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吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性试验研究 摘要 由于我国经济建设的快速发展，对木材的需求越来越大，但木材资源匮乏的现状却 令人担忧。然而，我国却是农业大国，农作物种类繁多，分布较广，开发利用农作物秸 秆作为人造板原料，不仅能够代替木材，缓解木材供需矛盾，保护森林资源，也可以繁 荣农村经济，增加农民收入。 目前，国内外对稻草、麦秸等农业剩余物的特性、制造非木质人造板的工艺条件和 经济可行性已经作了大量研究，有些已经投入生产，但对以玉米秸秆为原料制造秸秆板 的技术及工艺条件的探索研究较少，而且暂无成型生产线。在查阅大量资料的基础上， 从玉米秸秆的宏现构造特性、微观构造特性、纤维形态特性和化学组成特性上分析，以 玉米秸秆皮为刨花原料生产秸秆板都具有充分的可行性。经研究乖试验分析表明：玉米 秸秆通过皮穰分离技术，将其去穰取皮后，经过适当工艺处理，可以制成满足国标要求 的秸秆板材。 在热压过程中，影响秸秆板性能的因素有很多，如秸秆板密度、施胶量、热压温度、 热压压力( 预压压力) 、热压时间( 预压时间) 、原料刨花形态、原料刨花含水率等。本 文对每个参数对板材性能的影响都做了详细分析论述。根据相关资料及专业经验，通过 分析玉米秸秆皮的加工特性，结合刨花板实际加工工艺，设定秸秆板密度、施胶量、热 压温度和热压压力为变量因素，预压压力、预压时间、原料刨花形态、原料刨花含水率 等因素为固定因素。按照正交表1 9 ( 3 4 ) 进行正交试验，探究最优组合工艺参数。 参照刨花板的g b t 4 8 9 7 - - 9 2 测试标准，检测秸秆板静曲强度( m o r ) 、内结合强度 ( i b ) 、2 h 吸水厚度膨胀率( 2 h t s ) 和实测密度( p ) 四项物理指标。根据试验所得指标 值，对正交试验结果进行方差分析，优化出最佳工艺组合条件，确定实测密度和施胶量 是影响秸秆板物理力学指标的重要因素。在一定范围内，秸秆板材的物理力学性能指标 随着密度和施胶量的增加而增大，但超过一定范围后，其指标会随着密度和施胶量的增 加而减小。热压温度和热压压力对其也有一定影响，板材性能指标在一定范围内也随着 温度和压力的增高而增大，超过一定范围后，会随其增加而减小。但显著性不如前两个 因素明显。 对优化出的最佳工艺组合条件进行验证试验，结果表明：优化结果基本# j - 确的。 通过该种工艺压制而成的玉米秸秆板的物理力学性能指标能够满譬_ g b t 4 8 9 7 9 2 中规定 b 级板材数值要求。 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性试验研究 在借鉴参考资料和理论分析的基础上，建立了玉米秸秆板的吸水厚度膨胀率随时间 变化的数学模型。依此模型，可通过做单因素重复试验，测试秸秆板吸水厚度膨胀率与 时间的关系图表，对其进行回归得出a 、b 、，进一步分析各个因素对吸水厚度的影响 关系曲线，且能够从回归方程中得出该模型的适用范围。 关键词：玉米秸秆皮穰分离秸秆板加工特性正交试验 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性试验研究 a b s t r a c t n o w a d a y st h ew o o d sa r ei ng r e a t e rn e e dw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f o u re c o n o m y 。i ti sa t v a r i a n c ew i t ho b j e c t i v ew o o dr e s o u r c e s 。h o w e v e r ，w eh a v ep l e n t yo fa g r i c u l t u r a lw a s t e 。 t u r n i n gt h es c r a pm a t e r i a l st oa r t i f i c i a lb o a r dn o to n l yt a k e st h ep l a c eo fw o o d ，r e l i e v e st h e c o n t r a d i c t i o n sb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n db u ta l s oi n c r e a s e st h ef a r m e r s i n c o m e ，b r i n g s a b o u tp r o s p e r o u se c o n o m y 。i ta l s oc a np r o t e c tt h ef o r e s te n v i r o n m e n t 。 t o d a yt h es c h o l a r sd i dm u c ha b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c 、t e c h n o l o g yo fr i c es t r a w 、w h e a t s n 甚w ，e t c b u td i dl i t t l ea b o u tc o r n s t a l k 。