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混合原料秸秆板加工特性试验研究 摘要 随着世界森林资源的减少，木材用量的与日俱增，对于我国这样一个缺林少木、 人口众多的国家，利用玉米秸和豆秸制造秸秆板，是解决我国目前木材原料危机的一 种有效途径。 农作物秸秆在世界t ：被称为第二森林资源，是充满活力的人造板工业替代原料。 中国是农业大国，秸秆资源十分丰富，据统计：全国年产各类农作物秸秆近7 亿t ， 占世界秸秆总量的2 0 3 0 。扣除秸秆还田及收集损失，可得秸秆约5 6 6 亿t 。 若用2 0 制造刨花板，则可生产1 亿m 3 的刨花板，接近世界刨花板总产量的2 倍。 利用玉米秸和豆秸为原料生产人造板，不但消耗了大量闲置秸秆，解决了秸秆焚烧带 来的环境污染问题，还缓解了木材供需矛盾，增加农民收入，具有良好的社会效益、 经济效益和生态效益。 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 求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。本文参考近二斗j 年来 国内外学者有关麦秸板及稻草板试验研究，采用玉米秸和豆秸为刨花原料制造秸秆 板，对其可行性进行了客观分析，并介绍了试验仪器设备及试验材料的选用与制备， 利用a n s y s 软件对加热板进行了稳态热分析，提高了试验设备的精确度。 本研究在制造出满足国家标准的秸秆板的前提下，利用玉米秸和豆秸原料特性的 互补，将其整秆粉碎，经风选及筛选后混合加以利用。在胶粘剂的选择上，为了满足 板材性能和环保要求，本试验采用游离甲醛含量极低，不污染环境的单宁树脂胶。结 合刨花板实际加工工艺，通过对预设密度、施胶量、热压温度、热压压力、热压时间、 刨花形态、刨花含水率等各个参数对板材的物理力学性能的影响分析，并借鉴其它相 关研究经验，确定预设密度、施胶量、热压温度和热压压力为主要因素。按照 g b t 4 8 9 7 9 2 的要求对秸秆板进行性能检测，对试验结果进行分析，得出了豆秸最小 用量的最佳配比，优化出最佳工艺参数。 通过单因素试验，确定豆秸与玉米秸的最佳配比为4 0 ：6 0 ；通过正交试验，优 化出本试验的最佳工艺条件为：施胶量为1 l ；预设密度为0 9 9 c m 3 ；热压温度为 1 3 5 ；热压压力为2 m p a 。试验证明影响秸秆板性能的最主要因素是施胶蹙、板密 度、热压压力和热压温度。 本文还对秸秆板加工成本和用途进行了简要分析，表明：秸秆板不仅重量较轻 而且甲醛释放量低，具有环保的特性，它可以用在木质刨花板可以使用的任何领域 其用途非常广泛，并且成本相对木质刨花板要低。 开发秸秆板产品具有良好的生态效益、社会效益和经济效益。 关键词：玉米秸，豆秸，秸秆板，单因素试验，正交试验 s t u d i e so ne x p e r i m e r i to f p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i co fm i x m a t e r i a lf l a k e b o a r d a b s t r a c t i nt h em o d e r nw o r l d ，t h ef o r e s ti sd e c r e a s i n ga n dt h eu s et i m b e ri si n c r e a s i n gc h i n ai sac o u n t r y t h a th a sn m n e r o n sp e o p l ea n ds h 呲o ff o r e s tt h e r f f o r e m a n u f a c t u r i n gf l a k eb o a r dw i t hc o r n s t a l ka n d b e a n s t a l ki sa l le f f e c t i v ea p p r o a c hw h i c hi ss e t t l et i m b e rm a t e r i a lc r i s i sf o rt h em o m e n t c r o p s t a l kg ob yt h en a m eo ff o r e s tr e s o u r c es e c o n d l yi nt h ew o r l d ，i ti sav i t a ls u b s t i t u t ef o rt h e i n d u s t r yo ff a l s e b o a r dc h i n ai sa l la g r i c u l t u r a lc o u n t r yw h i c hi sa b u n d a n ti ns t a l kr e s o m ea c c o r d i n g t os t a t i s t i c s ：c h i n ag i v e sb i r t ht ok i n d so f c r o p s t a l ks e v e nh u n d r e dm i l l i o nt o ne v e r yy e a ra n da r e2 0 - 3 0 p e r c e n to fs t a l kg r o s si nt h ew o r l ds t a l ki sa b o u t56 6h u n d r e dm i l l i o nt o ne x c e p tf o rr e t u r nf a r m l a n d a n dc o l l e c t i o nl o s si fw ep r o d u c ef l a k e b o