稻草刨花板性能思考范文

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《功能材料杂志》2015年第S1期

1引言

中国盛产水稻，而稻草一直未得到充分利用。目前，除少量用于饲料及造纸工业外，稻草主要通过掩埋与燃烧两种方式进行处理。既浪费资源，又带来严重的空气污染。因此开发稻草的新用途具有重要的意义。以稻草为原料生产刨花板被认为是利用稻草的有效途径之一，人们对此已进行过大量的研究。UF是目前木质人造板生产中最常用的胶粘剂，UF具有胶合强度高、操作简便、生产工艺成熟、成本低等特点。然而，UF却不适用于生产稻草刨花板，这是由于UF胶合的稻草刨花板的强度差，耗胶量大，尺寸稳定性差，难以达到国家标准对于刨花板的质量要求。造成这种现象的原因:(1)由于稻草SiO2含量较高，并且表皮被光滑的斥水性的蜡层所覆盖，阻碍了UF胶的渗透与扩散，致使UF无法与麦草形成良好的胶合强度，进而影响到麦草刨花板的其它性能;(2)草类原料的抽提物含量高，对其可润湿性和胶粘剂的固化产生影响;(3)pH值高，增加了UF的凝胶时间，造成胶合困难。近年来的研究结果显示，采用化学法、蒸汽处理和蒸汽爆破法预处理草类原料可去除疏水性的蜡层和一部分半纤维素，使纤维表面浸润性增加，增强其对UF的亲和性。蒸汽爆破法主要用于木质纤维原料生物转化乙醇的预处理工艺。蒸汽爆破预处理方法可有效地分离纤维，并且不用或少用化学药品，对环境无污染，能耗较低。目前，利用蒸汽爆破法预处理的稻草原料制造UF胶合的刨花板的研究还未见报道。因此，本文采用蒸汽爆破法预处理稻草，以蒸汽爆破法预处理的稻草为原料，以UF为胶粘剂，制造稻草刨花板，通过分析测试稻草纤维的得率、酸碱性以及稻草刨花板的物理力学性能，考察液态热水法预处理的效果，初步分析其作用机制，为更进一步的研究提供参考。

2实验

2．1实验材料实验所用稻草取自天津市崔黄口镇，其含水率为8．22%。手工捡去叶子和剩余的稻粒，利用饲料粉碎机把稻草加工成碎料，碎料平均尺寸为20mm。经过10目筛手工筛选后平衡水分备用。液态脲醛树脂胶(UF)，购自天津市树脂公司。固体含量55%，其粘度和pH值分别为230mPa•s(25℃)和6．6。固化剂NH4Cl，为了避免提高板坯的水分含量，施加量为UF绝干量的1．5%的NH4Cl直接加入到UF树脂液中。经搅拌达到均匀混合。为探讨蒸汽爆破稻草刨花板的抗水性，没有使用防水剂。

2．2实验方法将定量的稻草放置在汽爆罐中，关闭容器，迅速升温至预定的温度，停留时间从汽爆罐达到预定的温度时开始计时，当达到预定的停留时间后，瞬间泄压。加热温度分别为160和170℃，停留时间分别为2，4和6min。通过过滤，将经过预处理的稻草分离成固体部分和液态水溶部分。对稻草固形物称重，计算得率、测试pH值。将稻草固形物置于干燥箱中，100℃下均干燥到含水率为4%，然后利用喷枪在拌胶机上把UF均匀地喷射到稻草碎料表面，手工将施胶的稻草碎料铺成幅面尺寸为380mm×360mm的单层板坯。施胶量为12%。先经预压，压力为1．5MPa，预压时间为30s;然后再采用三段式热压曲线进行热压(图1中T1为闭合时间，T2为热压时间)，热压压力3．5MPa，热压时间为5min，热压温度为150℃。制成厚度为10mm的板材，目标密度为0．75g/cm3。实验重复3次。由未经蒸汽爆破预处理的稻草制造的刨花板作为对照。将从热压机上卸下来的板材置于室温下冷却，将冷却后的板材进行裁边整形，然后将板材锯切成规定尺寸的试样，依据我国现行的GB/T4897-2003，测试静曲强度、内结合强度、密度、含水率、吸水厚度膨胀率等物理力学指标。