b a s e dt h es t u d ya n da n a l y s i so f t h et r i a l ，t h eo u t e r b a r ko fc o r n s t a l kc a l lb ea c q u i r e db yu s eo ft h es k i ns t a l ks p l i t t e r sa n dt h e ya l s oc a nb e c o l l e c t e dt om a k ec o r n s t a l kb o a r d s 。a n a l y s e df r o mc h a r a c t e r i s t i c so f m a c r o - c o n s t r u c t i o n ，t h e e x t e r n a lf o r mo fv e g e t a b l ef i b e ri sv e r ys m a l la n dw e l l - d i s t r i b u t e d 。1 1 l eo u t e rb a r ki s c o m p a r a t i v e l y h a r d a n d f u l lo f p a r a f f i n w a x o n a c c o u n to f s i 0 2 。a l t h o u g h t h es p o n g y i n t e r n a l s t r u c t u r eo fc o r n s t a l kh a sam i n o rd e n s i t y ，t h ed e n s i t yo f s h a v i n g sw i l lb em u c hg r e a t e ri f t h e s h a v i n g sa r ep r o d u c e db yt h eo u t e rb a r ko fc o r n s t a l k 。i tw i l ld om a n yg o o dt ot h em e c h a n i c s t r e n g t h 。a n a l y s e df r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o c o n s t r u c t i o n ，t h eg r a s sf a m i l ys u c ha s c o r n s t a l ka r ec o m p o s e do f m a n yt i s s u e sa n dt h e yh a v es h o r t e rf i b e r s 。b u tt h ec o n t e n to f f i b e r c e l l si se q u i v a l e n tt ot h a to fs o m ew o o d s 。t m si sv e r yi m p o r t a n tf o rc o r n s t a l kt ob ep r o d u c e d t oa r t i f i c i a lb o a r d s 。c o m p a r e dw i mw o o d ，t h ef i b e r s t h i c k n e s so f c o r n s t a l ki sn o ts u i t a b l ef o r m a k i n ga r t i f i c i a lb o a r d s 。n es t r e n g t hw i l lb ew e a k e n e db yt h es m a l lp a r t i c l e sw h e nt h e b o a r d sa r ei np r o d u c t i o n 。i f t h el e a f sa n dt h ep u l po f c o r n s t a l ka l ea b a n d o n e d ，t h eb o a r d sa r e o n l ym a d eo f t h eo u t e rb a r ko f c o m s t a l k ，t h e yw i l lh a v eg r e a t e rs t r e n g t h 。 b a s e do nt h ep r o c e s se n g i n e e r i n go fp a r t i c l eb o a r d ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h e nt h e c o r n s t a l kb o a r d sa r ei np r o d u c t i o n 。f o re x a m p l e ，t h ed e n s i t yo f c o r n s t a l kb o a r d 、t a n n i cr a t i o 、 w o r k i n gt e m p e r a t u r e 、w o r k i n gf o r c e 、t h es h a p eo fs h a v i n g s ，e t c 。