甘蔗渣生物質板材制作及性能分析

翁炎 王秀侖

摘要 以甘蔗渣為原料，經預處理、磨解、熱壓等步驟，成功制作了生物質板材，并探究了熱壓壓力、纖維長度、含水率等對板材強度的影響。纖維長度在0～2.0 mm制作的板材強度最高，最大抗拉強度為15.46 MPa，最大抗彎強度為32.22 MPa，最佳工藝參數為熱壓溫度110 ℃，熱壓壓強6.5 MPa，纖維長度及熱壓壓力是影響板材強度的主要因素。

關鍵詞 生物質板材；甘蔗渣；纖維長度；力學性能；含水率

中圖分類號 TS653.5 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）13-0181-04

Manufacture and Performance Analysis of Bagasse Biomass Plates

WENG Yan1，2，WANG Xiulun1，2

（1. School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui 230036；2. Faculty of Bioresources，Mie University，Tsu ，Japan 514-8507）

Abstract Bagasse was used as raw material，after the early processing，grinding，hot pressing and other steps，the biomass board was successfully produced. The influence of hotpressing pressure，fiber length，and moisture content on the strength of the plate were explored. The strength of the sheet made from 0 to 2.0 mm in fiber length is the highest，the maximum tensile strength is 15.46 MPa，and the maximum flexural strength is 3222 MPa. The best process parameters are hot pressing temperature 110 ℃，hot pressing pressure 6.5 MPa. In this research，the main factors affecting the strength of the sheet are fiber length and hot pressure.

Key words Biomass board；Bagasse；Fiber length；Mechanical properties；Moisture content

在石油和林業(yè)資源日益枯竭的大環(huán)境下，甘蔗渣材料卻面臨著被浪費的尷尬處境，以甘蔗渣為原料生產生物質材料板材可一舉多得。甘蔗渣是壓榨制糖的副產物，我國蔗糖產量很高，約占全國食糖總產量的80%，甘蔗渣儲量豐富，壓榨1 t甘蔗汁，約可獲得濕蔗渣270 kg[1]。因此，甘蔗渣作為原料生產出的生物質材料板材具有產品集中、產量巨大和運輸成本幾乎為零等優(yōu)點。利用甘蔗渣生產生物質板材，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木制品和塑料品，用于農業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)等方面，既減少了塑料的使用，又降低了森林資源的壓力，也使甘蔗渣資源變廢為寶，創(chuàng)造經濟價值。因此，其綠色、環(huán)保、經濟的特性使其有著巨大的市場潛力和應用價值。

甘蔗是甘蔗屬的總稱[2-3]。除部分蔗渣用作造紙和人造板等用途外，往往作為鍋爐燃料供制糖廠使用或大量堆積廢棄，造成了大量的資源浪費和環(huán)境污染[4]。目前甘蔗渣利用方式還有很多不足，主要的利用方式還是制糖廠焚燒利用，甘蔗渣作為一種尚未完全得到開發(fā)利用的生物質材料具有很高的應用潛力。

目前，對于甘蔗渣生物質板材力學性能的研究，主要是添加化學黏合劑來提升板材的強度，而這種方法往往成本高昂或對環(huán)境有害。Umemura等[5]發(fā)現，摻雜了殼聚糖的甘蔗渣板材的表征優(yōu)于未摻雜板材。Guimaraes等[6]對比了用香蕉纖維和甘蔗渣纖維分別制備的淀粉基復合材料，SEM測定顯示蔗渣-熱塑性淀粉的結合優(yōu)于香蕉纖維，且纖維抗拉強度與其制備工藝密切相關。

另一種方法就是從原材料或生產工藝上進行改進。黃莉莉[7]以玉米秸稈、油菜秸稈為原料，探索了不同條件下壓制板材的自膠合機理，用密度泛函理論從微觀上解釋了溫度、壓力對板材的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

原材料：蔗渣，其主要成分是纖維素、半纖維素和木素，其中纖維素占40%～50%，大多以結晶態(tài)存在，而半纖維素占25%～35%，是一種無定形聚合物，此外還含有木素和脂肪、果膠、單寧、少量礦物質等[8-9]?？梢钥闯?，蔗渣含有豐富的纖維素，因而蔗渣制板有很大的優(yōu)勢。甘蔗渣原材料取自日本三重縣三重大學。

