木聚糖酶處理對麥秸纖維板尺寸穩(wěn)定性的影響1)

劉艷萍 張 洋 江 華 李文定

(河南省林業(yè)科學(xué)研究院，鄭州，450008) (南京林業(yè)大學(xué))

資料表明，農(nóng)業(yè)剩余物是我國的第三森林資源［1］，每年生產(chǎn)的農(nóng)作物秸稈(麥秸、稻草等)就有6～7億t。目前國內(nèi)木材工業(yè)飛速發(fā)展，建筑裝飾裝修業(yè)異軍突起，對于一個少林缺材的國家，發(fā)展農(nóng)作物秸稈人造板是對木材資源的有力補充，又為秸稈的利用找到切實可行的出路，同時還能增加農(nóng)民收入。

尺寸穩(wěn)定性主要是指材料在不同的環(huán)境狀態(tài)下，其尺寸隨周圍環(huán)境的溫度、濕度等因素的變化仍保持其原有尺寸和形狀的一種能力，它能夠反映出材料抵抗環(huán)境條件的優(yōu)劣程度。由于木材和非木材原料本身固有的吸濕特性，由其加工成的多種結(jié)構(gòu)單元(單板、纖維、刨花、木片)，經(jīng)過重新組合成的人造板材同樣也具有吸濕性，故經(jīng)干燥、預(yù)壓、熱壓等一系列生產(chǎn)工序制成的人造板材，存在著不同程度的尺寸不穩(wěn)定性［2-3］。復(fù)合材料作為一種結(jié)構(gòu)材料，具有吸濕性，在自然環(huán)境中使用或貯存時會受到影響，尤其是濕熱條件的影響最為顯著。

麥秸纖維板同樣具有這一特點：在濕熱的環(huán)境中易于變形［4-6］。這對于該材料在家具制造、室內(nèi)裝潢，以及建筑裝飾等方面的應(yīng)用帶來了局限性，因而研究其尺寸穩(wěn)定性顯得十分必要。本研究主要探討木聚糖酶處理前后麥秸纖維壓制的纖維板，在不同溫度和相對濕度條件下的長度方向、寬度方向和厚度方向的尺寸變化情況，以期為麥秸纖維板的使用條件選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

麥秸纖維板：采用常規(guī)熱壓工藝，使用脲醛樹脂膠黏劑，施膠量為10%，未添加防水劑。將經(jīng)木聚糖酶處理的麥秸纖維和未處理的麥秸纖維壓制中密度麥秸纖維板［6］，幅面為300 mm×300 mm×4 mm，每個試驗重復(fù)3次。

化學(xué)試劑：KOH·2H2O、MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O、NaCl、K2SO4、Na2HPO4、檸檬酸均為分析純，市售。

1.2 試驗方法

1.2.1 飽和鹽溶液的配置

不同化學(xué)藥劑，在封閉的容器內(nèi)，其飽和水溶液表面的蒸汽壓不同，最終形成的平衡水汽壓，即相對濕度也各不相同。根據(jù)該原理，本試驗選用試劑KOH·2H2O、MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O、NaCl、K2SO4在不同溫度下的飽和溶解度［7］加一定質(zhì)量的蒸餾水配置成飽和鹽溶液，并置于干燥器內(nèi)、密封，即可作為預(yù)設(shè)定的平衡相對濕度10%～90%。

1.2.2 纖維的木聚糖酶處理

按照麥秸纖維木聚糖酶最佳處理條件即溫度45 ℃、時間 4 h、pH 值4.5、酶用量 205.0 IU·g-1進行處理［6］。稱取一定質(zhì)量的麥秸纖維放入電熱回轉(zhuǎn)式蒸煮鍋內(nèi);再取適量的木聚糖酶與一定體積的檸檬酸—磷酸氫二鈉緩沖溶液混合、過濾，然后加入盛有麥秸纖維的蒸煮鍋內(nèi);啟動開關(guān)進行加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后清洗若干次，在50℃溫度下烘干，備用。以未添加酶液處理的麥秸纖維作對比。

