（机械设计及理论专业论文）秸秆原料热压成型育苗钵试验研究.pdf

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，也不包含为获得沈阳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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 导师签名： 讳、中扔 旄弛五 时间：1年月b 日 时间：a 帅7 年月乡日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保 留、使用学位论文的规定，i z p , 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。 同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发 表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：纬寺屯 时间： 加7 年月肜日 导师签名： 硅聋址五时间：力仰7 年月侈日 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 育苗钵的原料为秸秆和淀粉，具有良好的生物降解性，不仅是有利于环境保护的绿 色产品，而且使秸秆变废为宝，为秸秆的开发应用做出了有意义的探索。 本文研究了育苗钵的研制方法和主要性能，具体如下： 1 以北方存量较大的玉米秸秆为原料，将玉米秸秆去叶、皮瓤分离、粉碎，获取所 需的原料。 2 为选择合适的粘合剂，本文比较了不同改性淀粉与粉碎后的秸秆混合后物料的流 动性，比较由不同粘合剂热压成型样品的比静曲强度和比拉伸强度，比较由不同粘合剂 热压而成的样品的耐水性，结果表明：用甲醛改性的淀粉粘合剂不仅与粉碎后的秸秆混 合后仍具有良好的流动性，而且其机械性能及耐水性都为最好； 3 本文摸索出了一套生产秸秆育苗钵的压制工艺，即晒干的玉米秸秆经粉碎，去叶、 皮瓤分离、粉碎、热压、起模、烘干，得到满足强度的育苗钵。热压成型的最佳条件为： 压力，6 7 m p a ；温度，1 1 0 ；施胶量，2 2 2 3 ：时间1 2 m i n 。 4 测定不同含水率和密度的样品的机械性能后，得出：当样品的含水率和密度分别 为1 1 和1 4 9 c m 3 时，其机械性能最好。 5 通过将近2 个月的试用实验，该育苗钵不仅满足育苗的正常的生长要求，且其强 度满足栽培和搬运要求。 6 通过抗破损实验，表明该育苗钵具有足够的强度，满足长途运输及搬运的条件。 关键词：育苗钵；秸秆；改性淀粉；熟压成型 英文摘要 a b s t r a c t s e e d i n g - r a i s i n gp o t ，t h er a w m a t e r i a l so f w h i c hi st h es t a l ka n ds t a r c h , h a sg o o d b i o l o g i c a ld e g r a d a b i l i t y , i ti sn o to n l yg r e e np r o d u c ta d v a n t a g e o u st ot h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，b u ta l s om a k et h es t a l kt u r nw a s t ef o rt r e a s u r e ，h a sm a d em e a n i n g f u le x p l o r a t i o n f o rt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f t h e s t a l k t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dp r o d u c t i o nm e t h o da n dm a i np e r f o r m a n c eo f s e e d i n g - r a i s i n gp o t , s p e c i f i c a l l ya sf o l l o w s ： 1 t 狄ee