a r dt h a tu 2 0p e r c e n to fs t a l k i tw i l lg a i nah u n d r e dm i l l i o n f a l s e - b o a r d sw h i c hi st w i c et i m e sn e a r l yt h eg r o s sy i e l do fw o r l d t h ef a l s e - b o a r dw i t hc o r n s t a l ka n d b e a n s t a l kn o to n l ys c a l ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e mb u ta l s oa l l e v i a t ec o n t r a d i c t i o nt h a tf e e da n d d e m a n dt i m b e r i tw i l li n c r e a s ei n c o m eo ff a r m e ra n db r i n gg o o ds o c i a lb e n e f i t ，e c o n o m i c a lb e n e f i ta n d z o o l o g yb e n e f i t c h i n ah a sc a r r yt h r o u g hm u c hr e s e a r c ht or e m a i n d e rc h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n i c a lc o n d i t i o na n d c c o n o m i c a lf e a s i b i l i t yo fn o n w o o d i h e s sf a l s e - b o a r dw i t hh a n l ma n dw h e a t s t a l kb u tt h es t u d i e so n t e c h n o l o g yo fs t a l k - b o a r dw i t hc o r n s t a l ka r el e s st h a no t h e r sa n dn o ts u c c e e dp r o d u c t i o no ra p p l i c a t i o n f o rt h em o m e n t t h et e s tr e f e ra b o u tt w e n t yy e a r sal o to ff i t e r a t u r eo fw h e a t s t a l ka n dh a u l m s t a l ka n d m a n u f a c t u r ef a l s e - b o a r dw i t hc o r n s t a l ka n db e a n s t a l k t h ee x p e r i m e n tc a r r i e st h r o u g hf e a s i b i l 时 a n a l y s i st ot h et e c h n o l o g y t h et e x ti n t r o d u c e se x p e r i m e n m le q u i p m e n ta n de x p e r i m e n t a lm a t e r i a l p r e p a r a t i o nt h ee x p e r i m e n tm a k e su s eo fa n s y ss o r a r ep u tu ps t e a d ys t a t eh e 撕n ga n a l y s i st ot h e h e a t i n gp l a t ea n di m p r o v e st h ep r e c i s i o no f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t t h es t u d ym a n u f a c t u r et h es t a l k - b o a r dt h a tc o n t e n tt on a t i o n a ls t a n d a r du s ec o r n s t a l ka n d b e a n s t a l kf o rm a t e r i a la c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fc o r n s t a l ka n db e a n s t a l k ，w eu s ei tt h r o u g has e r i e s o fp r o c e s ss u c ha sc r u s h ，w i n dc h o o s e ，f i l t e ra n dm i x t u r et h ee x p e r i m e n t a lg l u ea d o p tt a n n i nr e s i nt h a t l o w - l y i n gd i s s o c i a t i v ef o r m a l d e h y d ea n dn o n - p o l l u t i o nt h ee x p e r i m e n tc o m b i n e sf l a k e b o a r dp r o c e s s t e c h n i c sa n da n a l y z et h ep h y s i c a lm