玉米秸稈與沼渣混配育秧缽盤成型特性研究

劉丹，滕達(dá)，邱士庭，李顏龍，王漢羊，馬永財(cái)

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土木水利學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院）

農(nóng)作物秸稈富含木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、木糖醇等有機(jī)質(zhì)成分及氮、磷、鉀等微量元素，是一種非常重要的可再生生物資資源[1]。東北地區(qū)是我國最主要的玉米種植區(qū)，擁有豐富的玉米秸稈資源，其產(chǎn)量在所有農(nóng)作物秸稈中位居首位。隨著玉米單產(chǎn)的提高，玉米秸稈產(chǎn)量將進(jìn)一步增加[2]。大量的玉米秸稈資源若不能進(jìn)行合理的處理和利用，將會(huì)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境造成極大的壓力[3]。目前，對作物秸稈的綜合利用主要是圍繞“五化”技術(shù)工程開展，即原料化、飼料化、肥料化、基料化及能源化[4]。相關(guān)研究表明，我國每年的秸稈總產(chǎn)量中，約20%的秸稈直接用于生活燃料，15%的秸稈采用秸稈還田的方式被用作肥料，用于飼料化的秸稈約占秸稈總量的15%，而用于工業(yè)原料的秸稈只占秸稈總量的2%左右，其余近一半的秸稈直接被廢棄或就地焚燒[5]。近些年，秸稈焚燒已成為春秋農(nóng)忙時(shí)節(jié)的標(biāo)志性現(xiàn)象，不僅造成了極大的秸稈資源浪費(fèi)，同時(shí)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞，給人們的生產(chǎn)和生活造成了不良影響。因此，開發(fā)秸稈綜合利用技術(shù)，提高秸稈利用價(jià)值對穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、解決秸稈焚燒問題、緩解環(huán)境壓力具有重要的作用[6]。

沼渣是作物秸稈、畜禽糞便與污泥等有機(jī)物經(jīng)厭氧發(fā)酵后殘留的半固體物質(zhì)及脫水后的固體物質(zhì)。大量研究表明，不同原料的沼渣均含有豐富的有機(jī)質(zhì)及氮磷鉀等植物生長所需的元素，是一種優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)資源[7-9]。近幾年，在國家政策和資金的大力支持下，我國的沼氣工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，沼氣產(chǎn)量不斷上升。沼氣工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展必然產(chǎn)生大量的沼渣，隨之而來的沼渣處理問題變得日益嚴(yán)峻。目前，對沼渣的資源化利用主要是好氧堆肥后作為有機(jī)肥料以及作為飼料或飼料添加劑應(yīng)用于養(yǎng)殖和水產(chǎn)等方面，除此之外，在土壤改良劑、吸附劑、固體燃料添加劑等方面也有一定的應(yīng)用[10-11]。然而，由于技術(shù)和處理設(shè)備等問題，沼渣的消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能平衡其生產(chǎn)量，沼渣處理已成為沼氣工業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。因此，合理處置和利用沼渣對促進(jìn)我國沼氣工業(yè)的發(fā)展，保護(hù)農(nóng)村、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。

生物質(zhì)固化成型技術(shù)是指在一定的溫度、濕度以及壓力等條件下，采用壓縮成型設(shè)備將松散的生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為高密度、高硬度的生物質(zhì)產(chǎn)品。該技術(shù)可極大降低生物質(zhì)原材料的體積，從而降低其運(yùn)輸、儲藏成本，提高其品質(zhì)和利用價(jià)值，是一項(xiàng)重要的生物質(zhì)處理技術(shù)[12-14]。根據(jù)成型方式的不同，生物質(zhì)固化成型技術(shù)主要包括：熱壓、濕壓和碳化三種成型方式。美國、日本以及一些歐洲發(fā)達(dá)國家對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究較早，并研制出了較為成熟的配套成型設(shè)備，基本實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[15-16]。國內(nèi)對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究起步較晚，進(jìn)入21 世紀(jì)以后開始重視生物質(zhì)成型技術(shù)及裝備的研發(fā)工作。近年來，國內(nèi)外科研人員對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究主要集中在生物質(zhì)顆粒燃料方面。Gilbert等[17]研究了溫度、壓力兩個(gè)因素對楊柳和麥秸顆粒固化成型特性的影響，結(jié)果表明：溫度對成型特性具有較大的影響。Mani 等以小麥秸稈、大麥秸稈、玉米秸稈及柳枝稷草為原材料，研究了壓力、粒度、物料含水等因素對成型顆粒燃料機(jī)械特性的影響，結(jié)果表明：物料粒度對成型顆粒的松弛密度影響較小，當(dāng)物料粒度為3.2 mm，物料含水率為12%時(shí)，顆粒燃料的松弛密度最大。邱志丹等[18]研究了不同配比煙稈和木屑成型燃料的燃燒特性，得到了兩者的最佳配比為15%煙稈和85%木屑。艾宇等[19]以水葫蘆和大澡為研究對象，采用熱壓成型技術(shù)制成生物質(zhì)顆粒燃料，通過對比木屑的燃燒及結(jié)渣特性，發(fā)現(xiàn)水葫蘆的燃燒效果明顯高于大澡，且水生植物具有較高的酸堿指數(shù)、酸堿比和嚴(yán)重的結(jié)渣傾向。