1.2.3 麥秸纖維板試件的準(zhǔn)備

裁取試件前，將麥秸纖維板在20℃、(65±1)%相對濕度條件下陳放3 d。首先將每塊麥秸纖維板的四周鋸去3 cm，再按尺寸50 mm×30 mm×4 mm(長×寬×厚)從每塊板上鋸取試件，鋸取試件時盡量保證酶處理纖維板和對照纖維板試件位置的一致性。在各試件的長度、寬度和厚度方向的測試點進行標(biāo)注記號，測試點分別為長度2個、寬度2個、厚度3個，每組試驗重復(fù)6次。

1.2.4 尺寸穩(wěn)定性的測試

按試驗需要設(shè)定的溫度和相對濕度條件為：溫度20℃，相對濕度10%～90%;溫度30℃，相對濕度10%～90%;溫度40℃，相對濕度10%～90%。

先測量麥秸纖維板試件的長度、寬度和厚度。置于自制的調(diào)濕裝置，密封后放入設(shè)定溫度的恒溫箱內(nèi)，平衡7 d后取出再測試件的長度、寬度和厚度。根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù)，利用Excel繪制不同處理纖維板的長度方向、寬度方向和厚度方向上尺寸變化曲線，分別計算麥秸纖維板長度方向、寬度方向和厚度方向上的尺寸變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶處理前后麥秸板長度變化

酶處理和未處理麥秸板在溫度20、30、40℃，相對濕度10%～90%條件下的長度增長率如表1。經(jīng)過酶處理的麥秸纖維和未經(jīng)過處理的麥秸纖維壓制的中密度纖維板在不同溫度、濕度環(huán)境條件下的長度增長率是不同的。根據(jù)木材干縮性質(zhì)，其順紋的干縮率較小，一般為0.1%～0.3%［8-9］，本試驗研究結(jié)果也證明了這一點。未處理和酶處理的麥秸板，不同溫度和相對濕度下其長度方向上的尺寸變化不大，均在0.03%～0.42%范圍內(nèi)，這可能是因為纖維與纖維之間形成較強的交織力。由表1可以看出，酶處理過的麥秸纖維壓制的纖維板的長度變化均小于未處理的麥秸纖維板。這是因為麥秸纖維的主要化學(xué)組分是纖維素、半纖維素、木素，各化學(xué)成分的吸濕能力和吸濕膨脹能力各不相同。其中半纖維素是無定形的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)具有分枝度，并由兩種或多種糖基組成，主鏈和側(cè)鏈上含有親水性基團［10］，因此它是麥秸纖維中吸濕性最大的組分，吸濕率也最高。半纖維素含量過高，會給人造板制品的耐水性、尺寸穩(wěn)定性等帶來不利影響［10］。通過測定木聚糖酶處理前后麥秸纖維的化學(xué)成分得知，未處理麥秸纖維的半纖維素質(zhì)量分數(shù)為32.85%，酶處理麥秸纖維的半纖維素質(zhì)量分數(shù)為30.60%，降低了2.25%［11］，這也間接證明了酶處理過的麥秸纖維壓制的纖維板的長度變化小于未處理的麥秸纖維板的。木聚糖酶處理麥秸纖維降解了纖維表面和纖維細胞壁的部分半纖維素，暴露更多的纖維素骨架，熱壓制板時膠黏劑與纖維素形成牢固的聯(lián)結(jié)［6］，一方面改善膠合強度，同時還降低了麥秸纖維板的吸濕性，大大提高麥秸板尺寸穩(wěn)定性。

表1 酶處理和未處理麥秸板的長度增長率

2.2 酶處理前后麥秸板寬度變化

酶處理和未處理麥秸板在溫度20、30、40℃，相對濕度10%～90%條件下的寬度增長率見表2?？梢钥闯?，麥秸板寬度變化情況和長度變化情況相似，其增長率均較小，在0.03%～0.40%。由表2可以看出，酶處理過的麥秸纖維壓制的纖維板的寬度變化均小于未處理的麥秸纖維板。

