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油菜秸秆装饰材料的制备及特性研究 油菜秸秆装饰材料的制备及特性研究 食品科学 2 0 0 7 届硕士研究生汗振炯指导教师熊汉国 摘要 近年来，随着人民生活水平的提高，工程建筑、装饰装修蓬勃发展，同时对建 筑材料提出了适用经济、美观环保的要求。传统木材尽管社会需求量仍然很大，但 是由于森林资源的f j 益匾乏，以及术材自身存在的缺j 鼍，使用t 受到很大的限制。 而利j = | j 油菜秸秆等植物秸秆类牛物质原料代替小材与颦料复合制备新型牛物质塑料 复合装饰捌料，可充分利用废弃生物质资源，避免焚烧h 、j 所造成的环境污染，近年 来越来越受到人们的重视。本实验研究证明：将油菜秸秆粉进行一定的物理、化学 改性处理之后，可以明显改善油菜秸秆粉和塑料的相容性，提高复合= - ：j 料的力学性 能和加工性能，可为湖北省油菜作物的综合利用，提高油菜产后附力1 1 值、增加农民 收入，提供一条町靠的途径。， 本课题在综述木材一塑料复合材料( w p c ) 国内外研究现状及发展趋势的基础卜， 提出研究丌发油菜秸秆一p v c 复合装饰夺4 料，并针对油菜秸秆p v c 复合装饰利料巾存 在的问题，提出了用碱化氨化法和偶联剂法联合改善油菜秸秆粉与p v c 辛日容性的新 思路：以油菜秸秆粉为土要原料，采用碱化氮化法对油菜秸秆纾维预处理后再用偶 联荆进行疏水化改性，辅以增塑、交联、增强反应，通过模压或挤山工艺制备油菜 秸秆装饰材料。 本研究的丰要内容和结论如下： 1 油菜秸秆的热分解分为4 个阶段：第个阶段从5 06 c 至01 0 0 。c 是物料中的游 离水分蒸发阶段；第二个阶段是从1 0 0 。c 剑2 3 09 c ，油菜秸秆发生缓慢解聚；第i 个 阶段是从2 3 0 | 。c 到7 1 0 。c ，是纤维素和半纤维素还有本质素的热分解阶段；最后一个 阶段是从7 1 0 。c 到9 0 0 。c ，为剩余小质素的热分解和碳化阶段。在热解的主要温度区 间2 3 0 3 8 0 。c ，不同加热速率卜其活化能分别为4 4 5 k u m o l 、5 37k j m o l 、5 75 k j t o o l 。 2 侄1 0 5 。c 下干燥2 h 可有效去除油菜秸秆水分，其失重率控制证o5 以内。干 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 燥后油菜秸秆粉的回吸试验表明：8 0 目油菜秸秆粉的回潮率最大，4 8 h 后可达 1 99 6 ，因此油菜秸秆粉十燥后1 小时内需装入防水塑料袋中封存，以防止同潮现 象发生。 3 油菜秸秆粉在2 0 0 。c 高湍下加热时问超过5 m i n 之后，色度增加值( d e ) 才 会出现大幅上升，因此在正常的加f ：条件下其色度变化完全可以满足产品的要求 4 经过碱化氨化法联合处理油荣秸秆粉之后，可以大幅降低其结晶度，最佳处 理时间为2 4 h 。 5 双氨基硅烷对油菜秸秆粉的疏水化改性效果最好，并采用止交实验得出最佳 改性条件为双氨基硅烷用吊为油菜秸秆粉重量的25 ，改性时问2 h ，改性温度 1 0 0 ，搅拌速度8 5 0 r m i n 。 6 确定了油菜秸秆粉的最佳粒径为8 0 | _ j ；在装饰材料中间的最伟填充量为8 0 份；并确定了增塑剂d o p 的最传川量为7 5 份；最佳增韧剂为a c r 一4 0 1 ，其最佳用 量为1 2 份；填充剂稻谷壳与油菜秸秆粉的最佳川量比为2 ：3 ，最佳脱模剂为由液 体石蜡和硬脂酸按1 ：1 组成的复合脱模剂，用量为2 份，交联剂d c p 的最佳用量 为18 份。， 7 双螺杆挤出机对植物性纤维在p v c 基体的分散和塑化作用强于单螺杆挤出 机，在植物纤维填充量定的条件下，新料p v c 制成产品的性能高于回收料p v c 制成产品的性能 8 采；t j - ；因素二次f 交旋转组合试验得出机头温度、主机转速和熔体压力对浦 菜秆薄板的力学性能影响的三元二次回归方程为： y = 一1 4 4 71 9 2 3 + 1 78 5 1 9 z l 一93 6 7 7 2 2 + 3 3 6 7 1 4 2 3 + 0 1 7 8 8 2 1 2 2 00 6 0 9 2 1 一o6 7 2 2 2 2 一48 1 0 2 z ，2 ，确定r 各凶素的最优试验水平为：机头温度1 6 9 5 5 ，主机转速155 8 r p m ， 熔体压力35 v p a 。在这最佳工艺条件下，最佳产品的力学性能和卫生指标分别为： 弯曲强度2 73 m p a ，弯曲弹性模量1 7 4 7 m p a ，抗蓝实验1 9 r a m 。达到部颁标准 b b t 0 0 2 0 2 0 0 1 ( 参考木塑托盘技术要求) ，表面耐香烟灼烧性符合g b t i5 1 0 2 9 4 标 准要求，无黄斑、黑斑、裂纹、鼓泡，甲醛含量为0 m g 1 0 0 9 。 9 油菜秆薄板在2 5 水中4 8 h 厉吸水率仅为4 9 8 ，当卒气的相对湿度在6 0 到1 0 0 范闱以内，油菜秆薄板样品的最大吸潮率为47 5 ，适应环境较好，小易吸潮 以上的摹础研究为农业废弃资源的综合利用以及农业产业化开辟了一条崭新的 途径，为解决“二农”问题提供了定的理论依据和实际参考。