缽育移栽技術(shù)能夠延長作物的生長周期，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，對于無霜期較短的東北高寒地區(qū)，效果尤為顯著。目前，我國使用的育秧缽盤以塑料缽盤為主，該缽盤存在價(jià)格昂貴，透水、透氣性差等問題，同時(shí)由于塑料難以降解的特性，破舊后無法使用的塑料缽盤處理已成為制約缽育移栽技術(shù)大面積推廣的關(guān)鍵技術(shù)問題。為解決這一難題，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)汪春教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種生物質(zhì)缽育秧盤[20]。該秧盤以秸稈和粘土為主要原料，通過熱壓成型制備而成。與塑料缽盤相比，生物質(zhì)缽盤具有成本低、可降解以及改良土壤等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為作物秸稈及其他生物質(zhì)資源的綜合利用開辟了新的思路。目前，生物質(zhì)缽育秧盤成型過程中仍存在成型率、生產(chǎn)率以及耐久度較低等問題。因此，開展生物質(zhì)缽育秧盤成型特性基礎(chǔ)研究，為生物質(zhì)缽育秧盤成型工藝優(yōu)化及配套設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

研究以玉米秸稈和沼渣混合物為研究對象，采用熱壓固化成型技術(shù)，探討物料配比（玉米秸稈與沼渣的質(zhì)量比）、物料含水率、成型溫度以及成型壓力對玉米秸稈和沼渣混配生物質(zhì)缽育秧盤成型特性的影響，以期為生物質(zhì)缽育秧盤的成型工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用玉米秸稈取自黑龍江省大慶市大同區(qū)農(nóng)機(jī)合作社。將收集的玉米秸稈上干枯的葉子剔除，使用鍘刀將莖稈切碎至5 cm 左右，放置于室內(nèi)48 h 后采用錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。粉碎后的物料采用分級篩進(jìn)行篩分，選取顆粒度3±0.5 mm 秸稈作為試驗(yàn)物料。試驗(yàn)用沼渣選用水稻秸稈高固厭氧發(fā)酵40 d后的沼渣，新鮮沼渣放置于通風(fēng)處自然晾干后，采用塑料密封袋保存待用。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)物料配比（20%玉米秸稈+80%沼渣，30%玉米秸稈+70%沼渣，40%玉米秸稈+60%沼渣，50%玉米秸稈+50%沼渣，60%玉米秸稈+40%沼渣，70%玉米秸稈+30%沼渣，80%玉米秸稈+20%沼渣）將物料進(jìn)行充分混合?；旌虾蟮奈锪显?0 ℃條件下使用電熱恒溫箱干燥48 h，并測定此時(shí)物料的含水率（濕基）。根據(jù)試驗(yàn)需求稱取定量的混合物料置于塑料密封袋中，通過添加適量水分將物料含水率調(diào)整至試驗(yàn)所需含水率，將配置好的物料置于冰箱內(nèi)，在4±0.5 ℃條件下保存48 h 以使物料含水率更加均勻。

1.2 儀器與設(shè)備

缽育秧盤熱壓成型設(shè)備由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院自制，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。設(shè)備主要由成型系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)三部分組成。成型模具采用不銹鋼制作，外模內(nèi)徑為50 mm，內(nèi)模外徑為30 mm，最大壓縮行程為100 mm。試驗(yàn)用WDW-200E 型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，精準(zhǔn)等級為1 級，最大壓力為200 kN，誤差±1%。

