处理麦秸制备麦草刨花板性能研究

张佳宁，郭仁全，曹潇文，靳　璐，张彦华

(东北林业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)



处理麦秸制备麦草刨花板性能研究

张佳宁，郭仁全，曹潇文，靳璐，张彦华*

(东北林业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)

本文以麦秸原料为研究对象，对麦草表面进行处理，采用异氰酸酯作为胶黏剂，制备麦草刨花板。系统研究麦草表面处理对刨花板的物理力学性能、吸水率等综合性能的影响。实验结果表明，水处理的麦秸制成的刨花板的物理力学性能提高，1%浓度的碱处理过的麦草刨花板的力学性能比5%碱处理过的麦草刨花板显著提高，但5%浓度的碱处理的刨花板的耐水性显著提高。扫描电子显微镜(SEM)结果表明：采用碱处理的麦草外表面蜡质层全部去除，接触角的测试结果进一步验证了碱处理方法能够降低麦草外表面的疏水性，提高润湿性，力学性能测试结果表明，采用不同处理方法进行麦草改性，其各种力学强度均能达到国家标准。

麦草表面处理；刨花板；性能

0　引　言

我国是个森林资源相对短缺的国家，随着经济迅速增长，对木材资源的需求增加更导致木材资源短缺[1]。人造板作为木材的主要替代品可广泛应用于建筑、家具和室内装修等领域，因而产量大幅增长[2-4]。为了保护森林资源，寻求木材的替代品成为了当前的研究热点。我国是个农业大国，秸秆总量超过7亿t，其中麦秸和稻草的每年总量达4亿t，农作物秸秆作为一种用于制备生物质材料原料[5]，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源[6-8]，因此，高效利用农作物秸杆将会节约大量木材，是缓解木材供应紧张局势的重要途径[9-11]。

麦秸是由纤维素、半纤维素、木质素和少量乙醚抽提物和灰分组成，是一年生草本植物。纤维素和木质素的含量是衡量麦草强度的指标，与木材相比，麦秸中纤维素和木质素的含量低，使得麦秸强度不如木材[12]。另外，原料的表面性能是影响人造板各项性能的一个很重要的因素[13-14]。麦秸中乙醚抽提物的含量高，使得麦秸表面光滑，不利于胶黏剂与麦秸表面形成氢键，从而不利于胶合，这大大限制了麦秸的工业应用[15]。并且麦秸秆表面的蜡质层和二氧化硅的含量高，导致了脲醛树脂对麦草的胶合力下降，使得麦秸板的内胶合强度低，适度对麦草表面进行处理可除去碳水化合物、脂肪类物质和无机矿物质[16]。

本实验采用的异氰酸酯胶黏剂是一种反应型胶黏剂，具有分子量小、反应活性高等特点，且异氰酸酯胶黏剂能与麦秸表面的-OH、-COOH等活性基团反应[17]，易于在农作物秸秆表面扩散和渗透，发生化学反应[18]，本文拟采用不同方法对麦草表面处理，进而降低异氰酸酯胶黏剂的添加比例，降低生产工艺成本，为麦草的工业化应用提供重要的工艺技术参数。

1　实验部分

1.1实验原料

麦秸原料：从本地农村购得，经粉碎机粉碎、筛选、麦秸尺寸在1.0～1.5 cm，烘干至含水率为4%左右，装袋密封待用。

胶黏剂：实验室自制的改性异氰酸酯胶黏剂，由多亚甲基多苯基多异氰酸酯(p-MDI)与聚醚多元醇反应制得。氢氧化钠(分析纯)，天津市光复科技发展有限公司。

1.2麦草表面处理

首先配置浓度不同的氢氧化钠溶液，浓度为1%和5%的碱液以及沸水溶液，将切碎的麦草放在配置好的处理液中浸泡到10 min，晾置20 min，用水进行清洗，烘干。

1.3刨花板的制备

将表面处理好的麦草刨花按照规定的质量，进行施胶，将调制好的异氰酸酯胶用气压喷涂装置喷胶，施胶量为3%，经过铺装，预压，热压成麦草刨花板，刨花板幅面尺寸为340 mm×320 mm×10 mm。工艺参数：热压温度为160℃，压力17MPa，热压时间为6 min。

1.4性能测试与表征

1.4.1麦草刨花板的力学性能测试

对所制备的刨花板，采用GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，对其密度、含水率、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)及2 h吸水厚度膨胀率(TS2h)。物理力学性能测试采用CMI系列万能力学试验机，仪器型号CMT5504，深圳新三思生产厂家，每个样品中按照标准选取试件，至少5个试件，并测试求取平均值。

1.4.2扫描电子显微镜(SEM)

采用FEI 公司Quanta 200扫描电镜对不同方法处理的麦草以及麦草刨花板材进行表面扫描测试，扫描电压为20 kv，放大倍数为500倍，测试前样品在真空环境中镀金。

1.4.3接触角测试

采用JC2000A仪器，然后将待测试样(10 mm×15 mm×2 mm)放入接触角的样品槽中进行测定，分别将被测液蒸馏水，在不同处理方法麦草表面进行测试，一次一滴(约0.002 ml)滴在待测试样表面上，使用仪器中的连续捕图拍摄功能，获取从0到120 s内不同时间段液滴在试样表面的形态。设定的拍摄时间间隔为2 s，即一个液滴一分钟内拍60张照片，测量时室温为20±1℃。借助配套软件直接测量2、10、60、118 s时照片，液滴在试件表面的接触角，每个试样分别测3次，取平均值。

