胡洪亮，黎子琦

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

我國(guó)秸稈儲(chǔ)量十分豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)年產(chǎn)量高達(dá)9億多噸[1]，是一種急需開(kāi)發(fā)的優(yōu)質(zhì)可再生資源。目前，我國(guó)對(duì)于秸稈板材的研究有了快速發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)成功開(kāi)發(fā)了秸稈板產(chǎn)品并且建設(shè)了數(shù)十條生產(chǎn)線。秸稈板材不管是從性能還是成型工藝來(lái)說(shuō)，都是一種優(yōu)良的生態(tài)材料，可以替代木質(zhì)材料成為室內(nèi)裝飾裝修的主要材料。當(dāng)前室內(nèi)裝飾裝修用秸稈板存在物理強(qiáng)度較差、防水性較差、膠合性差、用膠量高以及生產(chǎn)效率低、成型熱壓時(shí)可能產(chǎn)生的鼓泡、分層或炸板等技術(shù)難題，這些難題影響了秸稈板的大范圍推廣及應(yīng)用。因此，本文重點(diǎn)闡述了秸稈板原材料的改性技術(shù)、膠黏劑改性技術(shù)、秸稈板功能化改性和成型工藝的研究進(jìn)展，并對(duì)其應(yīng)用及存在的問(wèn)題進(jìn)行展望。

1 秸稈板制備技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 秸稈板原材料改性技術(shù)

由于秸稈表面中含有蠟質(zhì)層和硅類(lèi)化合物，使其與膠黏劑膠合困難，與普通木材相比存在許多不足，為此，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者們通過(guò)界面改性技術(shù)，來(lái)改善板材的物理性能和膠黏性能。其中包括機(jī)械粉碎、濕熱處理、酸堿處理、生物處理、微波處理等離子體處理等技術(shù)方法[2]。

周定國(guó)等[3]使用異氰酸酯作為膠黏劑，通過(guò)球磨機(jī)對(duì)原材料進(jìn)行機(jī)械粉碎，制備出的秸稈板材各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4897.3—2003的要求。在濕熱處理和酸堿處理研究方面，張峰等[4]研究了HCl、NaOH、熱水等對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，觀察其對(duì)秸稈板材性能的影響。結(jié)果表明，單一預(yù)處理?xiàng)l件下，NaOH處理后外表面接觸角降低了 26.7%，其改善表面潤(rùn)濕性效果最好。其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度值較未處理的秸稈板提高了700%，靜曲強(qiáng)度值提高了112.5%，彈性模量值提高了87.5%。張?chǎng)螌?dǎo)等[5]則以白腐菌來(lái)對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明處理后的秸稈板彎曲彈性模量較原來(lái)提高了 6.7倍，彎曲強(qiáng)度較原來(lái)提高了1.9倍。Gadhe等[6]利用反氣相色譜法，在高頻超聲波處理下觀察其對(duì)木質(zhì)纖維素的影響。結(jié)果表明因?yàn)樘幚磉^(guò)的木質(zhì)纖維的表面自由能有一定的提高，所以也就提高了纖維板的粘合強(qiáng)度。Xu等[7]利用了等離子堿性液體對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，其主要成分為1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽。結(jié)果表明玉米秸稈纖維素和半纖維素含量分別提高到85.69%和9.1%，木質(zhì)素去除率達(dá)87.4%。

張敏等[8]在秸稈纖維中加入不同種類(lèi)的改性劑與聚丁二酸丁二醇酯進(jìn)行混合改性，制備出一種秸稈復(fù)合材料，然后比較濕熱處理和微波處理對(duì)秸稈纖維的影響。結(jié)果表明濕熱處理工藝復(fù)雜且廢液處理污染環(huán)境；微波處理增加了秸稈纖維的比表面積，增加了與復(fù)合材料接觸面積，提升了力學(xué)性能。與濕熱處理后的復(fù)合材料相比，微波處理后的復(fù)合材料其撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均提高約16%。Stepn等[9]對(duì)小麥秸稈進(jìn)行等離子體處理，并將其制成刨花板，制備了平均密度為540 kg/m，厚度為 6 mm 的秸稈板，等離子體處理的實(shí)驗(yàn)條件為：發(fā)生器輸出電壓為26.9 V，電流為6.9 A，第2次處理，最大電壓為28.6 V，電流為8.7 A。結(jié)果表明兩種等離子體處理均使板材的力學(xué)性能提高，但物理性能卻發(fā)生了負(fù)變化。

