摘要 生物質建材是以生物質為基料,添加具有輔助和功能性質的材料,按照一定的配比,通過物理、化學或者兩者結合的方式,形成的具有特殊功能和結構特點的建筑材料的統稱。本文介紹了生物質的概念,明確了生物質建材的定義。并且分別從形態處理、界面處理、接枝、偶合以及生物處理幾個方面詳細敘述了生物質建材秸稈人造版的預處理工藝。
關鍵詞 生物質 生物質建材 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,而當今社會面臨著環境與發展的雙重考驗。縱觀人類幾千年的發展史,能源結構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能源結構的特征,生物質能源極有可能成為21世紀的主要能源之一。生物質建材——秸稈人造板的發展因此為人們所關注,而其原料處理問題是研究的重點方向之一。
1生物質與生物質建材
生物質是地球上最廣泛存在的物質之一,地球上每年生長的生物質總量約2.2×1011噸,相當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資源的比例圖[2]。
生物質建材是以生物質為基料,添加具有輔助和功能性質的材料,按照一定的配比,通過物理、化學或者兩者結合的方式,形成的具有特殊功能和結構特點的建筑材料的統稱。
由圖1可以知道秸稈資源在生物質資源中的比重最大,我國是個農業大國,秸稈產量逐年遞增,圖2列舉了我國主要的幾種農作物的秸稈產量。
注：秸稈折算系數稻谷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政策的出臺與實施,以及對于林木替代產品越來越迫切的需求使得秸稈隨著人造板業的興盛而蓬勃發展,生物質建材——秸稈人造板的研究,已經被眾多研究機構和科研部門所重視。秸稈的預處理問題也得到了普遍的關注。
2預處理方法
2.1形態處理
對于秸稈,大多數情況下不能對整個植株進行直接應用,需要進行形態處理,處理的方法有去髓（穰）、削片、刨花、粉碎等。
秸稈類非木質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,內部質地松軟,密度較小。玉米秸稈經自然風干或人工干燥后,皮穰分離,會形成自然分離層。玉米秸稈經過皮穰分離后,再經制備成原料刨花,其密度值大有提高,提高了加工后的板材力學強度。[4]我國現在投入生產的秸稈人造板只有兩種：秸稈刨花板和秸稈纖維板。這兩種都分別要經過刨花和粉碎的處理。經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,可以提高基質濃度。
2.2界面處理
秸稈纖維被聚合物潤濕性不良將導致界面粘合性較差。缺乏良好的界面粘合性所導致的惡果是界面張力的增加、材料多孔性和環境降解的出現。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組成,但可以改變結構和表面性能,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,木質素和半纖維素的聚合度降低,纖維素的結晶構造改變,提高了反應性能。
還可以使用水煮或蒸爆處理,其中蒸爆處理被認為是植物纖維素資源轉化利用過程中取得的重大突破[5]。這種方法在農業[6]造紙業[7] 和制糖業[8]都有所應用,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]提出了在反應器中充入氮氣的中溫高壓力蒸爆方法。傳統制造纖維板工藝[11]散發的甲醛氣體對人體有害。蒸爆處理增大生產成本。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,稀酸處理所得產物主要含木糖。加拿大阿爾伯塔研究協會(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]通過研究發現,強酸對細胞壁木質素、纖維素、半纖維素有溶解和降解作用,使物質消化率顯著提高。
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進行,在惰性氣體保護下對纖維進行輻射使其表面產生反應活性點,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相結合,接枝效率很高, ,但棉強力下降。以引發劑引發的接枝共聚也很常見,如以鈰離子引發,自由基產生在鏈骨架上。
艾軍等[30]采用化學接枝的方法對麥稈纖維進行了改性研究。結果表明,可以通過化學接枝方法,提高麥稈纖維表面的反應活性,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鍵膠接和氫鍵結合。
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,在復合材料中,纖維—聚合物與偶連劑形成共價鍵或絡合鍵。麥稈中的主要化學成分是纖維素、半纖維索及木質素,為了改善它與膠粘劑間界面的粘接性,可采用偶聯劑進行處理。
羥甲基化合物偶聯。含羥甲基的化合物可與纖維素反應形成穩定的共價鍵。這些反應在紡織工業中早有應用[31]。該反應原理應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強度[32]。
有機硅交聯。硅偶聯劑可以改善相界面的親水性,特別是環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合材料的偶聯劑[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合材料,其機械性能優于用2%NaOH溶液處理所制得的同種復合材料。
上述方法的共同優點一方面是發生偶聯反應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網絡,減少纖維的溶脹。
2.5生物酶處理
生物酶技術主要是在制漿工藝上的應用和生物處理[35,36],由于麥秸表面物質在某些方而與樹脂和油墨有相似的特性,選用適當的生物酶使麥秸表面蠟狀物減少;或者與麥秸的主要成份發生作用,促使蠟狀物結構松散,則可以改善麥秸的潤濕性能。從而使麥秸作為原料生產人造板時,對膠粘劑具有更多的選擇余地。南京林業大學的張洋[37]研究利用微生物的各種酶所具有的特性。結果表明:經過酶處理后,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結語
生物質能源具有廣泛的基礎和前景,生物質建材作為建材發展的新方向必然逐步為人們作接受。生物質建材建立立足于可循環經濟理論體系,符合可持續發展的遠景規劃,契合了生態環保的目的要求,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處理,雖然已經進行了大量的研究,并且獲得了一定的經驗與認識,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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