生物質育苗缽熱壓成型特性試驗分析

馬永財，滕 達，王漢羊，毛 欣，李昊庭，呂 卓

(黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

秸稈和禽畜糞便作為可再生資源，在能源和資源開發戰略中發揮了積極的作用，盡管我國是合成肥料的生產和消費大國，但作為潛在資源的農作物秸稈和禽畜糞便并沒有得到有效利用。在過去，中國大部分地區農作物秸稈被焚燒或丟棄，而未經有效處理的牲畜家禽糞便則經常排放到地表水中[1-2]，這不僅造成了資源浪費，還對環境造成了污染。

當前農作物育苗主要使用由聚乙烯、聚氯乙烯等材料制得的塑料育苗缽，因其具有價格低、可重復使用等優點被種植者廣泛使用，但由于塑料育苗缽的透水、透氣性差，在移栽過程中需要從育苗缽中取出苗坨進行移栽，此過程會對根系造成損傷，移栽后有緩苗期，在一定程度上影響作物生長[3]。此外，塑料育苗缽如果得不到有效處理，泄露到土壤、水體等自然環境會對土壤和環境造成污染等問題[4]。因此，開展生物質育苗缽成型特性試驗研究，利用熱壓成型技術制備可降解生物質育苗缽，既實現了秸稈的還田循環利用，又實現了秸稈和動物糞便的資源化、綜合化和高值化利用，對實現低碳、環保、生態、優質、高產、高效的農業可持續發展均具有重要意義。

以水稻秸稈和發酵牛糞混合物為研究對象，采用熱壓成型工藝，探討成型壓力、成型溫度、秸稈含量及含水率對育苗缽成型特性的影響，以期為生物質育苗缽壓縮成型工藝優化提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻秸稈取自黑龍江八一農墾大學試驗田，發酵牛糞選自中國山東省肥沃農資有限公司。水稻秸稈經DLF-20粉碎機粉碎，利用GB/T6003.1—2012標準檢驗篩將水稻秸稈分級處理，并對發酵牛糞進行過篩處理，剔除發酵牛糞中石子等雜質后，置于室內通風處自然晾干48 h后采用塑料密封袋保存待用。

1.2 儀器與設備

生物質育苗缽成型壓力機及配套模具如圖1所示。該設備主要由壓縮成型系統、加熱冷卻系統、計算機控制系統3部分組成。育苗缽壓縮成型模具依據常見規格50穴育苗盤尺寸540 mm×280 mm設計，育苗缽外徑54 mm，育苗缽底直徑45 mm，高50 mm，壁厚5 mm。

圖1 壓縮成型設備簡圖

試驗用WDW-200E型微機控制電子式萬能試驗機，精準等級為1級，最大壓力為200 kN，誤差±1%；DLF-20秸稈粉碎機，粉碎程度，60～800目；GB/T6003.1—2012標準檢驗篩，2～80目；JD300-3電子分析天平，精度0.001 g；MS100型水分自動測量儀，測量范圍0～100%，精度 0.01%。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

采用單因素試驗方法研究成型壓力、成型溫度、秸稈含量及含水率對抗破壞強度和耐久度的影響，試驗因數及水平如表1所示。

表1 試驗因素和水平

根據預試驗確定壓制育苗缽所需物料為85 g，每次試驗前，將模具預熱3～5 min達到目標溫度。隨后，運行萬能試驗機，以10 mm·min-1的加載速度進行壓縮成型，試驗中的力由計算機控制系統控制，最大壓力200 kN。達到試驗所需壓力后計算機程序自動控制暫停，并保壓20 s，保壓結束后開啟冷卻系統，當模具溫度達到25 ℃以下時暫停冷卻，啟動萬能試驗機上升程序，取出成型育苗缽，將育苗缽標記好放在陰涼通風處自然放置。壓制成型后生物質育苗缽如圖2所示。