o ms t a l kt h a tt h en o r t h e r ns t o r a g eq u a n t i t yl a r g e ra sr a wm a t e r i a l s ，g ot h el e a f , l e a t h e rf l e s hs e p a r a t e ，c r u s h ，o b t a i nn e c e s s a r yr a wm a t e r i a l s 2 i no r d e rt os e l e c taa p p r o p r i a t eb i n d e r , t h i sa r t i c l eh a sc o m p a r e dt h em a t e r i a lf l u i d i t yo f t h ed i f f e r e n tm o d i f i e ds t a r c ha n dt h es m a s h i n gs t a l km i x e d ，c o m p a r e dt h es t a t i ct u n ei n t e n s i t y a n dt h el o n g i t u d i n a ls t r e n g t ho f h o t p r e s sm o l d i n gs a m p l eb yd i f f e r e n tb i n d e r , c o m p a r e dw i t l l t h ew a t e r - r e s i s t a n c eh o tp r e s s i n gs a m p l e sb yd i f f e r e n tb i n d e r ，r e s u l ti n d i c a t e d ：t h es t a r c h b i n d e rw i t ht h ef o r m a l d e h y d em o d i f i e d ，n o to n l ys t i l lh a dt h eg o o df l u i d i t ya f t e rm i x e dw i m t h es m a s h i n gs t r a ws t a l k b u ta l s oi t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw a t e rr e s i s t a n c ei sa 1 1t h eb e s t 3 t h i sa r t i c l eh a sf o u n do u tas e to f s u p p r e s s e dc r a f to f s e e d i n g - r a i s i n gp o tw i t h p r o d u c t i o n ss t a l k ，i no t h e rw o r d s ，d r i e dc o r ns t a l k sh a sb e e nc r u s h e d ，g o n el e a f , l e a t h e rf l e s h s e p a r a t e d ，c r u s h e d ，h o t - p r e s s e d ，b l o w - m o l d e d ，d r i e d ，g e tt h es e e d i n g r a i s i n gp o tw h i c h m e c c s i n t e n s i t y t h eo p t i m u mc o n d i t i o no f s h a p i n go f h o t - p r e s s e di s ：p r e s s o r e ，6 - 7 m p a ；t e m p e r a t u r e ， 1 1 0 ；t h ea m o u n to f g l u ec o n s t r u c t e d ，2 2 - 2 3 ；t i m e1 - 2 m i n 4 a f t e rd e t e r m i n i n gt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f s a m p l eo f d