秸稈板物理性能的研究發(fā)展

谷曉雨， 鄒鈺瑩， 王 正

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

我國是世界農(nóng)業(yè)大國之一，每年所產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)廢料總量巨大。其中，秸稈總產(chǎn)量超過7億t，但利用率僅占5%左右，大多作為農(nóng)民生活燃料，或當作廢棄物燒掉，既污染了環(huán)境又浪費了資源。近年，國家統(tǒng)計局發(fā)布的《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類2018》將新型墻體材料列入5個新材料產(chǎn)業(yè)子類之一[1]。秸稈板作為新興的人造板材，其重量輕，較之木刨花板和中密度纖維板，其使用異氰酸脂膠粘劑(MDI膠)有效降低了甲醛釋放，在大部分木質(zhì)板材的應(yīng)用場合都可以使用。對于秸稈板，經(jīng)過國內(nèi)外近20年中的不斷改進，其原材料不再只局限于麥秸桿，包括玉米秸稈、棉花秸稈等均得以再利用。國內(nèi)外對于秸稈板的內(nèi)結(jié)合強度、握釘力與導(dǎo)熱系數(shù)等方面進行了較多試驗研究，并完成了詳盡規(guī)范[2-4]。鑒于此，文中通過介紹國內(nèi)外秸稈板物理性能的研究進展，為研究基于秸稈板隔熱性能、防火性能和內(nèi)結(jié)合強度等物理性能在建筑中的更好應(yīng)用提供有益參考。

1 國內(nèi)外秸稈板的主要物理性能研究

秸稈板從生產(chǎn)工藝來看屬于刨花板范疇，以秸稈刨花代替木刨花。但從纖維特性來看，又近似于密度板。在實際生產(chǎn)中秸稈板又因為對秸稈的處理方法(代替木刨花、提取秸稈纖維、打碎成粉末等)和膠黏機理的不同，可劃分為秸稈刨花板、秸稈纖維板、水泥粘合秸稈板等多類。在檢測秸稈板性能時多參照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》來檢測[5]。就本文所述秸稈板物理性能而言，其秸稈板最為重要的物理性能包括：吸水率(WA)、吸水厚度膨脹率(TS)、內(nèi)結(jié)合強度(IB)、靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)、隔熱性能和防火性能等。

1.1 就秸稈板原料比例大小的改進研究進展

2011年，Azizi[6]等對麥稈和廢棄單板碎片制成的三層刨花板進行性能評估。實驗中對10組不同混合比例下麥稈和山毛櫸木皮碎片為原料的秸稈刨花板，進行吸水厚度膨脹率和吸水率的性能檢測，得出了麥秸稈和山毛櫸木皮碎片具有作為補充纖維材料的潛力，與木刨花結(jié)合用于刨花板制造和室內(nèi)應(yīng)用等結(jié)論。2015年，鄭超[7]等使用不同形態(tài)的秸稈刨花壓制麥秸板，并對其物理性能進行分析。根據(jù)林業(yè)行業(yè)推薦標準《LY/T 2141-2013定向結(jié)構(gòu)麥秸板》的要求測試板材的吸水膨脹率和吸水率、內(nèi)結(jié)合強度物理性能，利用X射線斷面密度測試儀分析刨花尺寸對麥秸板斷面密度的影響。研究結(jié)論表明：在實際生產(chǎn)中，建議將短刨花作為芯層原料以提高其內(nèi)結(jié)合強度和尺寸穩(wěn)定性。

