（木材科学与技术专业论文）秸杆复合墙体材料工艺及性能研究.pdf

摘要 本文以稻草和麦秸为原料，通过热压制板工艺及后期胶合复合工艺制造秸秆复合墙 体材料。论文较系统地研究了麦秸塑料复合材料和稻草人造板的热压工艺，分析了原 材料、热压时阃、热压温度、施胶量等因素对复合板材性能的影响；对稻草复合板材的 吸声性能及保温性能进行了分析研究和性能检测；同时使用有限元软件a n s y s 对稳态条 件下墙体材料的保温性能进行了仿真模拟。 研究结果表明：以麦秸、废旧塑料为原料，异氰酸酯为胶粘剂制作的复合材料，力 学性能达到刨花板国家标准 g b t 4 8 9 7 卜4 8 9 7 7 - 2 0 0 3 要求；以稻草为原料，分别施加 脲醛胶及酚醛胶制作的复合板材成本较低，但是力学性能达不到刨花板国家标准要求。 综合考虑材料的用途、成本和性能，最终确定当板厚为2 c m 时合适的稻草脲醛胶复合材 料工艺参数为：密度0 7 y e m ，施胶量1 2 ，热压温度1 6 0 c ，热压时阃1 2 m i n 。 厚度分御为2 0 1 4 0 1 2 0 n u n 的秸秆复合墙体材料经检测保温性能优于5 0 c m 厚砖墙： 用a n s y s 软件模拟了稳念条件下墙体材料的温度分布，预测了材料的保温性能，理论分 析结果与实测值基本相符。 关键词秸秆墙体材料工艺性能 ：一= = ：一：一：垒坠些垒兰丝! 丝些：一一：= ：= ：= ： a b s t r a c t t h ep a p e rt a k et h es t r a wa n dt h ew h e a ts t r a wa sr a wm a t e r i a l ，t h r o u g ht h eh o tp r e s s t e c h n i c s ，a n da g g l u t i n a t i o nm a k e ss t r a ws t a l kw a l lm a t e r i a l p a p e rr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y w h e a ts t r a w p l a s t i cc o m p o s i t e ，t h es t r a wp a r t i c l eb o a r d ，h o t p r e s s i n gt e c h n i c s ，a n a l y z e dt h e e f f e c to f r a wm a t e r i a l ，h o tp r e s st i m e ，h o tp r e s st e m p e r a t u r e ，r e s i nc o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i t e ；a n a l y s e st h em a t e r i a ls o u n da b s o r p t i o n ，a n dt h eh e a tp r e s e r v a t i o np e r f o r m a n c e ； s i m u l a t e dt h eh e a tp r e s e r v a t i o np e r f o r m a n c eo f w a l lm a t e r i a lu n d e rt h es t a b l es t a t ec o n d i t i o n u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h er e s u l ti n d i c a t e d ：w h e nw h e a ts t r a w , w a s t ep l a s t i c ，m d lw e r et o o ka sr a w m a t e r i a l ， t h ep e r f o r m a n c ec o u l da c h i e v et h en a t i o ns t a n d a r d b u tt h ec o s to f t h ep l a s t i ca n dm d li sh i 曲 i fu s eu f ，t h ec o s ti sl o w e r ，b u ti t sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ec o u l dn o ta c h i e v et h en a t i o n s t a n d a r d f r o mt h eu s eo fm a t e r i a l s ，c o s t ，p e r f o r m a n c ea n do t h e ra s p e c t sc o n s i d e r e d ，a n df i n a l l y f i x e do ns t r a wa n du f ，p r o c e s s ：d e n s i t yo f 0 7 9 c m ，r e s i nc o n t e n to f1 2 ，h o tp r e s s t e m p e r a t u r eo f1 6 0 。