i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n t a n d t h e d e n s i t y ，o b t a i n e d ：w h e n m o i s t u r ec o n t e n t a n d d e n s i t y o f t h es a m p l e a r e1 1 a n d 1 4 9 e r a 3r e s p e c t i v e l y , i t sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei st h eb e s t 5 t h r o u g hn e a r l y2m o n t h l o n gt e s t se x p e r i m e n t s ，t h i ss e e d i n g - r a i s i n gp o t n o to n l ym e e t t h e n o r m a l g r o w t hr e q m r e m e n t o f s e e d i n g - r a i s i n g i t s i n t e n s i t y b u ta l s o m e e tc u l t i v a t e a n d t r a n s p o r tr e q u e s t 6 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to f a n t i - d a m a g e s ，i n d i c a t e ds e 虻d i n g - r a i s i n gp o th a v et h e e n o u g hi n t e n s i t y , h a ss a t i s f i e dt h el o n g - d i s t a n c et r a n s p o r ta n dc a r r i e dc o n d i t i o n k e y w o r d s ：s e e d i n g - r a i s i n gp o t , s t a l km a t e r i a l ，m o d i f i e ds t a r c h , s h a p i n go f h o t p r e s s e d 2 沈阳农业大学硕士学位论文 1 刖罱 一个国家或地区，其自然资源利用的是否科学合理，转换技术是否先进，是受经济 发展水平和传统生活习惯所制约的。秸秆作为一种自然资源，可以单一的利用其一种资 源功能，也可以利用其全部资源价值。下面就秸秆利用途径及现状做一概述。 1 1 秸秆开发和综合利用现状 秸秆材料通过化学和机械方法处理，可得到性能稳定和纤维化的纤维素纤维，此种 纤维可代替部分合成纤维，作为复合材料的增强纤维。秸秆纤维复合材料的研究在国内 刚刚起步。目前，国外研究较多的秸秆复合材料是稻草纤维与聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙 烯及氯化聚乙烯热塑性树脂的复合，主要研究了纤维与基体界面的粘附性问题及解决此 问题的方法。由于秸秆材料包含部分半纤维素和木质素，这两种成分在1 6 0 c 以上的高 温下将发生降解，生成小分子化合物，影响纤维的机械性能。另外，秸秆纤维的表面具 有强烈的吸水性，而作为基体的热塑性树脂是疏水性材料，因此两者相容性差，导致其 界面的粘附性差，影响复合材料的润湿性和机械性能。为获得性能稳定和纤维化的秸秆 纤维及改善纤维与粘合剂的相容性，需对秸秆材料进行化学和机械处理，以提高界面剪 切应力的传播和增强复合材料的机械性质。例如r u n c a n gs u n 等人通过碱性溶液( 如氢 氧化钠和过氧化氢溶液) 的处理打破酯键和醚键，使部分半纤维素和木质素溶解，提高 秸秆纤维的热稳定性；b f o c h e r 等热采用蒸汽爆炸法( s t e x ) 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、增加纤维表面积、细化纤维和增强纤维表面 化学反应性等，以使纤维可用作一种增强材料；j o h a nf e l i x 等人对纤维素纤维表面进行 等离子体改型也能提高界面的粘附力。