凶此，本研究项目具 i i 油菜秸秆装饰材料的制备及特性研究 有显著的经济、社会和环保三重效益。 关键词：油菜秸秆；聚氯乙烯；木塑材料；装饰材嗣；复合材料 毕中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 s t u d yo nt h ep r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fr a p es t r a w d e c o r a t i v em a t e r i a l s f o o ds c i e n c e 2 0 0 7 p o s t g r a d u a t ew a n gz h e n j i o n gs u p e r v i s o rx i o n gh a n g u o a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，b u i l d i n gc o n s t r u c t i o na n d d e c o r a t i o n ，t h er e q u i r e m e n to fb u i l d i n gm a t e r i a l sb e c a m ee c o n o m i c a l ，a e s t h e t i c a la n d e n v i r o n m e n t a la l t h o u g hh a v i n gg r e a td e m a n d ，d u et ot h ed e c r e a s i n gf o r e s tr e s o u r c e sa n d t h es h o r t c o m i n g so fw o o dp r o d u c t i o n , t h ea p p l i c a t i o no ft r a d i t i o n a lw o o dp r o d u c t i o nh a d b e e nr e s t r i c t e du s i n gp l a n ts t r a w , s u c ha sr a p es t r a w ；i n s t e a do fl u m b e r , t h e n ，w i t hp l a s t i c t om a d et h en e wr a p e s t r a w - p l a s t i cd e c o r a t i o nc o m p o s i t ec a nm a k ef u l lu s eo fa b a n d o n e d b i o m a s sr e s o u r c e ，a n da v o i dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db yb u r n i n g t h i ss t u d y p r o v e dt h a t ，ac e r t a i np h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s s i n gc a r r i e do nt h er a p es t r a ws t a l k p o w d e r , o b v i o u s l yi m p r o v et h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e nr a p es t r a wp o w d e ra n dp l a s t i c ，a n d e n h a n c et h ep r o c e s s i n ga n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t et h i sc a np r o v i d e sa r e l i a b l ew a yf o rt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f r a p ec r o p si nh u b e ip r o v i n c e ，e n h a n c i n g p r o d u c ta d d e dv a l u e ，a n di n c r e a s i n gt h ef a r m e r s i n c o m e i nt h et h e s i s ，i th a sb e e nr e v i e w e dt h a tt h er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a da n d d e v e l o p i n gt r e n do fw o o d p l a s t i cc o m p o s i t e s ( w p c ) ，p r o p o s e dt os t u d ya n dd e v e l o p r a p e s t r a w - p l a s t i cd