翁炎 王秀侖

摘要 以甘蔗渣為原料，經(jīng)預(yù)處理、磨解、熱壓等步驟，成功制作了生物質(zhì)板材，并探究了熱壓壓力、纖維長(zhǎng)度、含水率等對(duì)板材強(qiáng)度的影響。纖維長(zhǎng)度在0～2.0 mm制作的板材強(qiáng)度最高，最大抗拉強(qiáng)度為15.46 MPa，最大抗彎強(qiáng)度為32.22 MPa，最佳工藝參數(shù)為熱壓溫度110 ℃，熱壓壓強(qiáng)6.5 MPa，纖維長(zhǎng)度及熱壓壓力是影響板材強(qiáng)度的主要因素。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)板材；甘蔗渣；纖維長(zhǎng)度；力學(xué)性能；含水率

中圖分類號(hào) TS653.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）13-0181-04

Manufacture and Performance Analysis of Bagasse Biomass Plates

WENG Yan1，2，WANG Xiulun1，2

（1. School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui 230036；2. Faculty of Bioresources，Mie University，Tsu ，Japan 514-8507）

Abstract Bagasse was used as raw material，after the early processing，grinding，hot pressing and other steps，the biomass board was successfully produced. The influence of hotpressing pressure，fiber length，and moisture content on the strength of the plate were explored. The strength of the sheet made from 0 to 2.0 mm in fiber length is the highest，the maximum tensile strength is 15.46 MPa，and the maximum flexural strength is 3222 MPa. The best process parameters are hot pressing temperature 110 ℃，hot pressing pressure 6.5 MPa. In this research，the main factors affecting the strength of the sheet are fiber length and hot pressure.

Key words Biomass board；Bagasse；Fiber length；Mechanical properties；Moisture content

在石油和林業(yè)資源日益枯竭的大環(huán)境下，甘蔗渣材料卻面臨著被浪費(fèi)的尷尬處境，以甘蔗渣為原料生產(chǎn)生物質(zhì)材料板材可一舉多得。甘蔗渣是壓榨制糖的副產(chǎn)物，我國(guó)蔗糖產(chǎn)量很高，約占全國(guó)食糖總產(chǎn)量的80%，甘蔗渣儲(chǔ)量豐富，壓榨1 t甘蔗汁，約可獲得濕蔗渣270 kg[1]。因此，甘蔗渣作為原料生產(chǎn)出的生物質(zhì)材料板材具有產(chǎn)品集中、產(chǎn)量巨大和運(yùn)輸成本幾乎為零等優(yōu)點(diǎn)。利用甘蔗渣生產(chǎn)生物質(zhì)板材，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木制品和塑料品，用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)等方面，既減少了塑料的使用，又降低了森林資源的壓力，也使甘蔗渣資源變廢為寶，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，其綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的特性使其有著巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用價(jià)值。

甘蔗是甘蔗屬的總稱[2-3]。除部分蔗渣用作造紙和人造板等用途外，往往作為鍋爐燃料供制糖廠使用或大量堆積廢棄，造成了大量的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[4]。目前甘蔗渣利用方式還有很多不足，主要的利用方式還是制糖廠焚燒利用，甘蔗渣作為一種尚未完全得到開(kāi)發(fā)利用的生物質(zhì)材料具有很高的應(yīng)用潛力。

目前，對(duì)于甘蔗渣生物質(zhì)板材力學(xué)性能的研究，主要是添加化學(xué)黏合劑來(lái)提升板材的強(qiáng)度，而這種方法往往成本高昂或?qū)Νh(huán)境有害。Umemura等[5]發(fā)現(xiàn)，摻雜了殼聚糖的甘蔗渣板材的表征優(yōu)于未摻雜板材。Guimaraes等[6]對(duì)比了用香蕉纖維和甘蔗渣纖維分別制備的淀粉基復(fù)合材料，SEM測(cè)定顯示蔗渣-熱塑性淀粉的結(jié)合優(yōu)于香蕉纖維，且纖維抗拉強(qiáng)度與其制備工藝密切相關(guān)。

另一種方法就是從原材料或生產(chǎn)工藝上進(jìn)行改進(jìn)。黃莉莉[7]以玉米秸稈、油菜秸稈為原料，探索了不同條件下壓制板材的自膠合機(jī)理，用密度泛函理論從微觀上解釋了溫度、壓力對(duì)板材的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

