玉米秸稈填充水溶性丙烯酸樹脂的研究

趙賢達(dá)，梁多平，賈彬，汪志雷

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028）

農(nóng)作物秸稈是一種常見且產(chǎn)量很高的生物質(zhì)資源，我國(guó)作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量在7 億噸左右，傳統(tǒng)的利用方式是將豐富的生物質(zhì)秸稈當(dāng)作飼料、薪柴或直接燃燒。秸稈熱值低，作為薪柴燃燒有效利用率只有10%～20%[1]。每逢農(nóng)忙時(shí)節(jié)，大量農(nóng)作物秸稈被閑置田間地頭，浪費(fèi)了難得的生物質(zhì)資源，損害了田地的肥力，更會(huì)引發(fā)火災(zāi)，出現(xiàn)霧霾等嚴(yán)重影響交通出行的惡劣天氣，給人們的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)不可估量的危害[2]。同時(shí)，農(nóng)作物秸稈的堆積密度只有30～50 kg/m3，運(yùn)輸和儲(chǔ)存經(jīng)濟(jì)成本高[3]。將生物質(zhì)秸稈粉碎并壓縮成型，可使其密度提升9～12 倍，如此便可以將產(chǎn)品以較低的運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本流入市場(chǎng)。

1 材料與方法

1.1 儀器和原料

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳市瑞格爾儀器有限公司；XJUY-55 液晶懸臂式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，承德市科承試驗(yàn)機(jī)有限公司；STD-A 薄膜沖擊試驗(yàn)儀，北京冠測(cè)精電儀器設(shè)備有限公司；HT-20T平板硫化機(jī)，東莞市九通機(jī)械有限公司；電子秤、游標(biāo)卡尺等。

自然風(fēng)干后粉碎成20 目和80 目的玉米秸稈、固化溫度為35 ℃的水溶性丙烯酸樹脂、粉末狀二氧化鈦。

1.2 試樣制備

將粉碎成20 目和80 目的玉米秸稈顆粒和水溶性丙烯酸樹脂混合成濃度為40%、45%、50%、55%、60%和65%的混合物，并添加一定量的二氧化鈦。然后利用HT-20T 平板硫化機(jī)加熱加壓制備試樣。

按照?qǐng)D1 制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，要求試樣表面無(wú)壓痕，損壞和毛刺。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)試樣圖

按照?qǐng)D2 制作標(biāo)準(zhǔn)懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)試樣，要求試樣表面無(wú)壓痕，損壞和毛刺。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)試樣圖

其中，L=63.5 mm，a=4～12.7 mm，b=12.mm，C=10.16 mm±0.05 mm，R=0.25 mm±0.025 mm。

片材沖擊實(shí)驗(yàn)試樣應(yīng)薄厚均勻，平整，無(wú)缺陷，并具有代表性，并根據(jù)試樣夾具裁制相應(yīng)圓形試樣[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗拉強(qiáng)度

試樣的抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以得出：20 目試樣和80 目試樣的抗拉強(qiáng)度值均隨著水溶性丙烯酸樹脂濃度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，且20 目試樣的抗拉強(qiáng)度值均高于80 目試樣的抗拉強(qiáng)度值。

在濃度為40%～65%范圍內(nèi)，20 目試樣的抗拉強(qiáng)度為5.10～13.03 MPa，平均值為8.55MPa；80 目試樣的抗拉強(qiáng)度為1.93～6.37 MPa，平均值為4.18 MPa。

2.2 斷裂強(qiáng)度

試樣的斷裂強(qiáng)度結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以得出：20 目試樣和80 目試樣的斷裂強(qiáng)度值均隨著水溶性丙烯酸樹脂濃度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，且20 目試樣的斷裂強(qiáng)度值均高于80 目試樣的斷裂強(qiáng)度值。80 目試樣的斷裂強(qiáng)度值在濃度達(dá)到50%后，斷裂強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定。

在濃度為40%～65%范圍內(nèi)，20 目試樣的斷裂強(qiáng)度為3.31～11.61 MPa，平均值為8.04 MPa；80 目試樣的斷裂強(qiáng)度為1.93～5.39 MPa，平均值為4.01 MPa。

圖3 試樣的抗拉強(qiáng)度折線圖

圖4 試樣的斷裂強(qiáng)度折線圖

2.3 斷裂伸長(zhǎng)率

不同濃度試樣的斷裂伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)如圖5所示。在濃度為40%～65%范圍內(nèi)，20 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率為5.12%～10.25%，平均值為6.66%；80 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率為1.74%～7.07%，平均值為3.14%。

圖5 不同濃度試樣的斷裂伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)折線圖

20 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值均高于80 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值；20 目試樣和80 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值在水溶性丙烯酸樹脂的濃度低于55%時(shí)基本保持恒定；濃度高于55%時(shí)，兩種試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值均隨濃度的增加而逐漸變大。

2.4 最大載荷

不同濃度試樣的最大載荷變化趨勢(shì)如圖6 所示。在濃度為40%～65%范圍內(nèi)，20 目試樣的最大載荷為427.99～1 250.71 N，平均值為770.63 N；80 目試樣的最大載荷為206.14～634.16 N，平均值為419.76 N。

圖6 不同濃度試樣的最大載荷變化趨勢(shì)折線圖

20 目試樣和80 目試樣的最大載荷值均隨著水溶性丙烯酸樹脂濃度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，且20 目試樣的最大載荷值均高于80 目試樣的最大載荷值。

2.5 懸臂梁沖擊強(qiáng)度

不同濃度試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖7所示。在濃度為40%～65%范圍內(nèi)，20 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度為408.04～442.93 MPa，平均值為422.43 MPa；80 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度為273.46～288.55 MPa，平均值為283.65 MPa。

圖7 不同濃度試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)折線圖

20 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度值均高于80 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度值，兩不同目數(shù)試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度值基本恒定，且不隨水溶性丙烯酸樹脂濃度的變化而變化。

2.6 片材沖擊強(qiáng)度

不同濃度試樣的片材沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖8所示。在濃度為40%～65%范圍內(nèi)，20 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度為1.78～1.90 MPa，平均值為1.83 MPa；80 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度為1.28～1.42 MPa，平均值為1.34 MPa。

圖8 不同濃度試樣的片材沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)折線圖

20 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度值均高于80 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度值；兩種目數(shù)試樣的片材沖擊強(qiáng)度值在水溶性丙烯酸樹脂濃度增加的情況下基本保持恒定。

3 結(jié)論

粉碎至20 目的玉米秸稈相較于粉碎至80 目的玉米秸稈顆粒更大，在壓縮成型過(guò)程中顆粒彼此間相互隨機(jī)疊加纏繞的可能性和面積更大，水溶性樹脂丙烯酸樹脂發(fā)揮的粘結(jié)作用更強(qiáng)，因而試樣的抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、最大載荷、片材沖擊強(qiáng)度、懸臂梁沖擊強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)20 目高于80 目試樣的情況。