主要是在纤维表面引入电子给予体基团，或在纤 维表面形成一层酸性等离子体高分子层，以此来增强纤维表面化学反应活性，提高界面 粘附力。 1 1 1 用作燃料 ( 1 ) 直接燃烧，用作能源 按燃料值计算，每公斤秸秆相当于0 4 9 k g 标准煤，实在是一项不可忽视的巨大能源。 传统的方法是直接燃烧，用作能源。但这种方式用于能源缺乏地区，应在这些地区大力 提倡与推广高热效率的省柴灶。秸秆燃烧的草木灰是很好的钾肥，但这种做法燃烧值、 利用率低，能量密度小，浪费大。 ( 2 ) 固化成型 为了改进秸秆存在的体积大、燃烧值低、能量密度小等缺点，国内外均采取将秸秆 压缩的办法以提高其密度。秸秆的基本组织是纤维素、半纤维素和木质素，它们在适当 的温度( 通常为2 0 0 3 0 0 c ) 下会软化，此时施加一定压力( 通常为1 0 1 5 m p a ) ， 利用机械挤压成型( 往复式和螺旋式) ，使其相互紧密粘结，冷却后，固化成型，即得 到木炭或活性炭。秸秆固化燃料具有一定的机械强度，容重为1 1 2 1 4 0 x1 0 3 k g m 3 ， 热值为1 4 6 5 4 1 8 0 0 3 k j k g ，具有近似于中质烟煤的燃烧性能，而含硫量低、灰分小。 具有体积小，贮运方便，干净卫生，工艺简单等优点。可直接用于民用和燃烧锅炉，供 工业生产及农村温室，禽舍、烘干室等用，还可用于冶金、化工、环保等。最近欧洲一 些国家已开发出一种新技术将秸秆粉碎后加凝固剂压制成球，供小型锅炉使用。 ( 3 ) 热解气化 为开发一种适合我国国情的先进转换技术，实现秸秆类生物质原料的高效高档次利 用，近年来又研究出秸秆的热解气化技术，即利用空气中的氧气和水蒸气将秸秆中的炭 氧化生成可燃气，把细软、松散的低品味秸秆通过在气化炉中进行高温氧化还原反应， 转换成清洁的高品位气体，热效率可达4 0 。此气相燃料燃烧速度快，热量输出可控制， 在烘干木材、茶叶、饲料和代替燃油发电及农村居民炊事等方面已有成功应用。 ( 4 ) 生物气化 生物气化秸秆发展沼气是一项生态与能源兼顾的途径。秸秆经厌氧发酵后，不但产 生沼气，作为部分生产、生活用能，其发酵残留物一沼渣、沼液的综合利用更具有经济、 环境和社会多方面效益。秸秆生产沼气一般有两种途径：一是直接进沼气池，二是秸秆 做牲畜饲料，牲畜的粪便入沼气池。产生的沼气含5 0 7 0 的甲烷，是高品位优质燃 料，可用于炊事、照明、风干样品、电灯灭虫、果品保鲜等，还可作发电动力燃料或液 化成甲醇，作发电机燃料。沼液、沼渣则是优质肥料和饲料。此外，沼液具有杀虫。灭 菌的作用，用沼液喷洒果树和蔬菜，即杀虫灭菌，又能对9 4 以上的叶面起施肥作用。 近年来在秸秆制取沼气技术上有了较大突破，解决了秸秆易结壳、出料困难和发酵不充 分的难题，干发酵工艺则有助于提高池容利用率，事宜北方地区使用。 ( 5 ) 热风烘干 将成捆或经预处理的秸秆加入有两段燃烧室组成的高效燃烧炉燃烧，经离心除尘可 得到洁净的热烟道气，产生的热风温度可调节( 6 0 8 0 c ) ，尤其适宜于高湿物料，如 粮食、木材、饲料鸡粪等的烘干。这在秸秆资源量大的农林地区较有推广价值。 4 沈阳农业大学硕士学位论文 1 1 2 用作饲料 作物秸秆内含有可消化的干物质2 5 5 0 ，粗蛋白质2 4 ，是较理想的饲料 资源。1 9 8 4 年桑斯图尔曾发表了概括性的专著“秸秆和其它纤维副产品的饲料利用。” 据分析，对秸秆进行加工处理后，可提高消化率，降低粗纤维含量。 目前，秸秆的处理方法主要有以下几种： ( 1 ) 碱化处理 即使不易消化的木质素变为易消化的羟基木质素，切断纤维素与木质素的复合物， 让纤维素吸水膨胀，使植物细胞间的镶嵌物质与细胞壁松散，易被纤维素酶及各种消化 液所渗透，从而提高秸秆有机物的消化率，并改善了嗜口性，增加了牲畜的采食量。碱 化处理主要有氢氧化钠处理、液氨处理、尿素处理、石灰处理等。因氢氧化钠、液氨、 尿素价格较贵，不宜大规模推广，因此以来源广，价格低的石灰处理为主。 ( 2 ) 氨化处理 可以有效打断秸秆细胞壁，木质素和半纤维素的结合，使秸秆的消化率、采食率提 高2 0 左右，且适口性也有较大改善；增加了秸秆的粗蛋白含量，总的营养价值可提高 5 倍，达到0 4 0 5 个饲料单位。也就是说l k g 氨化秸秆相当于0 4 0 5 k g 燕麦的营养 价值。 ( 3 ) 青贮 青贮的原理是在适宜的条件下，主要通过乳酸菌的发酵，产生酸性环境抑制和杀死 其他有害微生物，提高饲料的适口性、消化率和营养价值，并且达到保存饲料的目的。 