油樟葉渣制備生物質(zhì)材料工藝篩選

范富強(qiáng),魏琴*,莫開林

1.宜賓學(xué)院，四川宜賓 644000；

2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都 610081

油樟為中國特有樹種，主產(chǎn)宜賓市，亦稱宜賓油樟。宜賓作為全國最大的油樟基地，年產(chǎn)油樟油約1萬t，同時產(chǎn)生的廢棄油樟葉渣超過50萬t。目前對油樟葉渣的處理主要是進(jìn)行直接堆積，這會造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。據(jù)調(diào)查只有少數(shù)脫油油樟葉渣用于栽培茶樹菇、平菇和姬菇[1,2]，但一是用量小，二是栽培后的培養(yǎng)基仍需進(jìn)行廢料處理；有少數(shù)企業(yè)利用油樟葉渣制作活性炭和生物質(zhì)燃料[3,4]。有農(nóng)林廢棄物混合成型的研究[5]，水稻秸稈壓塊成型工藝參數(shù)研究[6]，原料是影響固化成型的主要因素[7]，尚未見開展成型材料的性能評價研究。由于油樟葉渣含有枝和葉，具有松散、無定型、不均勻等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的成型工藝效果不好。本研究以油樟葉渣為實(shí)驗(yàn)原料制作生物質(zhì)材料，以新型黏合劑替代化工類黏結(jié)劑，減少非環(huán)保型原料的使用，解決生物質(zhì)材料可降解能力差、環(huán)保性能差等問題；并研究了制備工藝對成型的生物質(zhì)材料黏合性、是否開裂、是否長霉、抗跌落情況的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

油樟葉渣、面粉、豆粉、淀粉、木質(zhì)素，氫氧化鈉（化學(xué)純）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

恒溫水域鍋、燒杯、玻璃棒、干燥箱、粉碎機(jī)、電子天平、1 mm篩網(wǎng)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黏合劑制備工藝篩選

（1）黏合劑主要物質(zhì)篩選

取三個燒杯，分別加入淀粉、面粉、豆粉各50 g，每個燒杯分別加入250 mL水后，攪拌十分鐘；再加入木質(zhì)素0.2 g，攪拌十分鐘；最后加入氫氧化鈉1 g攪拌30 min，制成3種黏合劑。再將制成的黏合劑分別與粗細(xì)程度相同的油樟葉渣粉末混合，制成長6.5 cm、寬3.25 cm、高2.2 cm的長方形樣品，稱為本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣品，在25℃進(jìn)行干燥，重復(fù)以上試驗(yàn)10次。

（2）木質(zhì)素加入量篩選

分別取木質(zhì)素0 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g、0.25 g、0.3 g加入基礎(chǔ)配方，面粉50 g、水250 mL、氫氧化鈉1 g，制成六種不同的黏合劑，再分別與相同粗細(xì)程度的油樟葉渣進(jìn)行混合，制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，在25℃進(jìn)行干燥。

（3）氫氧化鈉加入量篩選

分別取氫氧化鈉0 g、0.5 g、1 g、1.5 g、2 g、3g、4 g加入基礎(chǔ)配方，面粉50 g、水250 mL、木質(zhì)素0.2 g中，制成七種黏合劑，再分別與粗細(xì)程度相同的油樟葉渣進(jìn)行混合制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，在25℃進(jìn)行干燥。

1.3.2 生物質(zhì)材料制備工藝參數(shù)篩選

（1）油樟葉渣粗細(xì)程度篩選

本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣品制作參考青磚茶加工工藝，主要包括壓制和定型[8]。將油樟葉渣粉碎，在1 mm的篩網(wǎng)下進(jìn)行顆粒區(qū)分。一是直接粉碎未進(jìn)行過篩的粉末標(biāo)記“混”，二是過1 mm篩孔的粉末標(biāo)記“細(xì)”，三是取過1 mm篩孔之后剩下的粉末標(biāo)記為“粗”。用優(yōu)化工藝下制備的黏合劑與不同粗細(xì)程度的油樟葉渣粉末制作標(biāo)準(zhǔn)樣品，將制作的標(biāo)準(zhǔn)樣品在25℃進(jìn)行干燥。

