玉米秸秆填充水溶性丙烯酸树脂的研究

赵贤达，梁多平，贾彬，汪志雷

（哈尔滨商业大学 轻工学院，黑龙江哈尔滨 150028）

农作物秸秆是一种常见且产量很高的生物质资源，我国作为一个传统的农业大国，每年农作物秸秆的产量在7 亿吨左右，传统的利用方式是将丰富的生物质秸秆当作饲料、薪柴或直接燃烧。秸秆热值低，作为薪柴燃烧有效利用率只有10%～20%[1]。每逢农忙时节，大量农作物秸秆被闲置田间地头，浪费了难得的生物质资源，损害了田地的肥力，更会引发火灾，出现雾霾等严重影响交通出行的恶劣天气，给人们的生命健康和财产安全带来不可估量的危害[2]。同时，农作物秸秆的堆积密度只有30～50 kg/m3，运输和储存经济成本高[3]。将生物质秸秆粉碎并压缩成型，可使其密度提升9～12 倍，如此便可以将产品以较低的运输和储存成本流入市场。

1 材料与方法

1.1 仪器和原料

微机控制电子万能试验机，深圳市瑞格尔仪器有限公司；XJUY-55 液晶悬臂式冲击试验机，承德市科承试验机有限公司；STD-A 薄膜冲击试验仪，北京冠测精电仪器设备有限公司；HT-20T平板硫化机，东莞市九通机械有限公司；电子秤、游标卡尺等。

自然风干后粉碎成20 目和80 目的玉米秸秆、固化温度为35 ℃的水溶性丙烯酸树脂、粉末状二氧化钛。

1.2 试样制备

将粉碎成20 目和80 目的玉米秸秆颗粒和水溶性丙烯酸树脂混合成浓度为40%、45%、50%、55%、60%和65%的混合物，并添加一定量的二氧化钛。然后利用HT-20T 平板硫化机加热加压制备试样。

按照图1 制作标准拉伸试样，要求试样表面无压痕，损坏和毛刺。

图1 标准拉伸实验试样图

按照图2 制作标准悬臂梁冲击实验试样，要求试样表面无压痕，损坏和毛刺。

图2 标准悬臂梁冲击实验试样图

其中，L=63.5 mm，a=4～12.7 mm，b=12.mm，C=10.16 mm±0.05 mm，R=0.25 mm±0.025 mm。

片材冲击实验试样应薄厚均匀，平整，无缺陷，并具有代表性，并根据试样夹具裁制相应圆形试样[4]。

2 结果与分析

2.1 抗拉强度

试样的抗拉强度结果如图3 所示。从图3 中可以得出：20 目试样和80 目试样的抗拉强度值均随着水溶性丙烯酸树脂浓度的增加呈逐渐增加的趋势，且20 目试样的抗拉强度值均高于80 目试样的抗拉强度值。

在浓度为40%～65%范围内，20 目试样的抗拉强度为5.10～13.03 MPa，平均值为8.55MPa；80 目试样的抗拉强度为1.93～6.37 MPa，平均值为4.18 MPa。

2.2 断裂强度

试样的断裂强度结果如图4 所示。从图4 中可以得出：20 目试样和80 目试样的断裂强度值均随着水溶性丙烯酸树脂浓度的增加呈逐渐增加的趋势，且20 目试样的断裂强度值均高于80 目试样的断裂强度值。80 目试样的断裂强度值在浓度达到50%后，断裂强度值趋于稳定。

在浓度为40%～65%范围内，20 目试样的断裂强度为3.31～11.61 MPa，平均值为8.04 MPa；80 目试样的断裂强度为1.93～5.39 MPa，平均值为4.01 MPa。

图3 试样的抗拉强度折线图

图4 试样的断裂强度折线图

2.3 断裂伸长率

不同浓度试样的断裂伸长率变化趋势如图5所示。在浓度为40%～65%范围内，20 目试样的断裂伸长率为5.12%～10.25%，平均值为6.66%；80 目试样的断裂伸长率为1.74%～7.07%，平均值为3.14%。

图5 不同浓度试样的断裂伸长率变化趋势折线图

20 目试样的断裂伸长率值均高于80 目试样的断裂伸长率值；20 目试样和80 目试样的断裂伸长率值在水溶性丙烯酸树脂的浓度低于55%时基本保持恒定；浓度高于55%时，两种试样的断裂伸长率值均随浓度的增加而逐渐变大。

2.4 最大载荷

不同浓度试样的最大载荷变化趋势如图6 所示。在浓度为40%～65%范围内，20 目试样的最大载荷为427.99～1 250.71 N，平均值为770.63 N；80 目试样的最大载荷为206.14～634.16 N，平均值为419.76 N。

图6 不同浓度试样的最大载荷变化趋势折线图

20 目试样和80 目试样的最大载荷值均随着水溶性丙烯酸树脂浓度的增加呈逐渐增加的趋势，且20 目试样的最大载荷值均高于80 目试样的最大载荷值。

2.5 悬臂梁冲击强度

不同浓度试样的悬臂梁冲击强度变化趋势如图7所示。在浓度为40%～65%范围内，20 目试样的悬臂梁冲击强度为408.04～442.93 MPa，平均值为422.43 MPa；80 目试样的悬臂梁冲击强度为273.46～288.55 MPa，平均值为283.65 MPa。

图7 不同浓度试样的悬臂梁冲击强度变化趋势折线图

20 目试样的悬臂梁冲击强度值均高于80 目试样的悬臂梁冲击强度值，两不同目数试样的悬臂梁冲击强度值基本恒定，且不随水溶性丙烯酸树脂浓度的变化而变化。

2.6 片材冲击强度

不同浓度试样的片材冲击强度变化趋势如图8所示。在浓度为40%～65%范围内，20 目试样的片材冲击强度为1.78～1.90 MPa，平均值为1.83 MPa；80 目试样的片材冲击强度为1.28～1.42 MPa，平均值为1.34 MPa。

图8 不同浓度试样的片材冲击强度变化趋势折线图

20 目试样的片材冲击强度值均高于80 目试样的片材冲击强度值；两种目数试样的片材冲击强度值在水溶性丙烯酸树脂浓度增加的情况下基本保持恒定。

3 结论

粉碎至20 目的玉米秸秆相较于粉碎至80 目的玉米秸秆颗粒更大，在压缩成型过程中颗粒彼此间相互随机叠加缠绕的可能性和面积更大，水溶性树脂丙烯酸树脂发挥的粘结作用更强，因而试样的抗拉强度、断裂强度、断裂伸长率、最大载荷、片材冲击强度、悬臂梁冲击强度会出现20 目高于80 目试样的情况。