（木材科学与技术专业论文）烟秆原料及其制板性能的研究.pdf

摘要：当今国际社会公认材料、能源和信息技术是现代文明的三大支柱。人造板是由 各种形状的革元通过胶粘剂胶合成一整体的板材，属复台材料之一。木材是人造板生 产的传统原料，中国目前的森林资源形势较为严峻，国家实施的天然林保护政荒在保 护森林资源的同时，也迫使以术材为原料的人造扳行业将眼光更多地转向非木材原 料。 本文以烟杆为主要研究对象，通过研究烟秆的微观构造、纤维形态、化学成分和 胶合相关性能，说明在一定的工艺条件下，烟秆完全可以作为工业化利用，如人造板 生产的原料。通过烟秆与木材混合制刨花板的工艺实验，初步探讨了制板的工艺。通 过应用红外光谱和扫描电镜等现代仪器分析测试手段，研究了烟秆的表面特征，与脲 醛树脂胶和异氰酸酯胶的胶合界面特征。具体研究结果如下： 1 烟秆从外向内e h - - 个部分组成：烟皮( 约占1 6 ) 、术质部( 为主要部分，约 占7 4 ) 和髓部( 约占1 0 ) 。从微观构造来看，烟秆结构较木材简单，主要由导管、 木纤维( 或称烟秆纤维) 、木射线和轴向薄壁细胞组成，与阔叶材接近。在利用烟秆 作为人造板生产原料时，主体应用部分是木质部。因髓部含大量薄壁细胞，强度很低， 容易脱落，故制板时应尽量去除髓部。 烟秆的木质部纤维的体积率为6 41 ，全部位纤维的体积率为5 85 。烟草杼的 烟皮纤维长度与烟骨纤维长度差异较大。烟秆全部位纤维的长宽比值偏小，全部位纤 维柔性系数为o 5 0 ，处于阔叶材的中等水平。完全可以作为人造扳的生产原辩。 2 经测定，气千后的烟秆化学成分中各项抽提物的含量均较木材高出很多，但在 非木材植物纤维原料中属中等，低于稻草、麦秸、棉秆等，而术质素和综纤维素的含 量与阔叶材接近。其高含量的多戊糖和果胶易造成烟秆板的尺寸稳定性差，其抽提物 含量高会极大地影响烟秆的胶合性能。 3 从接触角和表面自由能来看，烟秆的润湿性好于麦秸，在已知的几种材料中处 于中等。烟秆p h 值为6 1 6 ，呈弱酸性，总酸碱缓冲容量为0 3 0 7 r e t o o l ，其中的碱缓 冲容量就有o3 0 2 m m o l ，这对脲醛树脂胶的凝胶时间造成很大影响。与u f 的凝胶时 间为与m d i 的凝胶时间的将近一倍。烟秆的吸水率非常高，这一方面可能与烟秆髓 心部分含大量吸水性强的杂细胞有关，另一方面与烟秆的各化学成分含量密切相关。 4 工艺实验结果表明，普通的纯烟秆u f 刨花板性能很难达到国标的要求。将术 材与烟秆混合起来制造刨花教，可以在很大程度上提高性能。两若用m d i 代替u f ， 则各项性能都能达到标准要求。 单因素实验结果表明，当本材与烟秆的混合比为1 ：2 时，所制成的刨花板性能 最优。热压压力不宣过高，在最高单位压力为3 8 时所锘8 得的板材综台性能最好。热 压时闻的适当延长虽然对板材性能有利，但不经济，取热压时间为4 分2 0 秒已经足 够。主要园原料自身的原因，制造出的u f 刨花板多数尺寸稳定性差，吸水厚度膨胀 率高，而采用反应型的异氰酸酯胶则完全改善了这种情况。不仅施胶量低，只有u f 的不到1 2 ，熟压时间短，而且制成的烟年千板性能优蘸。不含游离年醛，尺寸稳定性 好，强度性能高。但m d i 板的成本要高于u f 板，故建议可以采取将u f 胶与m d i 陵联合使用的方式，既降低成本，又保证质量。 5 烟秆和m d i 的胶结机理与潮秆和u f 的胶结税理不弼。异氰酸酯具有两种胶 结方式：物理胶结和化学胶结，丽u f 胶只在烟秆表面起物理胶缩作用。 扫描电镜图片显示，m d i 与烟秆之间有较强的表面扩散和渗透力，良好的润湿 性和物理吸附。受原料影响，u f 在烟秆表面的扩教能力和渗透性较低。 f t i r 图谱分析表明，异氰酸基与原料中的羟基和承等发生化学反应，形成化学 键，使刨花板胶结强度和胶结耐久性明显提离。u f 不能与原料形成化学胶结，它主 要是通过自身的脱水缩合完成固化。异氰酸目胶糙荆具有良好的使用性能和胶结特 性，用于烟秆生产刨花板效果极佳。 关键词：熘秆，原料材性，制板性能，m d i ，u f ，红外光谱，屯镜扫捣 a b s t r a c t ：t o d a y , m a t e r i a l ，e n e r g ya n di n f o r m a t i o na r et h r e eu n d e r p i n n i n g so fm o d e m c i v i l i z a t i o n a so n et y p eo ft h em o d e mc o m p o u n dm a t e r i a l s c o m p o s i t e sa r em a d ew i t h r e s i na d h e s i v e sf r o mu n i t so fd i f f e r e n ts h a p e st h a ta r et r a d i t i o n a l l ym a d eo fw o o di nt h e f a c e o ft h ep r e s e n tg r a v es i t u a t i o n so fd