秸秆板物理性能的研究发展

谷晓雨， 邹钰莹， 王 正

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

我国是世界农业大国之一，每年所产出的农业废料总量巨大。其中，秸秆总产量超过7亿t，但利用率仅占5%左右，大多作为农民生活燃料，或当作废弃物烧掉，既污染了环境又浪费了资源。近年，国家统计局发布的《战略性新兴产业分类2018》将新型墙体材料列入5个新材料产业子类之一[1]。秸秆板作为新兴的人造板材，其重量轻，较之木刨花板和中密度纤维板，其使用异氰酸脂胶粘剂(MDI胶)有效降低了甲醛释放，在大部分木质板材的应用场合都可以使用。对于秸秆板，经过国内外近20年中的不断改进，其原材料不再只局限于麦秸杆，包括玉米秸秆、棉花秸秆等均得以再利用。国内外对于秸秆板的内结合强度、握钉力与导热系数等方面进行了较多试验研究，并完成了详尽规范[2-4]。鉴于此，文中通过介绍国内外秸秆板物理性能的研究进展，为研究基于秸秆板隔热性能、防火性能和内结合强度等物理性能在建筑中的更好应用提供有益参考。

1 国内外秸秆板的主要物理性能研究

秸秆板从生产工艺来看属于刨花板范畴，以秸秆刨花代替木刨花。但从纤维特性来看，又近似于密度板。在实际生产中秸秆板又因为对秸秆的处理方法(代替木刨花、提取秸秆纤维、打碎成粉末等)和胶黏机理的不同，可划分为秸秆刨花板、秸秆纤维板、水泥粘合秸秆板等多类。在检测秸秆板性能时多参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》来检测[5]。就本文所述秸秆板物理性能而言，其秸秆板最为重要的物理性能包括：吸水率(WA)、吸水厚度膨胀率(TS)、内结合强度(IB)、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、隔热性能和防火性能等。

1.1 就秸秆板原料比例大小的改进研究进展

2011年，Azizi[6]等对麦秆和废弃单板碎片制成的三层刨花板进行性能评估。实验中对10组不同混合比例下麦秆和山毛榉木皮碎片为原料的秸秆刨花板，进行吸水厚度膨胀率和吸水率的性能检测，得出了麦秸秆和山毛榉木皮碎片具有作为补充纤维材料的潜力，与木刨花结合用于刨花板制造和室内应用等结论。2015年，郑超[7]等使用不同形态的秸秆刨花压制麦秸板，并对其物理性能进行分析。根据林业行业推荐标准《LY/T 2141-2013定向结构麦秸板》的要求测试板材的吸水膨胀率和吸水率、内结合强度物理性能，利用X射线断面密度测试仪分析刨花尺寸对麦秸板断面密度的影响。研究结论表明：在实际生产中，建议将短刨花作为芯层原料以提高其内结合强度和尺寸稳定性。

