處理麥秸制備麥草刨花板性能研究

張佳寧，郭仁全，曹瀟文，靳　璐，張彥華

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

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處理麥秸制備麥草刨花板性能研究

張佳寧，郭仁全，曹瀟文，靳璐，張彥華*

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

本文以麥秸原料為研究對象，對麥草表面進(jìn)行處理，采用異氰酸酯作為膠黏劑，制備麥草刨花板。系統(tǒng)研究麥草表面處理對刨花板的物理力學(xué)性能、吸水率等綜合性能的影響。實驗結(jié)果表明，水處理的麥秸制成的刨花板的物理力學(xué)性能提高，1%濃度的堿處理過的麥草刨花板的力學(xué)性能比5%堿處理過的麥草刨花板顯著提高，但5%濃度的堿處理的刨花板的耐水性顯著提高。掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)果表明：采用堿處理的麥草外表面蠟質(zhì)層全部去除，接觸角的測試結(jié)果進(jìn)一步驗證了堿處理方法能夠降低麥草外表面的疏水性，提高潤濕性，力學(xué)性能測試結(jié)果表明，采用不同處理方法進(jìn)行麥草改性，其各種力學(xué)強(qiáng)度均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

麥草表面處理；刨花板；性能

0　引　言

我國是個森林資源相對短缺的國家，隨著經(jīng)濟(jì)迅速增長，對木材資源的需求增加更導(dǎo)致木材資源短缺[1]。人造板作為木材的主要替代品可廣泛應(yīng)用于建筑、家具和室內(nèi)裝修等領(lǐng)域，因而產(chǎn)量大幅增長[2-4]。為了保護(hù)森林資源，尋求木材的替代品成為了當(dāng)前的研究熱點。我國是個農(nóng)業(yè)大國，秸稈總量超過7億t，其中麥秸和稻草的每年總量達(dá)4億t，農(nóng)作物秸稈作為一種用于制備生物質(zhì)材料原料[5]，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源[6-8]，因此，高效利用農(nóng)作物秸桿將會節(jié)約大量木材，是緩解木材供應(yīng)緊張局勢的重要途徑[9-11]。

麥秸是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量乙醚抽提物和灰分組成，是一年生草本植物。纖維素和木質(zhì)素的含量是衡量麥草強(qiáng)度的指標(biāo)，與木材相比，麥秸中纖維素和木質(zhì)素的含量低，使得麥秸強(qiáng)度不如木材[12]。另外，原料的表面性能是影響人造板各項性能的一個很重要的因素[13-14]。麥秸中乙醚抽提物的含量高，使得麥秸表面光滑，不利于膠黏劑與麥秸表面形成氫鍵，從而不利于膠合，這大大限制了麥秸的工業(yè)應(yīng)用[15]。并且麥秸稈表面的蠟質(zhì)層和二氧化硅的含量高，導(dǎo)致了脲醛樹脂對麥草的膠合力下降，使得麥秸板的內(nèi)膠合強(qiáng)度低，適度對麥草表面進(jìn)行處理可除去碳水化合物、脂肪類物質(zhì)和無機(jī)礦物質(zhì)[16]。

本實驗采用的異氰酸酯膠黏劑是一種反應(yīng)型膠黏劑，具有分子量小、反應(yīng)活性高等特點，且異氰酸酯膠黏劑能與麥秸表面的-OH、-COOH等活性基團(tuán)反應(yīng)[17]，易于在農(nóng)作物秸稈表面擴(kuò)散和滲透，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[18]，本文擬采用不同方法對麥草表面處理，進(jìn)而降低異氰酸酯膠黏劑的添加比例，降低生產(chǎn)工藝成本，為麥草的工業(yè)化應(yīng)用提供重要的工藝技術(shù)參數(shù)。

1　實驗部分

1.1實驗原料

麥秸原料：從本地農(nóng)村購得，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎、篩選、麥秸尺寸在1.0～1.5 cm，烘干至含水率為4%左右，裝袋密封待用。

膠黏劑：實驗室自制的改性異氰酸酯膠黏劑，由多亞甲基多苯基多異氰酸酯(p-MDI)與聚醚多元醇反應(yīng)制得。氫氧化鈉(分析純)，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.2麥草表面處理

首先配置濃度不同的氫氧化鈉溶液，濃度為1%和5%的堿液以及沸水溶液，將切碎的麥草放在配置好的處理液中浸泡到10 min，晾置20 min，用水進(jìn)行清洗，烘干。