主要儀器：里見制造所A型磨解機，RH-50萬能試驗機，LDO-450S型烘干機，分樣篩等。

1.2 制備方法

生物質板材的制作按照成型工藝可分為常溫成型、冷壓態(tài)成型、熱壓成型、炭化成型[10]。該試驗所采用的熱壓工藝，將磨解過后的蔗渣分選為0～2.0、2.0～4.0、4.0～5.6 mm 3種不同的纖維長度，放置于110 ℃的模具中，制成10.0 cm×10.0 cm×1.5 mm的板材；再對板材進行力學性能和含水率的測定，通過生物質板材試驗片的纖維長度、熱壓壓力、抗彎強度、抗彎強度和含水率等數據來分析該生物質板材的性能，并分析各項數據之間的關聯[11]。

蔗渣生物質板材的制作主要分為預處理、磨解、熱壓（圖1）。

1.2.1 預處理。由于甘蔗渣是制糖廠的副產物，本身尺寸已經很小，不需要預先對其進行切碎，將自然風干的甘蔗渣浸泡72 h，使甘蔗渣中的纖維自然舒張，暴露甘蔗渣高分子中的羥基，浸泡使水分子與碳水化合物高分子充分結合，使其便于與水分子或其他位置上的羥基結合成氫鍵。解離時間亦不宜過長，空氣及甘蔗渣中存在的微生物會對甘蔗渣消化分解，時間過久可能會降低板材的強度。適度的軟化有利于材料在磨解機中順利流動，增加磨解的效率，提高磨解質量，減少磨解過程中刀具的損傷。

1.2.2 磨解。將已經浸漬完全的甘蔗渣放入磨解機中，磨解10 min，原本細長的甘蔗渣纖維全部被磨解成長度小于1 cm的微小纖維。為探究纖維長度對板材強度的影響，使用分樣篩對纖維進行篩選，將漿液分成0～2.0、2.0～4.0、4.0～5.6 mm 3種不同的纖維長度，舍棄大于5.6 mm的纖維。并將水料比控制在1 ∶1左右。

1.2.3 熱壓。將漿料置于10 cm×10 cm模具中，維持恒溫110 ℃，并對生物質材料分別施加2.0、3.5、5.0、6.5、8.0 MPa的壓強，熱壓2 h后即可得到板材。

2 結果與分析

2.1 密度

熱壓壓制成功的板材，首先進行板材的重量（M）、長度（L）、寬度（W）、厚度（T）的測定。其中，一塊生物質板材，分別測量3個位置不同的長度L1、L2、L3求其長度的平均值；其寬度W測量其3個位置的不同長度W1、W2、W3，求其平均值。

因為使用甘蔗渣生物質壓制成功的板材屬于非均質材料，所以在壓制成功的板材的厚度T測量上取8個點進行測量，求出其平均值，這樣可以盡量減小由于板材的非均質而導致的測量數據與板材實際數據的偏差。具體數據如表1所示。

由表1可知，板材纖維長度越小，密度越大；每塊板材的長寬厚數據均不同，且即使是同一塊板材，不同部位的數據也有細微不同。出現這種情形是因為板材未添加任何膠黏劑，由熱壓處理得到，熱壓過程中纖維的排列方向不同，且相互脫水，纖維的流動性差，因此纖維的分布不均勻，壓制成功的板材為非均質板材，導致不同位置的厚度有所不同。因此在計算密度過程中，通過多點測量求平均值來減少對密度計算的誤差。

由圖2可知，在壓力從2.5 MPa上升至8.0 MPa過程中，3種纖維長度密度變化均緩慢增大， 在所有壓強下，0～2.0 mm的板材密度均最高，2.0～4.0 mm的板材密度適中，4.0～5.6 mm的板材密度最小。板材的密度與壓制板材所選用的纖維長度成反比，造成這一現象的原因可能是在宏觀層面下，纖維過長，會在板材內部形成很多的空隙，導致了板材密度的降低。