e p l e t i n gf o r e s tr e s o u r c e ss u p p l yi nc h i n a ，t h e n a t i o n a lp o l i c i e so nn a t u r a lf o r e s tp r o t e c t i o n ，w h i l ec o n s o l i d a t i n gf o r e s tr e s o o m e s c o n s e r v a t i o na l s oa d d r e s sm o r et h eh i g h l i g h t st ot h en s eo fn o n - w o o dm a t e r i a l si nt h e t r a d i t i o n a l l yw o o d b a s e dc o m p o s i t ei n d u s t r y t h i sr e s e a r c h ，t a k i n gt o b a c c os t e ma st h ek e yt a r g e t ，e x a m i n e st h em i c r os t r u c t u r e ， f i b e rm o r p h o l o g y , c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n db i n d i n gp e r f o r m a n c eo ft o b a c c os t e m ， c o n c l u d e st h a tt o b a c c os t e mc a r tb eu s e di ni n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o nf o rm a n u f a c t u r i n g c o m p o s i t eu n d e rc e r t a i nt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r ea l s oi n v o l v e di nt h ep a p e nt h r o u g hf o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，t h e s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ft o b a c c os t e ma n di t sb i n d i n gc h a r a c t e r i s t i ci ss t u d i e dw i t hm d l a n du fn l em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 f r o mo u t s i d et oi n s i d e ，t h e r ea r et h r e ep a r t so f t o b a c c os t e m ：s k i n ( a b o u t1 6 ) ，t h e x y l e m ( 7 4 ) a n dm a r r o w ( 1 0 ) t h em i c r o s t m c m r eo ft o b a c c os t e mi sc o m p o s e do f v e s s e l ，f i b e gr a ya n dp a r e n c h y m ac e l l s ，w h i c hs h a r es u b s t a n t i a ls i m i l a r i t yt ot h o s eo f h a r d w o o d e p i t h e l i a lc e l l sa r ef u l lo f m a r r o w , s oi tn e e d st ob er e m o v e di np r o d u c t i o nt h e v o l u m ep r o p o r t i o no fm a i ns t e mf i b e rr e a c h e s6 4 1 w h i l et h a to ft h ew h o l es t e mi s s l i g h t l yl o w e ra t5 85 t h er a t i oo f f i b e rl e n g t ha n df i b e rw i d t hi st e s st h a nt h a to f w o o d i t sp a r a m e t e ro f f i e x i b i l i t yi sa b o u to 5 0 2 t h eq u a n t i t yo f e x t r a c t i v e si nn a t u r a ld r y i n gt o b a c c os t e mi sm u c hm o r et h