圖2 生物質育苗缽試驗樣品圖

1.3.2 指標測定

1)抗破壞強度。抗破壞強度是模擬在運輸和存儲的過程中作用在生物質育苗缽上的力。將壓制成型的生物質育苗缽垂直放置在萬能試驗機操作臺上，通過電腦控制萬能試驗機，以10 mm·min-1的速度向下移動，直至生物質育苗缽破碎開裂，壓頭返回初始位置。試驗過程中通過計算機控制系統采集育苗缽壓縮力-位移曲線，該曲線中的峰值即作為育苗缽的抗破壞強度。

2)耐久度。耐久度是衡量育苗缽在運輸、儲存過程中的重要指標。根據歐盟技術標準 CEN/TS15210-2[5]，使用直徑和深度均為598 mm的旋轉滾筒和垂直于圓筒壁598 mm×200 mm的擋板來測量育苗缽的耐久度。滾筒以21 r·min-1的轉速持續轉動5 min，測量育苗缽初始質量及磨損后質量，記錄數據最后根據公式(1)計算育苗缽耐久度[6]

(1)

式中：Du育苗杯耐久度，%；m1為磨損后育苗缽的質量，g；m為育苗缽初始質量，g。

2 結果與分析

2.1 成型壓力對成型特性的影響

成型壓力對抗破壞強度和耐久度的影響如圖3所示。

圖3 成型壓力對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖3可知，隨成型壓力的增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度均呈現上升趨勢。在成型溫度為140 ℃、秸稈含量為6%、物料含水率為14%的條件下，隨著成型壓力的增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度不斷增加。成型壓力是生物質壓縮成型的一個重要參數，當成型壓力較小時不能使原料壓實，甚至不能滿足原料和成型模具間的摩擦力，導致無法成型或成型產品質量低。隨著成型壓力的增加，物料顆粒間的空隙減少，物料原有結構重新組合，顆粒間形成范德華力和氫鍵結合力，提高了成型育苗缽的塑形能力[7]。然而，當成型壓力過大時，成型育苗缽的抗破壞強度越高耐久度越強，但過高的成型壓力會增加制備育苗缽的能耗，加快模具磨損，以及不利于作物秧苗根系穿透育苗缽，限制根的生長。因此，成型壓力過大或過小都會影響成型育苗缽的品質，只有適當的成型壓力，才能保證成型育苗缽的品質和最佳使用效果。

2.2 成型溫度對成型特性的影響

成型溫度對抗破壞強度和耐久度的影響如圖4所示。

圖4 成型溫度對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖4(a)可知，隨成型溫度的增加，成型育苗缽的抗破壞強度呈現先上升后下降的趨勢。在成型壓力為160 kN、秸稈含量為6%、物料含水率為14%的條件下，當成型溫度由80 ℃增加至120 ℃，抗破壞強度由4.368 kN增大至7.215 kN，當繼續提高成型溫度至200 ℃時，抗破壞強度由7.215 kN降低至4.285 kN。由此可知，當溫度低于120 ℃時，隨著溫度的增加，抗壓強度不斷增大，當溫度超過120 ℃時，抗壓強度隨著溫度的增加而降低。這是因為溫度的適當提高有利于秸稈中木質素的軟化和擴散，形成實心橋，提高成型育苗缽的品質[8]。

由圖4(b)可知，隨成型溫度的增加，成型育苗缽的耐久度呈現先上升后下降的趨勢。當其他條件設置為中間水平，成型溫度由80 ℃增加至140 ℃，耐久度由84.665%增大至99.607%。當繼續提高成型溫度至200 ℃時，耐久度由99.607%降低至63.956%，由此可知當溫度大于140 ℃時，隨著溫度的不斷增加，成型育苗缽的耐久性不斷降低，產生這一現象的原因可能是因為過高的溫度會破壞秸稈內部的結構使育苗缽中的天然粘結劑木質素發生變質，降低內部分子之間的結合度，使成型育苗缽的耐久度下降[9]。因此，為了保證成型育苗缽的質量，成型溫度應該控制在120～140 ℃。