（2）干燥溫度篩選

利用優(yōu)化工藝下制備的黏合劑與粗細(xì)程度為“混”的油樟葉渣粉末進(jìn)行混合，制成五個組的標(biāo)準(zhǔn)樣品，每組15個，將不同組別的樣品放在不同溫度環(huán)境下。1組放在室溫（夏季室溫35℃左右），2組放在干燥箱（60℃），3組放在冰箱A（4℃），4組放在冰箱B（?28℃），5組放在干燥箱（25℃）。每隔1h觀察其開裂情況。

（3）樣品開裂因素篩選

在根據(jù)優(yōu)化工藝下制備的黏合劑與粗細(xì)程度標(biāo)記為“混”的油樟葉渣粉末進(jìn)行混合制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，同樣制成五個組，每組30個樣品，同樣放在上述各溫度條件下進(jìn)行干燥。每組再分為A、B組，A組每隔0.5 h均勻翻動一次，使其水分均勻散失，B組不翻動。每隔1 h觀察其開裂情況并做記錄，后期根據(jù)開裂數(shù)量統(tǒng)計，分析樣品開裂原因。

根據(jù)優(yōu)化工藝下制備的黏合劑與粗細(xì)程度標(biāo)記為“混”的油樟葉渣粉末進(jìn)行混合制成球型，球型樣品直徑在1～1.5 cm之間。分別制成五個組，每組樣品15個，將不同組別的樣品放在不同溫度下進(jìn)行干燥。每隔1h觀察開裂情況，并做統(tǒng)計，后期根據(jù)統(tǒng)計分析開裂原因。

（4）樣品長霉因素分析

樣品在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)長霉情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計，利用優(yōu)化工藝下制備的黏合劑與粗細(xì)程度相同的油樟葉渣粉末混合制成兩個批次標(biāo)準(zhǔn)樣品，分為A、B組，A組每隔0.5 h翻動一次，B組不進(jìn)行翻動。對比長霉情況。

1.3.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)黏合劑調(diào)配和后期樣品干燥的單因素篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別確定黏合劑的主要成分、油樟葉渣粉末粗細(xì)、干燥溫度作為實(shí)驗(yàn)的因素，每個因素備選三個水平，見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素表Tab.1 Factorsof the orthogonal experiment

利用L9（34）正交表設(shè)計正交試驗(yàn)如表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計Tab.2 Design of the orthogonal experiment

每一個實(shí)驗(yàn)方案做10個樣品，實(shí)驗(yàn)的篩選依據(jù)是開裂情況和樣品1 m跌落情況，各記錄數(shù)據(jù)為10個樣品數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中各組的具體情況，利用二次統(tǒng)計法做實(shí)驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黏合劑制備工藝

2.1.1 黏合劑主要物質(zhì)篩選結(jié)果

黏合劑調(diào)配過程中，3號將豆粉作為主要調(diào)膠物質(zhì)時，必須一直攪拌，在一直攪拌的情況下呈現(xiàn)液態(tài)，若停止攪拌，會在6～8 s的時間內(nèi)凝固，失去黏合性。將3號黏合劑在一直攪拌的情況下與油樟葉渣粉末混合制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，制作過程中初步觀察3號黏合劑與油樟葉渣粉末黏合程度極差，在25℃的情況下干燥，干燥后進(jìn)行1m跌落試驗(yàn)，跌落一次后樣品直接碎裂。因此3號豆粉不適合作為本實(shí)驗(yàn)用調(diào)膠主要物質(zhì)。1號與2號調(diào)配的黏合劑呈黏稠態(tài)，與相同粗細(xì)程度的油樟葉渣粉末混合制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，制作過程黏合劑黏合性能較好，經(jīng)干燥發(fā)現(xiàn)油樟葉渣粉末黏合緊密。制成的樣品進(jìn)行1 m跌落試驗(yàn)均能大于30次。在做重復(fù)調(diào)配黏合劑的實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)淀粉在加熱過程中對溫度過于敏感，加熱過程中極其容易隨著溫度的上升而失去黏稠狀態(tài)，同時失去了黏性。在10次淀粉作為主要成分的調(diào)配中，6次由于溫度偏高，淀粉和水的混合物一直為液態(tài)，1次由于溫度偏低，同樣一直為液態(tài)，只有3次調(diào)配符合要求，調(diào)配黏合劑的失敗率為70%。而相比較面粉膠對溫度的敏感性不高，調(diào)配黏合劑中未出現(xiàn)失敗的情況，且在較低溫度的情況下同樣可以出現(xiàn)黏稠態(tài)，本實(shí)驗(yàn)做的在加熱條件下與未加熱條件下調(diào)配黏合劑的對比實(shí)驗(yàn)中，最后成型的均為黏稠態(tài)，加熱時調(diào)配黏合劑速度比未加熱要快。經(jīng)過比較，最終選擇面粉做黏合劑的主要成分。

