PDF《利用西米树纤维材料制作可降解生物质板材》

收稿日期: 2017-06-06 基金项目: 农作物秸秆生产可降解板材关键技术研究和

2016 安徽省领军人才重点项目共同资助.

作者简介: 徐福东,硕士研究生.E-mail:[email protected] * 通信作者: 王秀仑,教授,博士生导师.E-mail:[email protected] 安徽农业大学学报, 2018, 45(1): 75-80 Journal of Anhui Agricultural University [DOI] 10.13610/j.cnki.1672-352x.20180302.013 网络出版时间:2018/3/2 9:38:23 [URL] http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20180302.0938.026.html 利用西米树纤维材料制作可降解生物质板材 徐福东 1,2 ,王秀仑 1,2* (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:使用压制过淀粉后残余的西米树干材料,在不添加黏合剂的条件下,使用热压成型方法制作自然降解 的环保材料―生物质板材, 以替代市场上使用的胶合类含甲醛的建筑和包装材料. 通过对材料浸泡, 磨解, 使用

110 ℃高温压制板材.通过拉伸弯曲试验,测定板材的弯曲和拉伸强度.试验结果表明,压力为 3.5 MPa 时板材的弯曲 拉伸强度最高,抗弯强度为 51.38 MPa,抗拉强度为最为 34.20 MPa,含水率不高于 9.65%.使用西米树干材料压 制的板材不添加任何化学元素,强度高,含水率适中,在包装,建筑,可降解环保材料方面有很好的应用前景. 关键词:西米树;

生物质板材;

力学强度;

含水率 中图分类号:TS653.6 文献标识码:A 文章编号:1672?352X (2018)01?0075?06 Production of biodegradable biomass board using sago fiber material XU Fudong1,

2 , WANG Xiulun1,

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

2. Faculty of Bioresources, Mie University, Tsu , Japan 514-8507) Abstract: The purpose of this study was to produce biomass board using the residue of sago material without adding adhesives. The material was soaked and grinded before it was pressed to a biomass board. The mechanical properties of the biomass board were measured by tensile and bending tests and the strength of the biomass board should meet the national standards. The result showed that the best bending strength was 51.38 MPa, the tensile strength was 34.20 Mpa, and the moisture content was not higher than 9.65% when the pressure was 3.5 MPa. The strength and moisture content of the biomass board met the national standards for several composite panels. Key words: sago;

biomass board;

mechanical strength;

moisture content 在农作物产品加工的同时会产生大量的农业剩 余物,这些农业剩余物大部分被直接丢弃,只有少 部分农业剩余物被还田掩埋,经过微生物的自然处 理,发酵后直接作为肥料.但是由于种类和成分不 同, 绝大部分农业剩余物因为没有有效的处理方法, 被直接焚烧,而焚烧农业剩余物产生的烟雾严重污 染了环境,造成了大气污染.大气污染如果不能及 时有效治理,造成的雾霾会危害人类健康,同时浓 雾也影响交通出行,影响了正常生活.所以如何合 理高效的处理利用农业剩余物是

21 世纪各个国家 都很关注和亟待研究解决的.生物质材料此时进入 人们的视野,并被高度关注[1] . 生物质材料是指由动物、植物和微生物等生命 体衍生得到的材料,其主要是由有机高分子物质组 成的,生物质材料在化学成分上主要是由碳、氢、 氧组成,由于是由动物、植物以及微生物等生命衍 生物得到的,生物质材料容易被自然界的微生物降 解成为水、CO2 以及其他小分子等.其产物能再次 加入自然界循环中,因此生物质材料具备的重要特 征为可再生和可降解[2] .

