路用玉米秸稈纖維的物理制備方法研究

彭開(kāi)興，田 鵬，董航寧，張航豪，邵 帥

（吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物的副產(chǎn)品秸稈資源豐富，尤其是東北地區(qū)的吉林省，每年可收集的玉米秸稈資源超過(guò)3 600萬(wàn)t，但絕大部分沒(méi)有得到合理的開(kāi)發(fā)和利用，造成資源的損失和浪費(fèi)，而且秸稈焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重且污染自然環(huán)境。玉米秸稈作為可再生資源已經(jīng)得到全世界的關(guān)注，其組成與木材類(lèi)似，若能加工成生物纖維材料，可以得到高價(jià)值的利用，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。通過(guò)機(jī)械破碎法從玉米秸稈中提取玉米秸稈纖維，作用在路面瀝青及混合料中可以提高路面的路用性能，增加路面的使用年限，減少瀝青路面的早期破壞，并且其作為可再生資源將減少道路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，還可減少秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

對(duì)于秸稈纖維的利用價(jià)值，已有學(xué)者研究其在瀝青材料中的應(yīng)用。彭波[1]、黃彭[2]通過(guò)將木質(zhì)素纖維加入瀝青混合料性能試驗(yàn)中認(rèn)為木質(zhì)素纖維吸油性大，使瀝青膜厚度增大，提高瀝青混合料的穩(wěn)定性等。胡潔瓊等[3]通過(guò)機(jī)械方法將棉花秸桿制備成秸稈纖維，研究發(fā)現(xiàn)秸稈的浸泡程度及含水量對(duì)纖維的制備效果有較大影響。雷彤等[4]發(fā)現(xiàn)棉秸稈纖維的結(jié)構(gòu)與木質(zhì)素纖維相似，具有較好的耐熱性、吸油性和韌性，同時(shí)具有一定的抗拉強(qiáng)度和合適的長(zhǎng)徑比，其與瀝青相容性也較好。閻金龍[5]、劉海燕等[6]、于勇等[7]、文亞軍[8]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈皮中含有大量的優(yōu)質(zhì)纖維素和木質(zhì)素，且含有較好的拉伸特性，可以從中提取玉米秸稈纖維用于瀝青作增強(qiáng)材料。李振霞[9]采用高速剪切法對(duì)“除芯”的飽水玉米秸稈破碎處理，通過(guò)提取比例及吸油倍數(shù)指標(biāo)優(yōu)選得到最佳纖維并對(duì)其基本技術(shù)性能進(jìn)行分析，均符合瀝青路面用纖維的規(guī)范要求。李旺明[10]通過(guò)玉米秸稈纖維改良瀝青混合料的性能工程實(shí)例進(jìn)行研究，得到纖維最佳摻量和纖維提高路用性能的應(yīng)用。綜上所述，將農(nóng)作物副產(chǎn)品秸桿作為纖維類(lèi)生物資源，對(duì)我國(guó)交通道路的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。

1 玉米秸稈纖維制備

1.1 玉米秸稈預(yù)處理

采用機(jī)械破碎法從農(nóng)作物玉米秸稈中提取纖維，是將玉米秸稈皮采用高速剪切機(jī)進(jìn)行破碎處理，烘干篩分出符合規(guī)范要求的纖維。機(jī)械破碎法分為6個(gè)步驟，如圖1所示。

圖1 玉米秸稈纖維機(jī)械破碎法

試驗(yàn)所使用的玉米秸稈原料來(lái)自于吉林省長(zhǎng)春市南關(guān)區(qū)毛家溝村。選取本年度種植的玉米秸稈，去除葉、根等雜物，使其處于自然晾干或在105℃的烘箱中烘干40 min達(dá)到干燥狀態(tài)，詳見(jiàn)圖2。烘干玉米秸稈會(huì)使皮芯脫水后各自收縮，皮芯粘連效果降低，試驗(yàn)室內(nèi)采用徒手剝離秸稈皮芯的方法，將皮芯分離好的玉米秸稈皮收攏備用，如圖3所示。

圖2 玉米秸稈

圖3 玉米秸稈皮

1.2 玉米秸稈纖維的提取

玉米秸稈皮機(jī)械破碎提取纖維一般采用2種制備工藝：干法和濕法。干法制備是將烘干狀態(tài)下的玉米秸稈皮段直接使用粉碎機(jī)進(jìn)行破碎處理，纖維成品大多為粉末狀，不具備纖維的基本形態(tài)，所以此方法不予采用。濕法制備較之不同的是將浸泡飽水后的秸稈皮進(jìn)行破碎處理，提取秸稈纖維。