2.1.2 木質(zhì)素加入量

木質(zhì)素作為增強(qiáng)劑在本實(shí)驗(yàn)中增強(qiáng)黏合劑的黏性，在制備的6組實(shí)驗(yàn)樣品中，在調(diào)配黏合劑時初步觀察未發(fā)現(xiàn)有明顯區(qū)別，在與相同粗細(xì)程度的油樟葉渣粉末進(jìn)行混合制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，經(jīng)干燥后進(jìn)行1 m跌落試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在50 g面粉時加入0.15～0.25 g木質(zhì)素的組別的樣品，抗跌落次數(shù)都是在30次以上，所以每50 g面粉加入木質(zhì)素的量為0.15～0.25 g。

2.1.3 氫氧化鈉加入量

氫氧化鈉在經(jīng)過空白對照試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，不加氫氧化鈉的面粉膠中，糊化程度不夠，黏合劑所呈現(xiàn)出來的黏性不夠，所以本實(shí)驗(yàn)選擇加入氫氧化鈉。加入氫氧化鈉后，根據(jù)調(diào)膠過程中觀察黏合劑的黏性程度和后期黏合劑與相同粗細(xì)程度油樟葉渣粉末混合情況，記錄各組氫氧化鈉黏性情況如表3。

表3 氫氧化鈉加入量篩選Tab.3 Screening of NaOH dosage

當(dāng)氫氧化鈉加入量過多時，黏合劑的黏稠性降低，無法很好的與油樟葉渣粉末進(jìn)行混合，同時成本偏高；當(dāng)氫氧化鈉加入量偏少時，會使調(diào)配的黏合劑出現(xiàn)分層，糊化不完全，黏性降低明顯。經(jīng)過篩選比較，選擇了每50 g面粉，加入0.5～1 g溶于水的氫氧化鈉。

綜上，黏合劑的制備工藝為：每50 g面粉加水60～80 mL攪拌6～8 min，加入木質(zhì)素0.15 ～0.25 g繼續(xù)攪拌8～10 min，最后加入0.5～1 g溶于水的氫氧化鈉，繼續(xù)攪拌30～40 min。全程70～90 ℃水浴中進(jìn)行。

2.2 生物質(zhì)材料制備工藝

2.2.1 油樟葉渣粗細(xì)程度篩選結(jié)果

在三個不同粗細(xì)等級的油樟葉渣粉末和優(yōu)化工藝下制備的黏合劑混合，制成表面粗細(xì)程度不同的標(biāo)準(zhǔn)樣品，制作過程中各粗細(xì)程度的油樟葉渣粉末均能與黏合劑很好黏合，記錄制作樣品難度、干燥后樣品表面光滑程度、干燥后樣品是否產(chǎn)生裂縫對比情況見表4。

表4 樣品成型篩選Tab.4 Screening of sampleshaping

2.2.2 干燥溫度對開裂影響

在相同的標(biāo)準(zhǔn)樣品放在五個不同的溫度條件下，每隔1h記錄樣品開裂情況，每組15個樣品，開裂情況見圖1a。

圖1 干燥溫度和翻動對開裂影響Fig.1 Effectsof drying temperatureand overturning on cracking

經(jīng)過觀察，發(fā)現(xiàn)除第4組以外各溫度條件下的開裂情況大致相同，當(dāng)把第4組樣品拿出放到常溫下解凍時，樣品依然大部分開裂。本次試驗(yàn)經(jīng)過幾次重復(fù)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果依舊如此，由此得出結(jié)論，溫度條件不是引起樣品開裂的主要因素。