青贮要求原料含8 10 9 6 的可溶性单糖，因此对秸秆来讲，只有玉米秸秆适合于青贮。 在国外，青贮玉米最佳的收割期是玉米乳熟后期到蜡熟期。而我国是待玉米籽实成熟了 才进行收割和青贮，也就是黄贮，此时玉米秸的营养价值己较大幅度地降低，所以，我 国要进行玉米秸黄贮就要找出一个在不影响玉米产量的条件下，提前收割时间，最大程 度减少营养损失的时期，是黄贮玉米秸的营养价值最大限度地提高。为了提高黄贮玉米 秸的质量，在青贮过程中常加入微生物制剂，主要是乳酸菌；抑制不良发酵的添加剂， 主要有酸类添加剂，如硫酸、盐酸等无机酸，甲酸、乙酸等有机酸( 抑制植物的呼吸作 用，减少发热和营养损失，降低p h 值，抑制杂菌) 和防腐剂如亚硝酸钾、硝酸钠、甲 酸钠、甲醛等以利于青贮料的保存和防止变质；营养型添加剂，主要有尿素、碳水化合 物等改善发酵过程的物质和石灰石、硫酸铜、硫酸锌、硫酸锰、氯化钴等补充青贮料矿 物质元素不足的无机盐类和纤维素酶类添加剂( 如宁夏的夏盛酶等) ，这类酶主要有半 纤维素酶、纤维素酶、果胶酶都能够添加物。 ( 4 ) 秸秆的微贮 秸秆微贮是利用微生物活菌( 秸秆发酵活杆菌) ，在适宜的温度、湿度和厌氧的条 件下发酵秸秆，使秸秆中的纤维素、半纤维素、木聚糖链和木质素聚合物的脂键被酶解， 以便反刍动物提高查粗纤维维持的消化率。同时，在发酵过程中，部分木质素类物质转 化为糖类，糖类又被有机酸发酵菌转化为乳酸和挥发性脂肪酸，是p h 降低，抑制了有 害菌的繁殖，利于秸秆长期保存。 ( 5 ) 压块饲料技术 国内外已有多种此项研究，秸秆粉碎后压制成的块状饲料易于运输，适1 ：3 性和消化 率也有提高。 秸秆压块饲料是以玉米秸、稻草、麦秸等农作物秸秆为原料，经切碎、搅拌、高温 压制而成的块状饲料，适合喂牛、羊等草食家畜，也可用于牧草的压块加工。压块加工 中，可根据不同喂养的需要，在压块前加入精饲料和微量元素等制成营养全面的全价饲 料。 压块饲料技术的经济效益： 秸秆经过高温、高压处理，由生变熟，粗纤维降解，营养成份提高。据有关资 料显示，秸秆压块后，粗蛋白由压块前的3 5 提高到6 8 ，粗脂肪由压块前的o 8 提 高到2 。采食率提高。秸秆经高温、高压、熟化处理，具有浓郁的糊香味和甜味，适 口性好。采食率大大提高，可达到1 0 0 1 此外还有秸秆黄贮、热喷、糖化以及生物技术处理等方法。鹿泉养殖场对5 0 余 头牛1 0 个月的喂养试验，奶牛产奶量提高1 6 4 ，牛奶内脂肪量增加o 2 ；肥牛增肉 率为1 5 ，生长加快，出栏周期缩短； 便于储存运输。秸秆经压缩，密度可达到0 8 l t m 3 ，体积仅为原来七分之一， 含水率达到1 4 以下，便于储存运输，保质期可达半年以上，从而可以有效地解决牧区 冬季饲料短缺、有效抵御自然灾害和农区秸秆大量积压无法处理的问题，以及农区发展 畜牧业的饲料问题。 秸秆压块饲料的社会效益 有效地解决畜牧业发展的瓶颈。畜牧业发展的关键在于饲料，饲料普遍短、价 6 沈阳农业大学硕士学位论文 格偏高等问题一直是制约畜牧业发展的瓶颈，秸秆压块饲料的出现，必将从根本上解决 饲料问题，畜牧业必将有突破性进展。 变废为宝，改善环境。大量农作物秸秆得不到充分利用，致使农民焚烧秸秆， 既影响交通，又严重污染空气。秸秆压块技术将秸秆“变废为宝”，从另一途径上可解 决秸秆焚烧污染环境问题。 便于圈养，保护植被，便于现代化养殖。长期以来，我国农区的畜牧业以养猪 和家禽为主，其饲料主要来源于粮食及其深加工后的副产品。在牧区则以养牛养羊为主， 采取放牧方式，饲料依靠天然草场，植被破坏严重，呈恶性循环养殖态势。秸秆压块饲 料的出现，无论是在牧区还是农区，可全面推广规模化牛、羊圈养方式，与国际先进的 养殖方式接轨，有效地保护大地植被，形成良性生态循环。 增强出口创汇。秸秆压块加工后，使体积庞大的秸秆变成了“压缩饼干”，储存 期厂，运输方便，省时、省包装、省空间，为打入国际市场创造了有利条件，也必将增 加出口创汇。 促进乡镇企业发展，增加农民收入。入世后，农业的结构调整是我国面临的一 个十分重要和十分迫切的问题。各级政府都在为农民致富、增加农民的收入想办法、找 出路。秸秆压块饲料是一个经济效益、社会效益俱佳的项目，饲料业的发展及养殖业的 拉动，将形成相互促进、协调发展的良性循环，乡镇企业必然得到发展，农民也必然从 中得到实惠。 ( 6 ) 热喷 原理是利用热喷效应，使饲料木质素熔化，纤维结晶度交小，总面积增加，从而达 到提高家畜、家禽采食和消化吸收率以及由于高温高压而杀虫、灭菌的目的。利用这项 技术对秸秆、秕壳、林木副产品等粗饲料进行热喷处理，使全株采食率由0 5 0 提高 到9 5 以上，消化率提高到5 0 ，两相叠加可使全株利用率提高2 3 倍。 1 1 3 用作肥料 农作物秸秆含有丰富的有机质和氮、磷、钾、钙、镁、硫等养分，秸秆平均含氮o 6 、 钾1 、磷0 3 ，含碳4 0 5 0 ，有机质在土壤中转化时的损耗率为7 5 。这样全国 秸秆可提供的氮相当于1 9 9 1 年农用氮素化肥总量的1 7 ，氮肥的1 1 ，钾肥的3 倍多， 是缓解钾肥不足的重要补充源，秸秆是土壤有机质的主要来源。腐熟后是良好的有机肥， 如玉米秸含有机质8 0 0 6 、氮o 7 5 、磷o 4 、钾o 9 ，若将秸秆还田定会受到良好效 7 1 前言 果。具体做法有直接还田( 翻压还田、覆盖还田、残茬还田) 、间接还田、过腹还田。 欧美一些国家多采用田间焚烧法还田或直接还田。 1 1 4 用秸秆生产食用菌 在2 0 世纪7 0 年代，由于人工培养纯菌丝的兴起，并开始采用木屑，棉籽壳等农副产 品下脚料栽培食用菌。代料栽培的探索，展开了利用其他农副产品及工业生产的下脚料 如啤酒精，甜菜渣，中药渣，废棉等配料栽培食用菌的途径，这些方法就地取材，使食用菌 生产走出山区，向广大农村和城市郊区发展栽培食用菌的培养料改进，推动了食用菌栽 培技术的普及，促进了食用菌消费，带动食用菌产业化生产、加工、销售业的发展。近几 年，我国的食用菌事业正以空前的规模向前发展，生产技艺也有很大提高，特别是越来越 多的科研单位，在食用菌资源调查，野生品种驯化，栽培技术，产品加工和综合利用方面 都取得了可喜成绩。对食用菌生长发育过程中的遗传机制，营养生理，生殖生理及酶的功 能的研究都有了进展。 食用菌具有很高的营养价值，越来越被人们所认识接受，食用菌生产在大农业中的 地位越来越重要。大规模地利用各种廉价的秸秆基质和废物来生产食用菌，通过生物的 作用，将粗纤维转化为人类可以食用的优质蛋白。菇类蛋白质的氨基酸组成比谷物更加 全面，赖氨酸含量更高。有人预测2 1 世纪的食品重点是保健食品和功能食品，而食用菌 正是保健食品的佼佼者。目前世界上主要的食用菌进口国( 地区) 为美国，新加坡，马来西 亚及香港。香港香菇消费量为世界第一，年消费量在2 0 0 0 2 5 0 0 t 左右。食用菌的国内市 场也在逐年扩大。中国有1 3 亿人口，蘑菇食用文化传播之广，影响之深都是世界罕见的， 只是由于宣传不够和消费水平较低，其人均消费量仅是国外发达国家的十分之一。随着 人们生活水平的提高，求新，求异，注重保健的观念，将主导人们对食用菌的选择，食用菌 市场发展还很大。 1 1 5 工业化生产原料 国外发达国家以农作物秸秆作为原料在工业制品上的综合利用早于我国，在8 0 年代 中期已经在汽车内装饰件，纤维密度板，植物地膜，餐饮具包装等方面开发了大量的工艺， 设备及系列产品。比如意大利用作物秸秆加工汽车内装饰材料，又如德国，美国，丹麦，日 本，台湾等，其作物秸秆纤维化处理，纸浆模塑制品生产中的成形工艺及设备，后置处理， 包装材料的渗透性测试，已形成了自动，高效，柔性化的机电一体化技术。我国作物秸秆 s 鲨堕奎些查堂堡主堂垡丝奎 在工业上及餐饮具的开发研制始于9 0 年代初，对秸秆纤维的性能分析技术，实用化处理 技术，成型工艺及设备的制造开始起步，虽然目前在秸秆原料的工业制品生产中所应用 的设备与技术大部分依赖进口，但是引进同时坚持消化吸收，国内在设备研发与应用方 面已经加快了速度，取得了重要进展。如利用秸秆生产无污染发泡材料快餐盒技术与配 套设备，麦秸均质人造板生产技术与设备，秸秆制墙板机组，高压万能模压机生产线等国 内开发的技术与设备已进入实际生产阶段。上海，成都，西安，山东德州市等地的秸秆板 材加工企业陆续建设并投产，为秸秆资源的开发利用积累了经验。同时，在秸秆的工业利 用中，也存在一些问题，以秸秆餐饮具为例，目前生产的产品由于工艺，辅料和制造技术 等方面的原因，在质量方面尚未达到发泡塑胶餐盒那样成熟的水平，例如秸秆上的拉压 强度问题，表面的白度，均匀度，表面粗糙度等问题都不尽人意，有待下大力气进一步攻 关其次，生产规模偏小。作物秸秆餐饮具属于薄利多销产品，其经济效益与成本往往取 决于规模效益。一个厂家如果日产不足1 0 万只是难以保本的，也就无法在市场上占有一 席之地。