a nt h a ti n w o o d ，w h i c hi so n eo ft h er e a s o n st h a tt h ep r o d u c tm a d eo ft o b a c c os t e m h a v ep o o r d i m e n s i o n a ls t a b i l i t y t h eh i 曲p e r c e n t a g eo fe x t r a c t i v e sc a r la l s oa f f e c t t h eb i n d i n g c h a r a c t e r i s t i c a tt h es a m et i m e ，t h eq u a n f i t yo f l i g n i na n dh o l o c e l l u l o s ei nt o b a c c os t e mi s s i m i l a rt ot h a ti nw o o d 。 3 f m m t h ed a t ao fc o n t a c ta n g l ea n ds u r f a c ee n e r g y , w ec a nc o n c l u d et h a tt h e w e t t a b i l i t y t o b a c c os t e mi sb e t t e rt h a nt h a to fw h e a ts t r a wo rr i c es t r a w t h ep ho f t o b a c c os t e mi s61 6 ，w h i c hi sw e a ka c i d t h ea c i da l k a l i n ep r o p e r t yo f t o b a c c oi so3 0 7 ，o f w h i c h ，a l k a l i n ep r o p e r t yi so 3 0 2 ，w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te f f e c t so ns e t t i n g l i m e t h es e t t i n gt i m eo ft o b a c c ow i 吐lm d ii sa l m o s th a l fo ft h et i m ew i 廿1u ft o b a c c o s t e mh a sh i 酶w a t e ra b s o r p t i o na b i l i t y , w h i c ha l s os e r i o u s l ya f f e c tt h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t y o f p r o d u c t sm a d eo f t o b a c c os t e m 4 ，t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ss h o u tt h a tt h ef i n eq u a l i t yo ft o b a c c o s t e m - b a s e d p a r t i c t e b o a r dc o u l db ep r o d u c e di f w ea d j u s tt h et e c h n o l o g y t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft o b a c c o - s t e m - b a s e dp a r t i c l e b o a r dw i t hu fr e s i nc o u l dh a r d l ym e e lt h e r e q u i r e m e n t so f g b 厂r 4 8 9 7 9 2w h i l et h o s eo f w o o d - t o b a c c o - s t e m b a s e dp a r t i c l e b o a r dw i t h u fr e s i nc a nb u tt h et sp r o p e r t yo f t h el a t t e ri sn o ts os t a b l ei f w eu s em d it ot a k ep l a c e u et h e na l lo f t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ep r o d u c tc o u l de a s i l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t so fg b t 4 8 9 7 9 2 a sat y p eo fn e wa d h e s i v ei nc o m p o s i t ep r o d u c t , m d ih a s m a n yv i r t u e s ，s u c ha sn oh c h o ，l e s sr e q u i r e dq u a n t i t y , s h o r ts e t t i n gt i m e ，g o o db i n d i n g p e r f o r m a n c e ，a n ds oo n 。