e c o r a t i v ec o m p o s i t e st ot h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，a ni d e a lt oi m p r o v et h e c o m p a t i b i l i t yb e t w e e nr a p es t r a wp o w d e ra n dp v cw i t h t h ec o m b i n e dm e t h o do f b a s i f i e d a m m o n i a t e da n dc o u p l i n ga g e n t st h ei d e ai s ：w i t hr a p es t r a wp o w d e ra sm a i n m a t e r i a l ，u s i n gt h ec o m b i n e dm e t h o do f b a s i f i e da n da m m o n i a t e da sp r e t r e a t m e n tm e t h o d ， t h e nu s i n gt h em e t h o do fc o u p l i n ga g e n t sa sh y d r o p h o b i cm o d i f i c a t i o nm e t h o d ，w i t h p l a s t i c i z a t i o n ，c r o s s l i n k i n g ，e n h a n c e m e n tr e a c t i o n ，w ec a nc r a n ko u tt h er a p es t r a w b i o m a s sc o m p o s i t eb yt h ep r o c e s so f c o m p r e s s i o nm o l d i n go re x t r u s i o n t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1t h e r ea r e4s t a g ei nt h ep r o c e s so ft h et h e r m o l y s i so fr a p es t r a w ：t h ef i r s to n ei s i v 油菜秸秆装饰材料的制各及特性研究 f r o m5 0 。ct o1 0 0 | 。c ，w h i c hi st h ef l e em o i s t u r ee v a p o r a t i o ni n s i d et h em a t e r i a l ；t h e s e c o n ds t a g ei sf r o m1 0 0 “ct o2 3 0 。c ，a n dt h er a p es t r a wh a ss l o w l yd e p o l y m e r i z e d ；t h e t h i r ds t a g e ，f r o m2 3 0 。ct o7 1 0 。| c ，i st h et h e r m o l y s i ss t a g eo fc e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s e ， a n dl i g n i n ；t h el a s ts t a g ei sf r o m7 1 0 | 。ct o9 0 0 。c ，f o rt h et h e r m o l y s i sa n dc a r b o n i z e ds t a g e o ft h es u r p l u sl i g n i nt h ea c t i v a t i o ne n e r g yi s4 45 k j m o l 、5 37 k j m o l 、5 75k j m o l u n d e rd i f f e r e n th e a t i n gr a t e ，w h i c hi si n2 3 0 。c 3 8 0 。c t h em a i nt e m p e r a t u r ed i s t r i c to f t h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o n 2i tw a sa b l et oe f f e c t i v e l yr e m o v et h er a p es t r a ws t a l km o i s t u r ec o n t e n td r i n g2 h o u r su n d e r10 5 i t sw e i g h tl o s sr a t ew a sc o n t r o l l e di no5 ，w h i c hm e e t st h e i n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s t h em o i s t u r er e g a i nr a t eo ft h e8 0 