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《功能材料雜志》2015年第S1期

1引言

中國盛產水稻，而稻草一直未得到充分利用。目前，除少量用于飼料及造紙工業外，稻草主要通過掩埋與燃燒兩種方式進行處理。既浪費資源，又帶來嚴重的空氣污染。因此開發稻草的新用途具有重要的意義。以稻草為原料生產刨花板被認為是利用稻草的有效途徑之一，人們對此已進行過大量的研究。UF是目前木質人造板生產中最常用的膠粘劑，UF具有膠合強度高、操作簡便、生產工藝成熟、成本低等特點。然而，UF卻不適用于生產稻草刨花板，這是由于UF膠合的稻草刨花板的強度差，耗膠量大，尺寸穩定性差，難以達到國家標準對于刨花板的質量要求。造成這種現象的原因:(1)由于稻草SiO2含量較高，并且表皮被光滑的斥水性的蠟層所覆蓋，阻礙了UF膠的滲透與擴散，致使UF無法與麥草形成良好的膠合強度，進而影響到麥草刨花板的其它性能;(2)草類原料的抽提物含量高，對其可潤濕性和膠粘劑的固化產生影響;(3)pH值高，增加了UF的凝膠時間，造成膠合困難。近年來的研究結果顯示，采用化學法、蒸汽處理和蒸汽爆破法預處理草類原料可去除疏水性的蠟層和一部分半纖維素，使纖維表面浸潤性增加，增強其對UF的親和性。蒸汽爆破法主要用于木質纖維原料生物轉化乙醇的預處理工藝。蒸汽爆破預處理方法可有效地分離纖維，并且不用或少用化學藥品，對環境無污染，能耗較低。目前，利用蒸汽爆破法預處理的稻草原料制造UF膠合的刨花板的研究還未見報道。因此，本文采用蒸汽爆破法預處理稻草，以蒸汽爆破法預處理的稻草為原料，以UF為膠粘劑，制造稻草刨花板，通過分析測試稻草纖維的得率、酸堿性以及稻草刨花板的物理力學性能，考察液態熱水法預處理的效果，初步分析其作用機制，為更進一步的研究提供參考。

2實驗

2．1實驗材料實驗所用稻草取自天津市崔黃口鎮，其含水率為8．22%。手工撿去葉子和剩余的稻粒，利用飼料粉碎機把稻草加工成碎料，碎料平均尺寸為20mm。經過10目篩手工篩選后平衡水分備用。液態脲醛樹脂膠(UF)，購自天津市樹脂公司。固體含量55%，其粘度和pH值分別為230mPa•s(25℃)和6．6。固化劑NH4Cl，為了避免提高板坯的水分含量，施加量為UF絕干量的1．5%的NH4Cl直接加入到UF樹脂液中。經攪拌達到均勻混合。為探討蒸汽爆破稻草刨花板的抗水性，沒有使用防水劑。

2．2實驗方法將定量的稻草放置在汽爆罐中，關閉容器，迅速升溫至預定的溫度，停留時間從汽爆罐達到預定的溫度時開始計時，當達到預定的停留時間后，瞬間泄壓。加熱溫度分別為160和170℃，停留時間分別為2，4和6min。通過過濾，將經過預處理的稻草分離成固體部分和液態水溶部分。對稻草固形物稱重，計算得率、測試pH值。將稻草固形物置于干燥箱中，100℃下均干燥到含水率為4%，然后利用噴槍在拌膠機上把UF均勻地噴射到稻草碎料表面，手工將施膠的稻草碎料鋪成幅面尺寸為380mm×360mm的單層板坯。施膠量為12%。先經預壓，壓力為1．5MPa，預壓時間為30s;然后再采用三段式熱壓曲線進行熱壓(圖1中T1為閉合時間，T2為熱壓時間)，熱壓壓力3．5MPa，熱壓時間為5min，熱壓溫度為150℃。制成厚度為10mm的板材，目標密度為0．75g/cm3。實驗重復3次。由未經蒸汽爆破預處理的稻草制造的刨花板作為對照。將從熱壓機上卸下來的板材置于室溫下冷卻，將冷卻后的板材進行裁邊整形，然后將板材鋸切成規定尺寸的試樣，依據我國現行的GB/T4897-2003，測試靜曲強度、內結合強度、密度、含水率、吸水厚度膨脹率等物理力學指標。