b yi n t e g r a t i n gt h ea d v a n t a g e so f h i g h e rp e r f o r m a n c e so f m d la n d l o w 砸c eo fu f t h ec o s tc a r lb es u b s t a n t i a l l yr e d u c e dw h i l es e c u r i n gt h er e q u i r e dq u a l i t y s t a n d a r d s 5 f t i rs p e c t r ao ft o b a c c os t e m ，m d i ，u fa n dt h eb i o d i n gl a y e rs h o wt h a td i f i e r e n t b i n d i n gm e c h a n i z a t i o n sa r eu s e di nt h ec h a n g ef r o mt o b a c c os t e mt op a r t i c l e b o a r dw i t h m d ia n d u f t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n so c c u ra tt h es a r f l et i m eb e t w e e nm d i a n dt o b a c c os t e mo rw o o dw h e r e a sp h y s i c a lr e a c t i o n sm a i n l yo c o m b e t w e e nu fa n d t o b a c c os t e mo rw o o d f r o ms e m ，w ec a l lo b s e r v et h a tt h ed i f f u s i o na b i l i t ya n d p e r m e a b i l i t yo f m d io nt h es u r f a c eo f t o b a c c os t e ma r eb e t t e rt h a nt h o s eo f u f , a c h i e v i n g d e s i r e dw e r t a b i l i t ya n dr e s i na b s o r p t i o n k e y w o r d s ：t o b a c c os t e m , m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，p r o p e r t i e sf o rp r o d u c t i o n ，m d i ，u f , f t i r ， s e m 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究工作 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学 位或证书两使用过的材料，与我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了澍意。 签名：童! 墨! 渣日期：盘艘：18 ， 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文：提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童，至! i 奄 导师签名堡地日期：迎业：61 l i 1 前言 l 刚茜 当今国际社会公认材料、能源和信息技术是现代文明的三大支柱。人造板是由各 种形状的单元通过胶粘剂胶合成一整体的板材，属复合材料之一。这种材料既保留了 原组成成分的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能，还可以通过 材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，获得新的优越牲能。 1t 研究背景 l 。t 1 国内外非木质人造摄生产的发展与现状 术材是制造人造板的传统原材料，但中国森林资源紧张是人所共知的事实。我国 是一个术材缺乏国，2 0 0 0 年国家最新统计结果显示：全国森林面积1 5 8 9 41 万公顷， 居世界第五位，森林覆盖率1 6 5 5 ，森林蓄积量1 1 2 7 亿m 3 ，屠世界第七位，人工 林面积4 6 6 6 7 万公顷，屠世界首位。但是，全国人均占有森林瑟积只相当于世界人 均的2 1 3 ，人均森林蓄积量只占世界平均水平的1 8 ，森林覆盏率只相当予世羿的 6 1 - 3 。