20 世纪初国外已经开始利用非木材植物原料 制造人造板,发展非木材植物人造板材,国内外已 积累了一定的经验,产品质量不断提高,品种不断 增加,新的原料也在不断被挖掘.实践证明,生产 生物质板材具有明显的经济效益,社会效益及生态 效益,而且在发挥这三大效益中,尚有巨大的潜力 可挖[3] . 西米树在全世界的生长面积大约有250万hm2 ,

76 安徽农业大学学报2018 年 其中自然生长的有

225 万hm2 , 人工种植的约有 22.4 万hm2 , 每年提取淀粉后西米树纤维大约有

70 万t, 因此西米椰子树纤维是一种产量大、易获取的天然 生物质材料[4] . 目前已经有研究者使用水稻秸秆[5] , 玉米秸秆[6] 等材料制作生物质板材.本研究以西米树纤维为材 料,不使用任何添加剂制作生物质板材,其制作出 的生物质板材强度高,含水率适中,且不含任何甲 醛,对环境没有污染.

1 供试材料 西米树(Metroxylon sagu) ,主要生长在东南亚 地区,其中 80%的西米树生长在印度尼西亚,西米 树是世界上树干含淀粉最多的植物.西米树树干提 取淀粉后的剩余物残渣用在纤维工业中,提取纤维, 也可以用于造纸, 其中 23%用于工业原料的利用中. 但是每年还是有大量的剩余物残渣被当作废物抛 弃,大约占残渣总量的 60%.提取过程中西米树的 树皮可以用做燃料和住宅用的建筑材料,其中包括 墙壁、屋根、栅栏和床等[7] .

2 试验方法 2.1 生物质板材的成型的原理 生物质热压成型技术是生物质能利用技术的一 个重要方面, 各种生物质中都含有一定量的木质素, 木质素在加热条件下可软化、液化,并具有相当的 黏着强度,生物质热压技术就是利用木质素的这一 特点,在加热的条件下,通过机械的方式给生物质 施加适当的压力,将松散的生物质压制成具有一定 形状,较大密度的材料[8] .本试验利用稻壳纤维和 西米椰子树纤维,在有水存在的条件下,通过同时 施加压力和热量的方法,使纤维素分子之间脱水形 成氢键,纤维素分子进行重新的结合[9] .通过纤维 素分子之间的结合,压制成具有一定形状及强度的 生物质板材[10] . 2.2 试验使用设备 (1)模具 A,外尺寸为

140 mm*140 mm*50 mm 立方体,内尺寸为

100 mm*100 mm*40 mm 镂空立方体,该模具底部有利于压制生物质板材过 程中可以排出水分的直径为 mm 的气孔, A 模具底 部4个直径为

6 mm 的4个通孔与模具 D 板材取出 装置配合使用,利于取出板材. (2) 模具 B, 尺寸为

100 mm*100 mm*3 mm 的铝制板材,其排气孔与模具 A 的排气孔尺寸位置 相对应,有利于压制过程中水分的排出. (3) 模具 C, 尺寸为

100 mm*100 mm*20 mm 铜块,其排气孔与模具 A,模具 B 的排气孔尺寸位 置相对应,有利于压制过程中水分的排出. (4) 模具 D, 尺寸为

129 mm*127 mm*9 mm, 其中

4 个直径为

6 mm 的圆柱与模具 A 上4个直径 为6mm 的配合使用,可以顺利取出压制完成的生 物质板材.模具如图

1 所示. 图1压制板材模具 Figure

1 The board mold for pressing 2.3 试验步骤 生物质板材的试验步骤如表

1 所示. 表1试验步骤 Table

1 Experimental steps 序号 No. 试验步骤名称 Step 试验方法 Method 目的 Purpose

1 清洗 Clean 清洗材料 去除材料以外的杂质

2 浸泡 Soap 将材料在室温清水中浸泡

72 h 使材料纤维软化,利于磨解

3 磨解 Grind 使用磨解机磨解

5 min 获得所需要的一定长度的纤维

4 热压 Pressure 使用热压机通过改变温度和压力压制所需要的生物质板材 压制纤维制成板材

3 西米树干制生物质板材物理参数及生物 质板材力学性能 3.1 西米树干材料压制生物质板材 通过对试验材料西米树干的浸泡、磨解、热压 工艺,采用相同温度,不同的

5 个压强,得到

5 张 压制成功的生物质板材.西米树干的热压材料使用 量,热压温度,热压压强,热压时间参数如表

2 所示.使用西米树干材料压制成功的生物质板材如图

2 所示.使用西米树干材料

300 mL 在压制温度为

45 卷1期徐福东等: 利用西米树纤维材料制作可降解生物质板材

77 110℃的条件下压制五张压制压力分别为

2、 3.