1.3刨花板的制備

將表面處理好的麥草刨花按照規(guī)定的質(zhì)量，進(jìn)行施膠，將調(diào)制好的異氰酸酯膠用氣壓噴涂裝置噴膠，施膠量為3%，經(jīng)過鋪裝，預(yù)壓，熱壓成麥草刨花板，刨花板幅面尺寸為340 mm×320 mm×10 mm。工藝參數(shù)：熱壓溫度為160℃，壓力17MPa，熱壓時間為6 min。

1.4性能測試與表征

1.4.1麥草刨花板的力學(xué)性能測試

對所制備的刨花板，采用GB/T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，對其密度、含水率、靜曲強(qiáng)度(MOR)、彈性模量(MOE)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)及2 h吸水厚度膨脹率(TS2h)。物理力學(xué)性能測試采用CMI系列萬能力學(xué)試驗機(jī)，儀器型號CMT5504，深圳新三思生產(chǎn)廠家，每個樣品中按照標(biāo)準(zhǔn)選取試件，至少5個試件，并測試求取平均值。

1.4.2掃描電子顯微鏡(SEM)

采用FEI 公司Quanta 200掃描電鏡對不同方法處理的麥草以及麥草刨花板材進(jìn)行表面掃描測試，掃描電壓為20 kv，放大倍數(shù)為500倍，測試前樣品在真空環(huán)境中鍍金。

1.4.3接觸角測試

采用JC2000A儀器，然后將待測試樣(10 mm×15 mm×2 mm)放入接觸角的樣品槽中進(jìn)行測定，分別將被測液蒸餾水，在不同處理方法麥草表面進(jìn)行測試，一次一滴(約0.002 ml)滴在待測試樣表面上，使用儀器中的連續(xù)捕圖拍攝功能，獲取從0到120 s內(nèi)不同時間段液滴在試樣表面的形態(tài)。設(shè)定的拍攝時間間隔為2 s，即一個液滴一分鐘內(nèi)拍60張照片，測量時室溫為20±1℃。借助配套軟件直接測量2、10、60、118 s時照片，液滴在試件表面的接觸角，每個試樣分別測3次，取平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1處理方法對麥秸表面的影響

麥草外表面是一層細(xì)胞，通常是由一個長細(xì)胞與2個短細(xì)胞交替排列。短細(xì)胞分為兩種，一種幾乎充滿SiO2，即硅細(xì)胞；另一種是酸質(zhì)細(xì)胞，具有酸質(zhì)化的細(xì)胞壁。由于礦物化和酸質(zhì)化的結(jié)果，表皮易形成角質(zhì)層。角質(zhì)層的存在，嚴(yán)重影響膠黏劑對其潤濕、擴(kuò)散、滲透。對麥草外表面進(jìn)行處理，能夠破壞其排列規(guī)整的表面。具體不同處理方法的麥草外表面的SEM如圖1所示。

從圖1(a)可以清晰看到，原生麥草外表面秸稈結(jié)構(gòu)致密，表面覆蓋有蠟質(zhì)層，表面凹凸不平，有較多顆粒存在，圖1(b)水處理后麥草外表面仍然有蠟質(zhì)層，但數(shù)量比較原生麥草的外面則減少較多，而1%和5%堿處理后的麥草外表面，蠟質(zhì)層全部溶解，曝露出纖維層，纖維表面相對平滑，纖維得到較好的潤脹。

圖1　不同處理方法的麥草外表面的SEMFig.1 SEM of the surface of straw treated by different ways(a)原麥草(b)水處理(c)1%堿(d)5%堿(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

2.2處理方法對麥秸表面的潤濕性能的影響

接觸角是液滴外表層的切線與固體表面間所形成的接觸角(夾角)，用來表示該麥草表面潤濕性能的強(qiáng)弱。接觸角越大，麥草表面潤濕性能越差，接觸角越小，表面潤濕性能越好，固體就越容易被液體潤濕，表面越容易膠接，且膠接效果越好。