1.2 就秸稈預(yù)處理的改進研究進展

2003年，Soroushian[8]等將經(jīng)過碳酸化處理的小麥秸稈用于生產(chǎn)水泥粘合刨花板，并研究其物理性能。他們將原料經(jīng)碳環(huán)處理秸稈板分成4類，分別進行50次干濕循環(huán)老化、300次冷凍解凍循環(huán)老化、60天溫水浸泡老化和50%相對濕度溫度22 ℃環(huán)境中自然老化一周；并與同樣分為4組經(jīng)相同處理的一般原料脫水的秸稈板進行了對照試驗。每組經(jīng)5次反復(fù)內(nèi)結(jié)合強度檢測和顯微圖像分析，得出碳酸化處理秸稈可以克服小麥秸稈對水泥基水化反應(yīng)的抑制作用，且具有理想的物理性能和抗老化性。2006年，潘明珠[9]等研究了通過水熱、2%乙酸、2%Na2SO3及2%NaHSO3四種方法預(yù)處理秸稈原料，對生產(chǎn)出的秸稈纖維板性能的影響。根據(jù)GB/T 11718-1999《中密度纖維板標準規(guī)范》測試了板材的內(nèi)結(jié)合強度、2 h和24 h吸水膨脹率，最終得出四種預(yù)處理的秸稈纖維板厚度膨脹率較高，均未達到國際規(guī)定值；內(nèi)結(jié)合強度與秸稈表面pH值有關(guān)，四種預(yù)處理中只有乙酸明顯降低秸稈表面pH值，這有利于脲醛樹脂膠的固化，從而提高板材內(nèi)結(jié)合強度。2010年，程萬里[10]等進行了關(guān)于在秸稈刨花中直接拌入防腐劑和單面噴涂阻燃涂料的方法對定向結(jié)構(gòu)麥秸板(OSSB)的阻燃性能影響的研究。試驗共分為5組，板材規(guī)格為1 220 mm×2 440 mm ×12 mm，密度0.57 g/cm3，進行建筑材料及制品燃燒性能分級試驗、建筑材料或制品的單體燃燒試驗、材料產(chǎn)煙毒性危險分級試驗。結(jié)果表明，隨著阻燃劑在OSSB表面的噴施量的增加，其阻燃性能明顯增強；此外，硼酸鹽粉不僅具有防腐作用，還有助于阻燃。2011年，付順鑫[11]等采用蒸汽爆破技術(shù)對麥秸原料進行處理，去除麥秸表面的蠟質(zhì)和硅質(zhì)層，將其制成板材，并測試其內(nèi)部粘結(jié)強度和吸水厚度膨脹率。結(jié)果表明，蒸汽爆破處理可顯著提高秸稈板的內(nèi)部粘結(jié)強度和吸水厚度膨脹率，IB值約為未處理板的10倍，TS值僅為未處理板的1/4。汽爆改性處理是提高麥秸板性能的有效途徑之一。2012年，Soroushian[12]等評估了多種秸稈預(yù)處理技術(shù)，對于提高秸稈與水泥水化的相容性，和板材物理性能、耐久性的影響。將秸稈浸泡飽和石灰水中一個月(CO2處理)的水泥粘合秸稈板(CBSB)與水泥粘合刨花板(CBPB)、水泥粘合纖維板(CBCB)進行對照試驗，進行吸水率、厚度膨脹性能試驗與老化試驗(100次干濕循環(huán)、100天溫水浸泡、100次凍融循環(huán))，得出秸稈預(yù)處理可提高水泥粘合秸稈板的生產(chǎn)效率和降低成本；預(yù)處理去除秸稈細胞表面蠟質(zhì)成分對于秸稈板長期性能意義重大；預(yù)處理CBSB物理力學(xué)性能與CBPB、CBCB有競爭力且其延展性更具優(yōu)勢。2017年，F(xiàn)Zhang[13]等采用HCl、NaOH、熱水、羧甲基纖維素鈉(CMC)和果膠對玉米秸稈進行預(yù)處理，熱壓制備輕質(zhì)玉米秸稈人造板。研究了單一預(yù)處理和復(fù)合預(yù)處理對玉米秸稈表面潤濕性、表面微觀形貌、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響。根據(jù)預(yù)處理情況共分為12組，試件密度0.5 g/cm3，尺寸為300 mm×300 mm×10 mm，參照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能測試方法》進行測定；結(jié)果表明，各預(yù)處理條件均能提高玉米秸稈人造板的力學(xué)強度，復(fù)合預(yù)處理條件不能在單一預(yù)處理的基礎(chǔ)上進一步提高人造板的力學(xué)性能。鹽酸、氫氧化鈉和水熱預(yù)處理會削弱玉米秸稈纖維的結(jié)構(gòu)強度，使得秸稈纖維的結(jié)構(gòu)強度對人造板力學(xué)性能的影響大于界面結(jié)合強度。水熱處理后，秸稈人造板的力學(xué)性能改善最為明顯，IB值提高了7倍，MOR值提高了112.5%，MOE值提高了87.5%。2018年，těpán Hsek[14]等研究了在制板前對冬小麥秸稈顆粒進行冷等離子體表面處理是否能夠能提高秸稈板的物理性能。試驗中分別選了發(fā)生器輸出電壓26.9 V，電流6.9 A、電壓28.6 V，電流8.7 A的冷等離子對秸稈顆粒處理，并將兩種處理制成的秸稈板和普通秸稈板作為3組對照組每組6塊側(cè)面截面為50 mm×50 mm式樣，進行四點彎、內(nèi)部結(jié)合、垂直密度剖面測量，以及厚度膨脹的吸水試驗。最終得出，冷等離子處理會導(dǎo)致秸稈板機械性能的提高，兩種不同冷等離子處理導(dǎo)致內(nèi)結(jié)合強度增強，但兩種等離子處理之間差異不大；冷等離子處理導(dǎo)致平衡含水率增加，吸濕性提高。