2.2.3 翻動對開裂影響

經(jīng)過分析可知，溫度不是引起標(biāo)準(zhǔn)樣品開裂的主要原因，因此再做兩組相同實(shí)驗(yàn)，分別標(biāo)為A、B組，A組每隔0.5 h均勻翻動一次，B組不翻動。結(jié)果顯示，B組結(jié)果與干燥溫度篩選結(jié)果相同，A組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1b。

經(jīng)分析，在每隔0.5 h翻動一次的情況下，個別組的開裂率出現(xiàn)了不同。1組、3組和5組開裂樣品個數(shù)出現(xiàn)了明顯的減少，說明溫度在35℃、4℃和25℃的情況下，造成樣品開裂的主要原因是水分散失的均勻程度。2組所有樣品均開裂，主要原因是溫度太高，水分散失太快；4組由于冷凍均未開裂。同時發(fā)現(xiàn)，第3組，溫度在4℃時，干燥太慢，花費(fèi)時間過多。

2.2.4 樣品長霉因素分析

未進(jìn)行翻動的B組48 h后底面長霉。進(jìn)行翻動的A組一直沒有長霉。在長霉的樣品中，只有底面才有長霉，其他面沒有。原因是因?yàn)榈酌嫠譀]有進(jìn)行均勻散失，其他面暴露在空氣當(dāng)中，能夠進(jìn)行水分的散失，所以未長霉。經(jīng)過翻動的A組，每隔0.5 h就進(jìn)行翻動一次，每一個面都能均勻的散失水分，所以未長霉。

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的初步篩選，選取對制作生物質(zhì)材料起主要作用的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)[9]，篩選出制作生物質(zhì)材料的主要工藝。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 抗1 m跌落測試

根據(jù)正交試驗(yàn)相應(yīng)設(shè)計，統(tǒng)計抗1 m跌落的次數(shù)，見表5。

表5 抗1m跌落試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of 1 meter drop resistance

根據(jù)表5結(jié)果，由抗跌落次數(shù)篩選出的最優(yōu)組合A1B3C1和A2B2C1。

2.3.2 開裂情況篩選

根據(jù)正交試驗(yàn)，記錄開裂情況統(tǒng)計，見表6。

表6 開裂情況試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test resultsof cracking condition

由表6可知，根據(jù)開裂情況篩選出的最優(yōu)組合應(yīng)該是：A1B3C1、A2B3C2和A3B3C2。

綜合抗跌落次數(shù)中篩選出的最優(yōu)組合A1B3C1和A2B2C1，開裂情況篩選的最優(yōu)方案A1B3C1、A2B3C2和A3B3C2，得出本實(shí)驗(yàn)的最佳方案為A1B3C1：高筋面粉+粗油樟葉渣（過1 mm篩孔剩下）+25℃干燥。

3 結(jié)論

油樟葉渣粉碎后，材質(zhì)疏松，直接當(dāng)做生物質(zhì)材料在性能上有許多不足。為了讓油樟葉渣制成的生物質(zhì)材料成為韌性性能較好的材料，本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過了不斷的探索，調(diào)配出了新型黏合劑。新型黏合劑以面粉為主要原料，經(jīng)加工過后，黏性大，與油樟葉渣混合后制成的生物質(zhì)材料韌性好，不易斷、折、碎。不僅解決了油樟葉渣材質(zhì)疏松的問題，還增強(qiáng)了生物質(zhì)材料的性能。

用油樟葉渣制備生物質(zhì)材料可以徹底解決油樟油加工廢棄物問題，不會產(chǎn)生二次污染；同時，油樟葉渣制備生物質(zhì)材料所需設(shè)備投入不大，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益較好。當(dāng)然，本試驗(yàn)重點(diǎn)研究了油樟葉渣生物質(zhì)材料開裂、長霉及抗跌落情況，對材料的力學(xué)性能等尚需進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。