植物形態(tài)生物質(zhì)材料的制備與力學(xué)性能

胡先運(yùn)

(黔南民族醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，貴州 都勻 558000)

生物形態(tài)高性能材料由于具有相對(duì)密度低、比彈性模量高及比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。同時(shí)，由于該材料吸收沖擊能力強(qiáng)，有良好的緩沖、隔音、隔熱等性能，使它成為有效的防護(hù)材料，在各個(gè)行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

天然纖維多來源于木材與竹類，只要大量種植，就可以持續(xù)地生產(chǎn)利用。植物的生長過程對(duì)環(huán)境友好，且其材料經(jīng)加工利用后被廢棄也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是一種環(huán)保的生物質(zhì)材料。自然界生物形態(tài)的多樣性，很早就引起了人們的注意，由于細(xì)胞的形狀和排列方式不同，不同的生物具有不同的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，即使是同一種生物的不同部位其形態(tài)和結(jié)構(gòu)差異也很大。制備生物形態(tài)生物質(zhì)的主要原料有麻蕉[2]、黃麻[3-4]、大麻[5]、亞麻[6]和劍麻[7]等麻類材料及木材[8]、竹類[9-10]、棉纖維[11]和紙漿纖維[12]等。材料形態(tài)主要以纖維態(tài)和粉態(tài)為主[11]，但也有織物形態(tài)[13]。

本研究以環(huán)境適應(yīng)能較強(qiáng)、生長過程中根系發(fā)達(dá)、分支較少、不易霉變、干物質(zhì)中纖維素含量較高且成本較低的一年生黑麥草(Loliummultiflorum)、高羊茅(Festucaarundinacea)和白三葉(Trifoliumrepens)為供試原料，研究植物形態(tài)輕質(zhì)材料的制備與表征，以期為進(jìn)一步開發(fā)利用植物形態(tài)生物質(zhì)材料提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)器材 以黑麥草、高羊茅和白三葉為供試材料。主要實(shí)驗(yàn)儀器為MY-9100-DS/DC型號(hào)的拉力機(jī)。

1.2種子預(yù)處理 種子挑選：對(duì)一年生黑麥草、高羊茅和白三葉種子進(jìn)行凈度處理后挑選飽滿、成熟且無蟲害的種子備用。

種子消毒：將挑選好的種子用蒸餾水漂洗去表面污物，用濾紙吸干，再用干凈的紗布包好，放入70%的乙醇中浸泡30 s。用1%的高錳酸鉀溶液消毒兩次，第1次消毒10 min，用無菌水沖洗4～6次，第2次消毒8 min，然后用無菌水沖洗干凈[14]。

1.3植物幼苗生物形態(tài)材料的制備 根據(jù)3種草坪草種子的發(fā)芽情況，設(shè)置5個(gè)不同種子添加量梯度，分別為20、30、40、50和60 g，置于直徑150 mm培養(yǎng)皿中，每處理重復(fù)3次。在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，保持容器中水分含量適當(dāng)，在種子發(fā)芽前定時(shí)輕晃培養(yǎng)皿，保持種子分布均勻。在種子發(fā)芽至2 cm左右時(shí)，倒置培養(yǎng)，然后根據(jù)幼苗的長勢進(jìn)行正立、倒置反復(fù)4次。由于根的向地性，莖的向上性，最終生長為一種根莖交聯(lián)在一起，和生長模型相適應(yīng)的生物質(zhì)。待根莖完全緊密交聯(lián)在一起后(約為7 d)，從培養(yǎng)箱中取出生物質(zhì)模塊，置于80 ℃烘箱中烘干，取出備用。

1.4未經(jīng)處理的生物質(zhì)力學(xué)性能分析 單位體積種子添加量對(duì)幼苗輕質(zhì)材料力學(xué)性能的影響至關(guān)重要，所以找出符合要求的添加量，使未經(jīng)處理的材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳顯得尤為重要。這為高分子溶液的進(jìn)一步處理奠定了基礎(chǔ)。

烘干的生物質(zhì)模塊不經(jīng)任何處理，按照?qǐng)?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)(GB/T6344-2008)測試其力學(xué)強(qiáng)度，比較三種不同草坪芽苗的力學(xué)性能，并確定種子最佳添加量與培養(yǎng)模型的比值。