c ，h o tp r e s st i m eo f1 2 r a i n w h e nt h i c k n e s sd i s t r i b u t i n gi s2 0 c m 4 0 c m 2 0 c m ，h e a tp r e s e r v a t i o np e r f o r m a n c eo f t h e s t r a ww a l lm a t e r i a l si sb e t t e rt h a nb r i c kw a l lw h i c ht h i c k n e s si s5 0 e r a s i m u l a t e dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n go f w a l lm a t e r i a lu n d e rt h es t a b l es t a t ec o n d i t i o nu s i n ga n s y s ， f o r e c a s tt h eh e a tp r e s e r v a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ew a l l ，t h er e s u l t so f t h e o r ya n a l y s i sc o i n c i d e w j t ht h er e a lv a l u e k e y w o r d ss t r a w , w a l lm a t e r i a l ，t e c h n i c s , p r o p e r t y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔韭盎些盘茔或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 帅签字日期：z ? 7 年6 月：日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔些盎些盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权壅些盎些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：巷l j 十 导师签名： 签字日期：1 。1 年月z6 e t签字日期：年 月日 学鹫埝文作者毕业后去向： 工谁单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 研究背景 当今世界的三大问题是人口、资源和环境问题。其中资源问题又以能源为首要问题 ”l 。在国际上，建筑能耗是与工业，农业，交通运输能耗并列的，属于民生能耗，一般 占全国总能耗的3 0 4 0 。我国的建筑能耗很高，与发达国家相比，有很大的差距， 经过测算：我们的单位面积的能源消耗，外墙为发达国家的禾5 倍，屋顶为2 5 5 5 倍 【2 】a 目前我国的建筑结构中，墙体材料仍以传统的实心粘土砖为主。使用实心粘土砖的 主要问题有两点：一是毁占耕地。我国现约有1 2 万个砖瓦企业，占地6 0 0 多万亩，每 年烧制6 0 0 0 亿块粘土砖，取土1 4 3 亿立方米，相当于毁坏土地2 0 万亩【3 j ；二是能耗 高。我国墙体材料每年生产耗能超过5 0 0 0 万吨标准煤，建筑采暖耗能近i 亿吨标准 煤，两者合计占全国能源消耗总量的1 5 1 4 j 。因此，发展节能、节地和利废的新型墙体 材料，严格限制枯土砖的使用，是我国经济、社会、环境和资源协调发展的需要。 我国要淘汰粘土砖，就要有大量的( 1 0 一1 5 亿一) 的其他资源来替代粘土作为生 产新型墙体材料的原料。目前新型墙材行业使用的陶粒、炉渣、浮石、膨胀珍珠岩、聚 苯乙烯泡沫塑料颗粒等轻质原料，由于产量小，分布不均，异地运输成本高等原因，所 以客观上我国轻质原料的整体情况不足，致使一些地区轻质墙材的发展受到制约。 从资源角度讲，我国农业剩余物秸秆原料十分丰富。农作物的壳、秆，茎含有丰富 的细丝状物质，属于纤维化的物料。纤维质量轻，每立方容重一般在1 0 0k g 左右。植物 纤维在轻质板材中既是填充材料，又是增韧增强材料，这恰恰满足轻质墙体板材质量 轻、强度高的性能需要【5 】。以农业剩余物为原料，加工节能、环保的新型秸秆墙体材 料，一方面可以代替和弥补大量使用其他材料，特别是日益匮乏的木材资源，减少木材 采伐量；另一方面，可以改善生态环境，减少焚烧农作物秸秆造成的大气污染1 6 】，具有 具大的经济效益和社会效益。 