e c h a n i c sc a p a b i l i t ys u c ha se n a c t m e n td e n s i t y , t h eq u a n t i t yo ft a n n i n r e s i n ，h o t p r e s s i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh o t - p r e s s i n gp r e s s u r e ，t h eh o t - p r e s s i n gt i m e ，p a r t i n gs h a p ea n dt h e w a t e rr a t eo fp a r t i n ge t c f i n a l l ym a k i n gs n r et h ep r i m a r yf a c t o r sa r et h ed e n s i t y , t h eq u a n t i t yo ft a n n i n r e s i n ，h o t - p r e s s i n gt e m p e r a t u r ea n dt h eh o t p r e s s i n gp r e s s u r et h ee x p e r i m e n tc a r r i e st h r o u g hc a p a b i l i t y m e a s u r eo fs t a l k - b o a r d sa n da o a l y z e sf i l er e s u l ti nt e r mo fg b 厂r 4 8 9 7 - 9 2t h ee x p e r i m e n te d u c e st h e o p t i m a lr a t eo f m a t e r i a lw h e n u s et h el e a s tb e a n s t a l ka n do p t i m i z e so p t i m a lt e c h n i c sp a r a m e t e r t h eb e s tp r o p o r t i o no fc o r n s t a l ka n db e a n s t a l ki s4 0 ：6 0t h r o u g ht h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tw e o p t i m i z et h eb e s tt e c h n i c a lc o n d i t i o nt h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt h eq u a n t i t yo ft a m u nr e s i ni s l l t h ee n a c t m e n td e n s i t yi so g r d c m 3 t h eh o t p r e s s i n gt e m p e r a t u r ei s1 3 5 a n dt h eh o t - p r e s s i n g p r e s s u r ei s2 m p a t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h em o s t l yf a c t o rt oi n f l u e n c et h ec a p a b i l i t yo f s t a l k b o a r d i st h eq u a n t i t yo f t a n n i nr e s i n ，d e n s i t y , h o t - p r e s s i n gp r e s s u r ea n dh o t - p r e s s i n gt e m p e r a t u r e t h ea r t i c l ea l s om l a l y z e st h em a c h i n i n gc o s ta n dp u r p o s eo fs t a l k - b o a r da n di ti n d i c a t e st h a tt h e s t a l k b o a r dn o to n l yh a sl i g h tw e i g h t ，b u ta l s oh a sl o wr e l e a s eq u a n t i t yo ff o r m a l d e h y d es oi th a s c h a r a c t e r i s t i co fp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t i th a sav e r ya b r o a dp u r p o s ea n di t s c o s ti sl o w e rt ot h e w o o d i h e s sf l a k cb o a r d e x p l o i tt h es t a l k - b o a r dp r o d u c th a saw e l lz o o l o g yb e n e f i t ，s o c i a lb e n e f i ta n de c o n o m i c a l b e n e f i t k e yw o r d ：c o r n s t a l k ，b e a n s t a l k ，s t a l k - b o a r d ，s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得吉林农业大学或其它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 表示了谢意。 