農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄植物纖維利用現(xiàn)狀及其在熱壓成型技術(shù)上的應(yīng)用研究進(jìn)展

潘青青,吳定橙,單偉雄,向 紅,*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642; 2.廣州至簡(jiǎn)通用設(shè)備制造有限公司,廣東廣州 510760)

植物纖維是一種天然高分子聚合物,具有可再生性、低污染性和廣泛分布性,是一種綠色環(huán)保的資源,合理利用自然界的纖維資源,能節(jié)省大量石油資源,保護(hù)生態(tài)環(huán)境[1]。自然界中植物纖維主要來(lái)源于木材,但由于伐木過(guò)度,政府對(duì)部分地區(qū)出臺(tái)停伐政策,使纖維的來(lái)源受到限制[2]。我國(guó)植物纖維資源豐富、種類繁多,經(jīng)農(nóng)業(yè)、工業(yè)加工后產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物,農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)物有稻殼、稻草、米糠、玉米芯及秸稈等;工業(yè)加工廢棄物有鋸末、茶葉渣、杏仁殼、甘蔗渣及木薯渣等[3-5],這些副產(chǎn)物中含有大量的植物纖維,主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。據(jù)統(tǒng)計(jì)[6],我國(guó)每年秸稈產(chǎn)量有9億噸,加工副產(chǎn)物有5.8億噸,加工副產(chǎn)物的綜合利用率平均不到40%。

經(jīng)農(nóng)業(yè)、工業(yè)加工產(chǎn)生的廢棄植物纖維絕大多數(shù)被隨意堆放、焚燒、填埋;廢棄物中的纖維未得到高效的利用,既造成了大量資源的浪費(fèi),也逐步破壞生態(tài)環(huán)境,甚至對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全造成一定威脅[7-8]。此外,隨著工業(yè)的快速發(fā)展,塑料的生產(chǎn)和處理量急劇增加,用后被隨意丟棄或土壤掩埋,進(jìn)一步污染了土壤和空氣;由于人類和許多生物均依賴土壤生存,塑料污染嚴(yán)重威脅人類食品安全[9-10]。所以,增加植物纖維的綜合利用率,降低對(duì)塑料產(chǎn)品的依賴具有十分重要的意義。

資源的逐級(jí)使用和廢物的價(jià)值化利用是克服資源稀缺的潛在策略,合理利用廢棄植物纖維能解決纖維素資源短缺問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了廣泛的研究,采用植物纖維改性、塑料改性和改善界面相容性等技術(shù),把廢棄植物纖維、塑料和助劑一起加工成綠色環(huán)保的新型材料,既有利于保護(hù)森林資源及生態(tài)環(huán)境,又能提高廢棄物的回收利用率[11-12]。加工制得的材料主要有紙、木塑復(fù)合材料、發(fā)泡緩沖材料、多孔材料、膠合板、刨花板、纖維板等,加工技術(shù)包括擠出、發(fā)泡、注射和熱壓等[13-14]。其中,熱壓成型技術(shù)具有干燥效果好、采用的助劑為綠色環(huán)保型且使用量少,加工工藝簡(jiǎn)單,成品材料具有強(qiáng)度高與可生物降解等優(yōu)勢(shì),受到廣大學(xué)者的青睞。本文對(duì)近年來(lái)農(nóng)產(chǎn)品廢棄植物纖維特點(diǎn)、熱壓成型機(jī)理和工藝技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,以期加速植物纖維熱壓成型技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。

1 植物纖維的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

自然界中植物纖維的來(lái)源豐富、種類多樣;如竹子中纖維素含量約占60%，甘蔗渣中纖維素和半纖維素分別占59%和25%，大麻中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為66%、16%和9%[15-17]。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是植物纖維的主要成分,三者都是具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的高分子化合物,含有大量的極性羥基和酚羥基官能團(tuán),相互交聯(lián)使得植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)致密具有較高的強(qiáng)度和剛性。圖1是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)圖;纖維素是D-吡喃型葡萄糖彼此間以β-1,4-糖苷鍵連接而形成的線形高分子化合物,是一條螺旋狀長(zhǎng)鏈,這些鏈以有序方式締合形成纖維素微原纖維,纖維素以微纖絲的形態(tài)存在于細(xì)胞壁中[18],是不同聚合度的分子混合物,簡(jiǎn)單分子式為(C6H10O5)n(n為聚合度)。由于六元吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)的存在和分子鏈間的強(qiáng)相互力作用,纖維素具有很強(qiáng)的剛性。

