室內裝飾裝修用秸稈板材制備技術研究進展

胡洪亮，黎子琦

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

我國秸稈儲量十分豐富，據統計年產量高達9億多噸[1]，是一種急需開發的優質可再生資源。目前，我國對于秸稈板材的研究有了快速發展，越來越多的企業成功開發了秸稈板產品并且建設了數十條生產線。秸稈板材不管是從性能還是成型工藝來說，都是一種優良的生態材料，可以替代木質材料成為室內裝飾裝修的主要材料。當前室內裝飾裝修用秸稈板存在物理強度較差、防水性較差、膠合性差、用膠量高以及生產效率低、成型熱壓時可能產生的鼓泡、分層或炸板等技術難題，這些難題影響了秸稈板的大范圍推廣及應用。因此，本文重點闡述了秸稈板原材料的改性技術、膠黏劑改性技術、秸稈板功能化改性和成型工藝的研究進展，并對其應用及存在的問題進行展望。

1 秸稈板制備技術研究進展

1.1 秸稈板原材料改性技術

由于秸稈表面中含有蠟質層和硅類化合物，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，國內外的專家學者們通過界面改性技術，來改善板材的物理性能和膠黏性能。其中包括機械粉碎、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方法[2]。

周定國等[3]使用異氰酸酯作為膠黏劑，通過球磨機對原材料進行機械粉碎，制備出的秸稈板材各項指標均達到了國家標準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、熱水等對玉米秸稈進行預處理，觀察其對秸稈板材性能的影響。結果表明，單一預處理條件下，NaOH處理后外表面接觸角降低了 26.7%，其改善表面潤濕性效果最好。其內結合強度值較未處理的秸稈板提高了700%，靜曲強度值提高了112.5%，彈性模量值提高了87.5%。張鑫導等[5]則以白腐菌來對秸稈進行預處理，結果表明處理后的秸稈板彎曲彈性模量較原來提高了 6.7倍，彎曲強度較原來提高了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木質纖維素的影響。結果表明因為處理過的木質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度。Xu等[7]利用了等離子堿性液體對玉米秸稈進行預處理，其主要成分為1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽。結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%，木質素去除率達87.4%。

張敏等[8]在秸稈纖維中加入不同種類的改性劑與聚丁二酸丁二醇酯進行混合改性，制備出一種秸稈復合材料，然后比較濕熱處理和微波處理對秸稈纖維的影響。結果表明濕熱處理工藝復雜且廢液處理污染環境；微波處理增加了秸稈纖維的比表面積，增加了與復合材料接觸面積，提升了力學性能。與濕熱處理后的復合材料相比，微波處理后的復合材料其撕裂強度和拉伸強度均提高約16%。Stepn等[9]對小麥秸稈進行等離子體處理，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，等離子體處理的實驗條件為：發生器輸出電壓為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。結果表明兩種等離子體處理均使板材的力學性能提高，但物理性能卻發生了負變化。

從工藝手段上看，機械粉碎的處理方法最為便捷，有利于膠黏劑的使用，但其原料形態與內部纖維強度都遭到了很大的破壞；酸堿處理的工藝簡單、價格低，但是處理在實驗過程中使用的酸堿殘留物是很大的問題，如果處理不當會造成環境污染等問題；微波處理具有處理效果好、操作簡便、適用范圍廣等優點，但其成本過高，還不能適用于生產；生物處理方法成本較低，但是其工藝程序不易操作，實驗結果難于保障。

1.2 秸稈板功能化改性技術

秸稈作為原料制作秸稈板材已經越來越受學術界和商業界的關注，但秸稈板材單一的性能已經不能滿足人們的日常需求，所以為了讓秸稈板多功能化，廣大學者進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行復合制備出阻燃性能、強度優異的玉米秸稈板材。實驗測得其內結合強度為 0.73 MPa，燃燒性能達到A級。左迎峰等[11]制備了以水玻璃為主體的無機膠黏劑，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，結果表明其導熱系數較原來降低了27.7%。同時，凌啟飛等[12]設計了一種隔熱滯火結構單元層，其自身不燃還具有隔熱滯火的功能，且能夠于木質單板層相結合，該復合材料具有操作簡單、阻燃性好等優點。Thomas等[13]依據秸稈纖維板應用過程中耐水性能差的問題，提出采用經濟高效的氨基塑料和酚醛樹脂制備麥秸基中密度纖維板，其彎曲性能、內黏結強度和厚度膨脹性能均能達到美國國家標準協會的要求。