3结果与讨论

3．1预处理条件对稻草的pH值和得率的影响稻草固形物得率是衡量液态热水法预处理效果的一个重要指标。表1给出了预处理条件对稻草固形物得率的影响。可以看出，随着预处理条件的加剧，得率相应下降。这些数据显示，提高预处理温度与延长停留时间均能有效地提高稻草的质量损失，进行组分分离，而预处理温度对得率的影响比停留时间显著。停留时间相同时，较高的温度导致较高的质量损失。这主要是由于在严酷的预处理条件下，稻草外表面的SiO2和蜡层以及一部分半纤维素被脱除，因而得率降低。由表1可以看出，未经预处理的稻草，其pH值较高，达到7．8，这会影响UF的凝胶与固化。由于UF需要在酸性条件下固化，原料pH值高，会延长UF胶的凝胶时间，不利于UF胶固化;而pH值低的原料，会使UF树脂凝胶时间缩短，有利于提高板材的胶合强度。蒸汽爆破预处理可以有效地降低稻草的pH值，为提高稻草板的胶合强度创造了条件。

3．2预处理条件对稻草表面形貌的影响图2展示了蒸汽爆破预处理前后稻草的SEM照片。可以看出，未经预处理前的稻草表面有一层非常致密光滑连续的蜡质SiO2表皮组织，也就是在刨花板制作过程中阻碍UF渗透与扩散的稻草光滑的斥水性表面，由于它的存在，使得UF无法在稻草碎料间形成牢固的胶合力。经蒸汽爆破预处理后，稻草外表面的致密光滑连续的SiO2和蜡层出现明显的破裂，稻草纤维出现缝隙及孔洞，表明蒸汽爆破预处理可除去稻草表面的致密光滑连续的蜡层。随着蒸汽爆破预处理条件的加剧，稻草表面的缝隙及孔洞增多，暴露出来的羟基数量增多，这有助于提高稻草的湿润性，有利于UF在稻草纤维表面的渗透与扩散，从而提高胶合强度。

3．3预处理条件对稻草刨花板的物理力学性能的影响表2给出了预处理条件对稻草刨花板的物理力学性能的影响。从表2可以看出，经过蒸汽爆破预处理的稻草制备的板材，其物理力学性能明显提高。预处理条件对静曲强度(MOR)、内结合强度(IB)和吸水厚度膨胀率(TS)的影响显著，较高的预处理温度和较长的停留时间使得MOR和IB提高，TS下降。在160℃，随着停留时间从2min延长到4min，再延长到6min，MOR从8．5MPa增加到10．3MPa，再增加到12．5MPa。同样的变化趋势也存在于预处理温度为170℃时。IB的变化也与MOR相似，而TS的变化则与MOR相反。这些现象表明，蒸汽爆破预处理有效地脱除了稻草外表面的斥水性的SiO2和蜡层，使稻草的表面润湿性提高，有利于胶液在碎料表面的均匀分布，因而改善了胶合性能。并且，预处理条件越严酷，稻草表面的SiO2和蜡层脱除程度越高，暴露出来的羟基数量越多，使得稻草纤维与UF之间的粘合强度提高，所以，相应地改善了MOR、IB和TS。相似的现象在已有的使用不同的预处理手段对不同的农业剩余物进行改性处理生产人造板的文献中也有报道。经过条件为160℃，停留时间为6min和170℃，停留时间分别为4和6min预处理的稻草制备的板材分别达到国标GB/T4897-2003对于MOR和IB的要求。这些试样均未达到国标GB/T4897-2003对于吸水厚度膨胀率的要求，本次实验均未使用防水剂石蜡，如果施加一定数量的石蜡，则会有效地降低板材的吸水厚度膨胀率。

4结论

经蒸汽爆破预处理后，稻草外表面的SiO2和蜡层以及一部分半纤维素被脱除，pH值降低，稻草外表面出现明显的破裂，稻草纤维出现缝隙及孔洞，为提高稻草的胶合性能创造了条件。经过蒸汽爆破预处理的稻草制备的刨花板的强度性能明显提高。随着预处理条件的加剧，稻草刨花板的物理力学性能相应提高，经过条件为160℃，停留时间为6min和170℃，停留时间分别为4与6min预处理的稻草制备的刨花板符合国标GB/T4897-2003对于强度性能的要求。

作者：罗鹏 杨传民 赵登辉 单位：天津商业大学 机械工程学院