圖1 纖維素(a)、半纖維素(b)和木質(zhì)素(c)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cellulose(a),hemicellulose(b)and lignin(c)

由圖1可以看出,纖維素中含有大量的羥基,這些羥基可以在分子內(nèi)或分子間發(fā)生氫鍵結(jié)合形成氫鍵,使纖維素具有較高的結(jié)晶度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性(常溫下既不溶于水,又不溶于一般的有機(jī)溶劑)。纖維素的結(jié)構(gòu)包括分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu),用X-射線衍射技術(shù)可以觀察到纖維素的晶體結(jié)構(gòu)[19]:結(jié)晶區(qū)分子鏈排列整齊、有規(guī)則,氫鍵的形成決定了纖維素的特性;無(wú)定形區(qū)分子鏈比較松弛、排列不整齊,但是大致與纖維軸平行,游離羥基為極性基團(tuán),易于吸附極性水分子并形成氫鍵,出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象。

半纖維素是由兩種及兩種以上的單糖組成,如木糖、半乳糖和阿拉伯糖等[20];大部分帶有短的側(cè)鏈,是無(wú)定形物質(zhì),聚合度較低,易吸水膨脹。木質(zhì)素是一類由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單體通過(guò)碳-碳鍵和醚鍵連接構(gòu)成的高分子聚合物,具有三度空間結(jié)構(gòu);研究發(fā)現(xiàn)[21],半纖維素和木質(zhì)素充當(dāng)“粘結(jié)劑”和“填充劑”填充在纖維素骨架間,通過(guò)氫鍵作用與纖維素牢固結(jié)合在一起,對(duì)纖維素起保護(hù)作用,也增強(qiáng)了植物細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度。提取纖維素首先要除掉半纖維素和木質(zhì)素,吳德智等[22]用過(guò)氧甲酸氧化降解甘蔗渣中的木質(zhì)素和半纖維素來(lái)提取纖維素,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)并結(jié)合響應(yīng)面分析,得到在最佳工藝為:在溫度為33.48 ℃,過(guò)氧酸濃度為0.44 mol/L件下,處理19.71 h,纖維素的提取率可達(dá)到89.0%。

2 植物纖維的綜合利用現(xiàn)狀及制品存在的問(wèn)題

2.1 植物纖維綜合利用現(xiàn)狀

2.1.1 傳統(tǒng)應(yīng)用 林木廢棄物、秸稈(包括稻草、麥秸、玉米秸稈、大豆秸稈等)普遍應(yīng)用于發(fā)電、飼料、制造沼氣、還田作為肥料改善土壤品質(zhì)、制漿造紙等方面[23-24];如青島琦泉生物質(zhì)發(fā)電有限公司每年可消耗秸稈、花生殼、枯樹(shù)枝等生物質(zhì)燃料30多萬(wàn)噸,年發(fā)電量達(dá)3億度,節(jié)約煤炭3.6萬(wàn)噸,增加農(nóng)民收入約6000多萬(wàn)元,解決了附近農(nóng)村秸稈處理難、存放難的問(wèn)題。農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物如中藥渣、甘蔗渣、茶渣及木薯渣等,產(chǎn)量大、營(yíng)養(yǎng)成分含量低,加工利用價(jià)值不高,主要用于制造飼料、制備有機(jī)肥、栽培食用菌、造紙及制取生物質(zhì)能源等[25-26];如廣西貴糖(集團(tuán))股份有限公司用甘蔗渣來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇,發(fā)現(xiàn)用同等質(zhì)量的甘蔗得到的乙醇產(chǎn)量是玉米的2.5倍,是小麥的3.9倍。但大部分農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物被當(dāng)作垃圾處理,嚴(yán)重影響環(huán)境,浪費(fèi)資源。