另据有关资料报道，我国年人均术材消耗量只有o 2 2m 3 ，而世界平均水平为 06 5m 3 ，发达国家平均为11 6m 3 ，发展中国家平均则有0 4 7n 1 3 ，预测我国到2 0 1 0 年木材供应缺口达6 0 0 0 万m 3 ，而我国人造板产量在1 9 9 7 年全国工业普查统计为 1 6 4 8 4 0 万r n 3 ，并且是以消耗大量本材资源，生态环境遭到破坏为代价的，为此，匿 家制定了系列禁伐、限伐的政策，并启动了天然林保护工程。 1 1 但随着社会的进步和人民物质生活水平的提高，对林产品需求不断增加，木材供 不应求的矛盾更加突出。尽管近些年来在发展人工林方面成绩很大，术材进日也有所 增加，但术材原料供应的缺口仍然很大，我国人均木材消耗量无疑将持续增长。在这 种越来越紧迫的原料形势下，世界各国的人们都在积极地寻求更多而且更佳的解决方 案，来保证各项经济活动以及发展的可持续性。开拓新的途径，寻找木材原料替代品 因此而具有极为重要豹现实意义，也是极为紧迫的现实需求。合理利用农业和林业剩 余物资源早已成为各国韵科学家们共同关注和积极探讨的课题，人造板研究的发展趋 势之一便是原材料的拓宽。 农业剩余物是一个有巨大潜力的战略资源，也是木材工业除了竹材的第二森林资 源外，又开辟的第三森林资源。它包括收割剩余物( 如麦秸、玉米秆、棉秆、麻秆、 烟秆原料及其制扳性能的研究 烟秆、高粱秆、豆秸等) 和加工剩余物( 如甘蔗渣、麻蓐等) ，除去部分用作燃料、 饲料、肥料等外，估计最少可取其1 0 用来生产人造板。f 2 1 表1 非木质植物纤维原料的分类表 t 曲l eln o n - w o o db a s e df i b e rm a t e r i a l 种类植物名称 秸秆举 稻草、麦秸、高粱秆、玉米秆、棉秆、麻秆、葵花秆、烟秆、蓖麻秆、油菜秆、 n 竹、芦苇、剑麻头、芝麻秆、巴茅秆等 茎梗类香蕉梗、木薯梗、葵柄、黄豆茎、豌豆茎、蚕豆茎、红苕茎等 壳类花生壳、稻壳、椰子壳、核桃壳、菜耔壳等 废渣类蔗渣、栲胶渣、麻屑、棉属、甜菜渣等 藤草类黄交藤、柠条、葡萄藤、龙须草、芨芨草、芳草、席草、芒草等 利用非本材植物原料制造人造板的历史可追溯到上世纪2 0 年代，美匿于1 9 2 0 年开始将蔗渣用于硬质纤维板的生产，英国4 0 年代中期开始用稻麦杆制造纸面稻草 板，之后以蔗渣、麻秆、棉秆等经济作物秸秆为原料的人造板厂层曾先后在一些国家 有过不同程度的发展，但除少数蔗渣板厂和麻屑板厂外，大多未能长期存在下来。近 年来，木材和人造板的需求量增加而资源短缺，特别是越来越多的国家和地区为了保 护大气环境而禁止和限制焚烧农田剩余物，重新引起了人们对利用农作物秸秆制造人 造板的重视。利用一年生农业剩余物秸杆生产人造板的研究虽然开展的较早，但真正 实现工业化生产的历史不过十余年，国际上非木材植物纤维利用较为成功的国家主要 集中在北美。环保压力很大的北美农业发达地区，在这次发展秸秆人造板的工业化生 产中走在了前面。美国、加拿大、德国、英国等欧美发达国家都十分重视农作物秸杆， 特别是麦秸、稻草等研究，在工业上己制成了高质量的秸杆扳材。从1 9 9 5 年美国的 p r i m e b o a r d ( 普朗波德) 公司建成了第一家麦秸人造板厂( 年生产能力5 3 万m 3 ) 后 每年都有新厂投产，至1 9 9 9 年进入高潮。据有关媒体报导，1 9 9 9 年北美至少有六家 秸秆刨花板厂在生产，其中1 9 9 8 年在加拿大马尼托巴省建成年生产能力2 3 万m 3 ， 当时世界最大的i s o b o a r d ( 艾索波德) 麦秸板厂，另外还有1 2 家秸秆刨花扳厂在 2 0 0 0 2 0 0 2 年投产。计划利用的原料有麦秸、黄豆秆、酥油草、甘蔗渣、棉秆、稻草、 大麻等农作物或经济作物秸秆。这些已建厂大都采用了欧洲提供的设备和欧美合作开 2 l 前言 芨的工艺。我们可以看出，北美已初步形成一个小规模的农作物秸秆人造板工业，它 正在开始走出开发阶段并走进与木材人造板相竞争的市场，如果些技术和经济的问 题得到进步解决，将会出现显著的增长和发展。 我国与这些发达国家有很大的差距，但也已有许多单位，包括高等院校、科研机 构、企业等对秸杆资源的利用产生了浓厚的兴趣，投入了大量的人力物力，探讨其作 为材料工业原料的各种模式。我国利用非木材植物纤维生产人造板的研究最初起始于 上世纪5 0 年代，8 0 年代在实验室开展探索性研究，9 0 年代开始向工业化生产过渡。 迄今为止，利用亚麻杆、甘蔗渣、棉杆生产人造板的厂家已超过百家。 1 1 2 选题的背景 中国是个农业大国，每年产生大量的农作物秸杆。过去，秸杆常常被粗加工后， 用做燃料、肥料、饲料、造纸原料等。随着科技进步，上述简单的应用方式已经远不 能充分发挥农作物的潜在利用优势，更不能解决大量的秸杆剩余物对环境、交通等造 成的影响。 我国烤烟种植面积大，产区比较集中，全国共分六大烟区，即黄淮烟区、西南烟 区、南方烟区、中南烟区、东北烟区和西北烟区。云南省素有“动植物王国”的美称， 非术材植物纤维资源贮量丰富，如蔗渣、烟杆、农作物桔杆、竹材以及紫茎泽兰等。 