学位论姗者签名：史留影签字嗍枷年月肌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意吉林农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 学位论文作者签名：更i 呼祁 导师签名： 0 礁 签字日强：2 ，帅6 年l 其t 譬黾 签字日期：乡仃形年月。j 自 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆扳加工工艺特性试验研究 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 1 我国木材资源匮乏 木材在当今四大材料( 钢材、木材、水泥和塑料) 中具有特殊优势。几千年来， 一直是人们喜爱的材刳，被广泛应用于建筑及房屋装修、家具制造、造纸行业等方面。 近百年来，随着人口的加剧，木材用量也与日剧增。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 m 2 ，居世界第五i ；l 】。但我国却是 世界上人均森林资源最少的国家之一，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g 0 4 8 m 3 ，仅是世界平均水平( 7 2m 3 ) 的1 2 5 2 1 。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。 我国是一个森林资源匮乏的国家，森林面积约为1 5 9 亿h m 2 ，仅占世界森林总面 积的4 ，并且国家将长期实行“天然林保护工程”，以维护生态安全和林业可持续发 展【3 】。中国是世界上木材及木制品的生产大国，也是一个消费大国。“十一五”期间， 我国将进入全面建设小康社会的发展阶段，国民经济将保持持续稳定的发展，我国的 木材供需矛盾将更加突出。目前国产木材无论在质量和数量上都无法满足日益增长的 需求。至, j 2 0 0 4 年，国内木材需求量己达到3 3 3 亿m 3 ，按照国家下达的“十五”期间 森林采伐限额，每年只能提供l _ 4 】5 亿m 3 。按历年森林消耗数据，国内目前最大可 能提供木材2 3 亿i i l 3 ( 在森林超采1 2 亿m 3 的情况下) ，因此木材供应缺口至少也为 0 7 l 亿m 3 。预计n 2 0 1 5 年木材需求达4 8 亿m 3 ，缺口将达到1 9 亿一【”。 受林木蓄积量的影响，我国国产木材产量也逐年减少，见表l 1 1 1j i “。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。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： 能力，提高了木材综合利用效率，木材销售畅快，价格 e 扬明显。优质阔叶材如柞木、楸木、水曲柳等己无现货可供，椴木、杨木、桦术稍 差，但也畅销。南方林区也销售顺畅，价格l 扬，特别是松原木，货紧价俏，供不应 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆板加工工艺特性试验研究 求。过去滞销的衫木也销的不错，价格稳中有升。传统小材产区以外的中原地带及西 北等地区，人j ：林杨木也已达到供不应求的状态。 表1 11 9 9 5 2 0 0 2 年全国术材产量【1 1 5 】 t a b l e11t t t ep r o d u c t i o no f w o o df r o m1 9 9 5t o2 0 0 2i v _ c h i n a 2 0 0 1 ( 万m 3 ) 2 0 0 2 ( 万m 3 )增减量( 万m 3 )增减( ) 目前，要解决水材的供需矛盾，主要有三种渠道：一是大力营造人工林，二是扩 大进口术材的数量，三是大力发展人造板工业，尤其是非木质人造板。 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。 如果依赖木材进口，则更不是长远的办法，这是因为： 第一，进口数量有限。白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，如表卜一3 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。 第二，进口成本偏高。从1 9 9 8 年2 0 0 2 年，我国木材消费需求以平均每年1 4 3 0 吉林农业大学硕士学位论文混合原料秸秆扳加工工艺特性试验研究 万m 3 的速度迅猛增加，按2 0 0 2 年原木进口单价( 8 8 美7 亡m 3 ) 计算，相当每年增 加木材需求达1 0 0 多亿元人民币( 近8 8 亿美元) 。我国进口木材的国别从临近的东 南亚、俄罗斯等园远至北美、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 3 ，金额1 亿2 千万美元，约l o 亿人民币，代价很大。 而2 0 0 1 2 0 0 2 年问，我闷进口原木的金额更是达到1 0 亿美元5 “。 表1 319 9 3 2 0 0 2 年进口木材表【1 】【7 】 t a b l e1 3t h ei m p o r to f w o o df r o m1 9 9 3t o2 0 0 2i nc h i n a ( 万m 3 ) 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口。