w eh a v ee x p o u n d e do u r v i e w so ne v e r yt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r 。a c c o r d i n gt ot h er e f e r e n c em a t e r i a l sa n d e x p e r i e n c e ，t h el e a d i n gf a c t o r sa r et a n n i cr a t i o 、d e n s i t y 、w o r k i n gt e m p e r a t u r e 、w o r k i n gf o r c e i nm u l t i f a c t o ro r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，t h e o t h e rf a c t o r sa r ef i x e d 。a f i e rt h em a s s m e a s u r e m e n to fs h a v i n g sa n dt a r n t i cw e r ee x a c t l yd e t e r m i n e d ，w eb e g i nt oc a n yo u tt h e e x p e r i m e n to nt h eb a s i so fl 9 ( 3 4 ) m u l t i f a c t o ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t 。w h e nw ea r e i i i 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性试验研究 d e t e r m i n i n gt h em e c h a n i cs 打e n g t ho fc o r n s t a l kb o a r d ，t h eg b t 4 8 9 7 9 2f i x e dt op a r t i c l e b o a r d i s e m p l o y e d 。w e n e e d t o d e t e r m i n e f o u r t a r g e t ss u c ha ss t a t i c b e n d i n gs t r e n g t h ( m o r ) 、 f l u s ht e n s i l es t r e n g t h ( i b ) 、d e n s i t y ( o ) a n de x p a n d i n gr a t eo nt h et h i c k n e s s ( 2 h t s ) ad u r i n g t h et r i a lw e g o tt h ec b r v eo f e v e r yf a c t o ra n dt a r g e t ，f u r t h e r m o r e ，t h ee f f o a sw e l ec o n c e n t r a t e d o n d i s c u s s i n g t h e i n f l u e n c e o f l e a d i n g f a c t o r s t oe v e r y t a r g e t a a c c o r d i n g t oo p t i m u m w o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h ec o n c l u s i o nw a sv e r i f i e d 。u n d e rt h ep r e s e n tc k c u m s t a n c e so fl a b o r a t o r y ， w ed e v i s e da n dm a d et h e h e a t i n gp l a t e 。t h e nt h ea u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g i n s t a l l a t i o nw a s a c q u i r e d 。 t h ec o n t e n t sa b o v ew a s j u s tp r e l i m i n a r yd i s c u s s i o na b o u tt e c h n i c a lp r o c e s so fc o r n s t a l k b o a r d 。t h ef u r t h e rr e s e a r c hw a sn e e d e d 。 