式中，σt為拉伸應力（MPa）；P為施加的載荷（N）；a為試驗片的寬度（mm）；b為試驗片的厚度（mm）；εt為拉伸應變；LD為拉伸形變量（mm）；L0為試樣原始長度（mm）。

由圖4可知，在熱壓溫度為110 ℃條件下，不論纖維長短，板材的抗拉強度隨著熱壓壓力的升高，表現出先上升后下降的趨勢，在5.0～6.5 MPa取得最大值。纖維長度為0～2.0 mm的板材的抗拉強度在各個熱壓壓力情況下均最高，纖維長度為4.0～5.6 mm的板材在6.5～8.0 MPa情況下略低于0～2.0 mm的板材。在熱壓溫度為110 ℃條件下，適當地增加熱壓壓強，可以提高蔗渣板材的抗拉強度。

2.3 抗彎強度 每塊10 cm×10 cm板材可切割出4塊彎曲試驗片，如圖5所示。

由圖6可知，纖維長度對板材抗彎強度的影響最大，纖維長度為0～2.0 mm的板材在各個熱壓壓力情況下抗彎性能均最高，纖維2.0～4.0 mm的板材抗彎強度適中，在5 MPa熱壓壓力下有最高的抗彎強度27.79 MPa，纖維長度為4.0～5.6 mm的板材在低熱壓情況下表現不佳，高壓表現僅次于纖維0～2.0 mm板材。在熱壓溫度為110 ℃條件下，0～2.0 mm纖維長度的板材，在各壓強情況下力學性能均最高，而加壓對其強度的提升一般；對于2.0～4.0 mm的板材，熱壓壓力5.0 MPa是其抗彎性能最高的壓力，過高或過低的熱壓壓力均導致其力學性能的下降；對于4.0～5.6 mm的板材，抗彎強度和熱壓壓力呈正相關，熱壓壓力2.0 MPa下性能不佳，而隨著壓強的升高，抗彎強度立刻追上了另外2種材料，在熱壓壓力8.0 MPa情況下有近30.0 MPa的抗彎強度，加壓性價比最高。

綜上分析可知，在力學性能中，試驗片的應力隨著形變的增大而增大，當形變量達到生物質板所能承載的頂點時，應力達到最大值，生物質板斷裂，而后應力迅速減小。纖維長度是板材力學性能的重要影響因素。

2.4 含水率 計算公式如公式（5）所示[14]。

ω= m1-m0 m1 ×100% （5）

式中，ω為含水率（%）；M1為干燥前試樣的重量即濕重，精確到0.01 g；M0為干燥后試樣的質量，精確到0.01 g。

由圖7可以看出，3種纖維長度的板材含水率在4.89%～5.98%，含水率差異在1%左右，含水率隨著密度的增大而降低；0～2.0 mm長度壓制的板材含水率最高，2.0～4.0 mm長度壓制的板材含水率第二，4.0～5.6 mm長度壓制的板材含水率最低。3種不同纖維長度的板材含水率差異明顯，可見纖維長度對板材的含水率影響很大。

由圖7分析可以得知：不同纖維長度和不同壓力壓制的生物質板材，含水率隨熱壓壓力變化的趨勢基本一致；同一試驗片上不同部位的含水率也不同。

對于纖維0～2.0 mm的板材：當壓力從2.0 MPa升至35 MPa和當壓力從3.5 MPa升至5.0 MPa時，含水率分別下降0.38%和0.25%；而當壓力從5.0 MPa升至6.5 MPa和當壓力從6.5 MPa升至8.0 MPa時，含水率幾乎沒有變化；說明對纖維0～2.0 mm的板材而言，熱壓壓力超過5.0 MPa就不能再降低其含水率。

對于纖維2.0～4.0 mm的板材：當壓力從2.0 MPa升至3.5 MPa和當壓力從3.5 MPa升至5.0 MPa時，含水率分別下降0.16%和0.19%；而當壓力從5.0 MPa升至6.5 MPa和當壓力從6.5 MPa升至8.0 MPa時，含水率分別上升0.09%和0.05%。說明對纖維2.0～4.0 mm的板材而言，最低含水率的熱壓壓力為5.0 MPa。