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【”。 人造板对木材具有。泛的替代性和丰富的原料来源，最近几年人造板发展势头迅 猛，己成为林业的支柱产业。刨花板作为人造板家族中的一个主要板种，与其它人造 板相比，刨花板生产投资相对较少、能耗小、成本低、对木材原料的质量要求不高。 人工速生丰产林基地提供的木材、非木材原料( 如蔗渣、竹子、农业剩余物秸秆) 、城 市废弃木材等都可作为刨花板生产的原料，在木材资源紧缺的情况下这种优势就更加 明显。并且刨花板具有较好的物理力学性能，广泛应用于家具、装修、建材、厨具等 行业。 木材人造板曾是解决我国木材供需矛盾的有力手段。我国刨花板发展始于2 0 世 纪6 0 年代，进入8 0 年代后从国外引进了数十条刨花板生产线，主要是以木材为原料 生产人造板。在引进、消化吸收国j l - 先进技术的基础上，我国人造板产量基本呈逐年 递增趋势，如表卜4 所示。但这种增长其实掩盖不了业界己产生的原料危机，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己处于停产状态，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，才能保证我国人造板行业 吉林农业大学硕士学位论文混合原料秸秆板加工工艺特性试验研究 的持续发展。 随着世界森林资源的逐年锐减，以及人们环保意识的逐渐增强，术材的采伐越来 越受到限制，拓宽人造板生产原料来源己成为当今世界的一大研究课题。 表1 4 全国人造板产量( 19 8 1 2 0 0 1 年) 9 1 t a b l e14t h ep r o d u c t i o no f f a l s c - b o a i dt y o m1 9 8 1t o2 0 0 1i nc h i n a 1 1 2 我国秸秆资源丰富 农作物秸秆在世界上被称为第二森林资源，是充满活力的人造板工业替代原料。 中国是农业大国，秸秆资源十分丰富，据统计全国年产各类农作物秸秆近7 亿吨，占 世界秸秆总量的2 0 - - 3 0 。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 亿1 5 ，有人称之为“第二森林” 1 0 o 扣除秸秆还田及收集损 失，可得秸秆约5 6 6 亿t 。若用2 0 制造刨花板，则可生产1 亿m 3 的刨花板，接近 世界刨花板总产量的2 倍。 目前，我豳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i l ”， 见表l 一5 。 吉林省地处松辽腹地，是世界三大黄金玉米带之一，玉米种植面积达4 3 0 0k h m 2 ， 占全省耕地面积的7 0 ，年产玉米在1 5 0 0 万t ，产量占全国总产量的1 7 ，按每公 顷玉米可产秸秆0 0 7 t 计算，我省玉米秸秆年产量约3 01 0 万t 。近年来世界大豆种 4 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆扳加工工艺特性试验研究 植面积稳步增加，我国大豆种植面积约为9 2 2 6k h m 2 ，仅次于美国、巴西、阿根廷。 国家在东北地区推广“大豆种植计划”，鼓励玉米、大豆轮作的方式，我省大豆播种 面积约1 0 0 0k h m 2 ，豆秸产量按o 0 2 6 t h m 2 计算，我省豆秸年产量约2 6 0 万t 。 在我国，农作物秸秆主要作为生活燃料、饲料、肥料和工业原料。据0 i 完全统计， 在1 9 9 8 年农作物秸秆6 0 5 亿t 总产量中，其中约有1 5 0 ，即0 9 1 亿t 的秸秆被 用来直接还田造肥；有2 4 0 ，即1 4 5 亿t 的秸秆作为饲料；约2 3 ，即0 1 4 亿t 的秸秆被用作工业原料。除此之外，约5 8 7 ，即3 5 5 亿t 的农作物秸秆可以 作为能源用途，其中已有近2 亿t 的农作物秸秆被中国农民在民用炉灶内直接燃烧用 来炊事和取暖。1 9 9 8 年我国秸秆消费流向见表1 5 【1 2 1 。 表卜51 9 9 8 年莪国秸秆消费漉向 t a b l e l5t h ec o n s u m p t i o n d i r e c t i o no f s t r a w i no u rc o u f l 廿v 利用玉米秸和豆秸作为人造板原料，对其进行工业利用既能消耗大量闲置秸秆， 也可以缓解我国木材供应不足的问题，还可为我省农民带来额外的经济收入，而且还 解决了秸秆焚烧带来的环境污染问题。 1 1 3 开发利用秸秆有乖l 千环境保护和可持续发展 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。由于森林被破坏， 可以直接或间接的引发一些生态环境问题，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。因此，保护生态环境就要保护森林，这成了全世界 普遍关注的重心f l 】f 1 3 4 】。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 l 世纪议程中国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， 成为切工业部门考虑问题的基本出发点【”。建国以来，我国曾提出过“咀钢代木” 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆板加工工艺特性试验研究 和“以塑代木”等措施，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，却称不卜是一个好办法。