秸稈復(fù)合材料研究進展

叢后羅 孫鵬 朱信明 劉希春

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

秸稈復(fù)合材料研究進展

叢后羅 孫鵬 朱信明 劉希春

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

本文介紹了我國秸稈利用的現(xiàn)狀，綜述了目前國內(nèi)以秸稈為主要原料制備復(fù)合材料的情況。介紹了秸稈的主要成分、結(jié)構(gòu)特點及其作為復(fù)合材料原料再利用的可能及環(huán)保意義。重點介紹了秸稈/塑料復(fù)合材料、秸稈/橡膠復(fù)合材料、秸稈/水泥混凝土材料、秸稈功能復(fù)合材料、秸稈人造板材等復(fù)合材料的制備、性能、特點和不足之處。最后，分析了秸稈復(fù)合材料制備中的主要問題，對秸稈復(fù)合材料的應(yīng)用提出了展望。

秸稈 塑料 橡膠 復(fù)合材料

1 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源非常豐富，每年產(chǎn)量達數(shù)億噸。據(jù)農(nóng)業(yè)部項目專家預(yù)測，到2015年我國的秸稈總產(chǎn)量達到7.5億噸。目前，我國利用農(nóng)作物秸稈的主要途徑有：秸稈還田，作為飼料使用，作為能源，作為工業(yè)原料，作為復(fù)合材料使用等。但是總的看來，秸稈的利用率還是較低，利用不科學(xué)，焚燒現(xiàn)象仍然存在。因此，科學(xué)合理利用秸稈資源具有重要的環(huán)保和經(jīng)濟價值。

農(nóng)作物秸稈的化學(xué)成分主要含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。其中纖維素是秸稈纖維的主要成分，其分子量具有多分散性，性能不均一。X-射線研究認(rèn)為，纖維素是由結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)交錯連接而成的二相體系，其中還有許多的空隙，一般認(rèn)為，天然纖維素的結(jié)晶度為70%左右，它具有較高的模量。因此，秸稈可作為一種天然高分子增強材料使用。它與許多無機及合成纖維相比有許多優(yōu)點，如價廉、易得、密度低，具有較高的拉伸強度和模量，加工能耗小，而且具有可再生性和生態(tài)環(huán)境相容性，對環(huán)境污染及人體危害小。將天然農(nóng)作物秸稈作為填料或增強材料的研究是當(dāng)前復(fù)合材料領(lǐng)域中的研究熱點。用天然植物纖維增強聚合物是一種新型的綠色環(huán)保型復(fù)合材料，符合生態(tài)環(huán)境要求，具有巨大的經(jīng)濟潛力。在國外，天然植物纖維增強復(fù)合材料已經(jīng)被用于汽車工業(yè)、建筑業(yè)、運輸業(yè)、航空業(yè)等。

2 秸稈復(fù)合材料

秸稈復(fù)合材料是以秸稈為原料，與塑料、橡膠、熱固性樹脂等其它材料進行復(fù)合，利用特定的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出可用于環(huán)保、木塑產(chǎn)品生產(chǎn)的高品質(zhì)、高附加值功能性的復(fù)合材料。目前，主要有秸稈/塑料復(fù)合材料、秸稈/橡膠復(fù)合材料、秸稈/水泥混凝土材料、秸稈功能復(fù)合材料、人造板材等。

2.1 秸稈/塑料復(fù)合材料

李忠明等運用秸稈與聚丙烯復(fù)合制備了能替代木材使用的復(fù)合材料?？疾炝私斩捄?、界面處理劑用量對復(fù)合材料力學(xué)性能、流動性及形態(tài)的影響。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的拉伸強度和沖擊強度隨秸稈含量增加而下降，但下降幅度較小；耐熱性隨秸稈含量增加而升高。于旻等為提高麥秸稈纖維與聚丙烯基體的界面結(jié)合力，采用了復(fù)合處理的方法，對麥秸稈表明進行處理，然后通過熔融共混、模壓成型的方法成功制備了麥秸稈/聚丙烯復(fù)合材料，并研究了材料的力學(xué)性能，表明其有良好的應(yīng)用前景，但是過程中會產(chǎn)生廢水、廢氣造成新的污染，因此有待進一步研究和改進。楊鳴波等運用化學(xué)方法，對秸稈進行表面處理，然后與聚氯乙烯塑料進行混合，并制備了具有良好性能的秸稈/聚氯乙烯復(fù)合材料，并對其結(jié)構(gòu)進行了微觀表征，力學(xué)性能進行了研究。滕翠青等制備了秸稈纖維增強復(fù)合材料，并研究了其可降解性能，對其老化現(xiàn)象和使用壽命作了較為科學(xué)的評價。為秸稈纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用提供科學(xué)的參考依據(jù)。許民等以麥秸、廢舊聚丙烯為主要原料，研究麥秸/聚丙烯復(fù)合材料熱力學(xué)性能及界面結(jié)合特性。劉飛虹等利用玉米秸稈粉體作為增強材料與聚乙烯通過擠出機進行復(fù)合，成功制備了結(jié)構(gòu)粉體/聚乙烯復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的工藝可行性及力學(xué)性能。王寶利等以秸稈為主要原料，粉碎后與塑料混合后高溫下模壓，制備了各種不同粒度含量的秸稈模塑制品，并發(fā)現(xiàn)加入一定量的防水劑后，材料的耐水性能明顯提高，能滿足多種防水性能的要求。