据统计，我国几大烟革行业产区每年种植烟草1 5 0 0 万亩，烟草收集起柬用于烟草加 工行业，丽作为其主要产业副产物的烟杆每年产量约在2 6 0 万吨以上，但是由于多种 原因一直没有得到合理的加工利用，尤其是没有实施过工业化利用。云南是我国烟草 行业的巨头。烟革举世闻名，年种植烟草5 0 0 万亩以上，年产出烟杆8 0 万吨左右， 每年产生的烟草秸杆量如此之大，烟杆的利用无疑具有极为明显的地域优势，耀杆的 合理利用对地方经济建设和民族地区脱贫致富有重要的现实意义。生产烟秆剩下的烟 秆因燃烧性能不如一般农作物秸杆，通常不作为燃料使用。烟秆本身含有一定量的烟 碱和大量抽提物，具有驱虫、杀虫的功效，不易腐烂还田。每到收获季节，农民常常 就地焚烧烟程或者就堆在路旁或房前屋后，这样既污染环境，影响交通，又浪费资源。 既不适宜做燃料又不适宜秸杆还田，大量遗弃会导致严重的环境问题和交通问题， 因此秸扦的利用是一个摆在广大农民面前的现实问题。 经过数十年的发展，尤其经过8 0 年代中期刨花板工业和9 0 年代中后期中密度纤 烟秆原料及其制板性能的研究 维板工业的大规模建设，云南术质人造板工业体系襁具规模。现有创花板生产企业 2 2 家，中密度纤维板企业1 0 家。云南是国家天然林保护工程实施的重点地区，目前， 随着该工程的实施，云南省多数刨花板和中密度纤维扳生产企业面临着原料紧缺的巨 大压力，部分企l k 处于停产待料的尴尬局面。故企业急切地期望能够尽快改善原料状 况。与此同时，云南大量的烟杆米得到合理应用，作为废弃物处理，既造成浪费，又 产生环境污染。 利用农作物秸杆制造人造板，发展农作物秸杆材料工业，有利于保护环境，根据 云南的地域特点，探讨将烟草剩余物用来制造人造板的工艺，以期为非木质人造板开 辟新的原料来源，充分发挥烟草剩余物的工业利用价值，同时也为广大烟农提供了增 加收入的途径。生产的烟秆板具有防虫的功能，在一定程度上扩大了人造板的使用范 围。 1 13 烟秆的工业化利用现状 1 1 3 ，1 利用烟秆制取活性炭 烟秆经过炭纯、化学活化后可制成粉状活性炭，通过改变氯纯锌等活化剂溶液的 浓度和配料比，可生产出适合各种用途的优质粉状活性炭。( 6 j 1 1 3 2 利用烟秆制取果腔 从烟秆中提取果胶的制取工艺为：烟秆一粉碎一加水浸泡一煮沸灭天然果胶酶一 萃取一抽滤一加氨水调节p h 值一加铁盐沉淀一过滤，洗涤一加酸分解一乙醇洗沉一 疏松一干燥一果胶。 7 1 l l3 3 利用烟秆制浆造纸 罗小初研制出了以烟秆为原料，经火碱在常压、常温条件下浸渍后再洗涤、打浆、 造纸的冷碱法制浆造纸工艺。【8 】 1 13 4 利用烟斡制纤维浆扳 张先进研制出以烟秆为原料，用亚硫酸盐和氢氧化钠预浸、蒸煮、磨浆，制造商 、l 品烟秆纤维浆棱的技术。【9 1 1l3 5 利用烟秆制纤维板 1 前言 李光沛以烟秆为主，搭配以杨木等无异味本材纤维原料，用半干法研制了烟秆无 胶高密度纤维板，这种无胶高密度纤维板无异味，可作为烟草加工行业所需的烟夹板， 经板面装饰后可作为绿色装饰材料。i ”1 另外，菲律宾的r e y n a l d oc c a s t r o 等也研制 出了以烟秆为原料，酚醛树脂为胶粘剂制造低、中、高密度纤维板的技术。 i t 】 1 1 3 6 利用烟秆制造刨花板 利用烟秆生产刨花板投资少，工艺技术简单，约6 0 0 k g 烟秆可生产l m 3 刨花板， 生产工艺如下：烟秆一切碎机一干燥一捧胶一铺装一热压一裁边一烟秆副花板。但吸 水厚度膨胀事偏高。 1 3 1 此外，还有利用烟秆制造烟碱和烟酸。烟碱( 俗称尼古丁) 属烟草植物中含有的 一种特殊生物碱，烟碱不稳定，通常在工业上用稀硫酸吸收制成硫酸烟碱。烟碱广泛 应用于精细化工、制药、有机合成、农药等领域。烟酸即尼克酸，是所有维生素b 族中结构最简单、理化性质晟稳定的一种维生索，存在于肝、肾、肌肉、水果和蔬菜 内，是人体中不可缺少的组分，可用于制药、日用化工、染料行业及电镀行、韭等，其 最大的应用领域是作饲料添加剂。 综上所述，目前，国内外对烟叶利用的研究和报道虽然很多，但对烟秆利用的研 究却非常的少，主要集中在制造活性炭、提取化学原料、造纸、制板等方碗，并且多 数仍处于实验室阶段。随着我国经济的迅速发展，人们对环境保护的要求日益提高， 对这些技术的研究显得更为重要，国家必将加大投入，促进这些技术的产业化，这样 不仅可避免烟秆废料对农村环境的污染，而且能生产出附加值高的产品，提高农民的 收入，从而为实现我国农业经济的可持续性发展找到一条新的路子。 1 2 1 1 2 本研究的目的和意义 本研究的目的： 1 ) 获得烟秆原料的结构及性能( 包括原料化学组成，p h 值，缓冲容量，接触角 表面特征等) ，并分析其对于制造人造板等工业化利用的影响； 、 2 ) 通过单因素实验法探讨烟秆与木材混合制板的最佳工艺； 3 ) 探讨利用新型胶粘剂一异氰酸酯胶粘剂制板的胶合机理和工艺及产品优势； 烟秆原料及其制板性能的研究 4 ) 利用现代仪器分析手段对传统的脎醛树脂胶和新兴的异氰酸醅胶与烟秆的胶 合界面进行比较研究。 本研究韵意义 本研究以烟杆为主要研究对象，以原料自身特征、材料表蘑特征、生物学及化学 特征为出发点，通过研究烟秆原料的结构和性能及其对于2 e _ , l k 化利用的影响，为烟秆 废料利用的新模式一烟秆木材复台制板以及开发环保型烟秆板的可行性提供理论依 据。