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 ，颦料为3 0 ，水泥为5 ；其次， 我国是一个能源资源短缺的国家，煤、石油实际上是不可再生的资源，如果生产大量 的钢、塑料等去代替木材，在解决木材资源短缺的同时，我们会面临能源危机1 。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。 近年来，由于农村经济的发展和生活水平的提高，人们的消费观念、消费方式发 生了巨大变化，为追求高质量的生活标准，以及常规能源市场放开，农民已有条件和 能力大量使用煤炭等矿物能源，秸秆不再是农民能源消费的唯一选择，大量的剩余秸 秆被遗弃田问地头，有些地区将剩余的秸秆在田头焚烧，既浪费资源，又严重地污染 了环境，还带来交通隐患。“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。农 作物秸秆资源数量大，若生产草类纸浆污染大，故科学利用农作物秸秆资源己刻不容 缓。 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m - r 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，“。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。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”】f 1 6 】。英国在2 0 世纪4 0 年代中期开始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 召开了有1 3 个国家参加的研讨会，人造板生产利用农业剩余物己扩大至各种秸秆材 料1 1 7 | | ：1 8 1 。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最发展非木质人造板，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 6 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆板加工工艺特性试验研究 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 h 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。近几届较有影响的美国华盛顿州立大学刨花板及木质复合 材料研讨会以及欧洲人造板产品研讨会中都涉及到了此方面的内容。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 1 2 。 在原料加工对象方面，九十年代初期，中欧地区主要采片j 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备制造水平。 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各 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 ri m eb 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 r 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 o m 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 r 北美市场【l ”。目前c o m p a r k 公司可生产出厚度至2 8 m m 的麦秸人造板。另外，北 美又另有1 0 多个麦秸人造板，在建或己经投产，年生产能力在6 0 0 0 2 6 5 0 0m 3 。 我国研究人员对利用秸秆生产人造板同样进行了大量的研究与探索。8 0 年代中 期江西省建筑材料科学院对麦秸刨花板进行了初步研究，并研制了小型加工设备。西 北人造板机器厂在8 0 年代后期对麦秸板生产工艺及设备、板的性能及应用范围进行了 研究与分析，提供了一些生产工艺参数及成本核算数据【”1 。江西建筑人造板研究所对 利用平压法生产改性脲醛胶酚醛胶麦秸板进行了尝试【2 2 1 ，结果表明：利用脲醛胶制 造的麦秸板的平面抗拉强度较差，但由于原料来源广泛，工艺简单，成本低，产品 具有一定市场竞争力。中国林科院的研究人员在这期间也在实验室对制造麦秸板进行 过研究。南京林业大学与江苏省建湖县轻工业通用机械厂联合在普通刨花板生产线上 试制稻草碎料板，现已获得成功，本产品的试制成功为稻草利用实现产业化走出了一 条新路。围绕秸秆板的开发、生产和应用，将形成一个新的产业。 经过数十年的研究与探索，我国在开发生产非木质人造板的资源利用、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m 3 。在工 艺技术方面，已先后成功研制了以竹材、亚麻屑、棉秆、甘蔗渣、豆秸、烟秆、谷秆、 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆板加工工艺特性试验研究 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，已经能生产出年产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r 制造年产3 万m 3 的成套 设备的能力【8 j 。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 中密度纤维扳厂。