我国是一个农业大国，每年各种农作物秸秆产量达6 亿多吨。千百年来，农作物秸 秆的主要用途是作为燃料。另外，少量秸秆还曾作为盖茅草房的材料以及牲畜饲料、还 田作肥料等。随着我国农村经济的飞速发展和农村能源结构的调整，秸秆的这些用途已 经成为过去，其用量越来越有限，大量的秸秆处理已成为农民的一大包袱。近年来，不 少地方农民多采用焚烧的办法，这样，既浪费了资源，又造成环境污染，甚至对交通运 输、航空安全构成威胁：因此，如何综合利用农作物秸秆资源，已引起政府有关部门的 f 1 益重视，成为社会上关心的热点问题。利用农业秸秆生产新型秸秆墙体材料，是解决 这一问题的有效途径之一。从农作物秸秆的特点以及研究、开发、利用现状分析，在我 国发展秸秆墙体材料是可行的。 东北林业人学硕l 学位论文 1 2 新型墙体材料研究进展 1 2 1 国外研究进展 从历史上看，是工业革命推动了新型墙体材料的出现。1 8 5 4 年德国发明了狄砂砖， 1 8 9 8 年建成了第一家灰砂砖厂，到1 9 0 5 年己发展为2 0 9 家。加气混凝土于1 8 8 9 年问世， 1 9 2 9 年投入工业生产。美国人于1 8 6 6 年得到生产混凝土砌块的专利，n 2 0 世纪后才有了 大规模发展。1 8 9 0 年美国人发明了纸面石膏板，1 9 0 2 年正式投入生产。 1 9 世纪末2 0 世纪初，新型墙体材料开始在欧美相继问世。前苏联、东欧在6 0 年代 完成了建筑围护结构材料的改造，即形成各种轻质、节能、高效保温的建筑材料工业。 轻质新型墙体材料逐步取代了实心粘土砖，5 0 6 0 年代，新型墙体材料已占据主导地 位。随着石油工业的发展，国外建筑用保温材料已从天然轻骨料制品转向有机材料，聚 苯乙烯泡沫板材也处于饱和状态。 新型墙体材料的发展特点是：天然材料进一步向合成材料发展，传统材料进一步向 多功能材料发展，单一材料进一步向复合材料发展，广泛利用各种废弃物。目前，发达 国家的新型墙体材料已形成了完整的产业化系列和生产规模，生产、检测、售后服务配 套，建筑施工、设计工艺与规范完善，管理先进。新型墙体材料产品不仅种类、规格齐 全，而且质量优良、外观尺寸规整、功能性强，具有传统墙材所不及的优点，成为现代 建筑业发展强有力的支撑，日益朝着节能、利废、环保以及企业大型化，生产技术智能 化，产品品种多样化，产品性能轻质、高强、多功能复合化的方向发展。 1 2 2 国内研究进展 我国6 0 年代初己丌展墙体材料革新工作，但由于应用技术及相关配套政策未能跟 上，使新型墙体材料的推广应用未能坚持下去，经历了“三起三落”的发展历程。与国 外发达国家相比，我国新型墙体材料差距甚远，一是新型墙材主导产品差距较大。如美 国混凝土砌块占墙材总量的3 4 ，年产约6 3 0 0 万m 3 ，板材约占墙材的4 7 ：只本混 凝土砌块占墙材总量3 3 ，板材约占墙材4 1 ：德国混凝土砌块占墙材总量3 9 8 ， 板材约占墙材4 1 ；而我国2 0 0 1 年混凝土砌块只占5 1 7 ，板材仅占1 8 。二是产品 质量、功能和档次与国外相比还有一定差距。如我国承重多孔砖多数为圆孔，孔洞率为 2 5 的还难以普遍达到，而国外空心砖的孔洞率为4 0 - 4 7 ，有的甚至达到5 3 ，强 度可达2 5 3 5 m p a 。国外空心砖和多孔砖都普遍作饰面清水墙，而我国基本上达不到这 一要求。又如我国板材产品质量低，性能差，不得不在内外墙面抹砂浆层，不仅耗费大 量人工和材料，而且工程质量事故不断出现。因此按照我国住宅产业现代化的要求，建 筑板材不仅数量少，而且质量亟待提高。 1 3 秸秆人造板国内外研究现状 1 9 0 5 年德国曾用麦秸等农作物秸秆原料与胶粘剂混合进行过制板研究【刀。1 9 3 0 ， 1 9 4 0 年美国也进行过利用此原料制造绝缘板的研究喁驯。英国在2 0 世纪4 0 年代中期开始 1 绪论 用稻草和麦秸制造纸面草板，该技术曾转让世界二十几个国家。1 9 7 0 年联合国工发组织 就非木材人造板召开了研讨会，人造板生产利用农业剩余物扩大至各种秸秆材料 i o - h | 。 大量的研究表明，和木材不同，麦秸、稻草表面含有大量的硅类物质和蜡质，原料 的润湿性能差，与羟基产生化学反应的能力大大降低，用普通脲醛树脂胶和酚醛树脂胶 粘合强度低( 1 2 - 1 4 】。而异氰酸酯( m d i ) q o 含有极强活性基团异氰酸根( n c o ) ，可以与水 反应生成聚脲，可以和秸秆纤维中的羟基反应形成牢固的结合。使板材具有很好的物理 力学性能1 1 5 - 1 6 1 。 e r h o r n s b y 等用扫描电镜，光反射显微镜，热重分析和机械测试等方法获得了秸秆 纤维的热性能和机械性能。结果指出，秸秆纤维包含较高的木质素和半纤维索，热稳定 性差，在高温下降解，随加热温度的升高和加热时间的增加，纤维内部降解的速度和程 度增大。纤维的机械性能与热处理有关，温度升高，强度降低【1 7 4 引。 