mr a p e s s t r a wp o w d e ri st h eb i g g e s t ，a n di tc a nr e a c h1 99 6 a f t e r4 8 h + s ot h ed r yr a p es t r a w p o w d e rm u s tb ep a c k e di nw a t e r p r o o fp l a s t i cb a gi n 1ht op r e v e n tt h em o i s t u r er e g a i no f t h er a p es t r a wp o w d e r 3 u n t i l5m i n u t e s m a n i p u l a t i o no fh e a t i n gb e l o wt h et e m p e r a t u r eo f2 0 0 。c ，d e v a l u eo ft h er a p es t r a wp o w d e ri n c r e a s e ds h a r p l y , t h e r e f o r e ，t h et r e n do fc h r o m a t i c i t y c h a n g ec o u l dc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so f p r o d u c tu n d e rt h en o r m a lp r o c e s s i n gc o n d i t i o n 4a f t e rt h ec o m b i n e dm e t h o do f b a s i f i e da n da m m o n i a t e d ，t h ec r y s t a l l i n eo f t h er a p e s t r a ww o u l db e e no b v i o u s l yr e d u c e d ，a n dt h eo p t i m a lr e a c t i o nt i m ei s2 4 h 5t h eb e s th y d r o p h o b i cm o d i f i c a t i o ne f f e c t i v e n e s sw a so b t a i n e df o rr a p es t r a w - p o w d e rw i t ht h ed o u b l ea m i n o s i l a n ec o u p l i n ga g e n t s w eo b t a i nt h eb e s tm o d i f i e d c 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 t ，t h ec o n d i t i o ni s ：t h ed o s a g eo fd o u b l e a m i n o s i l a n ec o u p l i n ga g e n t si s25 ，m o d i f i e dt i m ei s2 h ，m o d i f i e dt e m p e r a t u r ei s1 0 0 。c ， a n dm i x i n gs p e e di s8 5 0 r m i n 6 t h eo p t i m a ls i z eo f r a p es t r a wp o w d e ri s8 0 m ；a n dt h eo p t i m a lf i l l e rl e v e li s8 0 p h r ； t h eo p t i m a ll e v e lo fp l a s t i c i z e r d o pi s75 p h r ；t h eb e s tf l e x i b i l i z e ri sa c r 一4 0 1 ，a n dt h e o p t i m a ll e v e li s 1 2p h r ；t h eo p t i m a lm a s sp r o p o r t i o no fh u s kp o w d e ra n dr a p es t r a w p o w d e ri s23 ：t h eo p t i m a lr e l e a s ea g e n ti sc o m p o u n dr e l e a s ea g e n ti n c l u d e5 0 l i q u i d p a r a f f i na n d5 0 s t e a r i ca c i d ，a n dt h eo p t i m a ll e v e l i s2p h r ；t h eo p t i m a ll e v e lo f c r o s s l i n k i n ga g e n td c p i s 18p h r 7t w i n s c r e w e x t r u d e ri sb e t t e rt h a ns i n g l es c r e we x t r u d e ri nt h ed i s p e