2.1.2 復(fù)合應(yīng)用 廢棄植物纖維另一主要應(yīng)用是制造復(fù)合材料,研究發(fā)現(xiàn)[27],添加植物纖維素可以改善傳統(tǒng)塑料的尺寸穩(wěn)定性,提高材料的機(jī)械性能。同時(shí)自然纖維的加入能大大提高復(fù)合材料的可降解特性、耐腐蝕性,降低成本。因此對(duì)天然植物纖維增強(qiáng)聚合物機(jī)械性能和人造板的研究越來(lái)越多,制造的產(chǎn)品如木塑復(fù)合材料、植物纖維餐具、發(fā)泡緩沖材料、纖維板、刨花板等廣泛用于制造家具桌椅、托盤(pán)、餐飲、展覽結(jié)構(gòu)、汽車內(nèi)飾及運(yùn)輸包裝等;如劉天舒等[28]用熱壓技術(shù)將水稻秸稈制成纖維餐具,在最佳工藝條件下制得的餐具成型完整,表面光滑無(wú)裂紋,品質(zhì)較佳。又如任麗敏[29]將熱壓制得的厚度較薄的刨花板進(jìn)一步加工,制備質(zhì)量較輕的包裝盒,能節(jié)約材料的用量和能耗,降低運(yùn)輸成本,也能在表面黏上裝飾紙、薄竹片等材料加工為首飾盒、禮品盒、酒水盒等。

2.2 存在的問(wèn)題

2.2.1 加工方法 復(fù)合材料的加工方法一般為擠出、發(fā)泡、注塑和熱壓三種,或?qū)⒍呋蛉呓Y(jié)合進(jìn)行加工,如擠出發(fā)泡、注塑壓縮等。

擠出成型[30]的優(yōu)點(diǎn)是剪切作用強(qiáng)、易打散纖維原料使物料混合均勻,但操作要求較高,不易控制,擠出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一;擠出機(jī)的機(jī)頭和機(jī)筒對(duì)溫度較為敏感,溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致物料粘度過(guò)低,機(jī)頭的壓力降低,擠出的材料不密實(shí)尺寸穩(wěn)定性差;溫度過(guò)低時(shí)物料的塑化效果差,導(dǎo)致復(fù)合效果差,從而影響產(chǎn)品的機(jī)械性能。

注塑成型[31]是將混合塑化后的原料借助壓力和流速注入并充滿模具內(nèi)腔,經(jīng)過(guò)冷卻脫模后得到成型制品,制得的產(chǎn)品尺寸精確、形狀一致,生產(chǎn)效率高,自動(dòng)化水平和加工能力強(qiáng),可批量生產(chǎn);但注塑過(guò)程中壓力不易控制,極易影響成品的質(zhì)量。

熱壓成型技術(shù)加工的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單,易于操作,熱壓條件容易控制,生產(chǎn)效率高,成品材料密實(shí)性好強(qiáng)度大,適用于以纖維為原料的材料加工;缺點(diǎn)是需要添加助劑(如增塑劑、膠黏劑和防水劑等)并針對(duì)原料特點(diǎn)設(shè)計(jì)特定的模具。但隨著研究的進(jìn)一步深入,學(xué)者發(fā)現(xiàn)利用原料的自粘性或者添加膠黏劑取代物也能加工制得機(jī)械性能良好的材料;如任博文等[32]用堿木素替代膠黏劑,在熱壓過(guò)程中堿木素反應(yīng)生成脫甲基木素,改善了碎料分子的均一性,在一定程度上也促進(jìn)了碎料纖維之間的結(jié)合程度,成功熱壓制得無(wú)膠稻草-麥草碎料板。

2.2.2 其它問(wèn)題 在這些纖維制品被廣泛應(yīng)用的同時(shí),學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了存在的一些亟需解決的問(wèn)題[33-34]:a.成品的熱脆性好,易斷裂,適用性較差;b.材料的防潮性能差,產(chǎn)品易吸潮,在降低機(jī)械性能的同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生霉菌,進(jìn)而縮短其使用壽命;c.由于加工方式的多樣性和不同商家對(duì)產(chǎn)品的不同要求(如提高成品機(jī)械性能、為了美化外觀提高白度等),部分產(chǎn)品在加工過(guò)程中會(huì)添加化學(xué)助劑(如發(fā)泡劑、漂白劑等)來(lái)處理原料,廢液中含有大量化學(xué)助劑,處理困難,既造成了資源的浪費(fèi)提高成本,又對(duì)環(huán)境造成了污染;如在紙芯管加工過(guò)程中添加大量膠水來(lái)改善其易受潮的特點(diǎn),而造成膠水的濫用及紙管成品成本高、回收利用難的現(xiàn)象等。綜上所述,關(guān)于植物纖維制品的研究,要著力于助劑的環(huán)保性、產(chǎn)品的外觀(包括色澤、完整程度、裂變程度和起皮起泡程度等)和性能(如防潮性、抗拉抗彎性、熱穩(wěn)定性等)等方面。