根據(jù)《瀝青路面用纖維》JT/T 533—2020[11]的規(guī)范要求，路用纖維最大長(zhǎng)度應(yīng)該＜6 mm。通過(guò)部分試驗(yàn)和李振霞等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈皮破碎處理時(shí)，秸稈皮段長(zhǎng)度超過(guò)12 mm的所破碎提取的纖維成品的長(zhǎng)度＞6 mm，秸稈皮長(zhǎng)度≤8 mm的所破碎提取的纖維成品部分為粉末狀，不具備纖維形態(tài)，因而決定將玉米秸稈皮的長(zhǎng)度定在10 mm±2 mm，進(jìn)行浸泡，如圖4所示。濕法制備試驗(yàn)采用的儀器是浙江省永康市鉑歐五金有限公司生產(chǎn)的800Y型號(hào)的家用高速多功能粉碎機(jī)，詳見(jiàn)圖5，該儀器的粉碎程度是70目～300目，固定轉(zhuǎn)速是34 000 r/min，只能通過(guò)改變破碎時(shí)間來(lái)提取不同的纖維成品。通過(guò)前期試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，改變破碎時(shí)間來(lái)制備纖維，破碎時(shí)間過(guò)長(zhǎng)制備纖維易成粉末狀，破碎時(shí)間過(guò)短則秸稈皮破碎不完整或部分未破碎，所制備的纖維成品也相應(yīng)聚團(tuán)不分散。根據(jù)觀察纖維成品來(lái)決定破碎時(shí)間，處于1 min～2.5 min為優(yōu)。圖5中高速多功能粉碎機(jī)的料倉(cāng)容積是有限的，不能盛放過(guò)多秸稈皮，秸稈皮給入量的變化為40 g～80 g。

圖4 玉米秸稈皮小段浸泡

圖5 高速多功能粉碎機(jī)

濕法制備是在玉米秸稈皮浸水的狀態(tài)下進(jìn)行破碎制備。將玉米秸稈皮放入約15℃的水中浸泡，測(cè)定秸稈皮不同浸泡時(shí)長(zhǎng)的吸水倍數(shù)。本次試驗(yàn)選取適量的3組玉米秸稈皮進(jìn)行浸泡，不同時(shí)長(zhǎng)下的試驗(yàn)獲得對(duì)應(yīng)的吸水倍數(shù)，取平均值并將所得數(shù)據(jù)繪制成圖6。

圖6 不同浸泡時(shí)長(zhǎng)的玉米秸稈皮吸水倍數(shù)

對(duì)圖6中的曲線進(jìn)行線性多項(xiàng)式擬合，擬合方程式：

式（1）中：x為玉米秸稈皮浸泡時(shí)間，h；y為玉米秸稈皮吸水倍數(shù)，倍。

由圖6可知，隨著浸泡時(shí)間的增加，玉米秸稈皮的吸水倍數(shù)會(huì)相應(yīng)的變大，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到7.5 h后秸稈皮的吸水倍數(shù)變化不大，可以認(rèn)為玉米秸稈皮約達(dá)到水飽和狀態(tài)，但實(shí)際纖維制備過(guò)程中秸稈皮浸水時(shí)間為3 h～5 h。

1.3 玉米秸稈纖維加工工藝對(duì)纖維提取率的影響

纖維提取率是指玉米秸稈纖維制備的可利用程度，在玉米秸稈纖維的制備過(guò)程中，秸稈皮的浸水時(shí)間、機(jī)械破碎時(shí)間、給入量都對(duì)秸稈纖維提取率有著明顯影響。

1.3.1 秸稈皮的浸泡時(shí)間對(duì)纖維提取率的影響

秸稈皮中含有水分有利于破碎處理。當(dāng)含水量較高時(shí)，秸稈皮會(huì)黏結(jié)在一起或者粘附在破碎機(jī)料倉(cāng)的內(nèi)壁上，當(dāng)含水量較少時(shí)，秸稈皮處于干燥狀態(tài)在破碎時(shí)易成粉末狀，纖維量較少。根據(jù)秸稈皮的吸水特性，研究方案將玉米秸稈皮分成相似的3組，分別在水中浸泡3.0 h，3.5 h，4.0 h，4.5 h，5.0 h來(lái)制備秸稈纖維，烘干篩分并計(jì)算秸稈皮的的纖維提取率取平均值。

對(duì)圖7中的曲線進(jìn)行線性多項(xiàng)式擬合，擬合方程式：

圖7 不同浸泡時(shí)長(zhǎng)的纖維提取率

式（2）中：x為玉米秸稈皮浸泡時(shí)間，h；y為玉米秸稈纖維提取率，%。

按照?qǐng)D7中曲線的走勢(shì)分析，隨著玉米秸稈皮單因素浸泡時(shí)間的加長(zhǎng)，制備成的玉米秸稈纖維成品提取率呈現(xiàn)出先緩慢增長(zhǎng)達(dá)到一定的峰值又快速下滑的趨勢(shì)。當(dāng)浸泡時(shí)間為4 h時(shí)的玉米秸稈皮制備的纖維提取率為當(dāng)前方案的峰值。當(dāng)秸稈皮含水量過(guò)多時(shí)，在破碎機(jī)料倉(cāng)中會(huì)黏附在倉(cāng)壁內(nèi)影響刀片的劈分，這種可能性會(huì)導(dǎo)致浸泡時(shí)間長(zhǎng)時(shí)的纖維提取率呈現(xiàn)快速下滑趨勢(shì)。