2.2 秸稈/橡膠復(fù)合材料

橡膠作為一種應(yīng)用廣泛的高分子材料，具有很好的彈性和可填充性能。秸稈與橡膠有一定的相容性，可用于填充和改性橡膠材料，以降低橡膠的成本，改善橡膠的加工工藝性能。叢后羅等］將小麥秸稈粉碎后，分別與天然橡膠和丁腈橡膠共混，制備了秸稈/橡膠復(fù)合材料，并全面的研究了復(fù)合材料的工藝性能、力學(xué)性能、老化性能等。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈的粒徑、填量、表面性質(zhì)等對復(fù)合材料的硫化時間、焦燒時間、拉伸強度、撕裂強度、硬度等工藝和力學(xué)性能有明顯的影響。秸稈具有良好的填充效果，可以明顯降低復(fù)合材料的成本。為秸稈在橡膠彈性材料中的應(yīng)用作了初步地探索。

2.3 秸稈/水泥混凝土材料

肖力光等以東北地區(qū)當(dāng)?shù)氐柠溄斩捄陀衩捉斩挒橹饕希鬯楹?，摻入到水泥中，制備了秸稈水泥?fù)合材料混凝土，深入研究了材料的水泥和秸稈界面，基體相界面，秸稈與水泥的復(fù)合效果以及復(fù)合材料的力學(xué)性能等，研究結(jié)果表明，在界面劑的作用下，秸稈植物纖維和水泥之間取得了良好的界面效果，取得了具有良好性能的秸稈/水泥混凝土材料，為秸稈在建筑材料領(lǐng)用的應(yīng)用做了較為全面的探討。

2.4 秸稈功能復(fù)合材料

廖利華等研究了以秸稈和酚醛樹脂為主要原料制備復(fù)合環(huán)境材料的工藝方法，同時探討了制備方法對導(dǎo)電性能的影響；成功制備了一種新型的導(dǎo)電材料，可用于磁控濺射碳基靶材和電刷等。王麗等以小麥秸稈纖維為主要原料，將功能單體N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸，通過接枝共聚反應(yīng)，研究了其等溫吸附行為和吸附動力學(xué)。制備了具有優(yōu)異吸附性能的小麥秸稈纖維素基復(fù)合材料，可用作為廢水處理材料使用，具有極高的環(huán)保和經(jīng)濟價值。張勝利等以玉米秸稈為原料，先用化學(xué)活化法，通過微波加熱的方法制備了活性炭材料，然后用熔融法與單質(zhì)硫復(fù)合成功制備了硫/炭復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)材料具有微孔秸稈，比表面積高達1042.2平方米/克，總孔容率為0.76 立方厘米/克，具有很好的吸附性能，另外，單質(zhì)硫經(jīng)熱處理后，成功填充在活性炭的孔道中，形成了特殊電化學(xué)性能的材料，在電池材料應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.5 秸稈人造板材

秸稈人造板材也是目前發(fā)展比較成熟的材料生產(chǎn)技術(shù)，主要用于建筑裝飾。秸稈人造板材生產(chǎn)技術(shù)是秸稈經(jīng)處理后，在熱壓條件下形成密實而有一定剛度的板芯，進而在板芯的兩面覆以涂有樹脂膠的特殊強韌紙板，再經(jīng)熱壓而成的輕質(zhì)板材。秸稈人造板材經(jīng)過原料處理、成型加工、后處理等工藝制成。成型工藝設(shè)備有立式喂料器、沖頭、擠壓成型機和上膠裝置等設(shè)備，是人造板材生產(chǎn)的關(guān)鍵工段。秸稈人造板材可部分替代木質(zhì)板材，用于家具制造和建筑裝飾、裝修，具有節(jié)材代木、保護林木資源的作用。

3 結(jié)語

盡管人們將秸稈應(yīng)用到復(fù)合材料領(lǐng)域進行了大量的工作，作了較為深入的探索，取得了一定的進展，但是，目前在復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用很少，不足秸稈產(chǎn)量的1%。仍然存在一些有待解決的科學(xué)技術(shù)問題：（1）秸稈的粒度較大，無法做到微米甚至納米級的分散；（2）秸稈的表面與基體材料的結(jié)合力不足，在使用中會發(fā)生分離現(xiàn)象，影響材料的力學(xué)性能；（3）秸稈復(fù)合材料的市場需求量有限，秸稈復(fù)合材料技術(shù)只能作為輔助利用技術(shù)發(fā)展推廣。

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