r s ea n d v 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 p l a s t i c a t i o nb e h a v i o ro fp l a n tf i b e ri np v cs u b s t r a t e w h e nf i l l i n ga m o u n to fp l a n tf i b e r h a sac e r t a i nc o n d “i o n ，t h ep r o d u c tp r o p e r t yo f p u r ep v ci sb e t t e rt h a nr e c y c l e dp v c 8 t h er e g r e s s i o ne q u a t i o nd e s c r i b i n gt h er e l m i o nb e t w e e nb e n d i n gs t r e n g t ha n d e l a s t i cm o d u l u sw a so b t a i n e db yu s i n gt h et h r e e f a c t o r sq u a d r a t i cr e g r e s s i o no r t h o g o n a l r o t a r ym e t h o d ： v 一一1 4 4 71 9 2 3 + 1 7 8 5 1 9 2 1 - 93 6 7 7 2 2 + 3 36 7 1 4 2 3 + 01 7 8 8 2 1 2 2 00 6 0 9 2 1 2 一o 6 7 2 2 2 2 。一 4 810 2 2 3 2 ，t h eo p t i m a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ea l s od i s c u s s e d ：t h ee x t r u s i o n t e m p e r a t u r e 1 6 95 5 | 。c s c r e ws p e e d155 8 r m i n 、m e l tp r e s s u r e3 5 m p at h eo p t i m a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh y g i e n i c a lg u i d el i n ea sf o l l o w s ：t h eb e n d i n gs t r e n g t hi s 2 73 m p a ，e l a s t i cm o d u l u si s1 7 4 7 m p a ，f l e x u r ee x p e r i m e n ti s1 9 r a m ，m e e tt h ei n d u s t r y s t a n d a r do f b b t 0 0 2 0 2 0 0 1 ，s u r f a c ea n t i c i g a r e t t e s b u r n e dh a sn om a c u l a r , c r a c k ，b u b b l e ， m e t t h ei n d u s t r ys t a n d a r do f g b t 1 5 1 0 2 9 4a n df o r m a l d e h y d ec o n t e n ti s0m g 1 0 0 9 ， 9t h ew a t e ra b s o r p t i o no ft h er a p e s t r a ws h e e ti so n l y49 8 i n2 5 ，4 8h o u r s ， w h e nt h er e l a t i v eh u m i d i t yo fa i ri sb e t w e e n6 0 - 1 0 0 ，t h em o s tm o i s t u r ea b s o r p t i o no f p r o d u c ti s47 5 a n di th a sa b e t t e ra d a p t a b i l i t yt ot h ee n v i r o n m e n t + t h er e s u k s o ft h ef o u n d a t i o n a lr e s e a r c ho p e nu par e l i a b l ep a t hf o ri n t e g r a t e d u t i l i z a t i o no fa b a n d o nr e s o u r c e sa n da g r i c u l t u r a li n d u s t r i a l i z a t i o n ，t h e r e f o r e ，p r o v i d e p r a c t i c a l r e f e r e n c e sf o r r e s o l v i n g “t h r e e f a r m i n g ”t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c