從工藝手段上看，機(jī)械粉碎的處理方法最為便捷，有利于膠黏劑的使用，但其原料形態(tài)與內(nèi)部纖維強(qiáng)度都遭到了很大的破壞；酸堿處理的工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低，但是處理在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的酸堿殘留物是很大的問(wèn)題，如果處理不當(dāng)會(huì)造成環(huán)境污染等問(wèn)題；微波處理具有處理效果好、操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但其成本過(guò)高，還不能適用于生產(chǎn)；生物處理方法成本較低，但是其工藝程序不易操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難于保障。

1.2 秸稈板功能化改性技術(shù)

秸稈作為原料制作秸稈板材已經(jīng)越來(lái)越受學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的關(guān)注，但秸稈板材單一的性能已經(jīng)不能滿足人們的日常需求，所以為了讓秸稈板多功能化，廣大學(xué)者進(jìn)行了大量的探索和嘗試，并取得了大量的研究成果。

王建恒等[10]以水玻璃與玉米秸稈進(jìn)行復(fù)合制備出阻燃性能、強(qiáng)度優(yōu)異的玉米秸稈板材。實(shí)驗(yàn)測(cè)得其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為 0.73 MPa，燃燒性能達(dá)到A級(jí)。左迎峰等[11]制備了以水玻璃為主體的無(wú)機(jī)膠黏劑，再加入以磷酸三鈉為主的改性劑，制備出具有阻燃抑煙性能秸稈板，結(jié)果表明其導(dǎo)熱系數(shù)較原來(lái)降低了27.7%。同時(shí)，凌啟飛等[12]設(shè)計(jì)了一種隔熱滯火結(jié)構(gòu)單元層，其自身不燃還具有隔熱滯火的功能，且能夠于木質(zhì)單板層相結(jié)合，該復(fù)合材料具有操作簡(jiǎn)單、阻燃性好等優(yōu)點(diǎn)。Thomas等[13]依據(jù)秸稈纖維板應(yīng)用過(guò)程中耐水性能差的問(wèn)題，提出采用經(jīng)濟(jì)高效的氨基塑料和酚醛樹(shù)脂制備麥秸基中密度纖維板，其彎曲性能、內(nèi)黏結(jié)強(qiáng)度和厚度膨脹性能均能達(dá)到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的要求。

王芳等[14]以秸稈穰絲為原料，制備了一種吸聲保溫玉米秸稈穰板。結(jié)果表明其壓縮強(qiáng)度滿足 GB/T 25975—2010中高效保溫材料的要求。針對(duì)于市面上秸稈人造板物理性能較差、釋放甲醛等問(wèn)題，Hojat等[15]利用尿素生產(chǎn)了一種低甲醛釋放秸稈刨花板，研究了尿素對(duì)于刨花板來(lái)說(shuō)，是否可以降低甲醛排放量。結(jié)果表明在15%的濃度含量情況下，刨花板的甲醛釋放量最少。此外，還有學(xué)者發(fā)明了新型環(huán)保型秸稈裝飾板，如于浪[16]發(fā)明創(chuàng)造了一種以硅藻土、高嶺土和玉米秸稈粉為原材料的裝飾板，硅藻土可以起到凈化空氣的作用。其甲醛凈化效率平均能到達(dá)89.2%，甲醛每24 h降解能力達(dá)到59.6%。

1.3 秸稈板用膠黏劑改性技術(shù)

脲醛樹(shù)脂膠黏劑具有黏結(jié)性好、工藝簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。吳俊華等[17]以納米二氧化鈦為改性劑，通過(guò)共混的方式加入到脲醛樹(shù)脂膠黏劑，在堿-酸-堿的處理工藝下，制備出了一種新型改性脲醛樹(shù)脂膠黏劑，具有成本低、甲醛釋放量少、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。盧杰[18]以7∶3的比例將兩種常用膠黏劑混合制成自制改性膠黏劑，其制得的玉米秸稈皮復(fù)合板與復(fù)合地板基材進(jìn)行性能比較。研究結(jié)果表明其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為1.49 MPa、靜曲強(qiáng)度為45.29 MPa及彈性模量為6 547.81 MPa均好于地板基材，力學(xué)性能均達(dá)到了LY/T 1611—2003行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但脲醛樹(shù)脂也有許多缺點(diǎn)，如樹(shù)脂中含有游離甲醛過(guò)高，這是室內(nèi)裝飾裝修污染的主要因素之一，同時(shí)其耐水性和抗老化性能較差。