5、

5、 6.5 和8MPa 的生物质板材,根据压制压力的从低 到高, 分别将

5 张压制成功的生物质板材记作 A 板、 B 板、C 板、D 板和 E 板.使用相同量

300 mL 压 制的板材,压制出的板材质量各不相同,这是因为 压制板材的纤维在压制前为悬浊液,纤维分布和纤 维方向不可控制,所以密度各不相同. 表2西米树干热压参数 Table

2 Sago hot pressing parameters 板材编号 No. 项目 Item A B C D E 材料使用量/mL Amount

300 300

300 300

300 热压温度/℃ Temperature

110 110

110 110

110 热压压强/MPa Pressure

2 3.5

5 6.5

8 热压时间/h Time

2 2

2 2

2 质量/g Weight 15.98 12.59 12.53 9.75 11.57 图25种不同压强下压制的生物质板材 Figure

2 Biomass sheet pressed at five different pressures 3.2 板材的物理参数 热压压制成功的板材, 首先进行板材的重量M, 长度 L,宽度 D,厚度 H,其中一块生物质板材, 分别测量

3 个位置不同的长度 L

1、 L2 和L3 求其长 度的平均值,其宽度 D 测量其

3 个位置的不同长度 D

1、D2 和D3 求其平均值.因为使用西米树干材质 压制成功的板材属于非均质材料,所以在压制成功 的板材的厚度 H 测量上取

8 个点进行测量,同一压 强下的板材在计算

8 个不同数值的密度后求平均 值.这样可以尽量减小由于板材的非均质而导致的 测量数据与板材实际数据的偏差,减小误差. 通过图

3 的5块板材密度柱状图可以看出,在 相同温度 110℃下,随着试验压强的逐步增加,生 物质板材的密度变化很小,5 块板材的密度最低为 1.141*103 kg・m-3 ,密度最高为 1.251*103 kg・m-3 , 西米树干纤维压制的生物质板材的密度没有随着压

78 安徽农业大学学报2018 年 强的增加而增加,密度与压强不成比例关系,而是 稳定在 1.141*103 ~1.251*103 kg・m-3 之间, 因此可 以得出,利用西米树干纤维压制成的生物质板材, 在压制温度为 110℃的条件下,其板材的密度基本 不受压制过程中所施加的压强的影响,这种板材的 密度比较稳定. 图35块板材密度柱状图 Figure

3 Density histogram 3.3 生物质板材的 使用超声波切割刀对板材进行切割,获得力学 试验片.一张板材分别切割出弯曲试验片

4 片,拉 伸试验片

3 片,使用万能力学试验机对试验片进行 拉伸试验,测定其拉伸强度,拉伸试验获得的数据 进行处理带入式(1)中计算,计算出拉伸试验过程 中的试验片的变形位移与试验片拉伸强度的大小关 系,并获得试验片拉伸断裂的最大力,即试验片的 最大抗拉强度,如图

4 所示. t W bh ? ? (1) W:力学试验机经验试验获得的拉力,b:试验 片宽度,h:试验片厚度 图4拉伸强度 Figure

4 Tensile strength 从图

4 中看出在压制温度为 110℃,压制压强 为

2、3.