1.5高分子溶液濃度梯度的選擇 不同濃度的高分子溶液對(duì)生物質(zhì)材料的力學(xué)性能影響不同，為了探索出最佳的幼苗輕質(zhì)材料，首先要確定適合的高分子溶液及其濃度范圍。根據(jù)高分子聚乙烯醇在水中的溶解度設(shè)置5個(gè)不同濃度梯度，分別為3%、5%、10%、13%和15%。

1.6不同處理濃度的高分子溶液對(duì)力學(xué)性能的影響 通過分析每一濃度梯度下不同幼苗制備的生物質(zhì)材料的力學(xué)性能，確定最佳的植物品種與最適高分子溶液濃度，探索出力學(xué)性能優(yōu)異的幼苗生物質(zhì)材料，并計(jì)算其密度、比重和比強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1一年生黑麥草種子不同添加量與力學(xué)性能 添加量在20～60 g時(shí)，一年生黑麥草種子均能較好地生長(表1)。添加量為30 g時(shí)生物質(zhì)的最大變形和伸長率達(dá)到最大，分別為7.203 mm和18.01%，顯著大于20、40、50 g添加量(P<0.05)，而相較于60 g時(shí)無明顯差異。添加量為40、50和60 g時(shí)最大力和抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于20和30 g，且差異顯著 (P<0.05)，40、50 g添加量之間無明顯差異，這可能是由于模型中種子生長密度達(dá)到了最大值，處于飽和狀態(tài)。從制備好的材料中可以看出，添加量為50、60 g時(shí)殘留種子量明顯高于20、30和40 g，添加60 g時(shí)最大力和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，顯著大于40、50 g(P<0.05)。添加40和60 g種子量的平均彈性模量值要優(yōu)于其余3個(gè)梯度，但40 g時(shí)彈性模量數(shù)值間差異小于60 g，說明生物質(zhì)材料之間差別不大，穩(wěn)定性好。綜上所述，一年生黑麥草種子添加量為40、50和60 g時(shí)的力學(xué)性能無明顯差異，出于成本考慮，直徑150 mm培養(yǎng)皿模型中40 g為最佳添加量(表1)。

2.2高羊茅種子不同添加量與力學(xué)性能 添加量為20～60 g時(shí)，高羊茅種子均能較好生長(表2)。其中添加量為40 g的最大變形平均值最大，為6.473 mm，20 g的最大變形最小，比30、40、50、60 g分別低15.23%、29.12%、13.63%、28.79%，且差異顯著(P<0.05)，40和60 g之間無顯著差異，與50 g差異顯著(P<0.05)，說明種子的添加量對(duì)樣品的彈性形變具有一定影響。樣品伸長率的變化同最大變形成正比。添加量為40、50和60 g的最大力和抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于20和30 g，且差異顯著 (P<0.05)，60 g時(shí)最大力與抗拉強(qiáng)度最大，與40、50 g之間差異顯著(P<0.05)。40 g與50 g之間差異顯著(P<0.05)，表明模型中高羊茅種子生長密度達(dá)到最大值，繼續(xù)添加有可能影響其生物質(zhì)材料的力學(xué)性能。從制備好的材料中可以看出，添加量為50、60 g時(shí)殘留種子量明顯高于其它添加量。40、50和60 g的彈性模量平均值要優(yōu)于其余兩個(gè)梯度，其中60 g的彈性模量值差異最小，分別為0.18、0.20和0.20 MPa，說明樣品之間差別不大，穩(wěn)定性好。綜上所述，高羊茅種子添加量與一年生黑麥草種子類似，40～60 g種子添加量的力學(xué)性能最佳，基于成本考慮，150 mm培養(yǎng)皿模型中40 g為最佳添加量(表2)。

表1 一年生黑麥草種子不同添加量對(duì)力學(xué)性能的影響Table 1 Effects of different seeds addition of Lolium multiflorum on mechanical property