此后人们对原料、胶粘剂、工艺等进行了多方面的研究，其中除去或破坏秸秆表面 的硅和蜡质主要采用物理方法和化学方法。张冬梅等研究表明，麦秆原料粉碎的越精 细，板的内结合强度越耐1 9 1 。1 9 9 8 年，英国生产出以麦秆稻草为原料的草质板，原料经 两次粉碎可得到要求的颗粒度 2 0 j 。花军研究麦秸碎料板备料段加工工艺，得出：切断 锤磨加工出的原料制得的板材性能较好【2 l 】。王戈等用新式揉搓粉碎机粉碎麦秸，得到 的碎料满足工艺要求1 2 2 1 。黄国林1 2 3 1 、艾军m 1 得出预热处理对稻草纤维表面的化学性质 有一定影响。 除以上物理方法外，还有化学处理方法。其中主要是活化处理。即原料中加入具有 反应性官能团的化合物，使之形成羟基和羟基型官能团，使纤维表面产生氢键，提高胶 合性能1 2 5 - 2 6 1 。实验证明，秸秆纤维可用碱性溶液处理，使部分半纤维素和木质素溶解， 提高纤维的热稳定性1 2 7 - 3 0 。蒸气爆炸法 3 0 - 3 2 1 是目前应用较广的方法，其目的是除去秸 秆纤维中大部分的半纤维素和木质素，改变纤维表面形态，增大纤维表面积，细化纤维 和增强纤维表面化学反应特性等，还有就是使用偶联剂的方法。关于偶联剂的研究有很 多，马来酸酐改性聚丙烯( m a p p ) 己被证明是一种有效提高纤维素纤维与基体聚丙烯 ( p p ) 界面粘附性的方法 3 0 3 3 - 3 5 。另外还有其它界面相容剂可以增加界面的相互作 用。例如烯基丁二酐( a s a ) 和硅烷偶联剂等 3 6 - 3 7 1 ；对纤维表面进行等离子体改性 口s 】；利用生物酶对麦秸进行处理等。张洋博士选择生物酶对麦秸进行了处理，结果表明： 用酶处理麦秸，可降低其表面的蜡状物【j 州。 此间花军博士1 4 0 l 、张洋博士f 4 ”、黑龙江省林产工业研究所王戈、刘振国等人f 2 2 1 对麦秸镪l 花板的加工工艺及理论进行了研究。艾军博士【4 2 1 对麦秸纤维板的加工工艺进行 了研究。 1 4 研究展望 研制秸秆墙体材料的关键是研制秸秆入造板。因为秸秆类非木材植物纤维原料一般 外形较小，外表层因s i 0 2 的含量高而较坚硬或分布有一层蜡层。使用普通的脲醛树脂 东北林业人学坝i 学位论义 和酚醛树脂胶结效果不好，板材性能较差。所以秸秆人造板中关键的技术难题是如何使 得胶粘剂和刨花间有较高的胶接强度。前人的研究已证明，使用异氰酸酯能热压出达到 国家标准的刨花板。但是，异氰酸酯胶成本太高，最终由于价格问题，板材无法大批推 广。 1 。5 研究且的和意义 1 5 1 研究目的 本课题为黑龙江省科技攻关项目“框架式高木基夹层板墙体材料开发研究”中的 部分内容，项目合同号：g c 0 3 a 6 0 2 。 本课题以秸秆( 麦秸，稻草) 为原料，利用现有的刨花板生产设备和工艺，通过热 压成型工艺制成秸秆人造板，之后与苯板复合，制成秸秆复合墙体材料。参照相关标准 对材料的力学性能，声学性能，保温性能等进行检测，结合d m a 、s e m 等现代仪器分 析手段，探讨秸秆人造板的加工工艺。具体研究如下： ( 1 ) 麦秸塑料人造板的热压工艺； ( 2 ) 脲醛树脂稻草人造板的热压工艺： ( 3 ) 酚醛树脂稻草人造板的热压工艺； ( 4 ) 秸秆人造板的声学性能，保温性能， 1 5 2 研究意义 秸秆墙体材料的研究，主要涉及非木质人造板制造工艺；墙体材料的保温、隔音性 研究，复合材料的仿真模拟等，属多学科交叉，其成果对相关领域的研究具有一定的理 论意义。此外，还具有以下实际意义： ( 1 ) 能节约大量砖、灰、砂、石等传统材料，缓和材料运输、材料供需二者的矛 盾。 ( 2 ) 能减薄墙身，使有效使用面积提高，同时提高隔热、隔音效果。 ( 3 ) 可使结构设计更趋于合理。高层建筑基础费用所占比例较大，减轻自重就可 以大大降低基础造价。 ( 4 ) 有利于抗震。建筑物自重减轻越多，地震力就越小，这不失为最经济而有效 的抗震措施之一。 ( 5 ) 该墙体以农作物剩余物为主要原料，符合国家倡导的废弃物减量化、资源 化、无害化的综合利用原则。在一定程度上缓解了我国土地资源、森林资源等问题，节 约了能源、保护了环境、解决了经济、资源和环境之间的矛盾，具有显著的经济价值和 社会价值。 2 实验材料与方法 2 1 实验材料 塑料：废旧聚丙烯( p p ) ，采用s m p 一2 0 0 型高速涡流多用磨粉机将聚丙烯颗粒磨成粉状； 麦秸：购于哈市附近的农村，加工成2 - 4 c m 长，再用铡草机打碎，调整含水率到l o ； 稻草：购于哈市附近的农村，加工成2 - 4 c m 长，再用铡草机打碎。调整含水率到5 ； 异氰酸酯( m d i ) ：购于哈市； 丙酮：异氰酸酯的稀释溶剂，购于哈市； 酚醛树脂( p f ) ：黑龙江省林科院木工所研制，固体含量4 0 ； 脲醛树脂( 1 j f ) ：黑龙江省林科院木工所研制，固体含量5 0 9 6 ； 苯板粘接剂：购于哈市建材市场。 固化剂：浓度2 0 的n h 3 c i 溶液。