1.2 就秸秆预处理的改进研究进展

2003年，Soroushian[8]等将经过碳酸化处理的小麦秸秆用于生产水泥粘合刨花板，并研究其物理性能。他们将原料经碳环处理秸秆板分成4类，分别进行50次干湿循环老化、300次冷冻解冻循环老化、60天温水浸泡老化和50%相对湿度温度22 ℃环境中自然老化一周；并与同样分为4组经相同处理的一般原料脱水的秸秆板进行了对照试验。每组经5次反复内结合强度检测和显微图像分析，得出碳酸化处理秸秆可以克服小麦秸秆对水泥基水化反应的抑制作用，且具有理想的物理性能和抗老化性。2006年，潘明珠[9]等研究了通过水热、2%乙酸、2%Na2SO3及2%NaHSO3四种方法预处理秸秆原料，对生产出的秸秆纤维板性能的影响。根据GB/T 11718-1999《中密度纤维板标准规范》测试了板材的内结合强度、2 h和24 h吸水膨胀率，最终得出四种预处理的秸秆纤维板厚度膨胀率较高，均未达到国际规定值；内结合强度与秸秆表面pH值有关，四种预处理中只有乙酸明显降低秸秆表面pH值，这有利于脲醛树脂胶的固化，从而提高板材内结合强度。2010年，程万里[10]等进行了关于在秸秆刨花中直接拌入防腐剂和单面喷涂阻燃涂料的方法对定向结构麦秸板(OSSB)的阻燃性能影响的研究。试验共分为5组，板材规格为1 220 mm×2 440 mm ×12 mm，密度0.57 g/cm3，进行建筑材料及制品燃烧性能分级试验、建筑材料或制品的单体燃烧试验、材料产烟毒性危险分级试验。结果表明，随着阻燃剂在OSSB表面的喷施量的增加，其阻燃性能明显增强；此外，硼酸盐粉不仅具有防腐作用，还有助于阻燃。2011年，付顺鑫[11]等采用蒸汽爆破技术对麦秸原料进行处理，去除麦秸表面的蜡质和硅质层，将其制成板材，并测试其内部粘结强度和吸水厚度膨胀率。结果表明，蒸汽爆破处理可显著提高秸秆板的内部粘结强度和吸水厚度膨胀率，IB值约为未处理板的10倍，TS值仅为未处理板的1/4。汽爆改性处理是提高麦秸板性能的有效途径之一。2012年，Soroushian[12]等评估了多种秸秆预处理技术，对于提高秸秆与水泥水化的相容性，和板材物理性能、耐久性的影响。将秸秆浸泡饱和石灰水中一个月(CO2处理)的水泥粘合秸秆板(CBSB)与水泥粘合刨花板(CBPB)、水泥粘合纤维板(CBCB)进行对照试验，进行吸水率、厚度膨胀性能试验与老化试验(100次干湿循环、100天温水浸泡、100次冻融循环)，得出秸秆预处理可提高水泥粘合秸秆板的生产效率和降低成本；预处理去除秸秆细胞表面蜡质成分对于秸秆板长期性能意义重大；预处理CBSB物理力学性能与CBPB、CBCB有竞争力且其延展性更具优势。2017年，FZhang[13]等采用HCl、NaOH、热水、羧甲基纤维素钠(CMC)和果胶对玉米秸秆进行预处理，热压制备轻质玉米秸秆人造板。研究了单一预处理和复合预处理对玉米秸秆表面润湿性、表面微观形貌、热稳定性和力学性能的影响。根据预处理情况共分为12组，试件密度0.5 g/cm3，尺寸为300 mm×300 mm×10 mm，参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能测试方法》进行测定；结果表明，各预处理条件均能提高玉米秸秆人造板的力学强度，复合预处理条件不能在单一预处理的基础上进一步提高人造板的力学性能。盐酸、氢氧化钠和水热预处理会削弱玉米秸秆纤维的结构强度，使得秸秆纤维的结构强度对人造板力学性能的影响大于界面结合强度。水热处理后，秸秆人造板的力学性能改善最为明显，IB值提高了7倍，MOR值提高了112.5%，MOE值提高了87.5%。2018年，těpán Hsek[14]等研究了在制板前对冬小麦秸秆颗粒进行冷等离子体表面处理是否能够能提高秸秆板的物理性能。试验中分别选了发生器输出电压26.9 V，电流6.9 A、电压28.6 V，电流8.7 A的冷等离子对秸秆颗粒处理，并将两种处理制成的秸秆板和普通秸秆板作为3组对照组每组6块侧面截面为50 mm×50 mm式样，进行四点弯、内部结合、垂直密度剖面测量，以及厚度膨胀的吸水试验。最终得出，冷等离子处理会导致秸秆板机械性能的提高，两种不同冷等离子处理导致内结合强度增强，但两种等离子处理之间差异不大；冷等离子处理导致平衡含水率增加，吸湿性提高。

1.3 就秸秆板胶合强度的改善研究进展

2002年，MoXiaoqun[15]等对由二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、脲醛树脂胶(UF)、大豆分离蛋白胶(SPI)和大豆粉胶(SF)制成的中密度稻米秸秆纤维板进行了物理性能评估。试验中变量包括使用的四种不同胶黏剂和秸秆纤维是否经漂白处理；试验包括内结合强度试验、2 h和24 h吸水率和厚度膨胀率试验，以及平衡含水量(EMC)和密度测量。最后得出所有粘合剂中，由MDI制成的刨花板表现出优异的机械性能和耐水性，SPI在使用漂白秸秆制秸秆板的工艺中可以取代MDI用于室内建筑和家具，避免超滤的有毒排放。2002年，Boquillon[16]等使用的热固性树脂 PTP(来自甘油三酯和聚碳酸酯酸酐的聚合物材料)与脲醛树脂胶(UF)制作小麦秸秆刨花板，考察了树脂类型对内部结合强度、厚度膨胀的影响。结论表明使用PTP树脂粘合秸秆颗粒是有效的，该应用可为小麦秸秆提供新的工业用途。研究还表明，可以对秸秆纤维表面进行改性，使其更适合与传统粘合剂一起使用。这些处理是有效的，如果与PTP树脂结合使用，可能会扩大潜在应用范围。2016年，Qiao JZ[17]等以麦秸秆和无机胶黏剂压制了无机麦秸复合板，研究秸秆占板材比例对无机麦秸复合板物理力学性能的影响。试验中使用了X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)对所得复合板的性能进行表征和评估。结果表明，随着养护过程中草胶比的增加，无机材料在水化反应中的抑制作用减弱。无机麦秸复合板的内结合强度(IB)和热稳定性逐渐提高。