hh a sa p r o m i n e n te c o n o n l i c ，s o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t k e yw o r d s ：r a p es t r a w ；p v c ；w o o dp l a s t i cc o m p o s i t e ：d e c o r a t em a t e r i a l ；c o m p o s i t e v l 油菜秸秆装饰材料的制各及特性研究 缩写词表检索 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是古保密 否如需保密，解密时问年 月口 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，除了文中特另9 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，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。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做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：多王彳辰炯 时间：工”7 年彳月，s 日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。本人同意华中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。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 学位论文作者签名：江丰脚导师签名：勿重) 签名日期：2 ”7 年月，了日签名日期： 0 7 年月留习 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 油菜秸秆装饰材料的制各及特性研究 前言 l 概述 随着中国经济的快速发展，人民生活水平不断提高，尤其是房地产业的高速发 展，出现了建筑业、装修蓬勃发展的可喜局面。目前，我国住房建设正在从粗放向 集约发展，提出了住宅达到适用、经济、美观的要求；功能质量，工程质量达到满 足长期居住的要求；材料达到减低能耗，保护环境的要求。这对传统的建筑结构材 料、装饰装修材料提出了挑战。另外传统的木质装修材料多采用脲醛树脂胶压制， 在使用过程中甲醛缓慢释放所造成的室内污染问题日益严重( 赵子，2 0 0 7 ) 。 众所周知，我国是世界上木材及木制品的生产大国，也是一个消费大国，同时 又是人均占有森林资源很少的国家，再加上乱砍滥伐，使我国的森林面积逐年减少， 而森林和地表植被的减少不但可以导致耕地退化和气候变化，还将对生态平衡造成 严重影响。建筑、装潢、家具等行业大量使用木材，是木材消耗最大的领域，也是 造成森林资源被严重破坏的主要原因。其次，木材作为工业材料自身存在着易燃、 易腐、易受虫蛀、绝对强度低、容易吸水吸潮，并引起较大的尺寸变形的缺点。因 此，寻找木材的替代品是解决森林资源危机的出路之一。 木材热塑性塑料复合材料( w p c ) 是以木粉和塑料为原料，加入偶联剂等改性 助剂，经过热压复合、熔融挤出等不同加工方式制成的种新型材料( 殷小春，2 0 0 2 ) 。 木塑复合材料既能充分发挥材料中各组分的优点，克服因木材强度低、变异性大等 造成的使用局限性，又能克服有机材料的低弹性模量等使用缺陷，并能改进材料的 物理力学性能和加工性能，降低成本劳扩大其应用范围，提高材料的附加值。木塑 复合材料具有比单独的木质材料或塑料产品更优异的性能，是木材的理想代用品， 其主要优点有：( 1 ) 无木材制品的缺陷，如木节疤、斜纹理、腐朽等，耐用，寿命 长；( 2 ) 有类似木质外观，比塑料硬度高；( 3 ) 木塑制品是均匀性材料，具有优良 的物性，不存在顺纹，横纹的异向力学性能和径向、弦向的不同收缩率，无论是压 制、挤压、注射成型，只要有定型的模具和容样器即能一次成型；无加工剩余物， 最有效地利用原材料且加工效率高；( 4 ) 制品表面光滑、平整、坚固，并可压制出 企形口、立体图案和其他要求形状，而且有类似木材的二次加工性，可切割、粘结 等，加入各种着色剂或覆膜，能制得色彩绚丽的各种制品；( 5 ) 能重复使用和回收 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 再利用；( 6 ) 可涂漆，不含甲醛，并具有木材所不具备的阻燃性。 木塑材料的出现，在一定程度上缓解了木材供应紧张的问题。然而。木塑材料的 主要原料木粉仍然来源于木材加工的边角余料，资源仍然有限。我国于1 9 9 8 年以来 开始实惑天然林保护工程，对国内森林采取逐年减伐措施，使国内的木材市场出现 较大的供应缺口，预计到2 0 1 5 年全国木材需求至少4 8 亿立方米，木材供应缺口至 少1 9 亿立方米。木粉的资源将会严重匮乏，与木材、木粉日益缺乏相对的是，随 着农业的高速发展，伴之而来产生大量废弃农作物原料。