实验室自备； 防水剂：浓度5 0 石蜡乳液，实验室自备； 偶联剂：马来酸酐( 姒h ) ，购于哈市： 引发剂：过氧化二异丙苯( d c p ) ，购于哈市； 脱模材料：聚四氟乙烯薄膜，购于哈市： 聚苯乙烯泡沫板：购于建材市场，标称密度1 8 k g m a ，实测密度1 3 4 1 5 3 k g r n 3 ，导热系 数0 0 5 3w ( 1 1 1k ) ； 2 2 实验设备 2 2 1 加工设备 d f l 9 9 6 型烘箱：尺寸1 2 0 e m x 7 0 c m 1 2 0 c m ，功率9 6 k w ，沈阳红旗设备制造厂； s c 6 9 0 2 快速水分测定仪：最大荷重l o g ，分度值5 m g ； 5 0 t 试验预压杌：公称压力：5 0 t ，模压面积：3 7 0x3 7 0 r n m ，单位压力：3 6 k g e m 3 功 率：3 k w ： 1 0 0 t 试验热压机：公称压力：1 0 0 t 。模压面积：5 0 0x 5 0 0x9 0 姗，单位压力： 4 0 k g c m 3 ，功率：1 8 k w ： 拌胶机：实验室自制，搅拌翅为三角锥状，转速可调范围0 - 6 0 0 转m i n t 高糖度木工圆锯机：济南人造板机械厂制造： 高速涡流多用磨粉机：型号：s m p 2 0 0 ，生产能力：2 0 6 0 k g h ，功率：1 5 k w ，张家港 市松本塑胶机械有限公司生产； 2 2 2 检测设备 a g 1 0 t a 岛津万能力学试验机： d m a 2 4 2 动态机械热分析仪：德国n e t z s h 公司生产； 东北林业大学碗上学位论文 扫描电子显微镜：美国f e i 公司生产，型号：q u a nt a 2 0 0 型： ，一 导热系数测定仪：国产； a w a 6 1 2 2 型智能电声测试仪：杭州爱华仪器有限公司产； 2 3 实验方法 2 3 1 实验步骤 2 3 1 1 设计正交实验探索麦秸与废旧聚丙烯热压复合工艺参数 ( 1 ) 实验l ：在麦秸塑料复合材料中加入马来酸酐偶联剂和引发剂( 引发剂占偶 联剂的2 0 ) ； ( 2 ) 实验2 ：在麦秸塑料复合材料中加入异氰酸酯； ( 3 ) 实验3 ：在麦秸塑料复合材料中同时加异氰酸酯和马来酸酐。 2 3 1 2 设计正交实验探索稻草人造板热压工艺参数 ( 1 ) 探索脲醛树脂稻草板热压工艺： ( 2 ) 探索酚醛树脂稻草板热压工艺。 2 3 1 3 秸秆人造板性能分析： ( 1 ) 动态机械热分析( d m a ) ( 2 ) 扫描电子显微镜( s e m ) 分析 ( 3 ) 材料吸声性能分析 ( 4 ) 材料保温性能分析 2 3 1 4 秸秆复合墙体材料性能分析 ( 1 ) 有限元软件a n s y s 对秸秆墙体材料保温性能的动态模拟 2 3 2 工艺流程 本实验采用两种工艺流程，如图2 - 1 ，2 - 2 所示： 图2 1 加入异氰酸酯热压工艺流程 2 实验材料j 方法 图2 - 2 加入马来酸酐热压工艺流程 2 4 性能检测与评价方法 ( 1 ) 物理力学性能检测 根据刨花板国家标准( g b 1 4 8 9 7 1 - 4 8 9 7 7 - 2 0 0 3 ) ：使用a g 10 t a 岛津万能力学试 验机，检测材料静曲强度，弹性模量，内结合强度。 ( 2 ) 吸声性能检测 根据g b j8 8 8 5 驻波管法吸声系数与声阻孔率测量规范；使用a 1 毗6 1 2 2 型智能 电声测试仪，检测材料的吸声系数。 ( 3 ) 保温性能检测 根据j g j 5 1 2 0 0 2 轻骨料混凝土技术规程：g b 厂r1 0 2 9 4 1 9 8 8 i 绝热材料稳态热阻 及有关特性的测定防护热板法；g b , r i 1 0 2 9 5 1 9 8 8 绝热材料稳态热阻及有关特性的 测定热流计法；使用导燕系数测定仅，检测材料导热系数，热阻。 ( 4 ) 动态力学性能检测 使用d m a 2 4 2 动态机械热分析仪，检测材料储能，耗能，损耗角正切值，玻璃化 转变温度。 ( 5 ) 材料微观结构分析 使用美国f e i 公司生产的q u a nt a 2 0 0 型扫描电子显微镜，观察材料的微观结构 及复合材料的界面结合情况。 东北林业人学碗f 学位论文 3 秸秆墙体材料工艺参数的确定 3 1 麦秸塑料人造板工艺的研究 麦秸与部分阔叶材相类似1 4 3 - 4 4 ，主要组分为纤维素，半纤维素和木质素。纤维素是 纤维中的主要成份，半纤维素和木质素分布在细纤维之间的间隙里，在纤维细胞中起 “填充剂”和“粘合剂”作用1 3 t , 4 5 。麦秸与塑料的极性相差很大，相容性较差。马来酸 酐作为偶联剂既能够接枝在聚丙烯上，又可以与麦秸发生酯化反应，或者与麦秸形成氢 键【4 。因此，使用马来酸酐( m a h ) 和异氰酸酯制作麦秸塑料复合材料，研究马来酸酐 对麦秸聚丙烯复合材料性能的影响，探索不同条件下的加工工艺。 3 1 1 实验设计 设计三水平四因素正交实验，因素水平如表3 1 ，3 2 ，3 3 所示。