原材料：蔗渣，其主要成分是纖維素、半纖維素和木素，其中纖維素占40%～50%，大多以結(jié)晶態(tài)存在，而半纖維素占25%～35%，是一種無(wú)定形聚合物，此外還含有木素和脂肪、果膠、單寧、少量礦物質(zhì)等[8-9]?？梢钥闯?，蔗渣含有豐富的纖維素，因而蔗渣制板有很大的優(yōu)勢(shì)。甘蔗渣原材料取自日本三重縣三重大學(xué)。

主要儀器：里見(jiàn)制造所A型磨解機(jī)，RH-50萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，LDO-450S型烘干機(jī)，分樣篩等。

1.2 制備方法

生物質(zhì)板材的制作按照成型工藝可分為常溫成型、冷壓態(tài)成型、熱壓成型、炭化成型[10]。該試驗(yàn)所采用的熱壓工藝，將磨解過(guò)后的蔗渣分選為0～2.0、2.0～4.0、4.0～5.6 mm 3種不同的纖維長(zhǎng)度，放置于110 ℃的模具中，制成10.0 cm×10.0 cm×1.5 mm的板材；再對(duì)板材進(jìn)行力學(xué)性能和含水率的測(cè)定，通過(guò)生物質(zhì)板材試驗(yàn)片的纖維長(zhǎng)度、熱壓壓力、抗彎強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和含水率等數(shù)據(jù)來(lái)分析該生物質(zhì)板材的性能，并分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)[11]。

蔗渣生物質(zhì)板材的制作主要分為預(yù)處理、磨解、熱壓（圖1）。

1.2.1 預(yù)處理。由于甘蔗渣是制糖廠的副產(chǎn)物，本身尺寸已經(jīng)很小，不需要預(yù)先對(duì)其進(jìn)行切碎，將自然風(fēng)干的甘蔗渣浸泡72 h，使甘蔗渣中的纖維自然舒張，暴露甘蔗渣高分子中的羥基，浸泡使水分子與碳水化合物高分子充分結(jié)合，使其便于與水分子或其他位置上的羥基結(jié)合成氫鍵。解離時(shí)間亦不宜過(guò)長(zhǎng)，空氣及甘蔗渣中存在的微生物會(huì)對(duì)甘蔗渣消化分解，時(shí)間過(guò)久可能會(huì)降低板材的強(qiáng)度。適度的軟化有利于材料在磨解機(jī)中順利流動(dòng)，增加磨解的效率，提高磨解質(zhì)量，減少磨解過(guò)程中刀具的損傷。

1.2.2 磨解。將已經(jīng)浸漬完全的甘蔗渣放入磨解機(jī)中，磨解10 min，原本細(xì)長(zhǎng)的甘蔗渣纖維全部被磨解成長(zhǎng)度小于1 cm的微小纖維。為探究纖維長(zhǎng)度對(duì)板材強(qiáng)度的影響，使用分樣篩對(duì)纖維進(jìn)行篩選，將漿液分成0～2.0、2.0～4.0、4.0～5.6 mm 3種不同的纖維長(zhǎng)度，舍棄大于5.6 mm的纖維。并將水料比控制在1 ∶1左右。

1.2.3 熱壓。將漿料置于10 cm×10 cm模具中，維持恒溫110 ℃，并對(duì)生物質(zhì)材料分別施加2.0、3.5、5.0、6.5、8.0 MPa的壓強(qiáng)，熱壓2 h后即可得到板材。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度

熱壓壓制成功的板材，首先進(jìn)行板材的重量（M）、長(zhǎng)度（L）、寬度（W）、厚度（T）的測(cè)定。其中，一塊生物質(zhì)板材，分別測(cè)量3個(gè)位置不同的長(zhǎng)度L1、L2、L3求其長(zhǎng)度的平均值；其寬度W測(cè)量其3個(gè)位置的不同長(zhǎng)度W1、W2、W3，求其平均值。

因?yàn)槭褂酶收嵩镔|(zhì)壓制成功的板材屬于非均質(zhì)材料，所以在壓制成功的板材的厚度T測(cè)量上取8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，求出其平均值，這樣可以盡量減小由于板材的非均質(zhì)而導(dǎo)致的測(cè)量數(shù)據(jù)與板材實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，板材纖維長(zhǎng)度越小，密度越大；每塊板材的長(zhǎng)寬厚數(shù)據(jù)均不同，且即使是同一塊板材，不同部位的數(shù)據(jù)也有細(xì)微不同。出現(xiàn)這種情形是因?yàn)榘宀奈刺砑尤魏文z黏劑，由熱壓處理得到，熱壓過(guò)程中纖維的排列方向不同，且相互脫水，纖維的流動(dòng)性差，因此纖維的分布不均勻，壓制成功的板材為非均質(zhì)板材，導(dǎo)致不同位置的厚度有所不同。因此在計(jì)算密度過(guò)程中，通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量求平均值來(lái)減少對(duì)密度計(jì)算的誤差。