3結果與討論

3．1預處理條件對稻草的pH值和得率的影響稻草固形物得率是衡量液態熱水法預處理效果的一個重要指標。表1給出了預處理條件對稻草固形物得率的影響。可以看出，隨著預處理條件的加劇，得率相應下降。這些數據顯示，提高預處理溫度與延長停留時間均能有效地提高稻草的質量損失，進行組分分離，而預處理溫度對得率的影響比停留時間顯著。停留時間相同時，較高的溫度導致較高的質量損失。這主要是由于在嚴酷的預處理條件下，稻草外表面的SiO2和蠟層以及一部分半纖維素被脫除，因而得率降低。由表1可以看出，未經預處理的稻草，其pH值較高，達到7．8，這會影響UF的凝膠與固化。由于UF需要在酸性條件下固化，原料pH值高，會延長UF膠的凝膠時間，不利于UF膠固化;而pH值低的原料，會使UF樹脂凝膠時間縮短，有利于提高板材的膠合強度。蒸汽爆破預處理可以有效地降低稻草的pH值，為提高稻草板的膠合強度創造了條件。

3．2預處理條件對稻草表面形貌的影響圖2展示了蒸汽爆破預處理前后稻草的SEM照片。可以看出，未經預處理前的稻草表面有一層非常致密光滑連續的蠟質SiO2表皮組織，也就是在刨花板制作過程中阻礙UF滲透與擴散的稻草光滑的斥水性表面，由于它的存在，使得UF無法在稻草碎料間形成牢固的膠合力。經蒸汽爆破預處理后，稻草外表面的致密光滑連續的SiO2和蠟層出現明顯的破裂，稻草纖維出現縫隙及孔洞，表明蒸汽爆破預處理可除去稻草表面的致密光滑連續的蠟層。隨著蒸汽爆破預處理條件的加劇，稻草表面的縫隙及孔洞增多，暴露出來的羥基數量增多，這有助于提高稻草的濕潤性，有利于UF在稻草纖維表面的滲透與擴散，從而提高膠合強度。

3．3預處理條件對稻草刨花板的物理力學性能的影響表2給出了預處理條件對稻草刨花板的物理力學性能的影響。從表2可以看出，經過蒸汽爆破預處理的稻草制備的板材，其物理力學性能明顯提高。預處理條件對靜曲強度(MOR)、內結合強度(IB)和吸水厚度膨脹率(TS)的影響顯著，較高的預處理溫度和較長的停留時間使得MOR和IB提高，TS下降。在160℃，隨著停留時間從2min延長到4min，再延長到6min，MOR從8．5MPa增加到10．3MPa，再增加到12．5MPa。同樣的變化趨勢也存在于預處理溫度為170℃時。IB的變化也與MOR相似，而TS的變化則與MOR相反。這些現象表明，蒸汽爆破預處理有效地脫除了稻草外表面的斥水性的SiO2和蠟層，使稻草的表面潤濕性提高，有利于膠液在碎料表面的均勻分布，因而改善了膠合性能。并且，預處理條件越嚴酷，稻草表面的SiO2和蠟層脫除程度越高，暴露出來的羥基數量越多，使得稻草纖維與UF之間的粘合強度提高，所以，相應地改善了MOR、IB和TS。相似的現象在已有的使用不同的預處理手段對不同的農業剩余物進行改性處理生產人造板的文獻中也有報道。經過條件為160℃，停留時間為6min和170℃，停留時間分別為4和6min預處理的稻草制備的板材分別達到國標GB/T4897-2003對于MOR和IB的要求。這些試樣均未達到國標GB/T4897-2003對于吸水厚度膨脹率的要求，本次實驗均未使用防水劑石蠟，如果施加一定數量的石蠟，則會有效地降低板材的吸水厚度膨脹率。

4結論

經蒸汽爆破預處理后，稻草外表面的SiO2和蠟層以及一部分半纖維素被脫除，pH值降低，稻草外表面出現明顯的破裂，稻草纖維出現縫隙及孔洞，為提高稻草的膠合性能創造了條件。經過蒸汽爆破預處理的稻草制備的刨花板的強度性能明顯提高。隨著預處理條件的加劇，稻草刨花板的物理力學性能相應提高，經過條件為160℃，停留時間為6min和170℃，停留時間分別為4與6min預處理的稻草制備的刨花板符合國標GB/T4897-2003對于強度性能的要求。

作者：羅鵬 楊傳民 趙登輝 單位：天津商業大學 機械工程學院