木質(zhì)素作為天然膠粘劑對無膠秸稈纖維板材性能的研究

石小琴 ，蘇 瓊，王彥斌，王鴻靈，鮑園園,4，趙 軍,吳代瓊,4

(1.西北民族大學(xué) 化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.環(huán)境友好復(fù)合材料國家民委重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省高校環(huán)境友好復(fù)合材料及生物質(zhì)利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；4.甘肅省生物質(zhì)功能復(fù)合材料工程研究中心，甘肅 蘭州 730030)

在世界范圍內(nèi)，小麥作為重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量和價值均很高，但其產(chǎn)生的農(nóng)作物剩余物——小麥秸稈的產(chǎn)量也很高。如何以較好的方式處理農(nóng)作物剩余物是一個值得研究的問題，在許多國家，直接焚燒農(nóng)作物剩余物是用得最多、最直接的處理方式，由于直接焚燒對環(huán)境污染大，我國已于近三十年加大了對焚燒農(nóng)作物剩余物的管控。為提高農(nóng)作物剩余物的價值，研究者們逐步開始對其進行研究，并將其改性轉(zhuǎn)化為人造板材、餐飲器具、發(fā)泡材料、包裝等領(lǐng)域[1]。如Xiaowen S等[2]大豆秸稈經(jīng)濕法粉碎后熱壓制成不含任何粘結(jié)劑的可生物降解纖維板(生物板)，并探索了熱壓溫度對板的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響；J Domínguez-Robles等[3]以淀粉、植物纖維為對象,設(shè)計出一種單邊空腔自由發(fā)泡工藝,在彌補生物原料自身屬性缺陷的同時促進了復(fù)合材料成型工藝與性能提升。

首先，傳統(tǒng)意義上的纖維板是以木材為原料生產(chǎn)的，逐步發(fā)展至使用其它纖維素材料(如農(nóng)業(yè)殘渣或非木材纖維)來生產(chǎn)纖維板，因為這些材料主要成分均為纖維素，但以木質(zhì)生物質(zhì)來源制備的人造纖維板的耐水性一直是一個需要克服的問題。其次，在制備人造纖維板的傳統(tǒng)工藝中大多使用了不同的膠黏劑，如脲醛(UF)。這種合成樹脂具有低成本、低耗時、固色等等優(yōu)點，但對人類身體健康具有較大的潛在危害，使用過量會對眼睛、鼻子和喉嚨產(chǎn)生刺激，并伴有甲醛釋放的問題，有造成人體細(xì)胞癌變的可能性[4-5]。同時，合成樹脂與秸稈原料之間存在著許多相容性問題。研究者們逐步轉(zhuǎn)向研究綠色環(huán)保膠黏劑和無膠人造板。近幾十年來，研究的重點是在纖維板生產(chǎn)中使用綠色環(huán)保的生物膠黏劑取代傳統(tǒng)的粘合劑，如纖維素納米纖維(CNF)也被認(rèn)為是纖維板的生物粘合劑，具有優(yōu)異的機械性能和尺寸穩(wěn)定性。其他生物粘合劑可以是大豆蛋白、單寧、淀粉、甘油和木質(zhì)素[6-7]。在所有情況下，都證明它們比以石化為基礎(chǔ)的粘合劑更環(huán)保，這表明有必要大規(guī)模使用這種粘合劑[9-11]。無膠合板的制備(一種不含樹脂的板)可能是克服這些問題的有效解決方案，避免了膠黏劑的使用且符合環(huán)保要求，又符合經(jīng)濟要求 。

木質(zhì)素是一種芳香聚合物，在大多數(shù)秸稈中的成分含量僅次于纖維素，在植物細(xì)胞中與纖維素交叉相連構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐細(xì)胞壁，具有較好的剛性作用，還在植物細(xì)胞中起著天然粘合的作用。它的酚醛結(jié)構(gòu)特性可以用于開發(fā)酚醛樹脂、粘合劑和聚烯烴等，與其他合成樹脂相比，它也是一種廉價的材料，它不需要固化時間，并可以作為纖維的天然粘合劑[12-13]。本研究的目的是以小麥秸稈為原料，以木質(zhì)素為天然膠黏劑，不額外添加樹脂制備一種的無膠秸稈纖維板，并探索木質(zhì)素對無膠秸稈纖維板性能的影響，該研究不僅提高了農(nóng)作物剩余物的經(jīng)濟價值，且綠色環(huán)保，不僅對處理農(nóng)作物剩余物提供了一種良好的解決方案，同時能帶動經(jīng)濟發(fā)展，推動綠色環(huán)保理念。

1 實驗與方法

1.1 實驗儀器及藥品

實驗所用的儀器與藥品如表1、表2所示。

表1 實驗儀器

表2 實驗藥品

1.2 實驗方法

將小麥秸稈洗凈，剪成5～6cm的小段至于60 ℃的鼓風(fēng)干燥箱烘干24h后利用粉碎機粉碎后，稱取適量的秸稈粉末(總質(zhì)量恒定8g)，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%、10%、12%的木質(zhì)素，充分混合均勻后加入一定比例的雙氧水，將其均勻的鋪在模具中，并于105℃的條件下在平板硫化機中熱壓12h，待儀器冷卻后取出壓好的板材測試其性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 同木質(zhì)素含量的無膠麥秸稈板材邵氏硬度的測定及分析