5、

5、6.5 和8MPa 等5个不同的压制压强 下,压制压强为 3.5 MPa 时,西米树干压制的生物 质板材的最大拉伸强度最高,平均最大拉伸强度为 34.20 MPa,随着试验压强的升高,拉伸强度逐渐降 低,到6.5 MPa 和8MPa 时平均最大拉伸强度接近 相同,和试验压力为 6.5 MPa 时生物质板材平均最 大拉伸强度最低,为20.26 MPa.在5个压制压强 下,3.5 MPa 压制出的板材最大拉伸强度最高,明 显高于其他

4 个压强压制出的生物质板材,因此在 110℃下5个压强压制出的板材 3.5 MPa 压制的板材 抗拉伸效果最好. 图5弯曲强度 Figure

5 Bending strength 3.4 生物质板材的弯曲强度 对试验片进行弯曲试验,一个压强板材进行

4 次弯曲试验,测定其弯曲强度,试验过程中弯曲试 验获得的数据经过处理带入式(2)中计算.生物质 板材的弯曲强度如图

5 所示.

2 b

2 3 bh Wl ? ? (2) W: 力学试验机经验试验获得的拉力, L:34 mm, b:试验片宽度,h:试验片厚度 从图

5 中看出在压制温度为 110℃,压制压强 为

2、3.

5、

5、6.5 和8MPa 等5个不同的压制压强 下,压制压强为 3.5 MPa 时,西米树干压制的生物 质板材的平均最大弯曲强度最高,平均最大弯曲强 度为 51.38 MPa,随着试验压强的升高,弯曲强度 逐渐降低,到8MPa 时平均最大弯曲强度最低,为33.70 MPa.在5个压制压强下,3.5 MPa 压制出的 板材最大弯曲强度最高,明显高于其他

4 个压强压 制出的生物质板材,因此在 110℃下5个压强压制 出的板材 3.5 MPa 压制的板材抗弯曲效果最好. 通过对比分析西米树干压制的生物质板材在

5 个不同压强相同温度 110℃的压制条件下压制成功 的生物质板材的弯曲强度和拉伸强度,可以看出, 110℃下5个压强压制出的板材 3.5 MPa 压制的板材 抗弯曲效果最好,同时在 110℃下5个压强压制出 的板材 3.5 MPa 压制的板材抗拉伸效果最好. 在110 ℃,3.5 MPa 压制下西米树干的综合力学性能是

5 个压强中最好的,110℃,8 MPa 压制下西米树干的 综合力学性能是

5 个压强中最差的.在110℃下压

45 卷1期徐福东等: 利用西米树纤维材料制作可降解生物质板材

79 制西米树干纤维的板材,3.5 MPa 可能最为适合. 3.5 生物质板材的含水率 本试验压制生物质板材,主要是通过材料的纤 维之间通过脱水形成氢键来增加结合力,因此压制 成功的生物质板材的含水率 W 也是测量板材物理 性质中必须的一个测量参数.对弯曲试验片和拉伸 试验片分别进行含水率测试, 一共测量

5 组含水率. 将测量出的结果带入相对含水率公式

3 中计算出样 品的相对含水率. a b a c M M W M M ? ? ? (3) Ma:烘干前样品铝盒总重;

Mb:烘干后样品铝 盒总重;

Mc:铝盒重量 图6含水率统计 Figure

6 Moisture content statistics 试验片的含水率统计分析结果(图6)显示压 强为

2 MPa 时,试验片含水率为 12.7%和12.1%, 平均值为 12.40%;

压强为 3.5 MPa 时,试验片含水 率为 9.3%和9.4%, 平均值为 9.35%;

压强为

5 MPa 时,试验片含水率为 9.9%和9.4%,平均值为 9.65 %;

压强为 6.5 MPa 时,试验片含水率为 9.0%和8.6%,平均值为 8.80%;

压强为

8 MPa 时,试验片 含水率为 10.0%和9.3%,平均值为 9.65%.5 种不 同压力下,同一块板材

2 组测量的含水率相近,最 大差值为 0.7%,最小差值为 0.1%,从同一块板材 的2个含水率可以看出非均质生物质板材的含水率 较为稳定,在110℃的条件下压制的生物质板材, 压强为

2 MPa 时,板材含水率最高,之后当压强逐 渐升高,板材的含水率基本保持不变,含水率平均 值范围为 8.8%~9.65%, 压强........