處理麥秸制備麥草刨花板性能研究

張佳寧，郭仁全，曹瀟文，靳　璐，張彥華

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

?

處理麥秸制備麥草刨花板性能研究

張佳寧，郭仁全，曹瀟文，靳璐，張彥華*

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

本文以麥秸原料為研究對象，對麥草表面進行處理，采用異氰酸酯作為膠黏劑，制備麥草刨花板。系統研究麥草表面處理對刨花板的物理力學性能、吸水率等綜合性能的影響。實驗結果表明，水處理的麥秸制成的刨花板的物理力學性能提高，1%濃度的堿處理過的麥草刨花板的力學性能比5%堿處理過的麥草刨花板顯著提高，但5%濃度的堿處理的刨花板的耐水性顯著提高。掃描電子顯微鏡(SEM)結果表明：采用堿處理的麥草外表面蠟質層全部去除，接觸角的測試結果進一步驗證了堿處理方法能夠降低麥草外表面的疏水性，提高潤濕性，力學性能測試結果表明，采用不同處理方法進行麥草改性，其各種力學強度均能達到國家標準。

麥草表面處理；刨花板；性能

0　引　言

我國是個森林資源相對短缺的國家，隨著經濟迅速增長，對木材資源的需求增加更導致木材資源短缺[1]。人造板作為木材的主要替代品可廣泛應用于建筑、家具和室內裝修等領域，因而產量大幅增長[2-4]。為了保護森林資源，尋求木材的替代品成為了當前的研究熱點。我國是個農業大國，秸稈總量超過7億t，其中麥秸和稻草的每年總量達4億t，農作物秸稈作為一種用于制備生物質材料原料[5]，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源[6-8]，因此，高效利用農作物秸桿將會節約大量木材，是緩解木材供應緊張局勢的重要途徑[9-11]。

麥秸是由纖維素、半纖維素、木質素和少量乙醚抽提物和灰分組成，是一年生草本植物。纖維素和木質素的含量是衡量麥草強度的指標，與木材相比，麥秸中纖維素和木質素的含量低，使得麥秸強度不如木材[12]。另外，原料的表面性能是影響人造板各項性能的一個很重要的因素[13-14]。麥秸中乙醚抽提物的含量高，使得麥秸表面光滑，不利于膠黏劑與麥秸表面形成氫鍵，從而不利于膠合，這大大限制了麥秸的工業應用[15]。并且麥秸稈表面的蠟質層和二氧化硅的含量高，導致了脲醛樹脂對麥草的膠合力下降，使得麥秸板的內膠合強度低，適度對麥草表面進行處理可除去碳水化合物、脂肪類物質和無機礦物質[16]。

本實驗采用的異氰酸酯膠黏劑是一種反應型膠黏劑，具有分子量小、反應活性高等特點，且異氰酸酯膠黏劑能與麥秸表面的-OH、-COOH等活性基團反應[17]，易于在農作物秸稈表面擴散和滲透，發生化學反應[18]，本文擬采用不同方法對麥草表面處理，進而降低異氰酸酯膠黏劑的添加比例，降低生產工藝成本，為麥草的工業化應用提供重要的工藝技術參數。

1　實驗部分

1.1實驗原料

麥秸原料：從本地農村購得，經粉碎機粉碎、篩選、麥秸尺寸在1.0～1.5 cm，烘干至含水率為4%左右，裝袋密封待用。

膠黏劑：實驗室自制的改性異氰酸酯膠黏劑，由多亞甲基多苯基多異氰酸酯(p-MDI)與聚醚多元醇反應制得。氫氧化鈉(分析純)，天津市光復科技發展有限公司。

1.2麥草表面處理

首先配置濃度不同的氫氧化鈉溶液，濃度為1%和5%的堿液以及沸水溶液，將切碎的麥草放在配置好的處理液中浸泡到10 min，晾置20 min，用水進行清洗，烘干。

1.3刨花板的制備

將表面處理好的麥草刨花按照規定的質量，進行施膠，將調制好的異氰酸酯膠用氣壓噴涂裝置噴膠，施膠量為3%，經過鋪裝，預壓，熱壓成麥草刨花板，刨花板幅面尺寸為340 mm×320 mm×10 mm。工藝參數：熱壓溫度為160℃，壓力17MPa，熱壓時間為6 min。

1.4性能測試與表征

1.4.1麥草刨花板的力學性能測試

對所制備的刨花板，采用GB/T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，對其密度、含水率、靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)、內結合強度(IB)及2 h吸水厚度膨脹率(TS2h)。物理力學性能測試采用CMI系列萬能力學試驗機，儀器型號CMT5504，深圳新三思生產廠家，每個樣品中按照標準選取試件，至少5個試件，并測試求取平均值。

1.4.2掃描電子顯微鏡(SEM)

采用FEI 公司Quanta 200掃描電鏡對不同方法處理的麥草以及麥草刨花板材進行表面掃描測試，掃描電壓為20 kv，放大倍數為500倍，測試前樣品在真空環境中鍍金。