更无法与塑料餐饮具已经成熟的市场进行竞争。随着快餐业的发展和国内强行 禁用高发泡塑胶快餐盒范围的扩大，作为取代品的作物秸秆餐饮具应从提倡环保，提高 生产规模作为打开市场的突破口。另外，无毒可降解粘接剂及表面处理涂料的配制也没 有成熟的工艺，大批量生产中成型设备的脱模，防水，防漏，防变形等一系列问题急待解 决。 1 2 秸秆利用的意义 农作物秸秆是世界上最为丰富的物质之一，是粮食作物和经济作物生产中的副产 品，其中含有丰富的氮、磷、钾、微量元素等成分，是一种可供开发与综合利用的资源。 据张文举等( 2 0 0 1 ) 报道，全世界每年秸秆产量约为2 9 亿t ，其中小麦秸占2 1 、稻草 占1 9 e 、小麦秸占1 0 、玉米秸占3 5 、黑麦占3 、谷草占5 。全世界农作物秸秆 有6 6 直接还田或作为能源而被烧掉，1 9 作为房屋建筑材料或蔬菜生产覆盖材料等， 仅1 2 作为草食家畜的粗饲料，另有3 左右作为手工艺品的原料。我国约有7 0 的秸 秆作为生活能源就地焚烧或直接还田等，约有2 的秸秆作为造纸工业及手工业的原料， 仅有2 8 左右的秸秆作为草食家畜的粗饲料。 随着人们对环境保护和再生资源有效利用的重视，作物秸秆资源的利用越来越受到 世界各国的关注，秸秆综合利用不仅会带动传统农业向现代化农业转变，促进农业生产 的可持续发展，而且还可以为畜牧、食用菌、能源及加工业等提供大量的廉价原料，促 9 1 前言 进其向规模化、商品化、产业化方向发展，从而带动农业结构乃至整个农村结构的变革， 形成农村经济的一个增长点。 我国的农业现状是人口众多，耕地面积少，以世界7 的耕地养活着占世界2 2 的 人口。人口与资源特别是人口与土地资源的矛盾日益尖锐，如何解决人类所需食物的供 给问题己成为我国面临的一大挑战。以目前我国人均4 0 0 k g 左右的粮食水平看，不可能 拿出很多粮食作为饲料用粮( 目前为2 0 ) ，因此发展精料型畜牧业( 猪、禽等) 受到一 定限制。随着人民生活水平的不断提高，膳食结构中肉、蛋、奶所占比重将越来越大， 这样就要求畜牧业的飞速发展来满足人民饮食的需要。但要发展畜牧业，就必须从我国 的国情和资源情况出发，充分开发利用现有的资源，建立“节粮型”的畜牧业，才能从 根本上解决我国人畜争粮的问题和满足人民日益增长的畜产品的需要。因此，为了适应 市场的需要，各地区积极调整畜牧业产业结构，减少了原来以猪、禽等为主的养殖业比 例，加大了以牛羊等反刍动物为主的节粮畜牧业的比重，这样就需要大量的饲草料来保 证牛羊养殖业的持续、稳定发展。 我国拥有草地资源3 9 2 亿h m 2 ，占全国土地面积的4 1 1 4 ，比耕地和林地的总和 还多，仅次于澳大利亚，是世界第二草原大国( 洪拔曾等，2 0 0 4 ) 。但我国人口众多， 人均草地面积少。近年来，我国草地过牧严重，退化、沙化十分严重。据报道，我国严 重退化草原近1 8 亿h m 2 ，并以每年2 0 0 万h m 2 的速度扩张，天然草原面积每年减少约 6 5 万9 0 万h m 2 。草原质量不断下降，9 0 年代与6 0 年代初比较，北方天然草原量下降 了3 0 5 0 。农业部遥感应用中心的检测和调查结果显示，8 0 年代以来，北方主要草 原分布区产草量均呈下降趋势，平均下降幅度为1 7 6 。但牛、羊养殖数量还在不断增 加，导致草畜矛盾问题日益突出。因此，从草地现状来看，仅仅依靠草地牧草是不能保 证畜牧业的健康、稳定发展的。而我国秸秆资源丰富，秸秆作为饲料的量仅占秸秆总产 量的2 2 6 ，甘肃、宁夏、安徽、福建、黑龙江、山东和浙江作饲料的比例较高，也只 有1 3 左右( 高祥照等，2 0 0 2 ) 。这就迫使我们要一方面提高动物的生产水平，另一方面 又要大力开发粮食之外的非常规饲料资源。农作物秸秆作为非竞争性饲料资源，含植物 光合作用沉积能量的一半以上，作为饲料具有重要的潜在应用价值。我国每年农作物秸 秆的产量将近6 亿t 。利用这一资源，发展牛、羊等反刍动物为主的养殖业，实现秸秆 “过腹还田”，对于增加我国肉食产量，减轻对饲料需要的压力，促进农牧业系统的良 性循环和保持生态平衡，减轻环境污染等具有重要的现实意义。 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 1 3 秸秆利用存在问题与前景 从利用比例上看，目前的秸秆利用还主要以农业，农村和农民利用为主，利用率低， 以集中焚烧方式作为大量处理手段的现象日益突出。