中国是农业大国，也是秸 秆资源最为丰富的国家之一，每年生产6 3 亿多吨的秸秆，且随着农作物单产的提 高，秸秆产量也将随之增加( 韩鲁佳2 0 0 2 ) 。 表l1 9 9 9 年中国主要农作物秸秆资源量及分布情况 塑坠：! 旦翌翌! 曼! 苎空! ! ! 塑垒坚! ! ! 璺竺! 竺! ! 翌! 竺壁! ! 翌! i ! 垒1 2 11 11 1 1 11 q ! 稻草麦秸玉米秸高集秸谷秸其他杂莅秸豆秸薯类蔓蘼油辩秸甘蔗秸小计 华北 2 1 12 0 4 73 2 5 81 1 82 0 2 o 8 73 8 5 1 | 7 9 2 6 2oo o6 7 4 9 东北1 7 0 53 ，7 05 3 5 22 4 90 4 9o 4 81 00 9 1 0 6 0 6 9o o o8 9 5 5 华东 6 75 04 3o l2 83 8o 2 10 3 434 07 0 65 9 8 2 02 511 11 7 7 2 3 中南7 l9 52 7 0 42 3 7 90 1 5o 3 20 8 95 6 0，8 91 6 9 0 1 3 1 91 6 57 1 西南3 1 2 0 9 7 4 2 2 2 90 3 3o o l3 鹅3 7 26 0 67 0 44 3 88 8 6 5 西北 1 9 31 33 31 4 9 50 3 lo 3 2 i7 220 91 4 426 10o o3 86 9 全国1 9 17 41 1 7 3 01 7 54 84 6 735 01 l 2 33 23 92 2 2 15 0 1 11 86 86 2 7 6 2 从表1 可以看出，1 9 9 9 年中国农作物秸秆总量约6 3 亿吨迄今为之，这些丰 富的生物质资源目前为之没有得到大规模应用，一般都是做焚烧处理或者作为肥料 还田。并且这些生物质资源可以通过年复一年的光合作用得以源源不断的补充，是 取之不尽、用之不竭的。开发利用这些生物质制备生物质材料可以解决木材资源匮 乏的问题。 对于湖北省来说，水稻和油菜是我省的大宗农产品，除谷粒用于加工大米外， 油菜籽用于加工油脂外，其余占总量8 0 左右的非可食部分如油菜秆、谷壳等，目 前未得到充分的开发与利用，农民一般把它们作为废物烧掉，或简单作为饲料，不 仅造成资源浪费，同时严重污染环境。由于油菜秸秆、谷壳含有丰富的纤维素，具 有一定的强度和韧性，经过一定的改性处理后，可以代替木粉与塑料复合制备建筑、 装潢、家具等行业用的各种装饰材料。利用资源丰富的油菜秸秆及稻谷壳等农作物 下脚料替代木粉制备w p c 复合材料，具有更好的资源优势和价格优势。以油菜秆 制备的仿木生物质装饰材料，集木材与塑料的优点于一身，不仅有像天然木材那样 的外观，而且克服了其不足，具有防腐、防潮、防虫蛀、尺寸稳定性、不开裂、不 2 油菜秸秆装饰材料的制备及特性研究 翘曲等优点，比塑料硬度高，又具有类似木材的加工性，可进行切割、粘结、用钉 子或螺检固定连接，可涂滚，不含甲醛，并具有木材所不具备的阻燃性。 2 木塑复合材料的发展历程及研究现状 2 1 国外研究现状 利用植物纤维与树脂进行复合的研究已有较长的历史，最早是采用植物纤维以 粉状形式作为填料加入到热固性塑料中。1 9 0 7 年l e o hb e n d 博士利用热固性酚醛树 脂与木粉复合首先制备了一种复合材料，所制得的纤维板应用为房屋等建筑材料。 由于木粉和塑料的相容性差，当木粉含量增大时所得的复合材科性能较差，因此改 善材料的界面相容性一直是后续研究的主要目标之一。1 9 6 3 年，b r i d g ef o r d 发明了 一种催化体系将不饱和单体接枝到木材纤维上，以改善小材纤维和塑料的相容性。 1 9 6 8 年，m a y e r 最早将偶联剂应用于木塑复合材料中( 肖泽芳，2 0 0 3 ) 。 从2 0 世纪8 0 年代开始，偶联剂成为w p c 的研究热点。从1 9 8 0 年到1 9 9 0 年 产生了一系列的偶联剂专利，其中包括异氰酸酯和马来酸( m a ) ，邻苯二甲酸酯， 聚亚甲基聚苯基异氰酸酯( p m p p i c ) ，马来酸酐改性聚丙烯( m a p p ) ，马来酸酐改 性苯乙烯乙烯丁烯( s e b s m a ) 和硅酸盐类等4 0 多种偶联剂。实验证明，有机偶 联剂效果较好，目前最为常用的是m a p p 和p m p p i c ( a d r i a nj ，2 0 0 3 ) 。而同时， 各种热塑性塑料都成为木塑材料研究的对象，如聚丙烯( p p ) ，聚乙烯( p e ) 、聚氯 乙烯( p v c ) ，聚苯乙烯( p s ) 等。 w p c 的商业应用始于2 0 世纪5 0 年代中期。1 9 7 3 年s o n n e s s o n p l a s t a b 公司开 始销售商品名为s o n w o o d 的p v c 木粉复合材料，它是由木粉和p v c 复合制成片状， 然后挤压成型。从二十世纪七十年代，北美、欧洲的许多国家对木塑复合材料己进 行了大量的研究，但直到二十世纪九十年代木塑复合材料的生产和应用才得到迅速 推广，主要原料为木粉、竹粉，也有部分利用农作物秸秆，如小麦秆、稻秆、玉米 秆等，主要产品为包装用托盘、铺板、栅栏、汽车内饰板等。北美和欧洲2 0 0 2 年消 费的木塑复合材料达到6 8 万吨，并预计到2 0 1 0 年前将以1 4 和1 9 的速度增长。 