玉米秸秆皮碎料板制备工艺及性能研究

作     者：丁晓宁 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张显权

授予年度：2021年

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 

主      题：玉米秸秆板 蜡质层去除 皮瓤叶分离 碎料形态 施胶量 

摘      要：随着国民经济的迅速发展,人们对家居产品的需求量越来越大。木材和木质人造板是生产家居制品的主要原料,由于国家森林限采限伐政策的影响和生态环境要求的提高,人造板原料越来越紧张。以农作物秸秆代替木材制造人造板,是缓解人造板原料供应紧张的重要途径。玉米秸秆是一种重要的农业剩余物,以玉米秸秆作为原料制备秸秆碎料板主要有以下两个难点,一是玉米秸秆皮表层覆盖的光滑致密的蜡质层会阻碍胶黏剂的渗透,使秸秆碎料难以实现稳定粘接,从而对秸秆板的力学性能产生不利影响;二是随着机械化的发展,机械直收成为了玉米的主要收获方式,经过机械直收处理的秸秆长3-5 cm,无法用现有的皮瓤叶分离机械直接进行皮瓤叶分离,秸秆碎料中的瓤叶组分会显著降低秸秆板的综合性能。此外,碎料尺寸和施胶量的耦合作用会直接影响玉米秸秆板的性能,研究碎料尺寸与施胶量对玉米秸秆板性能的影响规律对制造高性能的玉米秸秆板具有重要意义。论文主要研究内容及结论如下:(1)探究了不同处理方法对玉米秸秆皮蜡质层粘接性能的影响。将玉米秸秆进行热酸、热碱和打磨处理,对比未处理秸秆,结合接触角测试仪、红外光谱仪、扫描电子显微镜对秸秆表面进行测试表征。对不同方法处理的秸秆进行胶合面剪切试验,对比分析不同处理方法对秸秆蜡质层去除的作用效果。在此基础上对比研究了不同处理方法对提高秸秆皮粘接强度的效果,结合剪切断裂面的微观形貌,探究了蜡质层对秸秆皮胶合强度影响的微观机理。试验结果表明,2%热碱处理可以去除秸秆蜡质层,2%热酸处理对蜡质层去除无效,机械打磨处理可以去除蜡质层。其中2%热碱处理20分钟秸秆皮蜡质层可以被充分去除,胶合剪切强度可达5.34 Mpa。(2)对比分析了五种不同分离工艺对机械直收玉米秸秆碎料皮瓤叶的分离效果,并将五种原料压制碎料板进行力学性能测试,验证了优化分离工艺的重要性。研究得出碾磨工艺和分级筛选有利于提高玉米秸秆皮瓤叶的分离效果,分离的较优方法为粉碎筛分碾磨风选干燥,得到的碎料皮、叶、瓤分别所占的比例为93.56%、5.79%和0.65%。此外,为了更好的去除秸秆皮碎料中的瓤和叶,对分级筛选梯度对分离效果的影响进行了进一步探究,研究表明多级筛分可以有效改善秸秆碎料皮瓤叶的分离效果,得到的秸秆皮碎料干净度可以达到95%以上。(3)在多级筛分的工艺基础上,研究了碎料形态和施胶量对秸秆板性能的影响规律。利用脲醛树脂胶黏剂制备玉米秸秆板,并对板材进行力学性能测试,结合动态热机械分析探究了不同碎料板的动态热机械性能,利用扫描电子显微镜观察秸秆板内结合强度测试断裂面,结合断裂面微观形貌对碎料形态影响内结合强度的微观机理进行分析。基于以上分析结果,设计了表细内粗的三层秸秆碎料板,通过改变碎料筛分粒度分布实现了对板材综合性能的优化,以30-40目秸秆碎料为表层、24-30目秸秆碎料为芯层制成的板材,静曲强度可达32.50 MPa,弹性模量为3.83 GPa,内结合强度为0.93 MPa,2 h吸收厚度膨胀率为7.30%,24 h吸水厚度膨胀率为14.21%。其满足GB/T 4897-2015《刨花板》中规定的干燥状态下使用的重载型刨花板(P4型)的要求。