3 解決植物纖維制品問(wèn)題的方法

針對(duì)植物纖維制品中存在的問(wèn)題,學(xué)者發(fā)現(xiàn)采用熱壓技術(shù),使用綠色環(huán)保的助劑來(lái)替代化學(xué)試劑及樹(shù)脂類材料的使用、將植物纖維預(yù)改性處理以改善其性能等方法可以增強(qiáng)纖維間的結(jié)合,進(jìn)一步改善成品材料的性能。廣州至簡(jiǎn)通用設(shè)備有限公司針對(duì)紙管行業(yè)現(xiàn)狀研制出一種連續(xù)熱壓成型設(shè)備,利用農(nóng)產(chǎn)品加工植物纖維廢料加工制成管芯來(lái)替代普通紙管[35]。該管芯無(wú)縫、抗壓強(qiáng)度高,制造過(guò)程中能耗少、成本與同尺寸紙管比下降10%以上,且防水性比傳統(tǒng)紙管好。

植物纖維的熱壓成型技術(shù)是將植物纖維原料預(yù)處理后與選定的助劑配方混合均勻,置于設(shè)計(jì)好的模具中,于高溫高壓條件下熱壓成型制成包裝材料的技術(shù)。該工藝主要涉及到原料改性處理、助劑的選擇、專用模具的設(shè)計(jì)以及合理的熱壓參數(shù)四個(gè)方面。

3.1 熱壓過(guò)程中纖維結(jié)合機(jī)理

天然植物纖維含有長(zhǎng)直徑的纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu),有良好的力學(xué)性能[36]。改性處理使植物纖維發(fā)生溶脹而產(chǎn)生微纖維,增大了纖維的比表面積并減小纖維間的孔隙,為纖維內(nèi)部和纖維間氫鍵的形成提供了條件,使纖維間相互交纏;在高溫高壓條件下,添加的膠黏劑熔融并具有流動(dòng)性,進(jìn)而均勻的分布于纖維之間,待冷卻后固化使纖維粘合在一起。此外,部分植物纖維原料具有自粘性,這類原料含有豐富果膠和糖類等,一些碳水化合物達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度能起到自粘作用,糖可以轉(zhuǎn)化成糠醛,木質(zhì)素-糖醛的連接可以加大自粘結(jié)合強(qiáng)度,加強(qiáng)纖維間的結(jié)合[37]?？傊?纖維板的粘合機(jī)制有:熱塑性流動(dòng)、物理固結(jié)和化學(xué)粘合;增大纖維間的接觸表面積、添加單寧或酚類成分均能提高纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度[38]。

在熱壓過(guò)程中,模具內(nèi)氣體溫度升高,熱量從物料外部傳遞到內(nèi)部,熱量有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種傳遞方式[39]。此外,物料的水分含量也會(huì)發(fā)生變化,分為水分快速下降和汽化兩個(gè)階段。在水分快速下降階段,隨著壓力的施加,濕物料中的自由水被大量排出,纖維的含水率大大下降;在汽化階段,在溫度和壓力的共同作用下,物料中的結(jié)合水以水蒸氣的形式被蒸發(fā)掉,纖維的含水率進(jìn)一步降低。研究發(fā)現(xiàn)[40],降低物料中的初始含水率、提高熱壓溫度和增大熱壓壓力都能縮短干燥時(shí)間。

水分減少和壓力的共同作用使纖維間的間隙縮短,纖維表面接近,利于形成氫鍵;同時(shí),在機(jī)械力和摩擦力的作用下,纖維間的相互交織更加緊密。溫度進(jìn)一步升高,纖維充分塑化,木素和助劑熔化,在壓力作用下均勻分布于植物纖維之間,待冷卻后凝固,使纖維更加牢固的粘合在一起。