圖1 成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of the forming device

上海一恒科學(xué)儀器郵箱公司：DHG-9240A 型恒溫鼓風(fēng)干燥箱；上海佳實(shí)電子科技有限公司：MS100型水分自動(dòng)測量儀，測量范圍0～100%，精度0.01%；沈陽龍騰電子有限公司：JD300-3 型電子天平，精度0.001 g，最大稱量300 g；香港麥特爾電子科技有限公司：SF2000 三按鍵電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺。其他實(shí)驗(yàn)儀器包括：錘片式粉碎機(jī)、螺旋式攪拌器等。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)方法研究物料配比（玉米秸稈與沼渣的質(zhì)量比）、物料含水率、成型溫度以及成型壓力對成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響，試驗(yàn)設(shè)置如表1 所示。

表1 試驗(yàn)因素和水平Table 1 Experimental factors and levels

干燥試驗(yàn)時(shí)，將其中三個(gè)因素固定為中間水平，針對第三個(gè)因素的各個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前，先運(yùn)行加熱系統(tǒng)15～20 min，待成型模具溫度恒定至試驗(yàn)設(shè)定溫度后，將預(yù)先配置好的物料放入成型模具的凹模內(nèi)。隨后，啟動(dòng)電子萬能試驗(yàn)機(jī)，并根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)定相應(yīng)的壓力，設(shè)置凸模以10 mm·min-1速度進(jìn)行壓縮成型。當(dāng)凸模壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后保壓10 s，隨后關(guān)閉加熱系統(tǒng)，同時(shí)開啟冷卻系統(tǒng)。當(dāng)模具溫度≤25 ℃時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)并進(jìn)行脫模。成型后的缽盤置于室溫條件下10～20 min，然后置于塑料密封袋中封存，用于缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的測定。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，以其平均值作為指標(biāo)值。成型生物質(zhì)缽育秧盤的結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖2所示。

圖2 缽育秧盤結(jié)構(gòu)及實(shí)物簡圖Fig.2 Structural physical sketch of the potted seedling tray

1.3.2 指標(biāo)測定

（1）抗破壞強(qiáng)度

抗破壞強(qiáng)度指物料成型后抵抗外力的能力，是衡量成型制品在運(yùn)輸、堆碼、存放以及育秧過程中能否滿足強(qiáng)度要求的重要指標(biāo)之一。測定時(shí)，將壓縮成型缽盤置于萬能試驗(yàn)機(jī)上下壓盤之間，成型塊與試驗(yàn)機(jī)上壓盤接觸臨界位置作為初始位置，以10 mm·min-1加載速度壓縮成型缽盤，成型缽盤完全破壞變形后，壓頭返回初始位置。試驗(yàn)過程中通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集缽盤壓縮力-位移曲線，該曲線中的峰值即作為成型塊的抗破壞強(qiáng)度。

（2）松弛比

松弛比是指物料受力變性且撤去外力后，應(yīng)力松弛過程中，成型制品外形尺寸保持不變的能力，主要采用成型制品在經(jīng)過一定時(shí)間靜置后的高度與成型初期高度的比值進(jìn)行評定。測定時(shí)，即刻測量脫模后成型制品的高度，作為初始值；隨后將成型制品在室內(nèi)靜置48 h，隨后測量成型制品的高度，作為最終值。

成型缽盤的松弛比按式（1）進(jìn)行計(jì)算[21]。

式中，λ 為松弛比；h1為成型缽盤高度初始值，mm；h2為成型缽盤靜置48 h 后高度最終值，mm。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013 和origin 8.5 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料配比對成型特性的影響