1.3.2 秸稈皮的破碎時(shí)間對(duì)纖維提取率的影響

為確保秸稈皮含水量相同，其余條件不變，將同一環(huán)境下浸泡時(shí)間相同的3組玉米秸稈皮采用不同破碎時(shí)間1.0 min，1.5 min，2.0 min，2.5 min來(lái)進(jìn)行處理，再烘干篩分出規(guī)范纖維，計(jì)算平均纖維提取率，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同破碎時(shí)長(zhǎng)的纖維提取率

對(duì)圖8中的曲線進(jìn)行線性擬合，擬合方程式：

式（3）中：x為玉米秸稈皮破碎時(shí)間，min；y為玉米秸稈纖維提取率，%。

纖維提取率隨著玉米秸稈皮在料倉(cāng)中破碎時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，表明破碎時(shí)間越長(zhǎng)，可利用的纖維就越多。但是，在剪切機(jī)料倉(cāng)中破碎時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成玉米秸稈纖維成品中粉末狀的量越多，不符合纖維形態(tài)的規(guī)范。所以，秸稈皮的破碎時(shí)間為1.5 min最好，既能保證纖維提取率較高，又能確保纖維成品符合要求。

1.3.3 秸稈皮的給入量對(duì)纖維提取率的影響

在其他條件不變的情形下，由于剪切破碎機(jī)的料倉(cāng)容積有限，將適量的玉米秸稈皮分成等份3組，并采取40 g，50 g，60 g，70 g，80 g共5種不同的給入量進(jìn)行試驗(yàn)，將計(jì)算的纖維提取率平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示。

圖9 不同給入量的纖維提取率

對(duì)圖9中的曲線進(jìn)行線性多項(xiàng)式擬合，擬合方程式：

式（4）中：x為玉米秸稈皮給入量，g；y為玉米秸稈纖維提取率，%。

當(dāng)多功能粉碎機(jī)料倉(cāng)中的秸稈皮給入量增長(zhǎng)時(shí)，玉米秸稈纖維提取率呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的變化趨勢(shì)，在秸稈皮質(zhì)量為60 g時(shí)，纖維提取率達(dá)到相應(yīng)給入量的最高值。這種趨勢(shì)可能是當(dāng)料倉(cāng)中秸桿皮給入量較少時(shí)，料倉(cāng)充足的容積中分布的秸稈皮密度較稀疏，導(dǎo)致機(jī)械破碎不完全，存在著半完整的秸稈皮；當(dāng)料倉(cāng)中秸稈皮給入量較多時(shí)，在一定的破碎時(shí)間中很難完全破碎掉較多的秸稈皮，因此呈現(xiàn)出纖維提取率較低的趨勢(shì)。

2 玉米秸稈纖維的技術(shù)性能

試驗(yàn)方案中所測(cè)玉米秸稈纖維均為實(shí)驗(yàn)室制備，玉米秸稈皮來(lái)源為吉林省長(zhǎng)春市南關(guān)區(qū)毛家溝村，玉米秸稈纖維的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)均采用路面用纖維技術(shù)規(guī)范的附錄的檢測(cè)方法。綜合纖維規(guī)范中的纖維技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)方法，得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 玉米秸稈纖維的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，實(shí)驗(yàn)室所制備的玉米秸稈纖維的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足《瀝青路面用纖維》JT/T 533—2020的規(guī)范要求。玉米秸稈纖維的微觀長(zhǎng)度均＜6 mm，室內(nèi)環(huán)境下的纖維的含水率保持在規(guī)范要求內(nèi)。纖維的耐熱性是比較突出的，在高溫烘箱中一定時(shí)間內(nèi)仍能保持者纖維基本形態(tài)，無(wú)燃燒和質(zhì)量損失情況。

3 結(jié)論

1）從農(nóng)作物副產(chǎn)品玉米秸稈皮中提取玉米秸稈纖維用于瀝青混合料道路以提高路用性能，采用分階段的機(jī)械破碎法來(lái)制備。首先對(duì)玉米秸稈皮進(jìn)行預(yù)處理即去芯取皮，然后用鍘刀鍘成10 mm±2 mm的小段，浸水后放入高速剪切機(jī)中進(jìn)行破碎處理，最后烘干并篩分出玉米秸稈纖維產(chǎn)品，纖維符合規(guī)范要求。

2）提取玉米秸稈纖維的具體流程中，玉米秸稈皮的浸泡時(shí)間、破碎時(shí)間和給入量等加工工藝都對(duì)玉米秸稈纖維提取率有影響。通過(guò)試驗(yàn)研究，纖維按照玉米秸稈皮浸泡4 h、給入量60 g、破碎時(shí)間1.5 min的方法制備，再篩分出的纖維成品符合瀝青路面用纖維的規(guī)范要求。

3）采用瀝青路面用纖維規(guī)范中的纖維指標(biāo)檢測(cè)方法，對(duì)制備的纖維成品進(jìn)行檢測(cè)，得到纖維的基本技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，玉米秸稈纖維的實(shí)測(cè)最大長(zhǎng)度均＜6 mm，含水率為4.7%，具有較高的耐熱性，質(zhì)量損失率為3.3%，玉米秸稈纖維成品在210℃的高溫中也能保持纖維形態(tài)且無(wú)燃燒。