂和油墨有相似的特性,选用适当的生物酶使麦秸表面蜡状物减少;或者与麦秸的主要成份发生作用,促使蜡状物结构松散,则可以改善麦秸的润湿性能。从而使麦秸作为原料生产人造板时,对胶粘剂具有更多的选择余地。南京林业大学的张洋^[37]研究利用微生物的各种酶所具有的特性。结果表明:经过酶处理后,可以使麦秸的苯醇抽提物含量下降,处理时间延长,效果更好,这也可以间接地说明,酶处理麦秸,可以降低其表面的蜡状物;用经过酶处理后的麦秸作原料,可以压制出性能较好的脲醛树脂胶合的麦秸刨花板。

3结语

　　生物质能源具有广泛的基础和前景,生物质建材作为建材发展的新方向必然逐步为人们作接受。生物质建材建立立足于可循环经济理论体系,符合可持续发展的远景规划,契合了生态环保的目的要求,为未来建筑材料提出并建立了新的理念。对于秸秆人造板的预处理,虽然已经进行了大量的研究,并且获得了一定的经验与认识,但是更为广阔更为透彻的知识理论体系还有待于确立和完善,需要展开进一步的工作。