表2 酶處理和未處理麥秸板的寬度增長率

2.3 酶處理前后麥秸板厚度變化

酶處理和未處理麥秸板在溫度20、30、40℃，相對濕度10%～90%條件下的厚度增長率見表3。

表3 酶處理和未處理麥秸板的厚度增長率

經(jīng)過酶處理的麥秸纖維和未經(jīng)過處理的麥秸纖維壓制的中密度纖維板的厚度尺寸穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，其厚度增長率受環(huán)境溫度、濕度的影響最大，這也符合木材干縮濕脹原理，木材厚度方向上的干縮率(徑向和弦向干縮率)最大［9］。與麥秸纖維長度增長率和寬度增長率相比，其厚度增長率較大;但其變化規(guī)律是一致的，在溫度20、30、40℃和相對濕度10%～90%的條件下，酶處理的麥秸纖維板的厚度增長率均小于未處理麥秸纖維板的厚度增長率。其中，酶處理的麥秸纖維板的厚度增長率在2.96%～2 1.51%、未處理麥秸纖維板的厚度增長率在3.94%～23.06%。由此可見，酶處理的麥秸纖維板具有較好的厚度穩(wěn)定性。為驗證這一結(jié)論，筆者進行了酶處理前后麥秸纖維的紅外分析，并利用差示掃描量熱法(DSC)分析了酶處理前后麥秸纖維與UF膠黏劑的熱反應(yīng)特性［11］。從二者的紅外圖譜可知：經(jīng)木聚糖酶處理后，有部分低分子的碳水化合物和一些脂類物質(zhì)溶出，使纖維素、木質(zhì)素類物質(zhì)部分暴露出來，壓制纖維板時有利于麥秸纖維與醛類樹脂膠黏劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成良好的界面，從而提高其膠結(jié)強度。由DSC曲線可知，UF與未處理麥秸纖維混合物在加熱過程中過于頻繁地發(fā)生吸熱反應(yīng)，必然影響UF膠黏劑的固化反應(yīng)，僅出現(xiàn)兩個很小的放熱峰，有可能導(dǎo)致膠黏劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能完全交聯(lián)，部分處于塑性狀態(tài)。而UF與酶處理麥秸纖維混合物僅出現(xiàn)一個明顯的放熱峰，說明其固化完全，且此溫度與單一UF膠黏劑的固化溫度很接近，這進一步說明了酶處理麥秸纖維板性能較好的原因。

3 結(jié)論

在不同的溫度和濕度條件下，酶處理麥秸纖維板在3個方向上的尺寸變化均小于未處理麥秸纖維板，由此表明木聚糖酶處理有利于麥秸纖維的尺寸穩(wěn)定性。

麥秸纖維經(jīng)木聚糖酶處理后，其化學(xué)組成發(fā)生一定的變化，尤其是半纖維素質(zhì)量分數(shù)明顯降低;同時纖維表面的部分低分子碳水化合物和一些脂類物質(zhì)溶出，纖維素、木質(zhì)素類物質(zhì)暴露出來;并且酶處理麥秸纖維與UF膠粘劑的固化反應(yīng)較之未處理麥秸纖維與與UF膠黏劑的更完全，這些均有助于改善麥秸纖維板的膠合強度，還降低其吸濕性，提高麥秸板尺寸穩(wěn)定性。

在試驗區(qū)間內(nèi)，與其它溫度條件比較，當(dāng)溫度20℃、相對濕度10%～90%時，麥秸纖維板尺寸增長率最小，表明在此種環(huán)境條件下的麥秸纖維板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最優(yōu)。

［1］朱光前.中國進口木材及林產(chǎn)品的態(tài)勢及走向［J］.木材工業(yè)，2004，18(2)：1-7.

［2］王坤.單板層積材物理性能特性的研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2004.

［3］王宏棣.體育館用木質(zhì)地板結(jié)構(gòu)與性能的研究［D］.北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2008.

［4］徐信武.稻草的熱力學(xué)性能及稻草刨花板的吸濕特征［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2003.

［5］Wu Q.In-plane dimensional stability of oriented strand panel：effect of processing variables［J］.Wood Fiber Science，1999，31(1)：28-40.

［6］劉艷萍，張洋，江華，等.木聚糖酶處理對麥秸纖維制板性能的影響機理［J］.福建林學(xué)院學(xué)報，2010，30(4)：362-366.

［7］張受謙.化工手冊：上卷［M］.濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1987.

［8］尹思慈.木材學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1996.

［9］楊小軍.木地板尺寸穩(wěn)定化熱處理的研究［J］.西部林業(yè)科學(xué)，2004，33(2)：81-83.

［10］華毓坤.人造板工藝學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2002.

［11］劉艷萍.酶處理對麥秸纖維及其制板特性的影響機理研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2010.