3.2 植物纖維的改性處理

半纖維素和木質(zhì)素的存在會(huì)影響纖維素的加工性能,植物纖維沒(méi)有熱塑性,加工效果較差,改性處理可以改善纖維性能。研究表明[41],改性處理可以使各種抽提物遷移至表面或者揮發(fā),溶解纖維表面的木質(zhì)素、半纖維素和果膠等組分,破壞植物纖維的剛性結(jié)構(gòu),使纖維素暴露出來(lái)、對(duì)纖維起到潤(rùn)脹的作用,有利于纖維的交織,從而提高所制得生物質(zhì)材料的力學(xué)性能。常用方法有物理改性(如熱處理、蒸汽爆破[42]、冷等離子體處理等)、化學(xué)改性(如有機(jī)溶劑處理、堿處理、弱酸處理以及加入相容劑或偶聯(lián)劑處理[43]等)和生物酶處理(漆酶、木聚糖酶)等。表1總結(jié)了近年來(lái)植物纖維原料預(yù)處理的研究方法和最佳處理?xiàng)l件。

表1 纖維預(yù)處理的相關(guān)研究Table 1 Related research on fiber pretreatment

處理過(guò)程中,部分半纖維素和果膠會(huì)被溶出,隨后結(jié)晶區(qū)的纖維素開(kāi)始發(fā)生改變[51],纖維的剛性結(jié)構(gòu)被破壞、表面粗糙程度增大,纖維素完全暴露出來(lái);無(wú)定形區(qū)的纖維發(fā)生溶脹水解,纖維之間的牢固結(jié)合變得松弛,使得結(jié)晶度增大[52]。梅志凌[53]用水浴法處理鳳眼蓮,發(fā)現(xiàn)隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),纖維的組織和結(jié)構(gòu)開(kāi)始被破壞,由交織在一起的束狀逐漸分離;纖維的表面起毛,末端發(fā)生了帚化,細(xì)化成直徑更小的纖維,直至發(fā)生破碎斷裂成短鏈狀。

3.3 模具的選擇與設(shè)計(jì)

模具的制作材料要具有良好的機(jī)械加工性能、熱傳導(dǎo)效果和抗腐蝕性能。根據(jù)纖維原料的特點(diǎn)設(shè)計(jì)專用模具,能使熱壓過(guò)程中更好的進(jìn)行質(zhì)傳遞和熱傳遞。如梅志凌[53]根據(jù)纖維原料鳳眼蓮含水量高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種排水排氣結(jié)構(gòu)好的模具,制得的試樣纖維分布均勻,表面平滑,表觀性能好。廣州至簡(jiǎn)通用設(shè)備有限公司研制了一種制管模具和連續(xù)熱壓塑化制管機(jī)[54-55],該設(shè)備的擠壓裝置安裝在料倉(cāng)中且與驅(qū)動(dòng)裝置相聯(lián)動(dòng),工作過(guò)程中利用驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)擠壓裝置將樣料注入成型裝置中,進(jìn)而在高溫條件下塑化成型,能實(shí)現(xiàn)流水式連續(xù)生產(chǎn);制得的管體材料的長(zhǎng)度由該裝置放置的位置高度決定,可以滿足客戶的不同規(guī)格要求。

3.4 助劑的選擇

改性后的植物纖維具有可塑性,合適的助劑可以提高復(fù)合材料的機(jī)械性能。常添加的助劑為增塑劑、防水劑、膠黏劑、防霉劑等。如增塑劑可以降低熔體的粘度,提高流動(dòng)性使助劑均勻地分布于纖維之間;防水劑能大大提高材料的防水性能。研究發(fā)現(xiàn)[56]部分植物纖維原料中含有大量的木質(zhì)素、糖類、淀粉等物質(zhì),這些成分在熱和壓力的作用下可以起到與膠黏劑類似的粘合效果,這類材料在熱壓過(guò)程中不需要添加膠黏劑,可以實(shí)現(xiàn)自粘結(jié)。如Arevalo等[57]以亞麻纖維為原料,采用機(jī)械均化的方法精煉紙漿得到微纖化纖維,利用纖維素的自粘合能力及纖維素間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通過(guò)熱壓成功制得了機(jī)械性能良好的全纖維素纖維板。但絕大多數(shù)原料的自粘效果很差,要借助外部添加膠黏劑使溶脹的植物纖維更好的黏合在一起,提高材料結(jié)合面的強(qiáng)度。常用的環(huán)保膠黏劑有骨膠、海藻酸鈉等。嚴(yán)永林[58]發(fā)現(xiàn)膠黏劑異氰酸酯分子能與稻草表面的羥基形成氫鍵,且隨著膠黏劑用量的增加,氫鍵的作用力增強(qiáng),膠合效果提高,制得的稻草碎料板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量增強(qiáng)。Michael等[59]成功的從玉米酒加工副產(chǎn)物干酒糟中制得一種蛋白質(zhì)生物膠黏劑,可用于熱壓輔料。由可再生資源(如大豆蛋白、淀粉和小麥面筋等)制成的生物膠黏劑也能明顯增加植物纖維間的結(jié)合強(qiáng)度,且環(huán)保。