1.4 就秸秆板使用压制工艺的改进研究进展

2017年，Ferrandez-Garcia[18]等通过在低温(110 ℃)和压力(2.6 MPa)下使用三步法热压成功地制造了无粘合剂秸秆刨花板，并设置18组对照试验进行物理性能检验，即密度、厚度膨胀、吸水率、导热率、内部粘合强度和防火性能检测；IB、WA、TS 和密度的测试在实验室万能试验机上进行，根据 EN ISO 11925-2(2002)《 欧盟建筑材料可燃性试验方法》在可燃性计上进行耐火测试。得出物理机械性能在很大程度上取决于所用的粒径和压制时间。

1.5 同时多项工艺改进研究进展

2014年，Hafezi[19]等研究了含超滤树脂和硅烷偶联剂含量和小麦秸秆/杨木颗粒比例对板材表面特性和物理性能的影响。试验中，将秸秆/杨木比例设定为100/0、85/15、70/30和55/45四种，其偶联剂量选择0、5%、10%三个水平，共12组对照组每组3块共36块试件，进行浸泡处理测量吸水率和厚度膨胀率、用细触针轮廓仪测量表面粗糙度和润湿性；得出杨木颗粒和偶联剂的添加提高板材的表面光滑度，偶联剂的添加降低了板材吸水率和厚度膨胀率。总体而言，5%硅烷偶联剂和30%杨木颗粒的小麦秸秆板的物理性能和表面性能最为优异。2016年，左迎峰[20]等对胶黏剂与秸秆比例，秸秆形态，板材结构和密度对稻草板物理力学性能的影响展开研究。试验对以上方面各设对照组进行了内结合强度、吸水厚度膨胀率试验和锥形量热仪测定燃烧性能。最后，当胶粘剂与细料、粗料、粗细混合料的质量比为2.2、2.0和2.0时，秸秆板的性能最佳，且均满足国家标准要求；同条件下混料提升IB，减小TS；IB与TS方面单层结构优于多层结构；无机胶粘剂实现了稻秸板的高效阻燃抑烟特性。

2 研究展望

国内外秸秆建筑材料的种类、加工工艺发展处于不断推进的状态。秸秆生产的建筑材料具有较好的性能和广阔的市场前景。大力发展秸秆建材，解决了秸秆综合利用问题，防止了秸秆燃烧造成的雾霾危害，具有显著的经济、社会和环境效益。通过一系列的试验成果表明，秸秆板的性能是完全可以与木质人造板媲美的；且通过对其固化机理的改变、材料预处理、与其他材料的复合处理等技术手段，完全能改善其性能并进一步发挥其在建筑、家具、包装等方面的作用。同时，秸秆种类繁多，当选材不再只限于麦秸后，形形色色的秸秆板应运而生，进一步促进了农业废弃物的循环应用，带动农副产业经济发展。总之，秸秆板早已不再是人们印象中的低端产品，而是面向未来的绿色产业。我们必须客观地认识到秸秆板的环保、隔热性等优势，也要承认在成本和力学性能上与传统木质人造板仍存在一定的差距。但这一差距是可以弥补和赶超的，做好秸秆板的物理参数的检测研究，以促进我国秸秆板工业的持续高效发展。

受秸秆板的生产工艺限制，秸秆板的性能上与木质人造板仍有一定的差距，但价格却相差不大，甚至高于木质人造板，且消费者对秸秆板的刻板印象，这也导致了秸秆板销量不及木质人造板。当前，秸秆板的研究主要集中在提高秸秆板质量性能；但这并不能完全解决秸秆板市场面临的窘境，接下来的实验研究应当聚焦于解决秸秆板生产成本上。此外，当前秸秆板原料主要是小麦秸秆和稻米秸秆，但仍存在许多其他经济作物的秸秆没能在秸秆板产业中得以应用。显而易见，未来研究可以扩大原料可选范围，提高农作物秸秆利用率。