酚醛樹(shù)脂膠黏劑具有優(yōu)異的耐老化、耐熱性和耐水性。Tabarsa等[19]研究了以麥秸為原料，使用單寧對(duì)酚醛樹(shù)脂膠黏劑進(jìn)行改性。結(jié)果表明，10%單寧含量的改性酚醛樹(shù)脂比其他改性酚醛樹(shù)脂具有更高的膠合性能，但其物理力學(xué)性能較單純使用酚醛樹(shù)脂膠黏劑來(lái)說(shuō)稍差一些，因?yàn)閱螌帟?huì)導(dǎo)致樹(shù)脂含量降低。王榮興等[20]則使用尿素代替苯酚，制備出了尿素改性酚醛樹(shù)脂膠黏劑。結(jié)果表明與純用酚醛樹(shù)脂相比，添加尿素改性酚醛樹(shù)脂會(huì)使膠合板的甲醛釋放量變低。同時(shí)添加廉價(jià)的尿素，在保證其各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，降低成本。

然而，隨著人們健康環(huán)保意識(shí)的提高，甲醛的釋放越來(lái)越受到重視，這也影響了室內(nèi)裝飾用秸稈板的銷(xiāo)售。其中，異氰酸酯膠黏劑因其甲醛釋放量低、施膠量少、黏結(jié)強(qiáng)度高、耐水性好等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是，異氰酸酯膠黏劑還具有毒性較高、易粘板和成本高等缺點(diǎn)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，時(shí)君友等[21]則利用改性玉米淀粉等制備了改性生物質(zhì)玉米淀粉異氰酸酯膠黏劑，結(jié)果表明通過(guò)高溫?zé)釅汗に囍苽淞说静萑嗽彀澹涓黜?xiàng)物理性能不僅能達(dá)到GB/T 4897.3—2003的要求，還節(jié)約成本。

除了上述三種主要膠黏劑外，還有三聚氰胺樹(shù)脂膠黏劑。Halvarsson等[22]使用以脲三聚氰胺甲醛樹(shù)脂等為主的改性膠黏劑，制備了一種中密度麥秸纖維板，結(jié)果表明麥秸纖維板符合中密度纖維板標(biāo)準(zhǔn)BS-EN 622-5：1997的要求。同時(shí)，還有學(xué)者研究天然膠黏劑，通過(guò)添加一些天然的物質(zhì)，如木素、大豆蛋白等。Liu等[23]因?yàn)橘O貝蛋白是一種膠黏強(qiáng)度大而耐水的黏結(jié)劑，但價(jià)格昂貴且不易獲得。大豆蛋白價(jià)格便宜，含量豐富，所以向大豆蛋白引入具有類(lèi)似貽貝蛋白的結(jié)構(gòu)，改善其黏合性能和耐水性。賈翀等[24]以秸稈、大豆和木片作為主要原料，利用材料自身的自黏性與共磨技術(shù)相結(jié)合，制備了一種無(wú)膠復(fù)合秸稈人造板。因?yàn)榇蠖购湍酒材サ膹?fù)合纖維，具有一定的自黏性，從而可以與秸稈膠接時(shí)充當(dāng)膠黏劑。同時(shí)，秸稈自身在高溫下也具有膠黏作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)得其靜曲強(qiáng)度為8.38 MPa，彈性模量為 2 899.29 MPa。

1.4 秸稈板成型工藝

據(jù)目前已知的方法，最常用的就是脲醛樹(shù)脂、異氰酸酯等膠黏劑通過(guò)熱壓的方式與秸稈復(fù)合，此外也有學(xué)者提出采用自膠粘體系成型，實(shí)現(xiàn)秸稈皮瓤一體化應(yīng)用。除了熱壓時(shí)間、溫度和壓力之外，熱壓磨具的尺寸大小、處理過(guò)程等都會(huì)對(duì)秸稈板材性能造成影響。