k e yw o r d s ：c o r n s t a l k s k i ns t a l ks p l r t e rc o r n s t a l kb o a r d p r o c e s s i n gc h a r a c t e r m u l t i - f a c t o ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t 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 他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得吉林农业大学或其他教育机 构的学位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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意， 学位论文作者签名：赵一善签字日期：础f 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即 吉林农业大学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。本人授权吉林农业大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进彳亍检索，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：趣岳 签字日期：知年，月7 。日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：己0 望 签字日期：砌r 年厂月2 f 日 电话： 邮编： 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性实验研究 第一章绪论 1 1 开发利用农作物秸秆板的目的及意义 1 1 - l 我国木材资源匮乏 木材在人类历史上有着举足轻重的地位，被广泛应用于建筑及房屋装修、家具制造、 造纸行业等方面。相对于钢材、水泥和塑料这三大材料，木材更独具优势，其美丽的纹 理、悦目的材色和加工方便的特性极其适合人类生理和心理的需要。 如表1 1 ( 2 0 0 1 2 0 0 2 年全国各行业木材消耗量) 所示：近年来，由于经济建设的 快速发展，我国对木材的需求越来越大，但我国木材资源的现状却是令人担忧的。据统 计，我国现有林地面积2 6 3 亿h m 2 ，森林面积1 5 9 亿h i i l 2 。居世界第五“1 。但我国却是 世界上人均森林资源最少的国家之，我国人均森林面积仅0 1 2 6h m 2 ，相当于世界平 均水平的2 0 ( o 6 5h m 2 ) ；我国森林覆盖率1 6 5 5 ，仅居世界1 2 0 位，远低于世界平 均的2 5 ；人均森林蓄积量9 0 4 8 3 ，仅是世界平均水平( 7 2m 3 ) 的1 2 5 。同时由 于地域广阔，全国森林资源分布失衡，天然林集中分布在东北和西南地区，西北、华北 和华中地区严重缺乏木材资源，而正是这些缺林的地区，由于经济的飞速发展，对木材 的需求尤为迫切。 表1 12 0 0 1 2 0 0 2 年全国各行业木材消耗量l 删 t a b l e1 1 c o n s u m p t i o no f w o o di nc h i n a ，2 0 0 1t o2 0 0 2 2 0 0 l ( 万m 3 ) 2 0 0 2 ( 万m 3 )增减量( 万m 3 )增减( ) 建筑及房屋装修用材 5 4 0 05 9 0 05 0 09 3 家具用材2 7 0 0 2 9 0 02 0 07 4 造纸用材7 5 0 08 1 0 06 0 08 农业及农村建筑用材5 8 0 0 5 9 0 01 0 01 7 其他用材3 6 0 03 7 5 01 5 04 1 总计2 5 0 0 0 2 6 5 5 01 5 5 06 2 受林木蓄积量的影响，我国国产木材产量也逐年减少。目前，我国国产木材主要由 国家计划产量、计划外超采部分、农民自采自用未进入商品流通三部分组成。表1 2 ( 1 9 9 5 2 0 0 2 年全国木材产量) 介绍的是国家计划产量部分。东北四大国有林区，通过 几年调整和对市场经济的适应，木材资源虽大幅调减，但由于增加了木材加工能力，提 高了木材综合利用效率，木材销售畅快，价格上扬明显。优质阔叶材如柞木、楸木、水 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性实验研究 曲柳等已无现货可供，椴木、杨木、桦木稍差，但也畅销。南方林区也销售顺畅，价格 上扬，特别是松原木，货紧价俏，供不应求。过去滞销的衫木也销的不错，价格稳中有 升。传统木材产区以外的中原地带及西北等地区，人工林杨木也己达到供不应求的状态。 表1 21 9 9 5 2 0 0 2 年全国本材产量口、9 f t n h i e1 2p r o d u c t i o no f w o o dl nc h i n a 1 9 9 5t o2 0 0 2 年度产量( 万m 3 )增减( ) 1 9 9 56 7 6 7 2 3 1 9 9 66 7 1 0o 8 1 9 9 76 3 9 54 7 1 9 9 85 9 6 6- 6 7 1 9 9 95 3 2 7- l o 7 2 0 0 04 7 2 4- 1 1 3 2 0 0 14 5 5 2 - 4 3 2 0 0 24 4 3 6- 2 5 目前，解决木材资源短缺的办法主要是大力营造人工林和木材进口两种。