固定条件为： 实验1 聚丙烯：4 0 ，引发剂：过氧化二异丙苯( 马来酸酐用量的2 0 ) 实验2 聚丙烯：4 0 ，： 实验3 热压时自j ：1 4 r a i n ，热压温度：1 9 5 。 表3 - 2 实验2 因素水平表 21 9 00 5 51 6 3 31 9 50 61 8 4 3 1 。2 结果与讨论 3 1 2 1 只加入偶联剂的麦秸塑料复合材料力学性毹分析 实验1 中只使用马来酸酐偶联剂，基本测不到内结合强度的值，静曲强度较低，吸 水厚度膨胀率较高，板材性能差。分析其原因主要有以下两方面： 第一、胶粘剂是板材力学性能的重要影响因素，而本次实验只加了偶联剂，没有加 胶粘剂。麦秸刨花是一种极性较大的亲水性物质，而聚丙烯是一种极性较小的憎水性物 3 秸秆填体村科工艺参数的确定 i i e j e = 目e = j e ! e = = t = 目! = | = | j = = = ，j e ! ! e ! = = = = # ：= = = = ! = o ! = ! = = = ! = = = = = ! = 自自 ! = j ! = = e = ! e = = = = = = = = = t ! # e = 目e e t = = | = ! = 目= 詈 质，二者相容性较差，通常情况下麦秸刨花和聚丙烯不能很好地结合。而马来酸酐同时 合有羧基和不饱和键，羧基能与麦秸上的羟基发生酯化反应，不饱和键能与聚丙烯反应 一”。但从实验结果来看不明显。一方面可能因为板材过厚( 2 0 n u n ) ，导致温度向内传递 缓慢，芯层的塑料难以熔化，流动性差，与偶联剂及麦秸刨花接触面积小，所以材拳斗物 理力学性能较差；另一方面，可能是马来酸酐在麦秸塑料之间的粘接力远远小于异氰 酸酯在刨花问形成的胶接力。 第二、此次实验使用麦秸代替木材刨花，麦秸和木材在构造上存在一定的差异。麦 秸表层有一层明显的光滑蜡质层，马来酸酐难以和麦秸内部羟基产生化学反应或结合生 成氢键。虽然麦秸经过粉碎加工，在一定程度上破坏了外表面的光滑蜡质层，但还是使 马来酸酐和麦秸的反应程度大大降低。 由方差分析表3 - 4 可以看出，在实验1 中只使用马来酸酐时，热压时间和热压温度 对于静曲强度、吸水厚度膨胀率影响不显著。这主要是因为聚丙烯熔点为1 7 0 ( 2 左右，低 于热压板的温度，当板坯温度达到聚丙烯熔点后，反应即可顺利进行，在此过程中时 日j 、温度不是主要影响因素；密度对静曲强度、吸水厚度膨胀率影响显著。因为随着密 度的增加，板坯内麦秸与塑料之间的距离减少，接触面积增加，反应程度增加。所以说 密度对静曲强度、吸水厚度膨胀率影响显著：偶联剂对吸水厚度膨胀率影响显著。这说 明在聚丙烯、麦秸、马来酸酐间有反应发生。马来酸酐在麦秸和聚丙烯间起到了一定的 连接作用，而聚丙烯具有憎水性，因此随着马来酸酐用量的增加，吸水厚度膨胀率值随 之降低，静曲强度增加。 表3 - 4 方差分析表 影响冈素实验i实验2实验3 偶联剂 崭度 热心温度 热j 卡时问 施睃董 塑科用筮 i bm o r o 2 0 4 0 0 2 一 o3 6 4 o4 0 4 2 h 1 s o 0 0 6 + o 1 2 8 o 3 2 l o 6 8 8 m o r o ，0 0 2 o5 0 7 o ，6 9 4 o 0 6 m o e o 0 2 8 3 0 8 2 6 o 2 8 2 2 h t s 0 0 4 8 * 0 3 3 8 0 1 5 5 o 1 mm o rm o e2 h t s 0 ，0 0 1 0 1 8 l0 1 6 60 6 1 7 0 0 3 9 + 0 i l l0 0 9 40 1 1 9 0 0 0 3 +0 0 0 0 2o + 00 3 4 + 0 7 5 20 1 5 70 2 9 9 注：s i g ( “著性水平) ( 0 ，0 5 影响显著；s i g 0 0 1 影响1 f 常硅著，以下类同。 表3 5 不同密度的实验数据统计表 密度g c m 3指标样本数平均值标准筹变异系数 弹性嫫量g p a 9o 5 70 1 20 2 1 0 5 静曲强度m p a 93 2 51 3 9 o 4 3 吸水厚度膨胀率 97 9 64 6 40 5 8 弹性模量g p a 90 7 3o 1 40 1 9 o 5 5 静曲强度m p a 93 ，5 31 1 4 0 3 2 吸水厚度膨胀率， 91 0 7 7 2 7 40 2 5 弹性模量g p a 90 80 180 2 3 0 6 静曲强度，m p a 95 4 42 0 90 3 8 吸水厚度膨胀率， 91 0 8 41 90 1 8 兰黑=一 东北林业人学坝i 擘位论文 表3 - 6 不同热压时间的实验数据统计表 静曲强度弹性模量2 小时吸水厚度膨胀率 密度 彼尔逊相关 0 5 0 0 +o 5 4 3 +o3 4 7 热压时间彼尔逊相关 - 0 2 7 8- 0 4 9 1 一0 1 7 3 热乐温度彼尔逊相关 o 2 0 50 0 1 70 2 4 5 偶联剂h 量彼尔逊相关 o 3 6 40 3 0 5- 0 5 6 3 ” 注：+ 在o 0 1 水平上相关+ 在o 0 5 水平上相关以r 类同 从相关分析表中可以看出，静曲强度与密度相关；弹性模量与热压时间相关，与 密度相关；2 小时吸水厚度膨胀率与偶联剂加入量每度相关；这与前面的方差分析结果 相符。 