1.4.3接觸角測試

采用JC2000A儀器，然后將待測試樣(10 mm×15 mm×2 mm)放入接觸角的樣品槽中進行測定，分別將被測液蒸餾水，在不同處理方法麥草表面進行測試，一次一滴(約0.002 ml)滴在待測試樣表面上，使用儀器中的連續捕圖拍攝功能，獲取從0到120 s內不同時間段液滴在試樣表面的形態。設定的拍攝時間間隔為2 s，即一個液滴一分鐘內拍60張照片，測量時室溫為20±1℃。借助配套軟件直接測量2、10、60、118 s時照片，液滴在試件表面的接觸角，每個試樣分別測3次，取平均值。

2　結果與討論

2.1處理方法對麥秸表面的影響

麥草外表面是一層細胞，通常是由一個長細胞與2個短細胞交替排列。短細胞分為兩種，一種幾乎充滿SiO2，即硅細胞；另一種是酸質細胞，具有酸質化的細胞壁。由于礦物化和酸質化的結果，表皮易形成角質層。角質層的存在，嚴重影響膠黏劑對其潤濕、擴散、滲透。對麥草外表面進行處理，能夠破壞其排列規整的表面。具體不同處理方法的麥草外表面的SEM如圖1所示。

從圖1(a)可以清晰看到，原生麥草外表面秸稈結構致密，表面覆蓋有蠟質層，表面凹凸不平，有較多顆粒存在，圖1(b)水處理后麥草外表面仍然有蠟質層，但數量比較原生麥草的外面則減少較多，而1%和5%堿處理后的麥草外表面，蠟質層全部溶解，曝露出纖維層，纖維表面相對平滑，纖維得到較好的潤脹。

圖1　不同處理方法的麥草外表面的SEMFig.1 SEM of the surface of straw treated by different ways(a)原麥草(b)水處理(c)1%堿(d)5%堿(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

2.2處理方法對麥秸表面的潤濕性能的影響

接觸角是液滴外表層的切線與固體表面間所形成的接觸角(夾角)，用來表示該麥草表面潤濕性能的強弱。接觸角越大，麥草表面潤濕性能越差，接觸角越小，表面潤濕性能越好，固體就越容易被液體潤濕，表面越容易膠接，且膠接效果越好。

表1　水在麥草外表面的接觸角與時間的關系

本研究針對不同方法處理的麥草進行接觸角測試，水在麥草表面的接觸角的測試結果如圖2和圖3所示。從表1、圖2和圖3可知，隨著測試時間延長，水在麥草表面的接觸角呈變小趨勢，但原麥草以及不同方法處理的麥草接觸角變化趨勢不同，其中原麥草由于表面有較厚的蠟質層，水很難潤濕到內部，因此接觸角變化較小，而水處理則導致接觸角降低趨勢加快，但仍難達到潤濕的程度，接觸角大約90°，而采用堿處理1%和5%的接觸角則小于90°，且堿濃度越大，處理的麥草表面的破壞越大，接觸角變得越小，這說明堿處理有利于蠟質層的脫出。

圖2　2 s時不同處理方法對麥草外表面的接觸角Fig.2 Surface contact angle with different treatments on straw at the time of 2s(a)原麥草(b)水處理(c)1%堿(d)5%堿(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

圖3　118 s時不同處理方法對麥草外表面的接觸角Fig.3 Surface contact angle with different treatments on straw at the time of 118s(a)原麥草(b)水處理(c)1%堿(d)5%堿(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

2.3處理方法對麥秸刨花板力學性能的影響

本項研究通過分析不同處理的麥草制備的刨花板對力學性能的影響，優化麥草刨花板的工藝，研究分析其綜合性能，為工業生產提供技術信息，促進麥草刨花板的生產應用。不同處理方法對麥秸板的性能影響見表2。

表2　不同處理方法麥秸刨花板的物理力學性能

從表2中可以看出，不同處理方法對麥草刨花板的各項性能有一定的影響，水處理的麥草壓成的麥草刨花板的靜曲強度、彈性模量最高，這是由于麥草經過水處理，會導致麥草表面的纖維疏松，施膠過程中有利于膠黏劑的滲透作用，然而由于麥草表面的蠟質層未除去，與未處理相比內結合強度變化不大，但吸水膨脹率明顯提高，表明水處理過的麥秸刨花板耐水性下降。堿處理過的麥秸板刨花板的靜曲強度和彈性模量有所下降，但比國家標準18MPa提高30%以上，但1%和5%濃度的堿處理過的麥秸刨花板的內結合強度和耐水性提高，堿處理濃度越高，內結合強度和耐水性越好，遠遠超過國家標準。

3　結　論

采用不同方法對麥草表面進行處理后制備麥草刨花板，通過對處理前后麥草的SEM、接觸角以及刨花板性能測試，系統討論不同方法處理麥草表面對其刨花板的影響，得出以下結論：水處理以及堿處理不同程度的去除表面角質層，都有效的提高麥草表面的潤濕能力，提高膠黏劑的潤濕和滲透能力，采用1%和5%堿處理過的麥草刨花板的內結合強度均提高，吸水膨脹率和含水率均降低，提高刨花板的耐水性，擴寬了麥草刨花板的應用領域。

[1]Azizi K，Tabarsa T，Ashori A.Performance characterizations of particleboards made with wheat straw and waste veneer splinters[J].Composites Part B：Engineering，2011，42(7)：2085-2089.