据统计， 我国现有人工林约0 4 1 4 亿h m 2 ，居世界第一。但人工林资源也远远不能满足人造板工 业以及其他行业对木材的需求。 如果依赖木材迸口，则更不是长远的办法，这是因为： 第一，进口数量有限。自1 9 9 8 年我国发生罕见洪涝灾害，1 8 个省份天然林禁伐后， 我国木材进口量猛增，如表1 3 ( 1 9 9 3 2 0 0 2 年进口木材表( 万m 3 ) ) 所示。但进口量 对我国市场的需求来讲还是杯水车薪，无法从根本上解决问题。 表1 31 9 9 3 2 0 0 2 年进口木材表( 万m s ) 1 4 49 i t a b l e1 3i r a p o r to f w o o di nc h i n a ，1 9 9 3t o2 0 0 2 1 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 针叶材1 5 7 - 31 3 0 56 1 76 5 39 5 51 4 7 94 5 4 。86 3 9 79 1 4 21 5 7 8 阔叶材1 8 8 62 0 31 9 6 62 5 3 ，33 5 0 73 3 4 ，15 5 8 87 2 1 57 7 2 18 5 5 锯材1 2 0 ，8 8 9 68 5 19 3 31 3 2 51 6 82 1 7 83 6 3 64 0 4 5 3 9 6 胶合板 2 2 2 92 l o 92 0 8 31 7 7 71 4 8 91 6 91 0 4 21 0 0 36 5 16 3 6 合计 3 4 5 93 3 3 52 5 8 ，33 1 8 64 4 6 24 8 21 0 1 3 61 3 6 1 21 6 8 6 32 4 3 3 第二，进口成本偏高。我国进口木材的国别从临近的东南亚、俄罗斯等国远至北美、 南美等地区，成本都很高。例如，2 0 0 2 年我国仅从印度尼西亚进口木材就达6 0 万m a ， 2 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性实验研究 金额1 亿2 千万美元，约1 0 亿人民币，代价很大。而2 0 0 1 2 0 0 2 年间，我国进口原木 的金额更是达到l o 亿美元。 第三，国际影响不佳。最近国际上一些生态保护组织对我国大量进口热带原木颇有 微词，世界野生动植物基金会认为我国进口的木材中有1 3 是非法采伐，非法贸易的， 这给国家声誉造成很不好的影响。 第四，国外出口趋减。出于对生态的考虑，目前印尼已禁止原木出口，柬埔寨、缅 甸及非洲一些国家也都提出要限制原木出臼。而森林保护的全球化更是使得越来越多的 国家考虑削减原木出口量，今后木材进口的难度将逐渐增大脚。 木材人造板曾是解决我国木材供需矛盾的有力手段。1 9 8 0 年以来，我国人造板产量 基本呈逐年递增趋势，如表1 4 ( 全国人造板产量) 所示。但这种增长其实掩盖不了业 界已产生的原料危机，目前有许多人造板厂因为原料供应的缺乏或是原料成本过于昂贵 已处于停产状态，这就使得我们迫切需要找到一种合适的原料来代替或部分代替木材， 才能保证我们人造板行业的持续发展。 表1 4 全国人造板产量( 1 9 8 1 2 0 0 1 年) 1 3 1 | t a b l e1 4p r o d u c t i o no f w o o d b a s e dp a n e l si nc h i n a , 1 9 8 1t o2 0 0 1 时期人造板总产量( 7 m 3 )胶合板( 万n 1 3 )纤维板( 万m 3 )刨花板( 万m 3 ) 1 9 8 19 9 6 13 5 1 15 6 8 37 6 7 1 9 8 31 3 8 9 5a 5 4 87 3 4 51 2 7 4 1 9 8 51 6 5 9 35 3 8 78 9 5 01 8 2 1 1 9 8 82 8 9 8 88 2 6 91 4 8 4 14 8 3 1 1 9 9 02 “6 07 5 8 71 1 7 2 4 4 2 8 0 1 9 9 24 2 8 9 01 5 6 4 71 4 4 ，4 51 1 5 8 5 1 9 9 46 6 4 7 22 6 0 6 21 9 3 0 31 6 8 2 0 1 9 9 61 2 0 3 2 64 9 0 3 22 0 5 5 03 3 8 2 8 1 9 9 81 0 5 6 3 34 4 6 5 22 1 9 5 l2 6 6 3 0 2 0 0 02 0 0 1 6 69 9 2 5 45 1 4 4 32 8 6 7 7 2 0 0 l2 1 1 0 8 29 0 40 65 7 0 1 l3 4 4 5 3 1 1 2 我国秸秆资源丰富 我国是农业大国，农作物种类繁多，数量巨大，分布广泛。根据有关资料统计，我 国年产农作物秸秆约7 亿t ，其中稻草2 3 亿t ，玉米秸秆2 2 亿t ，豆类和秋杂粮秸秆 1 0 亿t ，其它1 0 亿t ，有人称之为“第二森林”“1 。扣除秸秆还田及收集损失，可得 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性实验研究 秸秆约5 6 6 亿t 。