基于农作物秸秆制备无胶人造板的研究

孙希阳，苏 琼，王鸿灵，任 敏，贺丰洋，王作栋

(1.西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730030；
2.甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室，甘肃 兰州 730030)

随着社会的进步，人们生活水平的提高，板材在家居、户外步道、建筑等方面的使用量越来越大，但我国森林面积有限，且大多数地区禁止砍伐，仅依靠森林资源已经远远不能满足社会对板材的需求。因此，使用来源丰富的农作物秸秆制造无胶人造板材来缓解木材资源的不足，已经迫在眉睫。

1.1 国外无胶人造板的发展

国外利用秸秆生产人造板已有很长时间的历史，在20世纪50年代初期时，位于西部沿海的比利时就建立了一条以农作物亚麻秸秆为原料的生产线。1985年，Germán Quintana及其同事[1]以农作物玉米秸秆和甘蔗渣为主要原料，制备出了复合材料碎料板，该农作物秸秆无胶人造板的强度可达到加拿大国家对板材物化性能的要求。

21世纪初，Xu及其团队[2]用红麻杆为原料，研制了红麻秸秆无胶碎料板，并探究了无胶碎料板的机械性能、IB内部结合强度和WA吸水厚度膨胀率的影响因素。2009年，Halvarsson等[3]人以小麦秸秆为原料，使用FeCl2及H2O2处理后，制备出了无胶纤维板，通过对比不同浓度的H2O2制备出的板材发现：在同等条件下，H2O2的浓度与小麦秸秆纤维板的强度呈正相关关系。

1.2 国内无胶人造板的发展

20世纪80年代，我国在南部省份建成10多家甘蔗渣碎料板厂，并且在浙江等地建成了稻壳板生产线。2008年，何翠芳等[4]以棉花秸秆为原料，在200 ℃下进行热压并维持6 min，可制备出研制出无胶棉秆纤维板，其厚度为4 mm，密度为0.85 g·cm-3，含水率约为15%，经测试，该农作物无胶人造板可达到国家标准。

2010年，金涛等[5]人以农作物红麻杆为基础研究材料，进而制备出无胶碎料板，最终得出该材料的抗弯强度及材料内部强度与材料的密度呈正相关的结论，而吸水厚度率与密度呈负相关关系。2011年，任博文等[6]人选用多种农作物秸秆来作为原料，并采用碱木素来将原料进行活化处理，试验结果表明，当工艺热压参数为碱木素60 g，热压温度为140 ℃，热压压力4 MPa，反应6 min时，制备出的农作物秸秆无胶人造板具有较好的力学性能。

2.1 氧化法

氧化法即是对原料进行预氧化处理，以此达到活化的目的，并通过使用相关的助剂，在一定的条件下，使用模具将原料制备成板材[7]。在预氧化处理中，一般使用硝酸类盐、过硫酸盐以及高氯酸盐等，通常使用糖醇、单宁和顺丁烯二酸酐来填补材料的缝隙。各类的无胶板材可以通过选用不同的原料，并搭配特定的氧化剂制备，也可以使用不同浓度的混酸对材料进行预处理，并通过热压的方式，得到不同种类的板材。

2.2 游离基法

游离法又称自由基法，指材料的预处理一般会选用Fe2(SO4)3、FeCl3或者Fe2(CO3)3等含铁化合物，H2O2、K2O2、CaO2等过氧化合物，以及相关的酶试剂等。以此来达到使得材料活化并引入一定的自由基，通过一定条件在热压下压板成型。而选用酶试剂，与前两者相比，具有副产物少、无污染且过程温和的特点。

2.3 碱溶液活化法

碱溶液活化法不仅可以将原材料更好地活化，还能促使材料表面与界面的胶结，在一定的条件下，通过使用模具，在其内部热压成型。一般选用NaOH溶液、NaHCO3溶液以及Ca(OH)2溶液等来作为碱液。通过研究发现：若NaOH溶液中含有一定的甲基化木素，非木质材料的活化效果将更佳，且这样压出的人造板强度较大，耐水性能也相对较好。

2.4 酸溶液法

酸溶液法指的是在预处理中使用酸溶液，从而达到去除原料里部分杂质的目的，之后在一定条件下，通过缩聚的方式，使得板材成型。但是该方法会对原材料结构造成一定的破坏，并产生多余的副产物，加大了生产的难度。

2.5 蒸汽减压法

蒸汽减压法指的是在密闭容器内，加入一定的原料，随后通入高压蒸汽，维持一段时间后，迅速开阀减压，从而使得原料的压力差的作用下膨胀，在短时间内破坏原料的结构并达到分离的效果，在喷料口处通过超高速摩擦的方式，原材料被分为单体纤维和纤维束，并呈棉絮状。

2.6 喷蒸热压法

喷蒸热压法的主要特点是喷蒸热压机的热压板上的蒸汽喷射孔按一定的规律排列，它们的直径大约在1～2 mm。通常在热压板的边缘均有密封框，密封框在制板的过程中可以防止蒸汽的泄露。另外，为了提高板坯内的传热效率，通常使用喷蒸热压机，该设备可通过喷射孔向板坯输送饱和水蒸气，从而缩短了板材成型的时间，进而提高了板材的生产效率。

国内外研究者均以农作物的秸秆部分作为研究的基础材料，并对材料进行了不同程度的研究，虽然农作物秸秆无胶人造板的历程坎坷，但是在世界上许多国家都取得了较大的进展。用农作物秸秆制造无胶板材，不仅使秸秆的利用率大大提高，还有利于保护环境、减轻环境压力、维护农业生态平衡。因此，用农作物秸秆生产无胶人造板在未来的发展将具有更加广阔的前景。

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