摘要 生物質(zhì)建材是以生物質(zhì)為基料,添加具有輔助和功能性質(zhì)的材料,按照一定的配比,通過物理、化學(xué)或者兩者結(jié)合的方式,形成的具有特殊功能和結(jié)構(gòu)特點的建筑材料的統(tǒng)稱。本文介紹了生物質(zhì)的概念,明確了生物質(zhì)建材的定義。并且分別從形態(tài)處理、界面處理、接枝、偶合以及生物處理幾個方面詳細(xì)敘述了生物質(zhì)建材秸稈人造版的預(yù)處理工藝。
關(guān)鍵詞 生物質(zhì) 生物質(zhì)建材 表面處理
中圖分類號 TU528
0前言
能源是人類社會進步的基礎(chǔ),而當(dāng)今社會面臨著環(huán)境與發(fā)展的雙重考驗?？v觀人類幾千年的發(fā)展史,能源結(jié)構(gòu)的重大變革始終伴隨人類社會的進步。隨著時代的變遷,多種能源并存的能源體系將成為新世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)的特征,生物質(zhì)能源極有可能成為21世紀(jì)的主要能源之一。生物質(zhì)建材——秸稈人造板的發(fā)展因此為人們所關(guān)注,而其原料處理問題是研究的重點方向之一。
1生物質(zhì)與生物質(zhì)建材
生物質(zhì)是地球上最廣泛存在的物質(zhì)之一,地球上每年生長的生物質(zhì)總量約2.2×1011噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍[1]。圖1為我國四種主要的生物質(zhì)資源的比例圖[2]。
生物質(zhì)建材是以生物質(zhì)為基料,添加具有輔助和功能性質(zhì)的材料,按照一定的配比,通過物理、化學(xué)或者兩者結(jié)合的方式,形成的具有特殊功能和結(jié)構(gòu)特點的建筑材料的統(tǒng)稱。
由圖1可以知道秸稈資源在生物質(zhì)資源中的比重最大,我國是個農(nóng)業(yè)大國,秸稈產(chǎn)量逐年遞增,圖2列舉了我國主要的幾種農(nóng)作物的秸稈產(chǎn)量。
注：秸稈折算系數(shù)稻谷0.9,小麥1.1,玉米1.2,豆類1.6,棉花3.4,其他1.8[3]
近些年來,國家秸稈禁止焚燒相關(guān)政策的出臺與實施,以及對于林木替代產(chǎn)品越來越迫切的需求使得秸稈隨著人造板業(yè)的興盛而蓬勃發(fā)展,生物質(zhì)建材——秸稈人造板的研究,已經(jīng)被眾多研究機構(gòu)和科研部門所重視。秸稈的預(yù)處理問題也得到了普遍的關(guān)注。
2預(yù)處理方法
2.1形態(tài)處理
對于秸稈,大多數(shù)情況下不能對整個植株進行直接應(yīng)用,需要進行形態(tài)處理,處理的方法有去髓（穰）、削片、刨花、粉碎等。
秸稈類非木質(zhì)植物纖維原料一般外形較小,相對勻稱,外表層有的因SiO2的含量高而較堅硬且分布有一層蠟層,內(nèi)部質(zhì)地松軟,密度較小。玉米秸稈經(jīng)自然風(fēng)干或人工干燥后,皮穰分離,會形成自然分離層。玉米秸稈經(jīng)過皮穰分離后,再經(jīng)制備成原料刨花,其密度值大有提高,提高了加工后的板材力學(xué)強度。[4]我國現(xiàn)在投入生產(chǎn)的秸稈人造板只有兩種：秸稈刨花板和秸稈纖維板。這兩種都分別要經(jīng)過刨花和粉碎的處理。經(jīng)過粉碎物料各成分的量沒有變化,但粉碎的物料沒有膨脹性,體積小,可以提高基質(zhì)濃度。
2.2界面處理
秸稈纖維被聚合物潤濕性不良將導(dǎo)致界面粘合性較差。缺乏良好的界面粘合性所導(dǎo)致的惡果是界面張力的增加、材料多孔性和環(huán)境降解的出現(xiàn)。秸稈人造板的性能取決于組分的性能和組分間的界面相容性。通過界面處理能夠改善能改善界面性能。
物理方法
物理方法有拉伸、壓延、和熱處理等方法。用拉伸、壓延不改變纖維的化學(xué)組成,但可以改變結(jié)構(gòu)和表面性能,從而改善纖維與聚合物的物理粘合。用球磨、振動磨、輥筒等將纖維素原料進行粉碎處理,木質(zhì)素和半纖維素的聚合度降低,纖維素的結(jié)晶構(gòu)造改變,提高了反應(yīng)性能。
還可以使用水煮或蒸爆處理,其中蒸爆處理被認(rèn)為是植物纖維素資源轉(zhuǎn)化利用過程中取得的重大突破[5]。這種方法在農(nóng)業(yè)[6]造紙業(yè)[7] 和制糖業(yè)[8]都有所應(yīng)用,其利用高溫、高壓蒸汽對纖維素物料進行處理,改善纖維性能。美國專利[9]采用水蒸汽、氨等作為工作介質(zhì)對植物纖維素蒸爆處理,為加大處理強度,H. Mamers等[10]提出了在反應(yīng)器中充入氮氣的中溫高壓力蒸爆方法。傳統(tǒng)制造纖維板工藝[11]散發(fā)的甲醛氣體對人體有害。蒸爆處理增大生產(chǎn)成本。Robert W . T等可從所處理的物料中所含的半纖維素和纖維素中得到97%的木糖和87%的葡萄糖,稀酸處理所得產(chǎn)物主要含木糖。加拿大阿爾伯塔研究協(xié)會(ARC)的研究表明酸的作用是使秸稈的緩沖容量和pH值降低,從而更適合與UF膠合,而不是去除蠟狀物和二氧化硅。還表明用酸處理農(nóng)作物秸稈,以促進與UF的膠合,這并不是必須要進行的[28]。郭佩玉等[29]通過研究發(fā)現(xiàn),強酸對細(xì)胞壁木質(zhì)素、纖維素、半纖維素有溶解和降解作用,使物質(zhì)消化率顯著提高。