由圖2可知，在壓力從2.5 MPa上升至8.0 MPa過(guò)程中，3種纖維長(zhǎng)度密度變化均緩慢增大， 在所有壓強(qiáng)下，0～2.0 mm的板材密度均最高，2.0～4.0 mm的板材密度適中，4.0～5.6 mm的板材密度最小。板材的密度與壓制板材所選用的纖維長(zhǎng)度成反比，造成這一現(xiàn)象的原因可能是在宏觀層面下，纖維過(guò)長(zhǎng)，會(huì)在板材內(nèi)部形成很多的空隙，導(dǎo)致了板材密度的降低。

式中，σt為拉伸應(yīng)力（MPa）；P為施加的載荷（N）；a為試驗(yàn)片的寬度（mm）；b為試驗(yàn)片的厚度（mm）；εt為拉伸應(yīng)變；LD為拉伸形變量（mm）；L0為試樣原始長(zhǎng)度（mm）。

由圖4可知，在熱壓溫度為110 ℃條件下，不論纖維長(zhǎng)短，板材的抗拉強(qiáng)度隨著熱壓壓力的升高，表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，在5.0～6.5 MPa取得最大值。纖維長(zhǎng)度為0～2.0 mm的板材的抗拉強(qiáng)度在各個(gè)熱壓壓力情況下均最高，纖維長(zhǎng)度為4.0～5.6 mm的板材在6.5～8.0 MPa情況下略低于0～2.0 mm的板材。在熱壓溫度為110 ℃條件下，適當(dāng)?shù)卦黾訜釅簤簭?qiáng)，可以提高蔗渣板材的抗拉強(qiáng)度。

2.3 抗彎強(qiáng)度 每塊10 cm×10 cm板材可切割出4塊彎曲試驗(yàn)片，如圖5所示。

由圖6可知，纖維長(zhǎng)度對(duì)板材抗彎強(qiáng)度的影響最大，纖維長(zhǎng)度為0～2.0 mm的板材在各個(gè)熱壓壓力情況下抗彎性能均最高，纖維2.0～4.0 mm的板材抗彎強(qiáng)度適中，在5 MPa熱壓壓力下有最高的抗彎強(qiáng)度27.79 MPa，纖維長(zhǎng)度為4.0～5.6 mm的板材在低熱壓情況下表現(xiàn)不佳，高壓表現(xiàn)僅次于纖維0～2.0 mm板材。在熱壓溫度為110 ℃條件下，0～2.0 mm纖維長(zhǎng)度的板材，在各壓強(qiáng)情況下力學(xué)性能均最高，而加壓對(duì)其強(qiáng)度的提升一般；對(duì)于2.0～4.0 mm的板材，熱壓壓力5.0 MPa是其抗彎性能最高的壓力，過(guò)高或過(guò)低的熱壓壓力均導(dǎo)致其力學(xué)性能的下降；對(duì)于4.0～5.6 mm的板材，抗彎強(qiáng)度和熱壓壓力呈正相關(guān)，熱壓壓力2.0 MPa下性能不佳，而隨著壓強(qiáng)的升高，抗彎強(qiáng)度立刻追上了另外2種材料，在熱壓壓力8.0 MPa情況下有近30.0 MPa的抗彎強(qiáng)度，加壓性價(jià)比最高。

綜上分析可知，在力學(xué)性能中，試驗(yàn)片的應(yīng)力隨著形變的增大而增大，當(dāng)形變量達(dá)到生物質(zhì)板所能承載的頂點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值，生物質(zhì)板斷裂，而后應(yīng)力迅速減小。纖維長(zhǎng)度是板材力學(xué)性能的重要影響因素。

