PDF《利用水稻秸秆制作可完全降解的生物质板材》

收稿日期: 2013-03-20 基金项目: 日本学术振兴学会项目资助.

作者简介: 张瑾,女,硕士研究生. * 通信作者: 王秀仑,男,博士,博士生导师.E-mail:[email protected] 安徽农业大学学报, 2013, 40(6): 1067-1070 Journal of Anhui Agricultural University 网络出版时间:2013-10-30 9:42:44 [URL] http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20131030.0942.007.html 利用水稻秸秆制作可完全降解的生物质板材 张瑾1,

2 ,王秀仑 1, 2* ,郑泉1(1. 安徽农业大学工学院,合肥 230036;

2. 三重大学大学院生物资源研究科,日本津市 514-8507) 摘要: 以水稻秸秆为原料, 不加任何胶粘剂等化学合成剂,研制成一种可自然降解的新型绿色环保材料―生物 质板材,以取代现有的一部分木制品和塑料制品.将收获晒干的水稻秸秆粉碎成碎片泡入清水中,然后在室温条件 下静置

96 h,再利用磨解机将碎片进行纤维解离.而后利用热压成型方法制成生物质板材.最后通过拉伸试验,测 定生物质板材的机械性能.试验结果表明,所制作的生物质板材的拉伸破坏强度范围是 2.37~9.90 MPa.因此,利 用水稻秸秆,通过上述的制作工艺过程可以制作出可完全降解的生物质板材.该板材的强度和可自然降解等特性, 使其在农业、包装、保温等方面有很好的应用前景. 关键词:水稻秸秆;

生物质;

可降解;

破坏强度;

纤维素 中图分类号:S238 文献标识码:A 文章编号:1672?352X (2013)06?1067?04 Production of biodegradable biomass board using rice straw ZHANG Jin1,

2 , WANG Xiu-lun1,

2 , ZHENG Quan1 (1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036;

2. Faculty of Bioresources, Mie University, Tsu 514-8507, Japan) Abstract: The purpose of this study is to produce biodegradable biomass board using rice straw for substi- tuting the wood products and plastic products. Dried rice straw after harvest was cut into chips, which was soaked in water at room temperature for

96 hours. The mechanical refining of rice straw was conducted using beat refiner. The refined rice straw was formed into board by hot presser. The mechanical properties of biomass boards were measured by tensile test. The results showed that the rupture stress of biomass boards were in the range of 2.37-9.90 MPa at all experimental conditions. Therefore, the biomass board can be produced using rice straw without any adhesive. Validity of biomass board producted by the above process was confirmed. Because of bio- degradable and strength, the biomass board can be considered to apply for agricultural mulch film, packaging ma- terials, and insulation, etc. Key words: rice straw;

biomass;

biodegradable;

rupture stress;

cellulose 进入

21 世纪以来, 全球木材供给已经无法满足 日益增长的需求量,同时,经济的飞速发展导致了 石油等化石能源危机.因此人类生活和社会发展越 来越需要具有高性能、多功能,高附加值的新型复 合材料,尤其是生物质材料,其以生物质为原料, 采用合理的加工方法,获得一系列新型复合材料, 应用于人民生活和国民经济各部门[1] .生物质材料 在这种情况下应运而生.所谓生物质材料,指以二 氧化碳通过植物的光合作用产生的可再生资源为原 料,生产使用后,能够被自然界中的微生物或光降 解为水和二氧化碳,或者通过堆肥作为肥料再利用 的天然聚合物[2] .我国是一个农业大国,生物资源 十分丰富. 目前我国农作物秸秆的用途主要有还田、 养畜、 燃烧和工业造纸. 据统计, 造肥还田约占 15%, 作为饲料养畜约为 25%,作燃料燃烧约占 32%,工 业所用不到 3%,尚余 25%未得到应用[3] . 水稻是我国重要的粮食作物之一,稻秆资源极 其丰富.按照传统估算方法,每年约生产 2.5~3 亿t水稻秸秆[5] .因此,可以利用水稻秸秆制作生物质 板材,代替部分木制品和塑料制品.可用于农业、

1068 安徽农业大学学报2013 年 包装业及建筑业等方面,同时可以缓解木材供应的 压力,减少塑料对环境的污染,也使水稻秸秆资源 得到了更有效的利用. 目前,国内外已经对利用水稻等秸秆制作人造 板的可行性进行了大量研究, 有些已经投入生产[4] . 但目前大多都在制板过程中加入其他的化学胶黏 剂.如时君友等人采用玉米淀粉为主要原料的改性 水性高分子异氰酸酯胶黏剂压制稻秸秆人造板[5] ;

刘军军等人利用 2%的NaOH 碱液处理秸秆,并利 用玉米淀粉作为黏合剂制造水稻秸秆装饰板[6] ;

赵 一兵等利用落叶松单宁树脂胶制做玉米秸秆板[4] . 本研究在制板过程中,不添加任何化学胶黏剂,制 成的板材不但能够保证实用要求的强度,而且可以 保证制得的生物质板材在废弃后直接完全还田,不 会对环境造成任何污染.