邵氏硬度反應(yīng)了板材局部抵抗硬力入侵表面的能力，表3為90°下利用邵氏硬度計測量的板材的硬度值(每個數(shù)據(jù)均為同一板材局部五點硬度最大值的平均值)。

表3 板材的厚度及邵氏硬度測量值

由表3可知，板材的硬度隨著木質(zhì)素添加量的增加而逐步增大，但增大的趨勢逐步降低，逐漸趨于平緩，與未添加木質(zhì)素的秸稈板材相比，這能較好的說明，木質(zhì)素的存在有利于無膠麥秸稈纖維板的制備，并能在一定程度上有效改善板材的性能，增加其硬度，提升其承重力。

2.2 不不同木質(zhì)素含量無膠麥秸稈板材的吸水厚度膨脹率的測定及分析

耐水性是影響人造板材質(zhì)量的一大重要判別因素，人造板材的耐水性普遍比較弱，有待研究者們進一步改善加強，而板材的吸水厚度膨脹率能較好的反應(yīng)板材的耐水性。依據(jù)GB/T 17657-2013[14]中板材吸水厚度膨脹率方法測定研究中的無膠麥秸稈纖維板，首先利用游標(biāo)卡尺測量板材原始厚度h1，后將板材至于25℃恒溫水浴鍋中，保持板材不觸底并在水面30mm以下浸泡24h后在原點測量其厚度h2，根據(jù)公式

(1)

式中h2為板材吸水膨脹后厚度，mm;

h1為板材吸水前厚度，mm。

國標(biāo)GB/T 11718-1999規(guī)定板材厚度h為

2.5～4.0mm的板材吸水厚度膨脹率H應(yīng)≤35%。

每一塊測量的板材厚度均在2.5～4.0mm范圍內(nèi)，由圖1分析可知，沒有添加木質(zhì)素時制備的無膠秸稈纖維板材的吸水厚度膨脹率為29.81%，木質(zhì)素的加入使板材的吸水厚度膨脹率均顯著降低，且隨著木質(zhì)素添加量的增加先減小后增大。當(dāng)木質(zhì)素添加量為10%時板材的吸水厚度膨脹率最低為21%，說明木質(zhì)素可以作為一種天然膠黏劑用于制備無膠麥秸稈的同時，其作用機理可能是木質(zhì)素中的酚醛結(jié)構(gòu)在熱壓的環(huán)境中能夠與秸稈中纖維素的羥基相互作用構(gòu)成強大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。隨著木質(zhì)素的含量增強，其構(gòu)建的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作用力更強，從而提升善板材的力學(xué)性能和耐水性能。

2.3 木質(zhì)素含量為10%時無膠麥秸稈板材的最大壓縮強度的測定及分析

表4 添加10%的木質(zhì)素與未添加木質(zhì)素?zé)o膠秸稈板材壓縮后的參數(shù)對比

圖2 添加10%的木質(zhì)素板材與未添加的無膠秸稈

由表4與圖2對比分析可知，當(dāng)木質(zhì)素添加量為10%時，此刻板材的吸水厚度膨脹率最低為21%，取此木質(zhì)素添加量制備的無膠秸稈板材與未添加木質(zhì)素的無膠秸稈板材利用萬能試驗機測得其彈性模量分別為37.0098N/mm2、 29.2208N/mm2，最大載荷分別為3001.80N、1802.66N，最大4.3584N/mm2、2.91014 N/mm2。該結(jié)果進一步驗證了木質(zhì)素的添加能在提高無膠秸稈板材的耐水性能的同時，改善其力學(xué)性能，增加其抗壓強度，同時也進一步說明了木質(zhì)素能夠作為天然粘合劑應(yīng)用于無膠秸稈纖維板材的制備[15]。

3 結(jié)束語

根據(jù)板材的硬度、吸水厚度膨脹率(H)及壓縮彈性模量的測定分析可知，無膠秸稈纖維板材的性能均隨著木質(zhì)素添加量的增加而提升。經(jīng)綜合分析可知木質(zhì)素的最優(yōu)添加量為10%，此時板材的吸水厚度膨脹率(H)最低為21.0%，耐水性能最優(yōu)；板材的彈性模量、最大載荷、最大應(yīng)力分別為37.0098N/mm2、3001.80N、4.3584N/mm2；從而可明確木質(zhì)素能夠替代部分傳統(tǒng)膠黏劑，作為天然粘合劑參與無膠麥秸稈纖維板材的制備，并且能有效改善板材的耐水性能及力學(xué)性能使其達(dá)到相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[16]。這不僅能生產(chǎn)制備環(huán)保健康的人造板材，還能較好的處理農(nóng)作物剩余物，推動經(jīng)濟發(fā)展，對環(huán)保制造業(yè)有較好的發(fā)展帶動。