2.3白三葉種子不同添加量與力學(xué)性能 添加量在20～60 g時(shí)，白三葉種子均能較好地生長(表3)。其中添加量為50 g的最大變形值最大，為5.628 mm，20 g時(shí)最小，比50 g低42.16%，且差異極顯著(P<0.05)；30 g與50 g之間差異顯著(P<0.05)，而40、50和60 g之間無顯著差異(P>0.05)，說明種子的添加量對(duì)生物質(zhì)的柔韌性具有一定的影響。由于伸長率受最大變形的影響，所以白三葉種子不同添加量之間伸長率的差異同最大變形相似。40、50和60 g的最大力和抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于20和30 g，且差異顯著(P<0.05)。50 g最大拉伸力達(dá)到最大，為10.427 N。忽略試驗(yàn)誤差，50、60 g添加量時(shí)最大力與抗拉強(qiáng)度之間無明顯差異，表明模型中種子生長密度達(dá)到了飽和狀態(tài)。從制備好的生物質(zhì)材料中可以看出，添加量為60 g時(shí)殘留種子量高于其余4個(gè)處理。50和60 g彈性模量平均值優(yōu)于其余3個(gè)添加量，且50 g時(shí)達(dá)到最大，為0.20 MPa。綜上所述，白三葉種子添加量為40～60 g時(shí)生物質(zhì)材料的力學(xué)性能最佳，基于成本考慮，150 mm培養(yǎng)皿模型中50 g為最佳添加量(表3)。

表2 高羊茅種子不同添加量對(duì)力學(xué)性能的影響Table 2 Effects of different seeds addition of Festuca arundinacea on mechanical property

表3 白三葉種子不同添加量對(duì)力學(xué)性能的影響Table 3 Effects of different seeds addition of Trifolium repens on mechanical property

2.4不同濃度梯度的聚乙烯醇處理后力學(xué)性能的變化 將生物質(zhì)輕質(zhì)材料經(jīng)不同濃度梯度聚乙烯醇充分浸泡后，繪制其平均力學(xué)參數(shù)值折線圖(圖1-5)。經(jīng)不同濃度梯度聚乙烯醇處理后，3種生物質(zhì)材料力學(xué)性能均發(fā)生了明顯變化。一年生黑麥草、高羊茅和白三葉的最大力和抗拉強(qiáng)度隨處理濃度的遞增呈顯著上升趨勢，其中濃度為15%的聚乙烯醇處理后3種材料最大力與抗拉強(qiáng)度平均值均達(dá)到了最大，最大力分別為357.369、373.986和163.747 N，最大抗拉強(qiáng)度分別為0.953、0.997和0.437 MPa。相比于其余4個(gè)濃度，一年生黑麥草和高羊茅的差異均顯著(P<0.05)。白三葉經(jīng)15%聚乙烯醇處理與其余梯度差異顯著(P<0.05)。3種材料中，一年生黑麥草和高羊茅的最大變形隨著處理濃度的增加呈先增加后降低再增加的趨勢，其中，3%～10%的范圍內(nèi)，樣品最大變形隨著濃度的增加而增大，10%～15%的范圍內(nèi)，最大變形呈現(xiàn)出先降低再增大的趨勢，在濃度15%時(shí)最大變形均達(dá)到最大值，一年生黑麥草為33.841 mm，與其余4個(gè)梯度差異顯著(P<0.05)。高羊茅為24.576 mm，與其余梯度差異顯著(P<0.05)。白三葉的最大變形在3%～13%的范圍內(nèi)隨處理濃度的增加而增大，濃度為13%時(shí)最大變形達(dá)到最大(23.715 mm)，之后隨著濃度的增加表現(xiàn)出遞減的趨勢。3種生物質(zhì)材料在3%的濃度下最大變形均為最低，分別為11.745、13.610和10.415 mm，相比于其余4個(gè)梯度，一年黑麥草和高羊茅均差異顯著(P<0.05)，白三葉與其余梯度差異顯著(P<0.05)。由于伸長率與最大變形之間呈正相關(guān)關(guān)系，所以伸長率的變化與最大變形的變化一致。3種材料的彈性模量變化隨處理濃度的增加變化明顯，一年生黑麥草和高羊茅隨濃度的增加呈非常明顯的遞增趨勢，在濃度為15%時(shí)均達(dá)到最大，分別為1.18和1.64 MPa，其中一年生黑麥草與其余梯度差異顯著(P<0.05)，高羊茅與其余4個(gè)梯度差異均顯著(P<0.05)。白三葉彈性模量的增大不及一年生黑麥草與高羊茅，在濃度為3%～10%范圍內(nèi)，彈性模量增加明顯，差異顯著(P<0.05)，10%～13%范圍內(nèi)逐漸降低，差異顯著(P<0.05)，但隨著濃度的提高，彈性模量增加明顯，在濃度15%時(shí)達(dá)到最大，為1.04 MPa，與其余4個(gè)梯度差異顯著(P<0.05)。