2.3 秸稈含量對成型特性的影響

秸稈含量對抗破壞強度和耐久度的影響如圖5所示。

圖5 秸稈含量對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖5(a)可知，隨混合物料中秸稈含量的增加，成型育苗缽的抗破壞強度呈現先升高后降低的趨勢。在成型壓力160 kN、成型溫度140 ℃、物料含水率14 %條件下，當秸稈含量由3 %增加至 8%，抗破壞強度由4.465 kN增大至6.622 kN。當繼續提高混合物料中秸稈占比至9 %，抗破壞強度由6.622 kN降低至5.651 kN。這是因為一定的秸稈含量在壓力作用下會相互纏繞起到“骨架”作用，增加抗壓強度，而當秸稈含量過多牛糞含量較少時，二者不能充分結合，從而形成松散狀態，降低了其抗壓強度。

由圖5(b)可知，隨秸稈含量的增加，成型育苗缽的耐久度呈現先上升后下降的趨勢。當其他條件設置為中間水平，秸稈含量由3%增加至7 %，耐久度由88.860%增大至99.522%。當繼續提高混合物料中秸稈占比至9%，抗破壞強度由99.522%降低至96.764%。由此可知，適當增加秸稈含量可提高耐久度，但是當秸稈含量超過7%時，耐久度則呈現降低的趨勢，這是因為秸稈含量較低時，隨著秸稈含量的增加，秸稈之間形成固體橋，在范德華力、氫鍵結合力等共同作用增加了其耐久度，但當秸稈含量過大時，雖增多了混合原料中的木質素，但由于水稻秸稈的粒徑大于發酵牛糞，使物料混合不充分，成型育苗缽易出現斷層現象，從而降低了耐久度[10]。因此，為了保證成型育苗缽的質量，秸稈含量應該控制在7%～8%范圍內。

2.4 含水率對成型特性的影響

含水率對抗破壞強度和耐久度的影響如圖6 所示。

圖6 含水率對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖6(a)可知，隨含水率的不斷增大，成型育苗缽的抗破壞強度呈現先上升后下降的趨勢。在成型壓力160 kN、成型溫度140 ℃、秸稈含量6 %條件下，當含水率由8 %增加至16 %，抗破壞強度由2.105 kN增大至6.723 kN。當繼續增大物料含水率至20%，抗破壞強度由6.723 kN降低至4.237 kN。這是因為水既是粘合劑，又是潤滑劑。當水分含量處于適當水平時，可以提高范德華力，進而增加顆粒間的粘結力。但是，當含水率超過合理值時，水作為潤滑劑的作用占主導地位[11]。因此當水分含量超過16 %時，由于水作為潤滑劑占主導作用，抗壓強度會降低。

由圖6(b)可知，隨含水率的不斷增大，成型育苗缽的抗破壞強度呈現先上升后下降的趨勢。當其他條件設置為中間水平，含水率由8%增加至16%，耐久度由80.360%增大至99.021%。當繼續增大物料含水率至20%，抗破壞強度由99.021%降低至94.271%。水分含量對耐久度的影響較大，低水分含量時，分子之間的結合力較弱，耐久度較低，隨著水分含量的增加耐久度增加。水分含量較高時，成型過程中多余水分子會填充在顆粒之間，阻斷顆粒與顆粒間分子結合力的形成，進而降低成型制品的耐久度[12]。

3 結論

采用熱壓成型技術，對水稻秸稈和發酵牛糞混合物料制備育苗缽的成型特性進行了試驗研究，研究結果表明，成型壓力、成型溫度、秸稈含量及含水率對成型育苗缽的成型特性均有顯著影響。隨成型溫度、秸稈含量、含水率的增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度均呈現出先增大再減小的趨勢。當成型溫度為120 ℃時抗破壞強度達到峰值；成型溫度為140 ℃時耐久度達到峰值；秸稈含量為7%時抗破壞強度達到峰值；秸稈含量為8%時耐久度達到峰值；含水率為16%時，成型育苗缽抗破壞強度和耐久度均達到峰值。隨著成型壓力的不斷增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度均增大，但考慮能耗和使用效果，成型壓力在160 kN為宜。