1.3 就秸稈板膠合強度的改善研究進展

2002年，MoXiaoqun[15]等對由二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、脲醛樹脂膠(UF)、大豆分離蛋白膠(SPI)和大豆粉膠(SF)制成的中密度稻米秸稈纖維板進行了物理性能評估。試驗中變量包括使用的四種不同膠黏劑和秸稈纖維是否經(jīng)漂白處理；試驗包括內(nèi)結(jié)合強度試驗、2 h和24 h吸水率和厚度膨脹率試驗，以及平衡含水量(EMC)和密度測量。最后得出所有粘合劑中，由MDI制成的刨花板表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能和耐水性，SPI在使用漂白秸稈制秸稈板的工藝中可以取代MDI用于室內(nèi)建筑和家具，避免超濾的有毒排放。2002年，Boquillon[16]等使用的熱固性樹脂 PTP(來自甘油三酯和聚碳酸酯酸酐的聚合物材料)與脲醛樹脂膠(UF)制作小麥秸稈刨花板，考察了樹脂類型對內(nèi)部結(jié)合強度、厚度膨脹的影響。結(jié)論表明使用PTP樹脂粘合秸稈顆粒是有效的，該應(yīng)用可為小麥秸稈提供新的工業(yè)用途。研究還表明，可以對秸稈纖維表面進行改性，使其更適合與傳統(tǒng)粘合劑一起使用。這些處理是有效的，如果與PTP樹脂結(jié)合使用，可能會擴大潛在應(yīng)用范圍。2016年，Qiao JZ[17]等以麥秸稈和無機膠黏劑壓制了無機麥秸復(fù)合板，研究秸稈占板材比例對無機麥秸復(fù)合板物理力學(xué)性能的影響。試驗中使用了X射線衍射(XRD)、熱重分析(TGA)、差示掃描量熱法(DSC)和掃描電子顯微鏡(SEM)對所得復(fù)合板的性能進行表征和評估。結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護過程中草膠比的增加，無機材料在水化反應(yīng)中的抑制作用減弱。無機麥秸復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強度(IB)和熱穩(wěn)定性逐漸提高。

1.4 就秸稈板使用壓制工藝的改進研究進展

2017年，F(xiàn)errandez-Garcia[18]等通過在低溫(110 ℃)和壓力(2.6 MPa)下使用三步法熱壓成功地制造了無粘合劑秸稈刨花板，并設(shè)置18組對照試驗進行物理性能檢驗，即密度、厚度膨脹、吸水率、導(dǎo)熱率、內(nèi)部粘合強度和防火性能檢測；IB、WA、TS 和密度的測試在實驗室萬能試驗機上進行，根據(jù) EN ISO 11925-2(2002)《 歐盟建筑材料可燃性試驗方法》在可燃性計上進行耐火測試。得出物理機械性能在很大程度上取決于所用的粒徑和壓制時間。