开发研制具有生态环保特征的木材，烟杆纤维复合材料，缓解术材原料供应短缺 所造成的压力，推进云南等西部地区术材工业原料及产品结构惘整，同时合理利用烟 杆废弃物，对进一步提高云南支柱产业的竞争力、加快民族地区脱贫致富也有积极的 现实意义。 2 烟秆原料的结构和纤维形态的研究 2 烟秆原料的结构和纤维形态研究 烟草( n i c o t i a n a ) 为茄科烟草属一年生植物，单叶，互生， 常有粘质柔毛。总数约1 0 0 种，原产于美洲，我国引种烟草很早， 产量颇大。烟秆为烟草成熟，烟叶收割完后剩余的秸秆废料。茎 直立，接近圆形，老熟时中空，基部木质化。一般茎高1 2 米， 茎秆直径约3 0 5 0 毫米，秆壁厚在5 1 5 毫米。成熟烟秆本身木质 化程度较高，优于其它很多农作物秸杆。【l 3 “】 2 1 实验材料和实验方法 2 1 1 实验材料 本实验采用的烟秆原料是产自云南省昆明市宜良，如左图， 直接从烟农手中购得。购买之前已经进行了超过两个月的晾晒，后又放置了将近一年 才进行下面的观察。故本研究并非对新鲜烟秆的研究，而是对用于生产刨花板的干烟 秆状态的研究。 212 实验方法 2 1 2 1 样品制备 选取一根烟秆，在靠近中部位置截取两段约1 5 0 0 r a m 的烟秆段，经浸泡2 小时 软化后，用徕卡s m 2 0 0 0 r 切片机将其中一个秆段加工出横切面，将另一个秆段加工 出弦切面和径切面。加工时用体视显微镜辅助观察加工面。根据扫描电镜对所观察样 品的尺寸要求，再将烟秆段进一步加工成厚度约为3 4 m m 的小样品，便于粘在电镜 观察台上并镀上导电金。注意不能破坏已加工好的三个观察面。 2 122 实验设备 本次实验是在三个地方完成的，所用的扫描电镜设备有所不同。包括华南农业大 烟秆原料及其制板性能的研究 学和昆明理工大学的x l - - 3 0e s e m 环境扫描电予显微镜，荷兰菲利浦电子光学有限 公司出品；云南师范大学的国产k y k y - 1 0 0 0 g 扫描电子显微镜。 2 12 ，3 实验步骤 将样品需观察的面朝上放入扫描电镜。华南农业大学的扫描电镜，样品需镀导电 金，观察的图片直接刻录进光盘；昆明理工大学的扫描电镜，样品来镀导电金，匿i 片 直接刻录进光盘；云南师范大学的扫描电镜，样品镀导电金，拍照后冲洗出相片，然 后扫描得到文中的图片。 2 。2 烟秆原料构造 本节中的数据主要摘自方文耗的烟草晋千的构造和纤维形态分析一文。 爝1 烟耕横切箍 f i g 1c r o s ss e c t i o n o r t r a n s v e r s e s u r f a c e o f t o b a c c os t e m 2 2 1 烟秆宏观构造 如图1 所示，从烟秆的横切面观察，由外向内可区分为三部分：一、最外层系皮 部( 又称烟皮) ，约占烟杆的1 6 ，如图2 ，3 所示，较薄，成层状构造；二、中间部 分系木质部( 又称烟骨) ，约占烟杆的7 4 ，在放大镜下可见管孔、轴向薄壁细胞和 术射线，为烟秆的主要组成部分，是制板的主要部分；三、髓腔组织( 又称髓心) ， 8 2 烟秆原料的结构和纤维形态的研究 约占烟杆的1 0 ，位于烟秆中心，如图1 ，图4 ，图版i 一5 。即烟秆空心部位的薄壁 细胞层，通常称为膜，呈不规则的椭网形，常随烟杆高度的增加而增大。胞腔大而壁 薄，干燥后常被破坏而形成丈的髓腔。为无用物，在制板时应尽量除去。 2 22 烟秆微观构造 2 2 2 1 韧皮部 烟秆皮由表皮，周皮和韧皮组成。表皮细胞为1 行，长方形或方形，脆腔大而壁 薄，周皮细胞颇为发达，位于表皮层内侧。韧皮部由筛管、韧皮纤维和轴向韧皮薄壁 细胞组成。韧皮纤维壁厚，约为1 9 “m ，排列不规则，细胞轮廓明显为多边形，直径 约为3 5um ，甚长，平均约为8 6 9 5 “m ，端部锐尖，量多。轴向韧皮薄壁细胞形状不 规则，较少，形体明显大于其它细胞。韧皮射线未见。 2 ，22 2 本质部 烟草杆的木质部结构较简单，主要由导管、木纤维( 或称烟秆纤维) 、术射线和 轴向薄壁组织缎成。烟秆散孔材( 图版i 1 ) ，导管横切面成多角形、圆形、椭圆形 ( 图版i 1 ，i 一3 ，i 一4 ) ，占木质部体积的1 75 。管孔由单管孔和由2 0 个径 向复管孔组成，管孔散生和径向排列( 图版i 一1 ，i 一3 ，i 一4 ) 。导管分子单穿孔， 卵圆形( 图版i 一7 ) ，导管壁上无螺纹加厚，导管内无侵填体和树胶。管问纹孔互列， 椭圆形，纹孔口内含( 圈版i i 一3 ) 。轴向薄壁组织量少，约占术质部体积的8 4 ， 环管状，节状加厚不明显，含少量树胶，无结晶体( 图版i 一2 ，i 一3 ，i i 一2 ，i i 一4 ) 。木纤维略呈径向排列，多边形( 图i 一5 ，i 6 ) ，壁上系具缘纹孔，属纤维 状管胞，直径约2 7 4 m ，壁薄，约1 1h m ，平均长度约1 0 4 5 t t m ，端部尖削，占木质 部体积的6 4 1 。