其中，玉米秸秆产量稳定，分布较广，可作为人造板企业生产原料。 目前，我国农作物秸秆的用途主要是还田作肥料，干储作燃料，青贮或微贮作饲料 和工业用作为造纸原料。据统计，造肥还田及其收集损失约占1 5 ，作燃料约占3 2 ， 作为饲料约为2 5 ，再除去工业用的不到3 的量，尚余2 5 未得到应用“”。农民为了 解决闲置秸秆，往往就地焚烧，这不仅浪费资源，而且带来环境污染和交通隐患。“草 污染”的问题已引起国家的密切关注，1 9 9 9 年国家环保总局颁布秸秆焚烧和综合利用 管理办法，明令禁止在机场、铁路、高速公路，以及国道、省道公路干线附近焚烧秸 秆，并鼓励大力推广机械化秸秆还田、秸秆饲料开发、秸秆气化、秸秆微生物高温快速 产肥，以及秸秆工业原料开发等综合利用。显然，开发利用农作物秸秆作为人造板原料， 对其进行工业利用将能消耗大量闲置秸秆，是利国利民的好事。 此外，我省是农业大省，粮食播种面积达6 8 0 0 多万亩。加之吉林省地处松辽腹地， 为玉米生产提供了天然的优势条件，玉米种植面积达4 3 0 0 万亩，平均每年玉米产量为 3 0 0 亿k g 以上，经换算玉米秸秆产量约为4 5 0 亿k g 。因此，在我省进行此类项目的研 究开发，有利于发展地方经济，为农民增加收入，更具有实际意义。 1 1 3 开发利用秸秆有利于环境保护和可持续发展 传统的观念把森林问题与一些生态环境问题如温室效应、物种保护、水土流失、土 壤退化、大气污染、水资源危机等相提并论。现代生态学的发展，认识到森林是全球生 态环境问题的核心，因为森林的破坏，直接或间接对上述生态环境问题产生影响，导致 或加剧上述问题的发生。历史事实证明，森林是人类和人类文明的摇篮，广袤的森林促 成人类文明的形成与发展；森林的衰退也能使千年文明毁于一旦。因此，生态环境保护 成了全世界普遍关注的重心。+ 5 。可见，如果生产人造板的原料仍以木材和木材采伐剩 余物为原料，将会造成新的木材资源危机和林业资源的破坏。面对如此严峻的形势，除 了大力营造人工林和高效利用现有森林资源外，积极拓宽不依赖于木材资源的代用原料 生产人造板，缓解森林资源危机，是无可非议的选择。 我国于1 9 9 4 年3 月发布了中国2 1 世纪议程一中国2 l 世纪人口、环境与发展白 皮书，向全世界宣布了我国促进经济、社会、资源与环境相互协调和可持续发展的总 体战略、对策及行动方案。从而，可持续发展的方针成为我国的一项基本国策，成为一 切工业部门考虑问题的基本出发点。1 。建国以来，我国曾提出过“以钢代木”和“以塑 代木”等措旌，它对缓和木材供需矛盾起过一定作用，但从目前立足于可持续发展的观 点来看，却称不上是一个好办法。首先，钢和塑料是高能耗的产品，假设生产锯材的能 耗为1 ，那么生产等量钢材的能耗则为4 0 ，塑料为3 0 ，水泥为5 ：其次，我国也不是一 个能源资源丰富的国家，煤、石油实际上是不可再生的资源，如果生产大量的钢、塑料 4 一亘苎查些查兰堡主兰垒堡兰至鲞焦堑堡垫三堑堡塞墼翌窒 等去代替木材，在解决木材资源短缺的同时，我们有会面临能源危机“。人类可利用的 可再生资源主要是植物，包括农作物秸秆等，一切农作物的再生周期为一年或不到一年。 从利用效率和利用成本来说，以农作物秸秆为原料最有利。再者，农作物与人类共存， 人口越多，需求的农作物也越多，相声相息，永不枯竭。这一属性足以证明农作物的巨 大利用价值和在实现人类可持续发展方针中的重要地位。 总之，利用农业剩余物为原料生产人造板不仅能够代替木材，缓解木材供需矛盾， 保护森林资源，而且可以繁荣农村经济，增加农民收入，加快农村脱贫致富的步伐。利 用我国丰富的农业剩余物资源，开发非木质人造板，变废为宝，具有良好的社会效益、 经济效益和生态效益。 1 2 国内外农作物秸秆板加工业的发展与现状 国外2 0 世纪初已开始利用农作物秸秆发展人造板生产。早在1 9 4 8 年，比利时就建 成了世界上第一条亚麻屑碎料板生产线。而后在欧洲、拉丁美洲、北美洲等地区相继建 成投产一批以亚麻屑、甘蔗渣等为原料的人造板工厂“3 。1 9 7 0 年，联合国工业发展组织 主持召开了非木质人造板学术讨论会。此后，以农业剩余物为原料的碎料板厂、硬质纤 维板厂和中密度纤维板厂遍部世界各地。世界很多国家都投入了较大力量发展非木质人 造板并颁布了有关产业政策。如印度政府1 9 9 3 年4 月实施了一项禁止将实木用于建筑 的法律，旨在推动农业剩余物为原料的人造板。现在印度已经有多家非木质人造板厂， 并能生产高质量的甘蔗渣板、稻草板等人造板。目前，世界的非木质人造板的总产量已 经达到世界人造板总产量的百分之十以上。那些较早利用农业剩余物生产人造板的国家 已经形成了规模生产，并同时取得可观的经济效益。比如，在比利时，以亚麻为原料的 刨花板一度占刨花板总产量的一半以上“1 。 在原料加工对象方面，九十年代初期，中欧地区主要采用亚麻和大麻屑，热带地区 主要采用甘蔗渣。现在，以麦秸为原料生产人造板在北美与欧洲已经形成一种强劲的态 势。在麦秸人造板方面，克瓦纳一比松公司具有领先的生产技术及设各制造水平。克瓦 纳集团公司是一个跨国公司，注册在挪威，主要从事造船业以及人造板生产设备的制造。 目前很多大型的麦秸人造板生产线都是由该公司设计的，如北美北达科塔洲的p r i m e b o a r d 公司、加拿大曼尼托巴的i s o b o a r d 公司。