[2]Li X J，Cai Z Y，Winandy J E，et al.Effect of oxalic acid and steam pretreatment on the primary properties of UF-bonded rice straw particleboards[J].Industrial Crops and Products，2011，33(3)：665-669.

[3]Thrasher J D，Kilburn K H.Embroy toxicity and teratogenicity of formaldehyde[J].Archives of Environmental Health，2001，56(4)：300-311.

[4]唐賢明，甘衛星，占均志，等.木薯稈/木薯渣生物質人造板的制備研究[J].林產工業，2015，42(1)：17-19.

[5]Ghaffar S H，Fan M.Differential behaviour of nodes and internodes of wheat straw with various pre-treatments[J].Biomass and Bioenergy，2015，83：373-382.

[6]榮波.發展生物能源的現實意義和長遠價值[J].科技情報開發與經濟，2006，16(19)：147-148.

[7]張彥華，顧繼友，朱麗濱，等.異氰酸酯改性脲醛樹脂制備麥草刨花板研究[C].北京粘接學會第十八屆年會暨膠黏劑、密封劑技術發展論壇論文集，2009.

[8]肖波，周英彪，李建芬.生物質能源循環經濟技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

[9]段海燕，賀小翠，尚大軍，等.我國秸稈人造板工業的發展現狀及前景展望[J].農機化研究，2009，18(5)：18-22.

[10]周定國.關于稻秸稈人造板的幾個問題[J].林產工業，2008，35(1)：3-6.

[11]Li X J，Cai Z Y，Winandy J E，et al.Selected properties of particleboard panels manufactured from rice straws of different geometries[J].Bioresource Technology，2010，101(12)：4662-4666.

[12]易順民，郝健，宴暉，等.改性異氰酸酯施膠量及密度對麥秸刨花板性能的影響[J].西南林業大學學報，2013，33(4)：94-97.

[13]Grigsby W，McDonald A G，Thumm A，et al.X-ray photoelectron spectroscopy determination of urea formaldehyde resin coverage on MDF fiber[J].Holzals Rohund Werkstoft，2004，62(5)：358-364.

[14]Kelley S S，Rials T G，Groom L R，et al.Use of near infrared spectroscopy to predict the mechanical properties of six softwoods[J].Holzforschung，2004，58(3)：252-260.

[15]楊淑惠.植物資源化學(3版)[M].北京：中國輕工業出版社，2001.

[16]張建紅，徐信武，周定國.水熱處理對麥秸化學構成的影響[J].南京林業大學學報，2004，28(3)：31-33.

[17]Zhang Y H，Gu J Y，Tan H Y，et al.Straw based particleboard bonded with composite adhesives[J].BioRes.，2011，6(1)：464-476.

[18]張洋，華毓坤.麥秸表面的潤濕性研究[J].木材工業，2001，15(2)：6-8.

Research on Properties of Wheat Straw ParticleboardPrepared by Treated Wheat Straw

Zhang Jianing，Guo Renquan，Cao Xiaowen，Jin Lu，Zhang Yanhua*

(College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In this paper，straw raw materials were studied and wheat straw particleboards were prepared by processing the straw surface and using isocyanate adhesive.The effects on the comprehensive performance including physical mechanical properties as well as water absorption of particleboards prepared from wheat straw with disposed surfaces were studied systematically.It is suggested that the physical mechanical properties of particleboards which were made of straw treated by boiling water were improved and that the mechanical properties of straw particleboards treated by 1% concentration of alkali were more obviously enhanced compared with those disposed of 5%，and with the treatment of 5% concentration of alkali particleboards had a higher resistivity against water.It indicated through scanning electron microscope(SEM)that the waxy layer on the outer face of straw processed by alkali was removed completely.The results obtained through contact angle measurements further verified that it could reduce the straw contact angle on the outer face and increase the wettability of straw surface.The mechanical properties showed that modifying wheat straw with different processes，the mechanical strengths of particleboards could meet the requirements of national standard.

surface treatment of wheat straw；particleboard；properties

2016-03-29

東北林業大學大學生國家級創新訓練計劃項目(CL201532)；黑龍江省自然科學基金項目(C201404)

張佳寧，本科生。研究方向：木材用膠黏劑以及高分子材料改性。

張彥華，博士，高級工程師。研究方向：木材用膠黏劑以及高分子材料改性。E-mail:zyhnefu@163.com

張佳寧，郭仁全，曹瀟文，等.處理麥秸制備麥草刨花板性能研究[J].森林工程，2016，32(5)：44-47.

TS 653.5

A

1001-005X(2016)05-0044-04