但由于受到胶粘剂的限制，我国开发麦秸、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。目前，国内以秸秆为原料的人造 板生产厂能持续正常生产的为数很少，进步研究开发生产秸秆人造板已成为当务之 急。我国在这方面已经取得成效，东北林业大学与上海人造板机器厂联合开发的国内 第一条年产3 万m 3 麦秸刨花板生产线即将试产口。 1 3 本研究的目的与特色 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。 本研究的特色： ( 1 ) 在原料，h 利用原料特性互补，采用以玉米秸秆为主的玉米秸和豆秸混合型刨 花。 ( 2 ) 在制造刨花时，玉米秸和豆秸整秆粉碎，经风选及筛选后混合加以利用，利于 规模化生产。 ( 3 ) 在制造出满足国家标准的秸秆板基础上，寻求以豆秸的最小用量的最佳配比， 研究混合原料秸秆板性能，优化出最佳工艺参数。 ( 4 ) 在胶粘剂的选择上，为了满足板材性能和环保要求，本试验采用单宁树脂胶。 单宁树脂胶胶合性能优越，耐水性好，游离甲醛含量极低，不污染环境。 ( 5 ) 兼顾经济效益和生态效益，提高板材性能，扩展其在建筑、包装、家具等领域 的应用。 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆板加工工艺特性试验研究 第二章以玉米秸和豆秸为原料生产秸秆板的可行性分析 2 1 秸秆的理化特性及分析 21 1 玉米秸秆成分 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 i 0 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。玉米秸秆去叶经自 然风干或人工t 燥，皮穰会形成自然分离层，粉碎后经风选，可去除部分穰，经筛选 可获得原料刨花，其密度较整秆的高，这就大大的提高了秸秆板的力学强度。 玉米秸秆中的有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次为木质素、蛋白质、氨基 酸、树脂、单宁等。化学成分类似于普通硬材和软材类木材见表2 一l 。 表2 1 玉米秸秆和主要木材纤维化学成分对照表【8 1 1 1 3 1 t a b l e21t h ec o m p a r i s o nt a b l eo f m a i z es t r a wa n dc h e m i c a le l e m e n to f w o o df i b r e 乐米秸秆的木素含量、纤维素含量低于木材，与阔叶材接近，多戊糖含量远高于 针u 1 材，较阔叶材略低，灰分和抽出物含量明显高于木材，其表皮角质化和矿物化较 强，表皮硬度高而湿润性差。因此不利于湿法人造板工艺的生产。 单纯从化学成分的角度上看，玉米秸秆作为人造板的原料要逊于木材，虽然采米 秸秆板的资料现在还没有，但我们前期进行的试验研究表明，将玉米秸秆皮穰分离后 压制的刨花板，效果良好，其性能达到和超过了刨花板国标要求。 2 1 2 豆秸成分 豆秸一些主要成分接近木材，可有效地提高秸秆板的性能。由表2 2 可知，豆 美壳的化学组成中木质素、综纤维索的含量明显低于其它部分，而其它成分均高于其 它部位，是豆秸材料中的低质材料，如用于刨花板生产其含量过高必将对板的性能产 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆板加工工艺特性试验毋究 生不利影响。豆秸的综纤维素含量、木质素含_ 蜃= 与木材相近，而灰分含量、苯醇抽提 物含量、1 n a o h 抽提物含量及戊聚糖的含量均明显高于木材。这方面说明，豆 秸是人造板生产的合适原料，另一方面也说明，豆秸和木材相比还有一些差异。因此， 在生产过程中应根据豆秸的自身特点制定相应的生产工艺。在国内豆秸刨花板的研究 已有成功的经验。 表2 - 2 豆秸的化学成分与木材化学成分的比较【2 3 t a b l e 2 2t h ec o m p a r i s o no f d a e m i s t r yc o m p o n e n t t o b e a n s l a l ko a l d t i m b e r 从玉米秸秆、豆秸成分上看，利用玉米秸秆和豆秸混合原料将取得性能互补的良 好效果。理论上加入豆秸的比例越大，板的性能越好。我省玉米秸秆年产量约3 0 l o 万t 豆秸年产量约2 6 0 万t ，结合两种原料的产量，鉴于玉米秸秆更易获得，本研究 采用以玉米秸为主的混合原料。 2 1 3 灰分的影响 与木材相比，秸秆中灰分含量高。秸秆灰分中s i 0 2 含：阜= 多，s i o z 形成了非极性 的表层结构，影响胶粘剂的结合力，在秸秆板上表现为内结合力低。冈此在工艺上， 应考虑秸秆刨花的筛分值，增加比表面积，从而增加结合力。 2 1 4 苯醇、热水抽提物的影响 抽提物中含有脂肪、蜡外，还含有可溶性单宁、色素等。在玉米秸秆表面是光滑 的表皮组织。胶滴很难浸入，阻碍了胶合界面的形成。在人造板工艺上，经济可行的 办法是加大秸秆的纤维分离，增加纤维比表面积。 2 151 n a 0 h 溶液抽提物的影晌 吉林农业大学硕士学位论文 混合原料秸秆板为p y _ l r _ 艺特| 生试验研究 i n a o h 溶液抽提物主要是指纤维中的低中级碳水化合物。在热压过程中，低 中级碳水化合物易分解、产生淀粉胶，易粘板和板材的抗水性差。在原料和成品的储 存过程巾，易引起霉变及虫蛀，生产中可通过加添加剂改善。 2 1 6 多戊糖、木素、纤维素的影响 糖成分对人造板的影响是在热压过程中易产生粘板，未转化的糖易炭化使板表面 颜色加深。 纤维素、木素是构成强度的主要成分，玉米秸秆中纤维素、木素含量比木材低， 表现为自身强度较低，豆秸的纤维素、木素含量与木材相近，自身强度也比较高。采 用玉米秸秆和豆