p r i m eb o a r d 公司于1 9 9 5 年7 月开始 投产，采用美国i c i 公司开发的m d i 胶作胶粘剂，每年用5 0 0 0 0 t 的麦秸生产5 3 1 0 0m 3 的高质量麦秸人造板。i s o b o a r d 公司于1 9 9 8 年8 月建成，年产1 8 万m 3 、板厚6 2 8m m ， 第一条使用连续压机的麦秸人造板生产线，这也是世界上最大的一条麦秸人造板生产 线。英国c e m l p a r k 的公司在8 0 年代末期就着手研制麦秸人造板的生产设备，与1 9 9 5 年 向澳大利亚提供了两条麦秸人造板生产线，1 9 9 7 年又进入了北美市场”1 。目前c o m p a r k 吉林农业大学硕士学位论文 j 丘米秸秆板加工特性实验研究 公司可生产出厚度至2 8 r a m 的麦秸人造板。另外，北美又另有1 0 多个麦秸人造板厂在建 或已经投产，年生产能力在6 0 0 0 2 6 5 0 0 一。 我国开发农业剩余物生产非木质人造板始于2 0 世纪5 0 年代末。通过数十年的研究 与探索，这种板的资源利用、产品种类、生产规模、工艺技术、性能质量、检验标准等 都得到了不同程度上的发展与提高。迄今，我们的非木质人造板厂厂家已经达到2 1 0 家 以上，设计能力年产5 0 万n 1 3 。在工艺技术方面，已先后研制成功了以竹材、亚麻屑、 棉秆、甘蔗渣、豆秸、烟秆、谷秆、葵花秆和芦苇等十多种非木材植物纤维为原料的人 造板，板材性能可达到相应的木材植物纤维人造板标准。在设备制造方面，已经能生产 年产5 0 0 0 - 1 5 0 0 0m 3 板材的成套设备。通过对国外先进技术的消化吸收，也初步具备了 年产3 万m 3 的成套设备的能力。1 。此外，我国还开发了无胶人造板，并已经建成以甘蔗 渣为原料的无胶中密度纤维板厂。但由于受到胶粘剂的限制，开发麦秸、稻草等为原料 生产人造板的技术尚不完善，利用玉米秸秆制板的技术很少。现在，国内以麦秸为原料 的小型造纸厂因水污染被关闭，开发生产玉米秸秆人造板的已成为当务之急。在这方面 已经取得成效的东北林业大学与上海人造板机器厂，他们联合开发的国内第一条年产3 万m 3 麦秸刨花板生产线即将试产“1 。 1 3 本研究的目的与特色 根据上述内容，可以发现：目前我国对稻草、麦秸等农业剩余物的特性、制造非木 质人造板的工艺条件和经济可行性已经作了大量研究，有些已经投入生产，但对以玉米 秸秆为原料制造秸秆板的技术及工艺条件的探索研究进行较少，而且暂无成功生产的应 用。 本研究的创新点就在于： ( 1 ) 在前人对其它原料、制板工艺等研究基础之上，定位于采用玉米秸秆为原料 的制板工艺的探索和优化。 ( 2 ) 通过皮穰分离技术，将玉米皮分离出来，作为板材原料，提高秸秆板的物理 力学性能。 ( 3 ) 在胶粘剂的选择上，本试验选用的是落叶松单宁树脂胶，它具有胶合强度高、 防水性好、低毒环保、使用方便等特点，使用该种胶粘剂有利于消费者健康，降低环境 隐患。 6 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性实验研究 第二章玉米秸秆板加工特性分析与参数的确定 2 1 以玉米秸秆皮为原料生产秸秆板的可行性分析 2 1 1 宏观构造特性 秸秆类非木质植物纤维原料一般外形较小，相对匀称，外表层有的因s i0 2 的含量高 而较坚硬且分布有一层蜡层，秸秆内部质地松软，密度较小。玉米秸秆经自然风干或人 工干燥后，皮穰分离不同，会形成自然分离层，易于通过皮穰分离机进行分离。玉米秸 秆经过皮穰分离后，再经制备成原料刨花，其密度较分离前的值大有提高，这就大大的 提高了加工后的板材的力学强度。并且，原料运输时，秸秆类物质应按一定的规格形状 打包或打捆装运，以减小体积。贮存要求场地面积大、地面平坦且严格留有防火道。 2 1 2 微观构造特性 秸秆类禾本科植物的横切面由维管束组织、薄壁组织和表皮组织构成，其纤维细短， 非纤维细胞较多。比较纤维细胞含量，麦草为6 2 1 ，稻草为4 6 o ，玉米秸秆为3 0 8 ，高梁秆为4 8 7 ，棉秆( 去皮) 为7 0 5 ，芦苇为6 4 5 ，甘蔗渣6 4 3 “1 。可 见大多数非木质原料的纤维细胞含量接近于阔叶材，这是上述原料能应用于纤维板和碎 料板生产的先决条件。 表2 1 几种非木质原料与术材原料纤维细胞含量对比“” t a b l e2 1c o m p a r i s o no f f i b e rc o n t e n to f s o m e n o n - w o o dm a t e r i a l sw i t hw o o dm a t e r i a l s 细胞 纤维 薄壁细胞( )导管表皮细胞 原料 ( ) 秆状非秆状 ( )( ) 部分针叶材 9 8 9 8 51 5 1 8 部分阔叶材7 3 8 2 4 1 5 5 0 1 2 6 2 5 2 玉米秸秆 3 0 88 ，05 5 64 01 6 甘蔗渣6 4 31 0 61 8 ，6 5 - 31 2 麦秸 6 2 11 6 61 2 84 82 3 稻草4 6 06 14 0 41 36 2 2 1 3 纤维形态特性 纤维形态影响板材的物理力学性能，特别是对强度的影响较大。胞壁厚度、腔径大 7 一! 苎墨些查堂堡主堂垡堡塞 至鲞堕堑堡塑三堑堡塞墼堕塞 小及壁腔比是衡量纤维形态的主要特征值。