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。結果表明其壓縮強度滿足 GB/T 25975—2010中高效保溫材料的要求。針對于市面上秸稈人造板物理性能較差、釋放甲醛等問題，Hojat等[15]利用尿素生產了一種低甲醛釋放秸稈刨花板，研究了尿素對于刨花板來說，是否可以降低甲醛排放量。結果表明在15%的濃度含量情況下，刨花板的甲醛釋放量最少。此外，還有學者發明了新型環保型秸稈裝飾板，如于浪[16]發明創造了一種以硅藻土、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89.2%，甲醛每24 h降解能力達到59.6%。

1.3 秸稈板用膠黏劑改性技術

脲醛樹脂膠黏劑具有黏結性好、工藝簡單、成本較低等優點被廣泛應用。吳俊華等[17]以納米二氧化鈦為改性劑，通過共混的方式加入到脲醛樹脂膠黏劑，在堿-酸-堿的處理工藝下，制備出了一種新型改性脲醛樹脂膠黏劑，具有成本低、甲醛釋放量少、綠色環保等優點。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合板與復合地板基材進行性能比較。研究結果表明其內結合強度為1.49 MPa、靜曲強度為45.29 MPa及彈性模量為6 547.81 MPa均好于地板基材，力學性能均達到了LY/T 1611—2003行業標準的要求。但脲醛樹脂也有許多缺點，如樹脂中含有游離甲醛過高，這是室內裝飾裝修污染的主要因素之一，同時其耐水性和抗老化性能較差。

酚醛樹脂膠黏劑具有優異的耐老化、耐熱性和耐水性。Tabarsa等[19]研究了以麥秸為原料，使用單寧對酚醛樹脂膠黏劑進行改性。結果表明，10%單寧含量的改性酚醛樹脂比其他改性酚醛樹脂具有更高的膠合性能，但其物理力學性能較單純使用酚醛樹脂膠黏劑來說稍差一些，因為單寧會導致樹脂含量降低。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脂膠黏劑。結果表明與純用酚醛樹脂相比，添加尿素改性酚醛樹脂會使膠合板的甲醛釋放量變低。同時添加廉價的尿素，在保證其各項性能的基礎上，降低成本。

然而，隨著人們健康環保意識的提高，甲醛的釋放越來越受到重視，這也影響了室內裝飾用秸稈板的銷售。其中，異氰酸酯膠黏劑因其甲醛釋放量低、施膠量少、黏結強度高、耐水性好等優點而受到越來越多的關注。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。針對上述缺點，時君友等[21]則利用改性玉米淀粉等制備了改性生物質玉米淀粉異氰酸酯膠黏劑，結果表明通過高溫熱壓工藝制備了稻草人造板，其各項物理性能不僅能達到GB/T 4897.3—2003的要求，還節約成本。

除了上述三種主要膠黏劑外，還有三聚氰胺樹脂膠黏劑。Halvarsson等[22]使用以脲三聚氰胺甲醛樹脂等為主的改性膠黏劑，制備了一種中密度麥秸纖維板，結果表明麥秸纖維板符合中密度纖維板標準BS-EN 622-5：1997的要求。同時，還有學者研究天然膠黏劑，通過添加一些天然的物質，如木素、大豆蛋白等。Liu等[23]因為貽貝蛋白是一種膠黏強度大而耐水的黏結劑，但價格昂貴且不易獲得。大豆蛋白價格便宜，含量豐富，所以向大豆蛋白引入具有類似貽貝蛋白的結構，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相結合，制備了一種無膠復合秸稈人造板。因為大豆和木片共磨的復合纖維，具有一定的自黏性，從而可以與秸稈膠接時充當膠黏劑。同時，秸稈自身在高溫下也具有膠黏作用。實驗測得其靜曲強度為8.38 MPa，彈性模量為 2 899.29 MPa。

1.4 秸稈板成型工藝

據目前已知的方法，最常用的就是脲醛樹脂、異氰酸酯等膠黏劑通過熱壓的方式與秸稈復合，此外也有學者提出采用自膠粘體系成型，實現秸稈皮瓤一體化應用。除了熱壓時間、溫度和壓力之外，熱壓磨具的尺寸大小、處理過程等都會對秸稈板材性能造成影響。