1 生物质板材的制作工艺 水稻秸秆的化学组成主要包括纤维素、半纤维 素、木质素和各类抽提物 [1] .其中纤维素和半纤维 素是本实验的主要利用物质.但与木材相比,水稻 秸秆的木质素和纤维素含量低,木质素存在于纤维 的四周,使纤维相互黏合固结,加大了试验中纤维 的分离的难度[1] . 水稻收获以后,截取其秸秆晒干,即可进行生 物质板材的制作.其工艺流程如图

1 所示. 图1工艺流程图 Figure

1 Flowchart of the process for producing biomass board 1.1 前处理 该过程包括切碎和浸泡.将收获的水稻秸秆利 用东芝 QS-7 粉碎机将其剪为长度约

15 mm 的秸秆 碎片,并在室温条件下,用清水浸泡

96 h.该步骤 初步剪短了秸秆的长纤维, 提高了下一步磨解效率. 对制板最重要的元素――纤维,做微观观察, 就会发现纤维主要由纤维素所构成.从分子的层次 来看,纤维素属于葡萄糖基的长链状高聚物,如图

2 所示. 从上述结构式中可以得知,在纤维素分子中的 每个结构单元都有

3 个羟基,因此每一个纤维素分 子都有

3 倍于聚合度的羟基,这些羟基具有很大的 亲水性.因而当秸秆纤维被分散于水中时,其纤维 素分子中所含的无数羟基就会吸水, 而使纤维润胀. 当水中纤维素分子相互间靠近时,相邻的两个分子 结构中的氧原子 O 就会吸附水分子,从而两个纤维 素分子被水分子重新连接.因此,将秸秆碎片用清 水浸泡,且在随后的磨解等过程中都是在有水的条 件下进行的.该做法不但可以使秸秆纤维中的纤维 素与水分子充分浸润,并且依靠空气及秸秆本身所 携带的微生物,在室温及潮湿的环境下,可以对秸 秆进行天然的纤维解离处理, 从而可以去除少量的, 影响生物质板材机械强度的半纤维素,以及会溶出 少量的,会大大降低板材的强度和寿命的木素,亦 可软化秸秆细胞的胞间层. 图2纤维素分子结构式 Figure

2 Cellulose molecular structure 1.2 磨解 将浸泡透的秸秆碎片,利用由日本里见制作所 的A型磨解机,通过机械旋转摩擦工作面对秸秆碎 片进行摩擦撕裂的机械磨解.该过程结束后,秸秆 碎片被分离成单根纤维或纤维碎片,纤维长度约为 1~2 mm.此时,已经变得柔软的纤维得到了更好 的分丝帚化,纤维素尾端的活性羟基基团可以更多 地显露出来,增加了可以重新连接的活性基团,为 下一步的纤维二次连接打下基础. 1.3 板材成型 被磨解后的水稻秸秆满足了制作生物质板材的 要求,可以进行板材成型试验.本研究采用热压工 艺,压缩模具为

100 mm*100 mm*40 mm 的立方 体,干燥为电热传导干燥,干燥温度为 110℃,两 面同时加热干燥[7] . 该模具底部带有一系列直径为

2 mm 的气孔, 以便于在压缩干燥过程中水分的排出. 先在模具底部放上一块

100 mm*100 mm*3 mm, 带有与模具相同规格气孔的铝板;

并在铝板上铺上 一层

100 mm*100 mm 的金属网,然后将磨解处理 后的水稻秸秆悬浊液均匀地填充在模具中,再盖上 一层同样规格的金属网;

最后在金属网上压上一块 也带有与模具具有相同规格气孔的

100 mm*100 mm*20 mm 的铜块.将该试验装置放入热压机中 进行压缩成型,并且同时加热干燥.保持加热温度 为110℃,压缩时逐步加压,每30 min 增压最大压

40 卷6期张瑾等: 利用水稻秸秆制作可完全降解的生物质板材

1069 力的 1/4, 总计压缩成型时间为

2 h. 经过干燥成型, 水稻秸秆被制作成板状材料,即为水稻秸秆生物质 板材.在压缩中,磨解过程中暴露出来的羟基基团 与氢键重新结合,从而使纤维达到二次连接,形成 板状材料. 本研究在

5 种不同最大压力下制作了

5 种生物 质板材, 其施加的最大压力分别为

2 MP........