与木材相比，非木材植物纤维的纤维平均壁 厚类似于阔叶材而低于针叶材；纤维平均长度除竹材与剑麻头外，较针叶材短，但长于 某些阔叶材，且多数秸秆类植物上部纤维长，中部次之，下部稍短，节部和叶部的纤维 最短。节部和叶部纤维的这种特性，加上节部和叶部在组织上的特殊性，使得它们在人 造板生产过程中极易变成细屑、粉尘，不仅污染环境，而且降低原料利用率，剥弱自身 强度，影响最终产品质量。 我们在原料准备阶段将秸秆进行了皮穰分离，去掉了玉米秸秆叶、穰等纤维含量少 短部分。这就大大的提高了制板原料的纤维含量，从而更加提高了利用玉米秸秆制板的 可行性。 表2 2 几种非木质原料与木质原料纤维形态对比。 t a b l e 2 2 c o m p a r i s o no f t h e f i b e r f o r mo f s o m e n o n - w o o d m a t e r i a l s w i t h w o o d m a t e r i a l s 形态系数平均长度平均宽度长宽比平均厚度 原料名入 ( m ) ( a m )( 倍)( u m ) 部分针叶材 2 2 5 4 2 8 1 5 6 5 6 05 5 4 1 2 9 42 2 1 2 5 部分阔叶材 0 4 7 2 9 21 4 4 3 0 o2 0 9 9 1 62 4 2 5 3 玉米秸秆 1 1 8 1 4 4 58 1 73 ，1 6 甘蔗渣1 9 91 8 _ 3 71 0 8 31 9 麦秸 i 6 6 1 4 7i 1 7 03 2 l 稻草1 2 67 - 3 01 7 3 51 8 3 表2 3 几种非木质原料与木材原料化学成分比较表“” 种类灰分 溶液抽出物术素多戊耱纤维素 冷水热水 1 n a o h苯醇 马尾松o 2 72 4 64 0 52 1 5 79 9 32 4 6 99 7 85 6 1 4 白桦0 3 3 1 8 0 2 1 11 6 ，4 83 0 82 0 _ 3 73 0 3 76 0 0 0 玉米秆4 6 61 0 6 52 0 4 04 5 6 21 8 - 3 82 4 5 83 7 6 8 麦秸6 0 45 3 62 3 1 54 4 5 62 2 3 42 5 5 64 0 4 0 棉秆 9 4 78 1 22 5 6 54 0 2 32 3 1 62 0 7 64 1 2 6 稻草 1 5 56 8 52 8 5 04 7 7 01 4 0 51 8 ，0 63 6 2 0 2 1 4 化学组成特性 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性实验研究 木材的纤维素含量大多数高于非木材植物，而后者的聚戊糖含量、1 n a o h 溶液抽 提物含量、乙醚抽提物、苯醇抽提物、灰分含量均高于木材。这使得秸秆板原料灰分多， 在生产中易造成粉尘污染；低分子碳水化合物多、糖份含量高等对胶合、热压都有不利 影响，如不易施胶、热压粘板等等。“1 。 通过表2 3 ( 几种非木质原料与木材原料化学成分比较表) 可以看出：玉米秸秆灰 份含量要低于麦秸和稻草，木素和纤维素含量均比稻草高，但稍低于麦秸。如果利用其 去穰取皮的部分，则制板性能定会有所提高。并且，麦秸板和稻草板的成功投产正说明， 利用玉米秸秆皮为原料制造板材具备可行性。 2 2 分析玉米秸秆板的工艺参数 通过对玉米秸秆皮的加工特性分析，结合刨花板材实际加工工艺，采用热压工艺进 行试验，在热压过程中，影响板材加工性能有以下几个工艺参数：秸秆板密度、施胶量、 热压温度、热压压力( 预压压力) 、热压时间( 预压时间) 、原料刨花形态、原料刨花含 水率等等，下面依次介绍一下各个参数对板材物理力学性能的影响。 2 2 1 密度 秸秆板密度一般指平均密度而言，它是指测定时试件重量与体积之比，通常用g c i n3 表示。可以用下面式子计算： p2 f h 矿 式中：r 矿一测试时试件的重量( g ) ； h 试时试件体积( c l n3 ) 。 板材的密度范围很大，从0 2 5g o i l3 到1 2g 3 。一般做成薄板( 厚度在l o m m 以下) ，代替硬质纤维板使用。密度是秸秆板非常重要的性能指标，因为它几乎与板的 所有性能( 例如对水的性质、导热性、隔音性、各种强度性能及机械加工性能等) 都有 密切关系。在许多情况下，密度越大，则板的强度越高，但机械加工越困难，长时间在 水的作用下板的尺寸稳定性越差，而且成本越高。反之，密度越低，则绝缘性、隔音性 及隔热性越好，成本越低，但强度也越差。另外，密度对板的重量的影响，直接影响板 的使用。在条件允许时，最好生产密度较小但又能保证使用要求的秸秆板“。 根据现有同类板材密度情况，我们确定本试验预设密度的三个不同水平为0 7g c r n3 、0 8g a n3 、0 9g a l l3 t 按照优化结果确定最终秸秆板的密度。 2 2 2 施胶量 9 吉林农业大学硕士学位论文 玉米秸秆板加工特性实验研究 在刨花板工业中，胶粘剂的用量和施胶方法是直接影响产品质量和成本的主要因 素，也是影响板材物理力学性能的重要因素之一。刨花板的施胶量可用两种方法表示： a 、胶的固体重量与绝干刨花重量的百分比；b 、刨花单位表面积消耗的固体胶量，以g 计。研究证明，在相同的容积重情况下，刨花板的静曲强