趙賢達(dá),梁多平,賈彬,汪志雷
(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150028)
農(nóng)作物秸稈是一種常見(jiàn)且產(chǎn)量很高的生物質(zhì)資源,我國(guó)作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó),每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量在7 億噸左右,傳統(tǒng)的利用方式是將豐富的生物質(zhì)秸稈當(dāng)作飼料、薪柴或直接燃燒。秸稈熱值低,作為薪柴燃燒有效利用率只有10%~20%[1]。每逢農(nóng)忙時(shí)節(jié),大量農(nóng)作物秸稈被閑置田間地頭,浪費(fèi)了難得的生物質(zhì)資源,損害了田地的肥力,更會(huì)引發(fā)火災(zāi),出現(xiàn)霧霾等嚴(yán)重影響交通出行的惡劣天氣,給人們的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)不可估量的危害[2]。同時(shí),農(nóng)作物秸稈的堆積密度只有30~50 kg/m3,運(yùn)輸和儲(chǔ)存經(jīng)濟(jì)成本高[3]。將生物質(zhì)秸稈粉碎并壓縮成型,可使其密度提升9~12 倍,如此便可以將產(chǎn)品以較低的運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本流入市場(chǎng)。
微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),深圳市瑞格爾儀器有限公司;XJUY-55 液晶懸臂式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī),承德市科承試驗(yàn)機(jī)有限公司;STD-A 薄膜沖擊試驗(yàn)儀,北京冠測(cè)精電儀器設(shè)備有限公司;HT-20T平板硫化機(jī),東莞市九通機(jī)械有限公司;電子秤、游標(biāo)卡尺等。
自然風(fēng)干后粉碎成20 目和80 目的玉米秸稈、固化溫度為35 ℃的水溶性丙烯酸樹(shù)脂、粉末狀二氧化鈦。
將粉碎成20 目和80 目的玉米秸稈顆粒和水溶性丙烯酸樹(shù)脂混合成濃度為40%、45%、50%、55%、60%和65%的混合物,并添加一定量的二氧化鈦。然后利用HT-20T 平板硫化機(jī)加熱加壓制備試樣。
按照?qǐng)D1 制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,要求試樣表面無(wú)壓痕,損壞和毛刺。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)試樣圖
按照?qǐng)D2 制作標(biāo)準(zhǔn)懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)試樣,要求試樣表面無(wú)壓痕,損壞和毛刺。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)試樣圖
其中,L=63.5 mm,a=4~12.7 mm,b=12.mm,C=10.16 mm±0.05 mm,R=0.25 mm±0.025 mm。
片材沖擊實(shí)驗(yàn)試樣應(yīng)薄厚均勻,平整,無(wú)缺陷,并具有代表性,并根據(jù)試樣夾具裁制相應(yīng)圓形試樣[4]。
試樣的抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以得出:20 目試樣和80 目試樣的抗拉強(qiáng)度值均隨著水溶性丙烯酸樹(shù)脂濃度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì),且20 目試樣的抗拉強(qiáng)度值均高于80 目試樣的抗拉強(qiáng)度值。
在濃度為40%~65%范圍內(nèi),20 目試樣的抗拉強(qiáng)度為5.10~13.03 MPa,平均值為8.55MPa;80 目試樣的抗拉強(qiáng)度為1.93~6.37 MPa,平均值為4.18 MPa。
試樣的斷裂強(qiáng)度結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以得出:20 目試樣和80 目試樣的斷裂強(qiáng)度值均隨著水溶性丙烯酸樹(shù)脂濃度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì),且20 目試樣的斷裂強(qiáng)度值均高于80 目試樣的斷裂強(qiáng)度值。80 目試樣的斷裂強(qiáng)度值在濃度達(dá)到50%后,斷裂強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定。
在濃度為40%~65%范圍內(nèi),20 目試樣的斷裂強(qiáng)度為3.31~11.61 MPa,平均值為8.04 MPa;80 目試樣的斷裂強(qiáng)度為1.93~5.39 MPa,平均值為4.01 MPa。
圖3 試樣的抗拉強(qiáng)度折線圖
圖4 試樣的斷裂強(qiáng)度折線圖
不同濃度試樣的斷裂伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)如圖5所示。在濃度為40%~65%范圍內(nèi),20 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率為5.12%~10.25%,平均值為6.66%;80 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率為1.74%~7.07%,平均值為3.14%。
圖5 不同濃度試樣的斷裂伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)折線圖
20 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值均高于80 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值;20 目試樣和80 目試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值在水溶性丙烯酸樹(shù)脂的濃度低于55%時(shí)基本保持恒定;濃度高于55%時(shí),兩種試樣的斷裂伸長(zhǎng)率值均隨濃度的增加而逐漸變大。
不同濃度試樣的最大載荷變化趨勢(shì)如圖6 所示。在濃度為40%~65%范圍內(nèi),20 目試樣的最大載荷為427.99~1 250.71 N,平均值為770.63 N;80 目試樣的最大載荷為206.14~634.16 N,平均值為419.76 N。
圖6 不同濃度試樣的最大載荷變化趨勢(shì)折線圖
20 目試樣和80 目試樣的最大載荷值均隨著水溶性丙烯酸樹(shù)脂濃度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì),且20 目試樣的最大載荷值均高于80 目試樣的最大載荷值。
不同濃度試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖7所示。在濃度為40%~65%范圍內(nèi),20 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度為408.04~442.93 MPa,平均值為422.43 MPa;80 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度為273.46~288.55 MPa,平均值為283.65 MPa。
圖7 不同濃度試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)折線圖
20 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度值均高于80 目試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度值,兩不同目數(shù)試樣的懸臂梁沖擊強(qiáng)度值基本恒定,且不隨水溶性丙烯酸樹(shù)脂濃度的變化而變化。
不同濃度試樣的片材沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖8所示。在濃度為40%~65%范圍內(nèi),20 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度為1.78~1.90 MPa,平均值為1.83 MPa;80 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度為1.28~1.42 MPa,平均值為1.34 MPa。
圖8 不同濃度試樣的片材沖擊強(qiáng)度變化趨勢(shì)折線圖
20 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度值均高于80 目試樣的片材沖擊強(qiáng)度值;兩種目數(shù)試樣的片材沖擊強(qiáng)度值在水溶性丙烯酸樹(shù)脂濃度增加的情況下基本保持恒定。
粉碎至20 目的玉米秸稈相較于粉碎至80 目的玉米秸稈顆粒更大,在壓縮成型過(guò)程中顆粒彼此間相互隨機(jī)疊加纏繞的可能性和面積更大,水溶性樹(shù)脂丙烯酸樹(shù)脂發(fā)揮的粘結(jié)作用更強(qiáng),因而試樣的抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、最大載荷、片材沖擊強(qiáng)度、懸臂梁沖擊強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)20 目高于80 目試樣的情況。