本射线细，单列射线较少，多列射线宽2 - 4 个细胞，多数2 细胞 ( 图i 一3 ，i - - 5 ，l i - - 2 ，i i 一4 ) ，同型射线，含少量方型细胞( 图版i i i 一2 ，3 ，4 ， 6 ) ，含少量树胶，无结晶体( 图版i i 2 ，图版i i 一4 ) ，占木质部体积的1 0 。总胞 壁率为3 3 9 在不同高度上，随着娲杆高度的增加而减小。另由图版i 3 所示为 靠近皮部的烟秆横切面，图版i 4 所示为靠近髓心的烟秆横切面，将两个图对比， 我们可以看出，靠近髓心的术纤维壁显然比靠近皮部的木纤维薄+ 薄壁细胞量增加， 木射线不明显。另从弦切面可以看到烟秆中有大量的内含物，尤其是薄壁细胞中居多。 9 烟秆原料及其制板性能的研究 经过蕊察发现，烟秆是一年生植物，不存在年轮。在横断面上观察，细胞大小， 胞壁厚度差异小，故材质均匀。 烟秆本身木质化程度较高，优于稻草、麦秸等其它很多秸杆材料。并且其韧皮强 度远低于棉秆韧皮强度，干燥的烟秆在制板时不会给备料工序造成障碍。 2 3 烟草秆纤维形态分析 2 3 1 直径比率和组织比率 烟皮纤维约占烟皮体积的1 9 1 ，烟骨纤维约占烟骨体积的6 41 。烟草杆利用 的主体是烟骨纤维。烟草杆本质部( 烟骨) 的直径比率和胞壁率，均随烟草杆高度的 增加而递减，这与烟草秆纤维双壁厚度随蒜高度的增加而减小有关。烟骨纤维不论体 积率或重量率，在不同高度上，皆以烟杆中部纤维最大，分别为6 63 和6 8 7 ，烟 骨中部纤维在利用上占有重要的地位。见下表： 表2 烟草秆组织比率( ) t a b l e2t i s s u ep r o p o r t i o no f t o b a c c os t e m 2 3 2 纤维率比较 o 2 烟秆原料的结构和纤维形态的研究 烟骨纤维的体积率为6 4 1 ，杂细胞( 纤维以外的所有细胞) 的体积率为3 5 9 ； 全部位纤维的体积率为5 8 5 ，杂细胞的体积率为4 15 。与一些禾本科纤维植物比 较，烟草秆类似于芦苇、荻、甘蔗渣和麦草，而高于稻草、芦竹、玉米秆、高粱秆的 纤维含量，这充分说明烟草杆纤维具有禾本科某些纤维植物相同的利用价值。 2 3 3 纤维长度 烟草杆的纤维长度为：烟皮约8 6 9 5u m ，烟骨1 0 4 5u m ，前者比后者约大83 倍。 烟皮纤维或烟骨纤维的长度，都是随着烟杆高度的增加而增加，最大值位于烟杆的中 部位置，再往上则逐渐减短。 一般针叶材管胞长度的变异幅度很大，多数树种管胞的长度在3 0 0 0 5 0 0 0 m m ， 长宽比约为7 5 2 0 0 ，平均为1 0 0 。阔叶材木纤维一般长5 0 0 2 0 0 0um 。 表3 烟草秆纤维长度和腔壁厚度( 单位：l am ) t a b l e3f i b e rl e n g t ha n dt i s s u ew a l lt h i c k n e s so f t o b a c c os t e m ( u n i t ：p n 2 34 纤维宽度和胞壁厚度 烟秆原料及其制板性能的研究 纤维宽度和胞壁厚度均随烟杆高度的增加而递减，其中烟皮的纤维双壁厚度比烟 骨大2 倍多，而且恰是其胞腔直径的2 倍。这表明烟皮纤维壁厚而腔小，当受到外力 作用时，不易溃陷、变形和压扁。因而不利于增大纤维的表面积，提高结合力。从表 中知，烟秆木质部纤维宽度平均为2 7um ，我国阔叶材的木纤维直径大都在2 0 um 左右，4 0um 以上的很少。烟秆木质部纤维双壁厚度为1 1um ，阔叶材双壁厚度以 4 - 1 0u m 之间，最多不超过1 6un l 。 2 3 5 纤维比值 烟草杆纤维的长宽比值，无论是烟皮还是烟骨，均呈现为随烟杆高度的增加而增 大，但达到最大值后则逐渐减小。表中数据显示，烟秆木质部纤维的长宽比值为3 9 ， 阔叶材木纤维长宽比值为3 0 ，1 5 0 ，平均7 5 。纤维壁腔比的比值，烟皮为随烟杆高度 的增加而减小，烟骨则相反，是随高度的增加而增大，达虽大值后又减小，烟秆木质 部纤维壁腔比为o 6 7 。 2 3 6 纤维柔性系数 纤维胞腔直径与其直径之比，称为纤维的腔径比，又称纤维柔性系数，这是表明 纤维柔性程度的指标。烟草秆纤维的柔性系数，烟皮纤维为o 4 6 ，烟骨纤维为o 6 0 ， 全部位纤维为o 5 0 。高于红麻( o 4 6 ) 、柳桉( 0 4 5 ) 、健杨( o4 2 ) 等，接近于友桉 ( o 5 5 ) 、湿地松( o 6 0 ) 、马尾松( 06 0 ) 等造纸原料。这表明烟草秆纤维的开发利 用具有广阔的前景。 2 37 纤维分级比率的分布 对烟草秆纤维的长度和宽度进行分级，并计算各级别所占的百分比，可以看出， 烟草秆纤维长度和宽度分级百分比率的分布范围，烟皮纤维长度为2 2 0m r r l ，最大频 率值为1 0 - 1 5 m m ，宽度为1 0 8 5um ，最大频率值为2 5 - 4 0um 。而烟骨纤维长度为 0 5 30m m ，最大频率值为o5 一l m m ，宽度为l o 一7 0 “m ，最大频率值为2 5 3 0 “i n 。 全部位纤维长度为0 5 2 0l q l l n ，宽度为1 0 8 5um 。其长度和宽度的最大频率值，皆与 2 2 烟秆原料的鲒构和纤维形态的研究 烟骨纤维的一致。可以看出，烟皮纤维长度与烟骨纤维长度的差异