物料配比對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響如圖3 所示。由圖3a 可知，隨物料中玉米秸稈含量的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在物料含水率為12%、成型溫度為150 ℃、成型壓力為120 kN 的條件下，物料中玉米秸稈含量由20%增加至60%時(shí)，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度由212.45 kN 增加至287.61 kN。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明：熱壓固化成型技術(shù)主要是利用生物質(zhì)材料中所含的木質(zhì)素、蛋白、纖維素、半纖維素以及淀粉等天然粘結(jié)劑成分，在一定的壓力和溫度條件下使其軟化和析出，這些天然粘結(jié)劑成分在物料顆粒間流動(dòng)和擴(kuò)散，并均勻地填充于生物質(zhì)材料顆粒間的縫隙中。壓縮過程結(jié)束后，將成型缽盤置于室溫條件下進(jìn)行冷卻，此時(shí)，木質(zhì)素會(huì)再次硬化，蛋白、淀粉等會(huì)再次結(jié)晶，從而在顆粒與顆粒間形成固體橋、范德華力、氫鍵結(jié)合力、機(jī)械聯(lián)鎖力以及表面結(jié)合力等，最終實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)材料的成型。Kaliyan 等[22]對生物質(zhì)材料壓縮成型顆粒燃料的成型特性進(jìn)行了相關(guān)研究，其結(jié)果表明生物質(zhì)材料中的木質(zhì)素、蛋白、纖維素等成分在顆粒燃料成型過程中具有顯著的粘結(jié)作用，可提高顆粒燃料的硬度和耐久度。不同類型生物質(zhì)材料所含的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素以及蛋白質(zhì)等成分在生物質(zhì)材料成型過程中充當(dāng)天然粘結(jié)劑的含量不同，而這些成分在一定的成型條件下，可增強(qiáng)生物質(zhì)材料成型過程中顆粒的硬度和穩(wěn)定性，從而使得不同物料配比條件下成型缽盤的抗壓強(qiáng)度存在一定的差別。研究所用成型原材料由玉米秸稈和沼渣組成，而沼渣經(jīng)過厭氧消化反應(yīng)后，物料內(nèi)所含的蛋白、淀粉已經(jīng)糖類物質(zhì)大部分被甲烷菌轉(zhuǎn)化為沼氣。玉米秸稈所含的半纖維素以及蛋白質(zhì)等天然粘結(jié)劑高于沼渣。因此，適當(dāng)提高物料中玉米秸稈含量，有利于生物質(zhì)顆粒的成型，并能促進(jìn)顆粒之間粘結(jié)力的增強(qiáng)，從而提高成型制品的抗破壞強(qiáng)度。當(dāng)玉米秸稈含量繼續(xù)增加至80%時(shí)，缽盤的抗破壞強(qiáng)度由287.61 kN下降至254.47 kN。這是因?yàn)樵谏镔|(zhì)材料成型過程中，當(dāng)其他條件不變時(shí)，物料粒徑越小越有利于成型，且成型質(zhì)量較高。物料粒徑對物料顆粒間的結(jié)合具有較大的影響，粒徑越小，粒子比表面積越大，顆粒與顆粒間的接觸面積增大，利于顆粒間的固相橋接，增大了顆粒間的范德華力，提高了成型后的制品強(qiáng)度和硬度。當(dāng)物料中玉米秸稈含量超過60%時(shí)，雖增加了物料中木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、纖維素等天然粘結(jié)劑的含量，但由于玉米秸稈的粒徑大于沼渣，因此隨著玉米秸稈含量的增大，使得混合后物料的粒徑增大，從而導(dǎo)致成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度降低。Carone 等[23]研究了成型工藝參數(shù)對成型特性的影響，結(jié)果表明減小物料顆粒尺寸可顯著提高成型制品的品質(zhì)。

圖3 物料配比對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響Fig.3 The effect of material ratio on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖3b 可以發(fā)現(xiàn)，隨物料中玉米秸稈含量的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)其他條件保持為中間水平，物料中玉米秸稈含量由20%增加至60%時(shí)，松弛比由5.43%降低至3.89%。這是由于混合物料中玉米秸稈含量的增加，提高了物料中木質(zhì)素、纖維素、蛋白、淀粉等天然粘結(jié)劑的含量，使顆粒間的結(jié)合力增大，成型結(jié)束撤去外力后，顆粒間的結(jié)合力增強(qiáng)，成型后制品抵抗變形的能力提高，從而降低了成型制品的松弛比。當(dāng)物料中玉米秸稈含量由60%增大至80%時(shí)，成型制品的松弛比由3.89%增加至4.94%?；旌衔锪狭降慕档蛯ι镔|(zhì)材料在壓縮成型過程中物料的流動(dòng)性和填充性具有較大的影響，顆粒粒徑越小其流動(dòng)性和填充性能越好，成型制品的密度和耐久性越高，而使用混合粒徑的物料成型后產(chǎn)品的品質(zhì)越高，這是因?yàn)榛旌狭街械拇箢w粒材料可作為成型制品的“骨架”，而較小的顆粒易于填充入估計(jì)，進(jìn)而降低成型制品顆粒間的孔隙率，提高其成型品質(zhì)。而隨著玉米秸稈含量的增加，混合物料的整體粒徑增大，造成成型制品的密度降低，進(jìn)而增大了成型缽盤的松弛比。Zafari 等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，較小物料粒徑能夠顯著提高成型制品的密度和硬度。