圖1 聚乙烯醇與最大力之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between polyving akohol and max force

圖2 聚乙烯醇與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between polyving akohol and tensile strength

圖3 聚乙烯醇與最大變形之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between polyving akohol and max exten

圖4 聚乙烯醇與伸長率之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between polyving akohol and flexible mould

圖5 聚乙烯醇與彈性模量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between polyving akohol and flexible mould

3種草坪草幼苗制備的輕質(zhì)材料經(jīng)濃度為10%～15%的聚乙烯醇處理后，其力學(xué)性能明顯優(yōu)于其余兩個(gè)梯度處理，但由于聚乙烯醇隨著濃度的提高溶解過程較為困難，且基于對(duì)聚乙烯醇溶解度與材料成本的考慮，選擇濃度為10%的聚乙烯醇為生物質(zhì)材料作為最佳浸泡濃度。

3種生物質(zhì)材料經(jīng)濃度為10%的聚乙烯醇處理后，一年生黑麥草和高羊茅的力學(xué)性能無明顯差異，而白三葉的力學(xué)性能不及一年生黑麥草和高羊茅。其中，最大力、抗拉強(qiáng)度和彈性模量之間差異顯著(P<0.05)，最大變形和伸長率之間差異顯著(P<0.05)，這種差異可能與品種的種子活力和遺傳性相關(guān)，因?yàn)榧词乖谙嗤瑮l件的最適宜溫度下，白三葉的生長勢也明顯弱于一年生黑麥草和高羊茅。

2.5濃度為10%聚乙烯醇處理后材料比重、比強(qiáng)度 3種草坪芽苗制備的生物質(zhì)材料，經(jīng)濃度為10%的聚乙烯醇處理后，力學(xué)性能均發(fā)生了明顯的變化，材料質(zhì)輕、比強(qiáng)度高，在水中處于漂浮狀態(tài)，達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期效果。

表4 濃度為10%的聚乙烯醇處理3種草坪芽苗后的質(zhì)量、比重和比強(qiáng)度Table 4 Weight, density, specific strength of biomass material after dealing with 10% concentration of polyving akohol

3 結(jié)論

在生物質(zhì)材料方面，木基塑料、可生物降解的淀粉基塑料以及纖維素基功能高分子材料研究已取得了關(guān)鍵性進(jìn)展。本研究在最適溫度下培養(yǎng)植物芽苗制備的生物質(zhì)輕質(zhì)材料，并經(jīng)不同濃度梯度的高分子溶液處理后，分別測定了材料所能承受的最大力、最大變形、抗拉強(qiáng)度、伸長率及彈性模量，以及處理后的比重、比強(qiáng)度值。結(jié)果表明，一年生黑麥草、高羊茅、白三葉制備的植物輕質(zhì)材料在未經(jīng)任何處理的條件下力學(xué)性能較差，經(jīng)高分子溶液聚乙烯醇的不同濃度處理后，其力學(xué)強(qiáng)度顯著增加。其中以10%的處理力學(xué)性能達(dá)到最佳，此時(shí)測得的材料比重和比強(qiáng)度值優(yōu)異均達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期效果。3種草坪草幼苗中，一年生黑麥草制備的生物質(zhì)材料優(yōu)于其余兩種草坪草，經(jīng)濃度為10%聚乙烯醇處理后的力學(xué)性能各參數(shù)值分別為最大力191.959 N、最大變形23.581 mm、拉伸強(qiáng)度0.512 MPa、伸長率58.95%以及彈性模量0.87 MPa。

本研究所選供試植物范圍比較狹窄，應(yīng)把更多成本低廉、根系發(fā)達(dá)的草本科植物納入試驗(yàn)的范圍；另外，可發(fā)掘更多適合于提高生物質(zhì)材料力學(xué)性能的高分子溶液種類。應(yīng)通過對(duì)生物質(zhì)材料的研究、開發(fā)和利用，開發(fā)生物質(zhì)材料產(chǎn)業(yè)，緩解資源與環(huán)境壓力，發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)。

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