表1　水在麥草外表面的接觸角與時間的關(guān)系

本研究針對不同方法處理的麥草進(jìn)行接觸角測試，水在麥草表面的接觸角的測試結(jié)果如圖2和圖3所示。從表1、圖2和圖3可知，隨著測試時間延長，水在麥草表面的接觸角呈變小趨勢，但原麥草以及不同方法處理的麥草接觸角變化趨勢不同，其中原麥草由于表面有較厚的蠟質(zhì)層，水很難潤濕到內(nèi)部，因此接觸角變化較小，而水處理則導(dǎo)致接觸角降低趨勢加快，但仍難達(dá)到潤濕的程度，接觸角大約90°，而采用堿處理1%和5%的接觸角則小于90°，且堿濃度越大，處理的麥草表面的破壞越大，接觸角變得越小，這說明堿處理有利于蠟質(zhì)層的脫出。

圖2　2 s時不同處理方法對麥草外表面的接觸角Fig.2 Surface contact angle with different treatments on straw at the time of 2s(a)原麥草(b)水處理(c)1%堿(d)5%堿(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

圖3　118 s時不同處理方法對麥草外表面的接觸角Fig.3 Surface contact angle with different treatments on straw at the time of 118s(a)原麥草(b)水處理(c)1%堿(d)5%堿(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

2.3處理方法對麥秸刨花板力學(xué)性能的影響

本項研究通過分析不同處理的麥草制備的刨花板對力學(xué)性能的影響，優(yōu)化麥草刨花板的工藝，研究分析其綜合性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)信息，促進(jìn)麥草刨花板的生產(chǎn)應(yīng)用。不同處理方法對麥秸板的性能影響見表2。

表2　不同處理方法麥秸刨花板的物理力學(xué)性能

從表2中可以看出，不同處理方法對麥草刨花板的各項性能有一定的影響，水處理的麥草壓成的麥草刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量最高，這是由于麥草經(jīng)過水處理，會導(dǎo)致麥草表面的纖維疏松，施膠過程中有利于膠黏劑的滲透作用，然而由于麥草表面的蠟質(zhì)層未除去，與未處理相比內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度變化不大，但吸水膨脹率明顯提高，表明水處理過的麥秸刨花板耐水性下降。堿處理過的麥秸板刨花板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量有所下降，但比國家標(biāo)準(zhǔn)18MPa提高30%以上，但1%和5%濃度的堿處理過的麥秸刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和耐水性提高，堿處理濃度越高，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和耐水性越好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)。

3　結(jié)　論

采用不同方法對麥草表面進(jìn)行處理后制備麥草刨花板，通過對處理前后麥草的SEM、接觸角以及刨花板性能測試，系統(tǒng)討論不同方法處理麥草表面對其刨花板的影響，得出以下結(jié)論：水處理以及堿處理不同程度的去除表面角質(zhì)層，都有效的提高麥草表面的潤濕能力，提高膠黏劑的潤濕和滲透能力，采用1%和5%堿處理過的麥草刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均提高，吸水膨脹率和含水率均降低，提高刨花板的耐水性，擴(kuò)寬了麥草刨花板的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Research on Properties of Wheat Straw ParticleboardPrepared by Treated Wheat Straw

Zhang Jianing，Guo Renquan，Cao Xiaowen，Jin Lu，Zhang Yanhua*

(College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In this paper，straw raw materials were studied and wheat straw particleboards were prepared by processing the straw surface and using isocyanate adhesive.The effects on the comprehensive performance including physical mechanical properties as well as water absorption of particleboards prepared from wheat straw with disposed surfaces were studied systematically.It is suggested that the physical mechanical properties of particleboards which were made of straw treated by boiling water were improved and that the mechanical properties of straw particleboards treated by 1% concentration of alkali were more obviously enhanced compared with those disposed of 5%，and with the treatment of 5% concentration of alkali particleboards had a higher resistivity against water.It indicated through scanning electron microscope(SEM)that the waxy layer on the outer face of straw processed by alkali was removed completely.The results obtained through contact angle measurements further verified that it could reduce the straw contact angle on the outer face and increase the wettability of straw surface.The mechanical properties showed that modifying wheat straw with different processes，the mechanical strengths of particleboards could meet the requirements of national standard.

surface treatment of wheat straw；particleboard；properties

2016-03-29

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生國家級創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(CL201532)；黑龍江省自然科學(xué)基金項目(C201404)

張佳寧，本科生。研究方向：木材用膠黏劑以及高分子材料改性。

張彥華，博士，高級工程師。研究方向：木材用膠黏劑以及高分子材料改性。E-mail:zyhnefu@163.com

張佳寧，郭仁全，曹瀟文，等.處理麥秸制備麥草刨花板性能研究[J].森林工程，2016，32(5)：44-47.

TS 653.5

A

1001-005X(2016)05-0044-04