2.2 物料含水率對成型特性的影響

物料含水率對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響如圖4 所示。

由圖4a 可知，隨物料含水率的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在物料配比為50∶50、成型溫度為150 ℃、成型壓力為120 kN的條件下，物料含水率由6%增加至12%時(shí)，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度由202.31 kN 增加至262.37 kN。當(dāng)繼續(xù)增大物料含水率至18%時(shí)，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度由262.37 kN 下降至198.54 kN。物料中的水分作為潤滑劑和粘結(jié)劑，是生物質(zhì)材料成型過程中比較重要的一個(gè)因素。一方面，水分在壓力作用下會(huì)形成薄膜粘結(jié)劑，增大物料顆粒間的接觸面積，促進(jìn)顆粒間范德華力的形成。此外，水膜會(huì)通過粒子間的毛細(xì)吸附作用形成氫鍵，從而提高粒子與粒子間的分子結(jié)合力。在水分和溫度的共同作用下，木質(zhì)素、纖維素的軟化，蛋白質(zhì)的變性以及淀粉凝膠化等物理和化學(xué)變化得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，可顯著促進(jìn)顆粒間的固相橋接作用，進(jìn)而提高成型制品的強(qiáng)度。另一方面，水分作為潤滑劑可促進(jìn)物料粒子滑動(dòng)，提高成型過程中粒子的流動(dòng)性和填充性，減少顆粒間的間隙，有利于增強(qiáng)成型制品的密度和強(qiáng)度。然而，并不是物料含水率越高越好，當(dāng)含水率超過一定的范圍后，在成型過程中多余水分子會(huì)填充在顆粒之間，阻斷顆粒與顆粒間分子結(jié)合力的形成，進(jìn)而降低成型制品的密度和強(qiáng)度。同時(shí)，在溫度的作用下，在成型過程中過高的物料含水率會(huì)出現(xiàn)水分閃蒸現(xiàn)象，在制品內(nèi)部形成大量的微小汽泡，成型結(jié)束后，隨溫度的下降汽泡破裂，在成型制品內(nèi)部形成大量的孔隙，從而導(dǎo)致成型制品的密度和強(qiáng)度下降。Zafari 等[24]的研究表明，水分的增加會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)的流變特性由黏塑性轉(zhuǎn)為黏彈性，使成型制品的密度和強(qiáng)度下降。

圖4 物料含水率對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響Fig.4 The effect of moisture content on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖4b 可知，隨物料含水率的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)其他條件保持為中間水平，物料含水率由6%增加至12%時(shí)，松弛比由5.52%降低至4.61%，當(dāng)繼續(xù)增大含水率至18%時(shí)，松弛比由4.61%上升至5.66%。這可能是由于當(dāng)物料含水率處于低水平時(shí)，隨著含水率的增加，物料中水分作為潤滑劑和粘結(jié)劑的作用得以提升，有利于提高成型制品的密度和顆粒間的結(jié)合力，從而降低了其松弛比。然而，當(dāng)物料中水分含量超過12%時(shí)，含水率的增加使物料顆粒間的相對滑動(dòng)增加，減弱了粒子間的粘結(jié)作用，從而導(dǎo)致成型制品的密度和強(qiáng)度下降，使其松弛比增大。

2.3 成型溫度對成型特性的影響

成型溫度對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響如圖5 所示。

圖5 成型溫度對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響Fig.5 The effect of temperature on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖5a 可知，隨成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在物料配比為50∶50、物料含水率為12%、成型壓力為120 kN 的條件下，成型溫度由120 ℃增加至160 ℃時(shí)，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度由210.65 kN 增加至275.42 kN。當(dāng)繼續(xù)增大成型溫度至180 ℃時(shí)，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度由275.42 kN 下降至237.21 kN。溫度是生物質(zhì)材料成型過程中，影響成型制品品質(zhì)的一個(gè)非常重要的參數(shù)。在熱壓成型過程中，當(dāng)其他條件不變的條件下，適當(dāng)提高成型溫度能夠促進(jìn)物料中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素以及蛋白等物質(zhì)的軟化和析出，使物料中的天然粘結(jié)劑充分的填充至顆粒的間隙中，最大程度地發(fā)揮其粘結(jié)作用，從而促進(jìn)顆粒間的固相橋接和范德華力的形成，并最終提高成型制品的強(qiáng)度和硬度。Lee 等[25]的研究結(jié)果表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，升溫可以提高成型制品的耐久性。Huang等[26]的研究結(jié)果表明，在一定的成型條件下，合理增加成型溫度有利于提升成型制品的強(qiáng)度。然而，當(dāng)成型溫度超過一定范圍后，在高溫高壓條件下，物料內(nèi)部天然粘結(jié)劑成分會(huì)發(fā)生變質(zhì)，甚至焦糊現(xiàn)象，使其粘結(jié)作用下降，從而影響顆粒間的結(jié)合力，導(dǎo)致成型制品的強(qiáng)度降低。此外，若溫度超過合理值后，成型材料的粉粒體特性會(huì)逐漸向流體特性轉(zhuǎn)變，粒子受主應(yīng)力產(chǎn)生的形變受到阻礙，會(huì)對成型產(chǎn)生不利影響。張霞等[27]的研究表明，在一定成型條件下，隨成型溫度的升高，成型制品的密度和抗壓力呈先上升后下降的趨勢。