2.4 含水率 計(jì)算公式如公式（5）所示[14]。

ω= m1-m0 m1 ×100% （5）

式中，ω為含水率（%）；M1為干燥前試樣的重量即濕重，精確到0.01 g；M0為干燥后試樣的質(zhì)量，精確到0.01 g。

由圖7可以看出，3種纖維長(zhǎng)度的板材含水率在4.89%～5.98%，含水率差異在1%左右，含水率隨著密度的增大而降低；0～2.0 mm長(zhǎng)度壓制的板材含水率最高，2.0～4.0 mm長(zhǎng)度壓制的板材含水率第二，4.0～5.6 mm長(zhǎng)度壓制的板材含水率最低。3種不同纖維長(zhǎng)度的板材含水率差異明顯，可見(jiàn)纖維長(zhǎng)度對(duì)板材的含水率影響很大。

由圖7分析可以得知：不同纖維長(zhǎng)度和不同壓力壓制的生物質(zhì)板材，含水率隨熱壓壓力變化的趨勢(shì)基本一致；同一試驗(yàn)片上不同部位的含水率也不同。

對(duì)于纖維0～2.0 mm的板材：當(dāng)壓力從2.0 MPa升至35 MPa和當(dāng)壓力從3.5 MPa升至5.0 MPa時(shí)，含水率分別下降0.38%和0.25%；而當(dāng)壓力從5.0 MPa升至6.5 MPa和當(dāng)壓力從6.5 MPa升至8.0 MPa時(shí)，含水率幾乎沒(méi)有變化；說(shuō)明對(duì)纖維0～2.0 mm的板材而言，熱壓壓力超過(guò)5.0 MPa就不能再降低其含水率。

對(duì)于纖維2.0～4.0 mm的板材：當(dāng)壓力從2.0 MPa升至3.5 MPa和當(dāng)壓力從3.5 MPa升至5.0 MPa時(shí)，含水率分別下降0.16%和0.19%；而當(dāng)壓力從5.0 MPa升至6.5 MPa和當(dāng)壓力從6.5 MPa升至8.0 MPa時(shí)，含水率分別上升0.09%和0.05%。說(shuō)明對(duì)纖維2.0～4.0 mm的板材而言，最低含水率的熱壓壓力為5.0 MPa。

對(duì)于纖維4.0～5.6 mm的板材：在壓力從2.0 MPa升至8.0 MPa，每增大1.5 MPa熱壓壓力含水率分別上升0.01%、0.03%、0.16%、0.41%，最低含水率的熱壓壓力為2.0 MPa。

0～2.0 mm長(zhǎng)度壓制的板材含水率變化最大，2.0～40 mm長(zhǎng)度壓制的板材含水率的方差次之，4.0～5.6 mm長(zhǎng)度壓制的板材含水率的方差最小。

由圖8可以看出，由甘蔗渣壓制的板材含水率隨熱壓壓力的變化幅度不大，但趨勢(shì)很明顯：纖維0～2.0 mm和纖維2.0～4.0 mm的板材含水率隨熱壓壓力的增大先下降后趨于穩(wěn)定，纖維4.0～5.6 mm的板材含水率隨熱壓壓力的增大同步上升，且上升速率增大。

在110 ℃的熱壓溫度下，同系列的板材，含水率與密度呈負(fù)相關(guān)；甘蔗渣生物質(zhì)板材的含水率較低，不同纖維長(zhǎng)度和不同壓力壓制的生物質(zhì)板材，含水率隨熱壓壓力變化的趨勢(shì)基本一致。同一試驗(yàn)片上不同部位的含水率也不同；由甘蔗渣壓制的板材含水率隨熱壓壓力的變化幅度不大，但趨勢(shì)很明顯：纖維0～2.0 mm和纖維2.0～4.0 mm的板材含水率

隨熱壓壓力的增大先下降后趨于穩(wěn)定，纖維4.0～5.6 mm的板材含水率隨熱壓壓力的增大同步上升，且上升速率增大。

3 結(jié)論

不同纖維長(zhǎng)度的蔗渣，在2.0～8.0 MPa熱壓壓力下均能成功制作生物質(zhì)板材。對(duì)于不同纖維長(zhǎng)度的甘蔗渣板材來(lái)說(shuō)，最佳的工藝參數(shù)為纖維長(zhǎng)度0～2.0 mm，熱壓溫度110 ℃，熱壓壓強(qiáng)6.5 MPa；在最佳工藝條件下，密度為1.024 g/cm3，最大抗拉強(qiáng)度為15.46 MPa，最大抗彎強(qiáng)度為32.22 MPa。蔗渣板材的含水率在5.4%±0.5%，纖維長(zhǎng)度是板材含水率的主要影響因素。

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