對于纖維4.0～5.6 mm的板材：在壓力從2.0 MPa升至8.0 MPa，每增大1.5 MPa熱壓壓力含水率分別上升0.01%、0.03%、0.16%、0.41%，最低含水率的熱壓壓力為2.0 MPa。

0～2.0 mm長度壓制的板材含水率變化最大，2.0～40 mm長度壓制的板材含水率的方差次之，4.0～5.6 mm長度壓制的板材含水率的方差最小。

由圖8可以看出，由甘蔗渣壓制的板材含水率隨熱壓壓力的變化幅度不大，但趨勢很明顯：纖維0～2.0 mm和纖維2.0～4.0 mm的板材含水率隨熱壓壓力的增大先下降后趨于穩(wěn)定，纖維4.0～5.6 mm的板材含水率隨熱壓壓力的增大同步上升，且上升速率增大。

在110 ℃的熱壓溫度下，同系列的板材，含水率與密度呈負相關；甘蔗渣生物質板材的含水率較低，不同纖維長度和不同壓力壓制的生物質板材，含水率隨熱壓壓力變化的趨勢基本一致。同一試驗片上不同部位的含水率也不同；由甘蔗渣壓制的板材含水率隨熱壓壓力的變化幅度不大，但趨勢很明顯：纖維0～2.0 mm和纖維2.0～4.0 mm的板材含水率

隨熱壓壓力的增大先下降后趨于穩(wěn)定，纖維4.0～5.6 mm的板材含水率隨熱壓壓力的增大同步上升，且上升速率增大。

3 結論

不同纖維長度的蔗渣，在2.0～8.0 MPa熱壓壓力下均能成功制作生物質板材。對于不同纖維長度的甘蔗渣板材來說，最佳的工藝參數為纖維長度0～2.0 mm，熱壓溫度110 ℃，熱壓壓強6.5 MPa；在最佳工藝條件下，密度為1.024 g/cm3，最大抗拉強度為15.46 MPa，最大抗彎強度為32.22 MPa。蔗渣板材的含水率在5.4%±0.5%，纖維長度是板材含水率的主要影響因素。

參考文獻

[1]

李堅.生物質復合材料學[M].北京：科學出版社，2008：30-31.

[2] 陳純.甘蔗皮多酚的提取、分離鑒定及抗氧化活性研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[3] 張卉.TAED活化H2O2用于紙漿漂白的研究[D].南寧：廣西大學，2004.

[4] 曾建，馬年方，梁磊，等.蔗渣基生物材料的研究進展[J].輕工科技，2013（11）：4-6.

[5] UMEMURA K，KAIHO K，KAWAI S.Characterization of bagasserind particleboard bonded with chitosan[J].Journal of applied polymer science，2009，113（4）： 2103-2108.

[6] GUIMARES J L，WYPYCH F，SAUL C K，et al. Studies of the processing and characterization of corn starch and its composites with banana and sugarcane fibers from Brazil[J].Carbohydrate polymers，2010，80（1）： 130-138.

[7] 黃莉莉.農作物秸稈板材的制備及其自膠合機理的研究[D].合肥：安徽農業(yè)大學，2016.

[8] 孫美琴，彭超英.甘蔗制糖副產品蔗渣的綜合利用[J].中國糖料，2003（2）：58-60.

[9] 任俊莉，孫潤倉，劉傳富.蔗渣可再生資源的最新利用進展[J].中國糖料，2006（2）：55-57.

[10] 蔣恩臣，高忠志，秦麗元，等.纖維素單獨成型及燃燒特性研究[J].東北農業(yè)大學學報，2016，47（5）：106-112.

[11] 祖父江寛：セルロースハンドブック[M].東京：朝倉書書店，1958：2-5.

[12] 杜安磊.纖維板自粘合成形工藝及其機理研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學，2012.

[13] HASHIM R，NOOR A W N，SULAIMAN O，et al.Properties of binderless particleboard panels manufactured from oil palm biomass [J].Bioresources，2012，7（1）：1352-1365.

[14] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.量和單位：GB/T 22906.3—2008/ISO 11093-3：1994[S].北京：中國標準出版社，2008.