1 0 ：竺i ! 丝竺丝丝三苎兰垫墼丝塞 3 1 2 2 只加入异氰酸酯的麦秸，塑料复合材料力学性能分析 在实验2 中只使用异氰酸酯胶粘剂。实验结果与实验l 相比较，板材内结合强度 提高，吸水厚度膨胀率值降低，实验2 中复合材料的综合性能要好于实验1 的，但还不 能完全达到国家标准要求。 表3 1 0 不同密度的实验数据统计表 密度纠c m ， 指标 样本数 平均值标准差变异系数 弹性模域g p a 97 1 2 0 0 70 0 1 。 静曲强度m p a 9o 9 7o 4 7o 4 8 吸水j 度膨胀率 93 5 4 2 ，0 3o 5 7 内结合强度m p a 90 1 9 0 0 4o 2 1 弹性模量g p a 99 8 5 0 0 90 0 1 静曲强度m p a 91 1 4 0 9 4o 8 2 。 吸水j 度膨胀率 91 7 11 2 4 o 7 3 内结合强度m p a 90 2 30 1 20 5 2 弹性模域g e a 91 20 1 5o 0 1 ， 静曲强度, q v l p a 91 2 60 6 5o 5 2 吸水厚度膨胀率 91 9 6 1 4 30 7 3 内结台强度m p a 9o ，2 9 0 1 40 4 8 弹性模茸g p a 91 ，1 4 o 2 3 0 2 0 静曲强度m p a 91 0 2 94 7 7o 4 6 一 吸水厚度膨胀率， 93 32 3 2o7 0 内耋吉合强度m p a 9 0 3 0 1 7o 5 7 弹性模苗g p a 91 1 0 1 20 1 1 ， 静曲强度m p a 98 9 71 5 8o 1 8 吸水厚度膨胀率， 92 1 31 1 8o 5 5 内结合强度m p a 90 20 0 6o 3 0 弹性模链g p a 91 1 30 1 20 11 静曲强度m p a 99 7 12 5 40 2 6 ” 吸水厚度膨胀率， 9 1 , 7 81 3 2 0 7 4 内结合强度m p a 90 2 50 1 1 0 4 4 东北林业人学顾l ：学位论文 表3 1 3 不同施胶量的实验数据统计表 瞄 从方差分析表3 - 4 中看出，热压时间和热压温度对内结合强度、静曲强度、吸水厚 度膨胀率影响不显著。因为异氰酸酯在较低的温度就可以迅速固化，在有水存在的条件 下，异氰酸酯的固化反应从6 5 c 开始，在1 1 2 6 c 时反应最为剧烈【4 h 9 1 ；与实验1 中的 分析类似，密度对静曲强度、吸水厚度膨胀率影响显著。因为密度是决定板材性能的重 要因素之一，随着密度的增大，麦秸剑花问距离减小，胶层厚度降低，旌胶面积增大， 板材性能提高；胶粘剂对内结合强度影响高度显著。因为随着施胶量的增加。刨花白j 的 胶结点增加，刨花之间结合力增强。从相关分析表3 1 4 可以看出，静曲强度与密度高 度相关，与施胶量相关；弹性模量与密度高度相关：内结合强度与施胶量高度相关，与 密度相关；2 小时吸水厚度膨胀率与施胶量相关，结果与方差分析一致。 表3 1 4 相关分析表 3 1 2 3 同时加，入马来酸酐和异氰酸酯的麦秸，塑料复合材料力学性能分析 表3 1 5 不同密度的实验数据统计表 密度g c m ， 指标样本数 平均值标准筹变异系数 弹性模奄g p a 9 】8 9n 1 7o 0 9 n 静曲强度m p a 9 11 0 5 3 9 5 0 3 6 。 吸水厚度膨胀率 98 3 35 1 2o 6 1 内结合强度m p a 90 0 30 0 20 6 7 弹性模量，g p a 92 0 10 2 20 11 ， 静曲强度m p a 9 1 0 9 3 3 6 6 0 。3 3 吸水厚度膨胀率 9 9 0 2 4 1 6 0 4 6 内结合强度m p a 90 0 40 0 30 7 5 弹性模量g p a 92 2 40 4 5o 2 0 静曲强度m p a 9 1 3 2 3 3 3 8 o 2 6 。 吸水厚度膨胀率， 9 7 2 2 9 7 o ，4 1 内结合强度m p a 90 1 40 1 2 0 ，8 6 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ h _ - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - 。- 。一 1 2 表3 - 1 6 不同偶联剂州晕的实验数据统计表 。 异氰酸酯舶 指标 样本数 平均值标准筹变异系数 在1 、2 两次实验基础上，进行了实验3 的研究。在实验3 中同时使用马来酸酐和 异氰酸酯，实验结果表明：材料的静曲强度优于实验2 的，吸水厚度膨胀率和内结合强 度低于实验2 的。