世界木塑制品生产和应用的最大国家是美国，其最大制品是铺板( d e c k i n g ) ， 生产工艺为挤出成型，即为二步法工艺，先用双螺杆挤出粒料，然后再经单螺杆挤 出机加工成制品。二步法的设备投资较高、电耗高。因此，采用双螺杆挤出一次成 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 型工艺为国外许多国家越来越重视( 刘瑞庭，2 0 0 4 ) 。 2 2 国内研究现状 我国木塑复合材料方面的研究起步较晚，二十世纪8 0 年代，为了利用锯末和木 屑，人们将之与脲醛树脂混合，压制成刨花板。但由于板面材料分布不均一，易吸 收水分起鼓变形。到了二十世纪9 0 年代，开始用植物纤维与树脂均匀混合，压制成 质地均匀的平板，即目前市场上广泛使用的密度板，但无论从手感，外观或是质量 来看，它与木材相差甚远，刚性不好，卧钉力差，没有木材的手感和质感。2 0 世纪 8 0 年代中期，福建林学院杨庆贤等率先在国内进行w p c 的研究，对木粉和废旧塑 料的复合进行了初步的探索研究并开发了几种产品( 杨庆贤，1 9 9 7 ) 。2 0 世纪8 0 年 代末，中国林科院木材工业研究所开始了对木纤维和p p 纤维复合材料的研究，研究 的内容包括材料的机械性能，加工设备和生产工艺等方面。 进入9 0 年代以后，我国的科研工作者在木塑复合材料方面做了大量的工作，对 各种树脂基体的复合材料、界面相容性、挤出加工的实现等问题都进行了大量的研 究。四川大学杨鸣波等使用了一种含酯键的表面活性剂处理秸秆，制备了秸秆填充 p v c 、p p 复合材料，从复合材料的力学性能、流动性、微观结构等方面进行了研究， 所选处理剂对复合材料的性能有较好的改善作用。苑会林等对木粉填充聚氯乙烯发 泡体系进行了研究，实验结果表明用铝酸酯和丙烯酸丁酯处理木粉可以提高复合材 料的力学性能，s e m 观察显示在木粉和p v c 之间形成了高强度的界蘑层。崔文瑾 等从配方、挤出模具、工艺等几个方面研究了p r o s ：塑复合材料的制备方法( 赵子， 2 0 0 7 ) 。 在我国，加拿大未来技术有限公司于1 9 9 8 年将木塑材料技术在我国出售；安徽 蒙城县铝塑型材有限公司与蒙城县铝塑研究所合作研究建设的木塑材料生产线申请 了国家专利；无锡南丰塑业有限公司研制的组合式木塑托盘通过了由中国包装协会 组织的技术鉴定，并申请了国家专利；北京化工大学和北汽对福田汽车进行了w p c 产品专用设备的开发。另外南京聚峰新材料有限公司、重庆江津宏伦建筑材料有限 公司、武汉现代工业技术研究所等成功的研制、生产了木塑复合材料产品。产品也 逐渐的由低端的托盘等向室内外装饰材料等方向发展。但总的来说，不管从产量、 市场占有份额、产品种类等等都和国外有较大的差距，市场空白较大，前景看好。 4 油菜秸秆装饰材料的制各及特性研究 3 植物纤维热塑性塑料复合制备生物质材料中存在的问题 3 1天然植物纤维的特性 天然植物纤维是由纤维素、半纤维素、木素以及各种抽提物组成的天然高分子 复合材料，呈不均匀地各向异性特性，其中纤维素是植物纤维的主要组成部分。 天然植物纤维结构与其它无机纤维及有机纤维有很大的不同，天然纤维索是由 许多d 一吡喃式葡萄糖相互以1 3 1 ，4 糖昔键连接而成的多糖( 见图1 ) 。纤维表面大 分子的重复单元每个基环内含有3 个羟基，位于葡萄糖基的2 ，3 ，6 位，其中第 6 位碳原子上的羟基为伯醇羟基，而c ：、c 3 上的羟基为仲醇羟基。这些羟基的存在 直接影响到纤维素的化学性质，如纤维素的酯化、醚化、氧化、接枝共聚等反应， 以及纤维素分子之间的氢键作用。这些羟基形成了分子内氢键或分子间氢键，使纤 维表现出较强的极性和亲水性，吸水率高达8 1 2 ，其化学结构的分，式为 ( c 6 h 5 0 ，) 。，r l 为聚合度) ，含碳4 44 4 ，氢6 1 7 ，氧4 93 9 - 三种元素组成。 它的化学结构可用h a w o r t h 式表示：( 杨淑蕙，2 0 0 1 ) 罔l 纤维素的分子结构 半纤维素是植物纤维原料中纤维素以外的另一种组分碳水化合物，半纤维素与 纤维素之间的化学结构差别主要在于以下两方面：不同的糖单元组成；短的多的分 子链；分子中含支链；其主链可由一糖单元构成为均一聚稚如聚木糖类半纤维素； 也可由二或更多种糖单元构成的非均聚葡萄糖甘露糖类半纤维素；有些糖单元以支 链连接到主链上，如半乳糖和4 氧甲基葡萄糖醛酸等。 木质素是主要由酚醛基和高度枝化杂聚物构成，它通过醚键和碳一碳键连接成 复杂的无定形高聚物。禾草类木素含量为1 4 2 5 。虽然在各种植物中都含有木 素，但它们的组成、结构并不完全一样( m ，k a z a y a w o k o ，1 9 9 7 ) 根据植物细胞壁薄层结构模型，由纤维素组成的微纤丝，其外层包裹半纤维素， 再被包埋在由半纤维索和木质素组成的基质中，形成强化复合结构。 华中农业大学2 0 0 7 届碗士学位论文 3 2 1 植物纤维的热机械性 在植物纤维中具有反应活性的基团对于热、机械、化学等环境作用极其敏感， 使纤维素很容易降解( 陈玉放，1 9 9 8 ) 。在共混过程中，纤维素受到热机械作用，会 发生热降解、氧化降解、机械降解等而使纤维的形态性能发生改变。其中热能激活 纤维中的反应性基团( 如醇羟基等) 而发生