Ling等[25]采用高溫熱壓法制備了低成本稻草刨花板。結果表明，隨著熱壓時間的延長，板坯的黏結強度越來越大、越來越均勻。隨著熱壓溫度的升高，膠黏劑的流動性增加，有利于提高板材的黏結強度。潘青青等[26]利用熱壓成型技術制備了添加花生纖維無膠纖維板，通過單因素實驗，研究了花生秸稈添加量對于靜曲強度的影響。結果表明在添加20%的花生秸稈時，其靜曲強度最大為10.181 5 MPa。其都是研究工藝因素對秸稈板物理力學性能的影響。王芳等[27]以將玉米秸稈莖皮疏解為絲狀，通過分層定向鋪裝，制備了秸稈板。結果表明，鋪裝三層時，彈性模量和靜曲強度分別為2 312 MPa和36.72 MPa符合GB/T 4897—2015的要求。為了解決熱壓過程中出現材料分布不均，影響秸稈板的物理指標的情況。劉德軍等[28]采用了多頻往復沖壓的方式來制備秸稈板，先通過仿真軟件對設計的布料設置進行分析。檢測顯示秸稈板的各項物理性能均符合國家標準。除了脲醛樹脂、異氰酸酯等膠黏劑通過熱壓的方式與秸稈復合的常規方法之外，還有人利用濕法工藝制備無膠秸稈板材。如Huang等[29]先將秸稈皮與瓤用水浸泡72 h，然后再進行打漿，這樣有利于細纖維和微纖維的分離，最后進行消潛，消潛后的纖維有利于相互結合。作者利用了高溫磨漿的方法，制備了一種自膠合秸稈板，其過程沒有添加任何化學膠黏劑，綠色環保且節約成本。常規板材加熱成型方式，有著整體溫度上升較慢，成型周期長的缺點。為了改進其工藝缺點，Hata等[30]則采用噴蒸熱壓工藝來制備楊木刨花板，與傳統熱壓的成型周期相比，噴蒸熱壓可以節約70%的時間。近幾年來，隨著科學技術的發展，相比較于熱壓工藝，左迎峰等[31]則利用其自主研發的無機膠黏劑通過冷壓實現快速固化，解決了熱壓時可能產生的粘板、炸板、分層等熱壓缺陷。同時，Xiong等[32]也在實驗中以無甲醛玉米淀粉膠黏劑，通過冷壓成型工藝方式，制備了秸稈板材。結果表明其物理性能超過了GB/T 15104—2006的國家標準。

2 秸稈板的應用及存在的問題

我國秸稈板的應用研究主要集中在建筑、家具、室內裝飾等方面[33]。經過多年的研究，已成功地從實驗階段過渡到實際應用階段。例如，在大型體育賽事和救災過程中，秸稈板可用于大量可快速拆除的簡易房屋，上海世博會期間建造的萬科展館采用了秸稈內墻。許多專家學者通過功能改性技術制備出具有防水、阻燃、甲醛凈化等多功能的環保秸稈板，可廣泛應用于地板、門板和墻面裝飾。與此同時，秸稈板還涵蓋了各種家具應用，如床上用品、衣柜、電視柜等，對于室內裝飾產品而言，秸稈板的質感可與木材媲美，且價格低廉，具有很強的環保性，如木雕花、小規模物件等[34]。隨著人們生活水平的不斷提高，用于室內裝飾的秸稈板，不僅滿足了實用效果和審美需求，而且以獨特的功能詮釋了保護人類環境、生命和自然的綠色問題，秸稈板的使用是未來室內裝飾發展的趨勢[35]。

雖然，秸稈板材的研究已經取得了顯著的進展，但室內裝飾裝修秸稈板還存在著諸多問題，主要集中在以下幾個方面：①仍需深入研究秸稈板功能化改性技術，如防水、阻燃、防腐及甲醛去除等性能；②進一步研究和開發秸稈板材的制備裝備，以提高生產效率和產量；③進一步深入研究秸稈板材的膠合機理，為制備秸稈板材提供新的膠合方式；④除了高溫熱壓技術和冷壓技術等成型工藝，應進一步突破秸稈板材的成型技術；⑤應加大秸稈原材料多元化利用技術開發；⑥市場的認可度較低；⑦應該利用秸稈板的優勢，繼續探索其在室內裝飾裝修方面的應用前景，并優化其產業化推廣途徑。