3.5 熱壓成型工藝參數(shù)

熱壓過(guò)程中會(huì)發(fā)生傳質(zhì)傳熱現(xiàn)象,熱量的傳遞使水分汽化排出,可增強(qiáng)生物質(zhì)纖維的塑性;合適的壓力和持壓時(shí)間使纖維粘結(jié)、助劑固化,使生物質(zhì)復(fù)合材料成型。溫度、壓力和持壓時(shí)間是熱壓工藝的三大參數(shù)。

在一定的加熱溫度下,膠黏劑的內(nèi)摩擦力開(kāi)始減小,產(chǎn)生某一定程度的流動(dòng);膠黏劑均勻地分布在材料中,能改善纖維之間的接觸;溫度范圍要求能使助劑熔融、使纖維素進(jìn)一步形變但不至于碳化。壓力的大小影響生物質(zhì)纖維之間的結(jié)合、材料密度和力學(xué)性能等,合適的壓力可以使助劑等具有良好的流動(dòng)性而均勻分布于纖維之間。適當(dāng)?shù)某謮簳r(shí)間能保證纖維與助劑充分接觸,有利于熱量的充分傳遞和膠黏劑的固化。但持壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)使纖維板表層先期固化的膠黏劑被破壞,導(dǎo)致板坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率的降低。表2是相關(guān)研究的助劑配方和最佳工藝參數(shù)。

表2 不同原料的熱壓工藝參數(shù)Table 2 The hot pressing process parameters of different raw materials

隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,復(fù)合材料的微觀與宏觀檢測(cè)手段越來(lái)越先進(jìn)。宏觀力學(xué)性能檢測(cè)主要包括試樣拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量、接觸角、吸水率和熱穩(wěn)定性等[66-67];微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要方法有X-射線衍射、紅外光譜檢測(cè)和電鏡掃描[68]。可據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果與表征,得到影響宏觀性能的主要因素,從而可不斷優(yōu)化工藝配方和工藝參數(shù),直到達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)為止。

4 展望

綜合多種植物纖維的利用方式,發(fā)現(xiàn)熱壓成型技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、能實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量與尺寸統(tǒng)一、綠色環(huán)保、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)。但目前農(nóng)產(chǎn)品廢棄植物纖維熱壓成型技術(shù)應(yīng)用十分少,主要存在以下問(wèn)題:a.纖維的改性多采用化學(xué)方法,不僅破壞纖維的結(jié)構(gòu),殘留的廢液還會(huì)污染環(huán)境,加大處理成本;b.綠色環(huán)保的助劑不多、且價(jià)格偏高;c.針對(duì)植物纖維熱壓專用的模具復(fù)雜、開(kāi)發(fā)成本較高;d.植物纖維熱塑成型機(jī)理研究與配方工藝優(yōu)化還不夠完善。

由于農(nóng)產(chǎn)品廢棄植物纖維復(fù)合材料具有量大、價(jià)格低廉、機(jī)械性能好等優(yōu)勢(shì),且熱壓塑化成型工藝具有植物纖維利用率最大、無(wú)需添加石化產(chǎn)品、可自然降解等特點(diǎn),具有十分廣闊的發(fā)展空間。今后應(yīng)從以下幾方面開(kāi)展系統(tǒng)、深入研究:a.從微觀角度開(kāi)展植物纖維熱壓塑化成型機(jī)理的研究,指導(dǎo)配方與工藝參數(shù)的研究;b.篩選或研究開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉的環(huán)保助劑,使熱壓成型產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)零排放;c.開(kāi)展微生物預(yù)處理或者酶處理研究,減少化學(xué)藥品的使用量;d.開(kāi)展各種農(nóng)產(chǎn)品廢棄物植物纖維配方與工藝參數(shù)研究,努力拓展其應(yīng)用領(lǐng)域;e.開(kāi)展熱壓過(guò)程傳熱、傳質(zhì)理論與仿真研究,指導(dǎo)熱塑成型設(shè)備和專用模具的研發(fā),實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化工業(yè)化生產(chǎn)。