其它還有降低秸稈纖維的親水性以及秸稈的包潤等方法,例如用聚合物的溶液或樹脂低粘度分散體包潤增強織物。包潤樹脂可根據(jù)實際需要選擇常見聚合物或為專門目的改性過的聚合物。
2.3接枝共聚
Shukla等將苯乙烯接枝到棉纖維上,結(jié)果表明,隨聚苯乙烯接枝率的提高,纖維的吸水率降低,這有利改善界面,但可能引起纖維強力的下降。接枝還可以通過輻射引發(fā)進行,在惰性氣體保護下對纖維進行輻射使其表面產(chǎn)生反應(yīng)活性點,而后立即將纖維放入含有接枝單體的溶液中接枝 。
Zubaidi等人將表面刻蝕與接枝反應(yīng)相結(jié)合,接枝效率很高, ,但棉強力下降。以引發(fā)劑引發(fā)的接枝共聚也很常見,如以鈰離子引發(fā),自由基產(chǎn)生在鏈骨架上。
艾軍等[30]采用化學(xué)接枝的方法對麥稈纖維進行了改性研究。結(jié)果表明,可以通過化學(xué)接枝方法,提高麥稈纖維表面的反應(yīng)活性,從而有可能使其能與一些難以膠接的材料進行膠接,或增加膠接過程中的化學(xué)鍵膠接和氫鍵結(jié)合。
2.4界面偶合
界面偶合是一種非常重要的處理方法。從理論方面來考慮,在復(fù)合材料中,纖維—聚合物與偶連劑形成共價鍵或絡(luò)合鍵。麥稈中的主要化學(xué)成分是纖維素、半纖維索及木質(zhì)素,為了改善它與膠粘劑間界面的粘接性,可采用偶聯(lián)劑進行處理。
羥甲基化合物偶聯(lián)。含羥甲基的化合物可與纖維素反應(yīng)形成穩(wěn)定的共價鍵。這些反應(yīng)在紡織工業(yè)中早有應(yīng)用[31]。該反應(yīng)原理應(yīng)用于纖維素纖維增強不飽和聚酯。用羥甲基三聚氰胺對纖維素處理,可降低纖維素的吸水性和增加纖維素的濕態(tài)強度[32]。
有機硅交聯(lián)。硅偶聯(lián)劑可以改善相界面的親水性,特別是環(huán)氧基硅和氨酯基硅尤為如此。硅烷可用作天然纖維和聚合物復(fù)合材料的偶聯(lián)劑[33]。 L.UmaDevi等[34]用硅烷試劑處理菠蘿葉纖維與不飽和聚酯樹脂制備復(fù)合材料,其機械性能優(yōu)于用2%NaOH溶液處理所制得的同種復(fù)合材料。
上述方法的共同優(yōu)點一方面是發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)后纖維表面的羥基減少,從而纖維的吸水性減小,有于纖維與基體聚合物的鍵合穩(wěn)定性;另一方面,偶連劑處理可使纖維和聚合物之間形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),減少纖維的溶脹。
2.5生物酶處理
生物酶技術(shù)主要是在制漿工藝上的應(yīng)用和生物處理[35,36],由于麥秸表面物質(zhì)在某些方而與樹脂和油墨有相似的特性,選用適當(dāng)?shù)纳锩甘果溄毡砻嫦灎钗餃p少;或者與麥秸的主要成份發(fā)生作用,促使蠟狀物結(jié)構(gòu)松散,則可以改善麥秸的潤濕性能。從而使麥秸作為原料生產(chǎn)人造板時,對膠粘劑具有更多的選擇余地。南京林業(yè)大學(xué)的張洋[37]研究利用微生物的各種酶所具有的特性。結(jié)果表明:經(jīng)過酶處理后,可以使麥秸的苯醇抽提物含量下降,處理時間延長,效果更好,這也可以間接地說明,酶處理麥秸,可以降低其表面的蠟狀物;用經(jīng)過酶處理后的麥秸作原料,可以壓制出性能較好的脲醛樹脂膠合的麥秸刨花板。
3結(jié)語
生物質(zhì)能源具有廣泛的基礎(chǔ)和前景,生物質(zhì)建材作為建材發(fā)展的新方向必然逐步為人們作接受。生物質(zhì)建材建立立足于可循環(huán)經(jīng)濟理論體系,符合可持續(xù)發(fā)展的遠(yuǎn)景規(guī)劃,契合了生態(tài)環(huán)保的目的要求,為未來建筑材料提出并建立了新的理念。對于秸稈人造板的預(yù)處理,雖然已經(jīng)進行了大量的研究,并且獲得了一定的經(jīng)驗與認(rèn)識,但是更為廣闊更為透徹的知識理論體系還有待于確立和完善,需要展開進一步的工作。
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