2　结果与讨论

2.1处理方法对麦秸表面的影响

麦草外表面是一层细胞，通常是由一个长细胞与2个短细胞交替排列。短细胞分为两种，一种几乎充满SiO2，即硅细胞；另一种是酸质细胞，具有酸质化的细胞壁。由于矿物化和酸质化的结果，表皮易形成角质层。角质层的存在，严重影响胶黏剂对其润湿、扩散、渗透。对麦草外表面进行处理，能够破坏其排列规整的表面。具体不同处理方法的麦草外表面的SEM如图1所示。

从图1(a)可以清晰看到，原生麦草外表面秸秆结构致密，表面覆盖有蜡质层，表面凹凸不平，有较多颗粒存在，图1(b)水处理后麦草外表面仍然有蜡质层，但数量比较原生麦草的外面则减少较多，而1%和5%碱处理后的麦草外表面，蜡质层全部溶解，曝露出纤维层，纤维表面相对平滑，纤维得到较好的润胀。

图1　不同处理方法的麦草外表面的SEMFig.1 SEM of the surface of straw treated by different ways(a)原麦草(b)水处理(c)1%碱(d)5%碱(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

2.2处理方法对麦秸表面的润湿性能的影响

接触角是液滴外表层的切线与固体表面间所形成的接触角(夹角)，用来表示该麦草表面润湿性能的强弱。接触角越大，麦草表面润湿性能越差，接触角越小，表面润湿性能越好，固体就越容易被液体润湿，表面越容易胶接，且胶接效果越好。

表1　水在麦草外表面的接触角与时间的关系

本研究针对不同方法处理的麦草进行接触角测试，水在麦草表面的接触角的测试结果如图2和图3所示。从表1、图2和图3可知，随着测试时间延长，水在麦草表面的接触角呈变小趋势，但原麦草以及不同方法处理的麦草接触角变化趋势不同，其中原麦草由于表面有较厚的蜡质层，水很难润湿到内部，因此接触角变化较小，而水处理则导致接触角降低趋势加快，但仍难达到润湿的程度，接触角大约90°，而采用碱处理1%和5%的接触角则小于90°，且碱浓度越大，处理的麦草表面的破坏越大，接触角变得越小，这说明碱处理有利于蜡质层的脱出。

图2　2 s时不同处理方法对麦草外表面的接触角Fig.2 Surface contact angle with different treatments on straw at the time of 2s(a)原麦草(b)水处理(c)1%碱(d)5%碱(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

图3　118 s时不同处理方法对麦草外表面的接触角Fig.3 Surface contact angle with different treatments on straw at the time of 118s(a)原麦草(b)水处理(c)1%碱(d)5%碱(a)primary straw(b)disposed of water(c)1%NaOH(d)5%NaOH

2.3处理方法对麦秸刨花板力学性能的影响

本项研究通过分析不同处理的麦草制备的刨花板对力学性能的影响，优化麦草刨花板的工艺，研究分析其综合性能，为工业生产提供技术信息，促进麦草刨花板的生产应用。不同处理方法对麦秸板的性能影响见表2。

表2　不同处理方法麦秸刨花板的物理力学性能

从表2中可以看出，不同处理方法对麦草刨花板的各项性能有一定的影响，水处理的麦草压成的麦草刨花板的静曲强度、弹性模量最高，这是由于麦草经过水处理，会导致麦草表面的纤维疏松，施胶过程中有利于胶黏剂的渗透作用，然而由于麦草表面的蜡质层未除去，与未处理相比内结合强度变化不大，但吸水膨胀率明显提高，表明水处理过的麦秸刨花板耐水性下降。碱处理过的麦秸板刨花板的静曲强度和弹性模量有所下降，但比国家标准18MPa提高30%以上，但1%和5%浓度的碱处理过的麦秸刨花板的内结合强度和耐水性提高，碱处理浓度越高，内结合强度和耐水性越好，远远超过国家标准。

3　结　论

采用不同方法对麦草表面进行处理后制备麦草刨花板，通过对处理前后麦草的SEM、接触角以及刨花板性能测试，系统讨论不同方法处理麦草表面对其刨花板的影响，得出以下结论：水处理以及碱处理不同程度的去除表面角质层，都有效的提高麦草表面的润湿能力，提高胶黏剂的润湿和渗透能力，采用1%和5%碱处理过的麦草刨花板的内结合强度均提高，吸水膨胀率和含水率均降低，提高刨花板的耐水性，扩宽了麦草刨花板的应用领域。

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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

东北林业大学大学生国家级创新训练计划项目(CL201532)；黑龙江省自然科学基金项目(C201404)

张佳宁，本科生。研究方向：木材用胶黏剂以及高分子材料改性。

张彦华，博士，高级工程师。研究方向：木材用胶黏剂以及高分子材料改性。E-mail:zyhnefu@163.com

张佳宁，郭仁全，曹潇文，等.处理麦秸制备麦草刨花板性能研究[J].森林工程，2016，32(5)：44-47.

TS 653.5

A

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