1.5 同時多項工藝改進研究進展

2014年，Hafezi[19]等研究了含超濾樹脂和硅烷偶聯(lián)劑含量和小麥秸稈/楊木顆粒比例對板材表面特性和物理性能的影響。試驗中，將秸稈/楊木比例設(shè)定為100/0、85/15、70/30和55/45四種，其偶聯(lián)劑量選擇0、5%、10%三個水平，共12組對照組每組3塊共36塊試件，進行浸泡處理測量吸水率和厚度膨脹率、用細觸針輪廓儀測量表面粗糙度和潤濕性；得出楊木顆粒和偶聯(lián)劑的添加提高板材的表面光滑度，偶聯(lián)劑的添加降低了板材吸水率和厚度膨脹率。總體而言，5%硅烷偶聯(lián)劑和30%楊木顆粒的小麥秸稈板的物理性能和表面性能最為優(yōu)異。2016年，左迎峰[20]等對膠黏劑與秸稈比例，秸稈形態(tài)，板材結(jié)構(gòu)和密度對稻草板物理力學(xué)性能的影響展開研究。試驗對以上方面各設(shè)對照組進行了內(nèi)結(jié)合強度、吸水厚度膨脹率試驗和錐形量熱儀測定燃燒性能。最后，當膠粘劑與細料、粗料、粗細混合料的質(zhì)量比為2.2、2.0和2.0時，秸稈板的性能最佳，且均滿足國家標準要求；同條件下混料提升IB，減小TS；IB與TS方面單層結(jié)構(gòu)優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)；無機膠粘劑實現(xiàn)了稻秸板的高效阻燃抑煙特性。

2 研究展望

國內(nèi)外秸稈建筑材料的種類、加工工藝發(fā)展處于不斷推進的狀態(tài)。秸稈生產(chǎn)的建筑材料具有較好的性能和廣闊的市場前景。大力發(fā)展秸稈建材，解決了秸稈綜合利用問題，防止了秸稈燃燒造成的霧霾危害，具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。通過一系列的試驗成果表明，秸稈板的性能是完全可以與木質(zhì)人造板媲美的；且通過對其固化機理的改變、材料預(yù)處理、與其他材料的復(fù)合處理等技術(shù)手段，完全能改善其性能并進一步發(fā)揮其在建筑、家具、包裝等方面的作用。同時，秸稈種類繁多，當選材不再只限于麥秸后，形形色色的秸稈板應(yīng)運而生，進一步促進了農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)應(yīng)用，帶動農(nóng)副產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展?？傊?，秸稈板早已不再是人們印象中的低端產(chǎn)品，而是面向未來的綠色產(chǎn)業(yè)。我們必須客觀地認識到秸稈板的環(huán)保、隔熱性等優(yōu)勢，也要承認在成本和力學(xué)性能上與傳統(tǒng)木質(zhì)人造板仍存在一定的差距。但這一差距是可以彌補和趕超的，做好秸稈板的物理參數(shù)的檢測研究，以促進我國秸稈板工業(yè)的持續(xù)高效發(fā)展。

受秸稈板的生產(chǎn)工藝限制，秸稈板的性能上與木質(zhì)人造板仍有一定的差距，但價格卻相差不大，甚至高于木質(zhì)人造板，且消費者對秸稈板的刻板印象，這也導(dǎo)致了秸稈板銷量不及木質(zhì)人造板。當前，秸稈板的研究主要集中在提高秸稈板質(zhì)量性能；但這并不能完全解決秸稈板市場面臨的窘境，接下來的實驗研究應(yīng)當聚焦于解決秸稈板生產(chǎn)成本上。此外，當前秸稈板原料主要是小麥秸稈和稻米秸稈，但仍存在許多其他經(jīng)濟作物的秸稈沒能在秸稈板產(chǎn)業(yè)中得以應(yīng)用。顯而易見，未來研究可以擴大原料可選范圍，提高農(nóng)作物秸稈利用率。