Ling等[25]采用高溫?zé)釅悍ㄖ苽淞说统杀镜静菖倩ò?。結(jié)果表明，隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，板坯的黏結(jié)強(qiáng)度越來(lái)越大、越來(lái)越均勻。隨著熱壓溫度的升高，膠黏劑的流動(dòng)性增加，有利于提高板材的黏結(jié)強(qiáng)度。潘青青等[26]利用熱壓成型技術(shù)制備了添加花生纖維無(wú)膠纖維板，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，研究了花生秸稈添加量對(duì)于靜曲強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明在添加20%的花生秸稈時(shí)，其靜曲強(qiáng)度最大為10.181 5 MPa。其都是研究工藝因素對(duì)秸稈板物理力學(xué)性能的影響。王芳等[27]以將玉米秸稈莖皮疏解為絲狀，通過(guò)分層定向鋪裝，制備了秸稈板。結(jié)果表明，鋪裝三層時(shí)，彈性模量和靜曲強(qiáng)度分別為2 312 MPa和36.72 MPa符合GB/T 4897—2015的要求。為了解決熱壓過(guò)程中出現(xiàn)材料分布不均，影響秸稈板的物理指標(biāo)的情況。劉德軍等[28]采用了多頻往復(fù)沖壓的方式來(lái)制備秸稈板，先通過(guò)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的布料設(shè)置進(jìn)行分析。檢測(cè)顯示秸稈板的各項(xiàng)物理性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。除了脲醛樹(shù)脂、異氰酸酯等膠黏劑通過(guò)熱壓的方式與秸稈復(fù)合的常規(guī)方法之外，還有人利用濕法工藝制備無(wú)膠秸稈板材。如Huang等[29]先將秸稈皮與瓤用水浸泡72 h，然后再進(jìn)行打漿，這樣有利于細(xì)纖維和微纖維的分離，最后進(jìn)行消潛，消潛后的纖維有利于相互結(jié)合。作者利用了高溫磨漿的方法，制備了一種自膠合秸稈板，其過(guò)程沒(méi)有添加任何化學(xué)膠黏劑，綠色環(huán)保且節(jié)約成本。常規(guī)板材加熱成型方式，有著整體溫度上升較慢，成型周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。為了改進(jìn)其工藝缺點(diǎn)，Hata等[30]則采用噴蒸熱壓工藝來(lái)制備楊木刨花板，與傳統(tǒng)熱壓的成型周期相比，噴蒸熱壓可以節(jié)約70%的時(shí)間。近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相比較于熱壓工藝，左迎峰等[31]則利用其自主研發(fā)的無(wú)機(jī)膠黏劑通過(guò)冷壓實(shí)現(xiàn)快速固化，解決了熱壓時(shí)可能產(chǎn)生的粘板、炸板、分層等熱壓缺陷。同時(shí)，Xiong等[32]也在實(shí)驗(yàn)中以無(wú)甲醛玉米淀粉膠黏劑，通過(guò)冷壓成型工藝方式，制備了秸稈板材。結(jié)果表明其物理性能超過(guò)了GB/T 15104—2006的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2 秸稈板的應(yīng)用及存在的問(wèn)題

我國(guó)秸稈板的應(yīng)用研究主要集中在建筑、家具、室內(nèi)裝飾等方面[33]。經(jīng)過(guò)多年的研究，已成功地從實(shí)驗(yàn)階段過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用階段。例如，在大型體育賽事和救災(zāi)過(guò)程中，秸稈板可用于大量可快速拆除的簡(jiǎn)易房屋，上海世博會(huì)期間建造的萬(wàn)科展館采用了秸稈內(nèi)墻。許多專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)功能改性技術(shù)制備出具有防水、阻燃、甲醛凈化等多功能的環(huán)保秸稈板，可廣泛應(yīng)用于地板、門(mén)板和墻面裝飾。與此同時(shí)，秸稈板還涵蓋了各種家具應(yīng)用，如床上用品、衣柜、電視柜等，對(duì)于室內(nèi)裝飾產(chǎn)品而言，秸稈板的質(zhì)感可與木材媲美，且價(jià)格低廉，具有很強(qiáng)的環(huán)保性，如木雕花、小規(guī)模物件等[34]。隨著人們生活水平的不斷提高，用于室內(nèi)裝飾的秸稈板，不僅滿足了實(shí)用效果和審美需求，而且以獨(dú)特的功能詮釋了保護(hù)人類(lèi)環(huán)境、生命和自然的綠色問(wèn)題，秸稈板的使用是未來(lái)室內(nèi)裝飾發(fā)展的趨勢(shì)[35]。

雖然，秸稈板材的研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但室內(nèi)裝飾裝修秸稈板還存在著諸多問(wèn)題，主要集中在以下幾個(gè)方面：①仍需深入研究秸稈板功能化改性技術(shù)，如防水、阻燃、防腐及甲醛去除等性能；②進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)秸稈板材的制備裝備，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量；③進(jìn)一步深入研究秸稈板材的膠合機(jī)理，為制備秸稈板材提供新的膠合方式；④除了高溫?zé)釅杭夹g(shù)和冷壓技術(shù)等成型工藝，應(yīng)進(jìn)一步突破秸稈板材的成型技術(shù)；⑤應(yīng)加大秸稈原材料多元化利用技術(shù)開(kāi)發(fā)；⑥市場(chǎng)的認(rèn)可度較低；⑦應(yīng)該利用秸稈板的優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)探索其在室內(nèi)裝飾裝修方面的應(yīng)用前景，并優(yōu)化其產(chǎn)業(yè)化推廣途徑。