因此推测在马来酸酐与异氰酸酯同时存在时，二者问发生了一些物理 东北林业人学顾 学位论史 或化学变化，其结果是马来酸酐在一定程度上不但起不到促进作用反而阻碍了胶粘剂的 胶结作用。 从方差分析表中可以看出，密度对内结合强度影响显著：塑料含量对内结合强度影 响显著；马来酸酐用量对内结合强度影响高度显著：施胶量对静曲强度、吸水厚度膨胀 率影响高度显著，对内结合强度影响显著。其中马来酸酐用量对内结合强度的影响高度 显著，主要原因在于： 第一、在异氰酸酯和马来酸酐同时存在的条件下，二者发生作用的环境温度不同。 在有水存在的条件下，异氰酸酯的固化反应从6 5 开始，在1 1 2 6 c 时反应最为剧烈。 而聚丙烯的熔点是1 7 0 左右，只有在聚丙烯熔化流动的条件下，马来酸酐和聚丙烯的 反应爿4 能顺利进行。结果使得异氰酸酯在热压前期迅速固化，当聚丙烯熔化时，麦秸上 的羟基已部分和异氰酸酯发生了反应，导致羟基结合点数量相对减少，影响了马来酸酐 和麦秸之间的反应。其结果是过多的马来酸酐在热压过程中不但起不到促进作用，反而 以杂质的形式存在，影响了胶粘剂的胶结性能。 第二、马来酸酐中含有羧基，当马来酸酐用量较多时，异氰酸酯有可能在固化过程 中和马来酸酐中的羧基发生了反应，生成酰胺并放出c 0 2 ，这样不但白白消耗掉了异氰 酸酯，而且放出的c 0 2 对胶结不利【5 0 l 。所以马来酸酐的用量对内结合强度影晌高度显 著。综合前面对实验1 的分析，可以推测：同时使用马来酸酐和异氰酸酯时，使用一定 量的马来酸酐能在麦秸和聚丙烯间起到一定的连接作用，增强板材性能；但过多的马来 酸酐不但起不到促进作用，反而影响了胶粘剂的胶结性能。 表3 1 9 相关分析表 静曲强度与施胶量高度相关，与密度相关；弹性模量与施胶量高度相关，与偶联剂 用量相关：内结合强度与偶联剂用量高度相关，与密度相关i2 小时吸水厚度膨胀率与 施胶量高度相关；含水率与施胶量高度相关。结果与方差分析结果一致。 为验证以上分析结果，设计了实验4 进行验证，实验条件见表3 2 0 ，实验结果见表 3 2 l ，板厚为l o m m ，。 表3 2 0 实验条件 ：丝坌塑丝丝丝三堇耋丝墼丝塞 表3 2 1 实验结果 从表3 2 l 中可以看出，当板厚为1 0 t u r n ，时，各项力学性能均有所上升。只使用异 氰酸酯及同时使用马来酸酐和异氰酸酯时，材料性能均达到国家标准要求。同时使用马 来酸酐和异氰酸酯时，当马来酸酐加入量为1 5 时，i b 和2 h t s 均优于只使用异氰酸酯 的板材性能。此实验结果验证了前面的推测。 通过分析得出，本次正交实验的最佳工艺条件见表3 2 2 。 表3 - 2 2 正交实验最佳工艺条件 物理力学性能见表3 - 2 3 。 表3 2 3 最佳工艺条件下的板材性能 3 2 脲醛树脂稻草板工艺的研究 3 2 1 实验设计 通过最初的试验，确定了当板厚为2 c m 时，热压温度为1 6 0 。( 2 。取热压时间、板材密 度和施胶量为影响因子，做三水平三因素正交试验，对试验工艺参数进行复选。因子水 平见表3 2 4 。 表3 - 2 4 试验因子水平表 水平 密度g c m 施胶鼙热压时间m i n t 商瓦1 r 一 2 0 5 1 4 1 5 30 61 61 7 3 2 2 结果与讨论 3 2 2 1 密度对板材物理力学性能的影响 由密度方差分析表3 2 6 知：密度对内结合强度、弹性模量、静曲强度影响高度显 著；对吸水厚度膨胀率影响不显著。 由密度对静曲强度、弹性模量、内结合强度的影响可以知道( 见图3 5 ，3 - 6 ，3 7 ) ，内结合强度、弹性模量、静曲强度变化趋势基本相似，随着密度的增大而增加，这 主要是因为随着密度的增大，刨花之间的距离缩小，胶层变薄，板坯结合紧密，胶结效 东北林业人学颂i 学位论史 果较好，强度较高。由图3 8 可知当密度在0 4 c m 3 到0 6g ，c m 3 范围内，先降低后升 高。因为密度在0 4 0 5 咖一的范围时。吸水厚度膨胀率受板坯影响较大，密度为 0 4 咖m 3 时板坯密度较低，空隙较大，水分容易进入，所以吸水厚度膨胀率较高。相对 比而言，当密度在o 5 0 6 9 ，c m ，的范围时，吸水厚度膨胀率受稻草本身的影响较大。密 度为0 6 g c m ，时板坯的空隙较小，水分不易进入板内空隙，但是此时稻草的含量较高， 复合板材的的吸水性能以原料稻草的吸水性为主，所以呈现了图上所示的情况。 表3 2 5 不同密度的实验数据统计表 密度l c m 3 指标 样本数 平均值标准筹变异系数 弹性模 毒g p a 90 6 40 】6o 2 5 静曲强度r m p a 92 9 30 8 90 3 0 吸水厚度膨胀率肱 92 5 4 69 1 10 3 6 内结合强度i m p a 90 0 3 0 ，o l0 3 3 弹性模量g p a 91 3 10 1 70 1 3 。 静曲强度m p a 97 1 81 3 60 1 9 内结