由圖5b 可知，隨成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)其他條件保持為中間水平，成型溫度由120 ℃增加至160 ℃時(shí)，松弛比由5.45%降低至4.28%，當(dāng)繼續(xù)增大成型溫度至180 ℃時(shí)，松弛比由4.28%上升至5.11%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是在其他條件不變且溫度為160 ℃時(shí)，物料內(nèi)的天然粘結(jié)劑的粘結(jié)作用達(dá)到極值，顆粒與顆粒間的結(jié)合力最大，且成型制品的孔隙率最小，最大程度地強(qiáng)化了成型制品的密度和強(qiáng)度。當(dāng)成型結(jié)束撤去外力后，制品的外形尺寸回彈最小。Stelte 等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，與30 ℃成型溫度相比，在100 ℃條件下獲得的成型制品，其回彈現(xiàn)象不明顯，抗壓強(qiáng)度更高，密度更大。相反地，當(dāng)成型溫度過高是，會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)纖維的塑化，使生物質(zhì)顆粒的彈性模量降低，進(jìn)而使顆粒與顆粒之間形成空隙，致使相鄰顆粒之間的粘附性變差，最終降低顆粒質(zhì)量。

2.4 成型壓力對成型特性的影響

成型壓力對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響如圖6 所示。

圖6 成型壓力對成型缽盤抗破壞強(qiáng)度和松弛比的影響Fig.6 The effect of pressure on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖6 可知，隨成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈上升的趨勢，松弛比呈下降的趨勢。在物料配比為50∶50、物料含水率為12%、成型溫度為150 ℃的條件下，成型壓力由60 kN 增加至180 kN時(shí)，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度由175.36 kN 增加至297.62 kN，松弛比由6.07%下降至3.63%。成型壓力是生物質(zhì)材料固化成型最為重要的一個(gè)參數(shù)。在足夠壓力下，物料的原有結(jié)構(gòu)被破壞，微觀粒子間形成范德華力和氫鍵結(jié)合力，從而形成新的組織結(jié)構(gòu)。物料顆粒與顆粒間的間隙減小，促進(jìn)成型過程的進(jìn)行。同時(shí)，物料內(nèi)的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和蛋白等天然粘結(jié)劑在溫度和壓力的共同作用下軟化、析出，填充于顆粒與顆粒的間隙，并在粒子間形成固相橋接，使粒子與粒子的結(jié)合更加緊密。合適的壓力可獲得密度大、機(jī)械性能較好的成型制品。然而，由于物料存在壓縮極限，當(dāng)制品的密度足夠大時(shí)，繼續(xù)增大壓力，成型缽盤的形變不會(huì)再有較大的變化，其強(qiáng)度、耐久度等指標(biāo)也保持不變。同時(shí)，過大的壓力會(huì)造成能耗增加、模具磨損增大等負(fù)面影響。Poddar 等[29]通過試驗(yàn)證明，成型壓力對成型制品的密度具有顯著的影響。

3 結(jié)論

采用熱壓固化成型技術(shù)，對玉米秸稈與沼渣混合物料成型缽盤的成型特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，物料配比、物料含水率、成型溫度和成型壓力對固化成型缽盤的成型特性具有顯著的影響。隨物料配比、物料含水率和成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，其松弛比呈先下降后上升的趨勢。當(dāng)物料配比為60∶40，物料含水率為12%，成型溫度為160 ℃時(shí)，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度和松弛比達(dá)到峰值。隨成型壓力的增大，成型缽盤的抗破壞強(qiáng)度增大，松弛比減小。