在工业方面，食品包装方面的利用 还刚刚开始秸秆作为加工包装品，建材等工业制品的原料，部分代替砖，木，塑料，可有 效保护耕地和森林资源，其中蕴含的商机也同样诱人我国每年仅用于高层建筑的轻体 隔墙材料花费就高达8 0 0 亿元，而随着森林禁伐和粘土实心砖在框架结构建筑填充中禁 止使用等政策，规定的全面执行，预计我国秸秆板材的用量将迅速增长。充分利用秸秆的 工业原料价值，努力发展绿色产业，借鉴发达国家经验与成熟技术，找到适合我国国情的 利用方式，并把它产品化，工业化，最终产业化，实现秸秆加工利用应有的经济效益，环境 效益，企业效益，文化效益等综合社会效益，走出一条保护自然资源，防治环境污染的综 合加工之路，在国家政策引导下，实现良性循环，加快发展。 1 4 秸秆制取育苗钵的开发与利用 1 4 1 育苗钵在农业生产中的意义 我国作物栽培方式一般分为两大类，一种是直播方式，将农作物种子直接播种于大 田中，另一种是移栽方式，将在温室中育出的钵苗用机械或人工方式栽植于田间。与直 播相比，移栽尽管比较费工、费时，但有着直播无可比拟的优势。它通过缩短作物在田 间的生长时问。可大幅度提高土地的复种指数。如山西对棉花实行育苗移栽后，土地单 位面积利用率提高8 0 。采用温室育苗有效的延长了作物生长的总时间，增加了田问壮 苗的保有量，提高了单位面积作物的产量，改善了作物品质。如棉花实施育苗移栽技术 较直播复播提高单产2 0 以上，产值提高8 0 。在东北地区，玉米实施育苗移栽技术产 量几乎成倍增长，籽粒品质得以较大改善，经济效益可观。以玉米为例，说明作物移栽 在我国不同地区实施的优势。玉米育苗移栽在一定条件下是获得高产的有效途径。其主 要特点是：把玉米田间栽培作业的主要过程，包括播种、幼苗管理、选苗等提前在保护 地里集中进行，由此改变了玉米传统的直播栽培方式，为获得玉米稳定高产创在许多有 利条件。 在我国东北地区，无霜期短，温度年变化大，采用直播方式时，春播时由于低温影 响出苗并对幼苗造成冷害。而在玉米成长后期，常受早霜的危害。这些对玉米生产极为 不利。采用保护地育苗，玉米的播种期可提前一个月，增加积温2 0 0 ，可在终霜后栽 1 前言 植，躲过霜冻、风寒、虫等自然灾害；另一方面，栽植玉米可提早成熟1 0 2 0 天，能 避开秋季低温和早霜的危害，有利于获得稳产高产。此外，采用玉米育苗移栽，还可以 将玉米生产向北推移，扩大玉米种植面积。 在我国长江以南地区，普遍采用一年三熟或间套种的栽培模式，各茬之间的接茬矛 盾非常突出。采用玉米育苗移栽，可以延长生育期并获得高产，缓减当季与全年的生产 矛盾非常突出。采用玉米育苗移栽，可以延长生育期并获得高产，缓减当季与全年的生 产矛盾，提高复种指数。我国西南高寒地区，如云南省祥云县，为了在海拔2 0 0 0 m 以上 的地区获得玉米高产，解决气候条件差，无霜期短的问题，也在大力推广玉米移栽种植 方式，移栽玉米的平均产量可以达到9 6 0 0 k g h m 2 ，比直播增产3 0 5 0 。在保护地区 内育苗，可以充分利用空间和时间，不受自然气候条件的限制，便于管理，确保苗齐、 苗全和苗壮，减少田间的补苗和问苗劳动，同时还能节省种子，降低生产成本，获得良 好的经济效益。 在我国虽然早地主要作物的栽培是以播种方式为主，但旱地栽植面积相当大。以 1 9 9 7 年为例，玉米育苗移栽面积达到0 2 5 x1 0 6 h m 2 ，约占玉米种植面积的1 2 ；棉花 育苗移栽面积达到1 9 2 x1 0 6 h m 2 ，约占棉花种植面积的3 5 4 ；甜菜育苗移栽面积达到 0 0 6 7 x1 0 6 h m 2 ，约占甜菜种植面积的1 2 ；一育苗移栽方式为主的烟叶和蔬菜，期种植 面积分别达到1 3x1 0 6 h m 2 和9 3 3x1 0 6 h m 2 ，油菜种植面积1 9 9 9 年达到6 8 8 8 5 1 0 6 h m 2 ， 有相当大的面积是采用育苗移栽方式，这无疑是个非常巨大的市场。 1 4 2 育苗后移栽带来的经济效益 随着我国粮食生产水平的不断提高和经营方式的转变，育苗移栽技术越来越受到人 们的重视，并逐渐在适宜的地区和试验的作物上推广应用。在农业种植业生产上，特别 是蔬菜、花卉及一些经济作物的生产上，为了使产品提前上市以获得较高的售价和较高 的经济效益，或者是在作物生长期较短的北方地区，为了提高作物的复种指数而提高单 产，通常采用的农业生产技术工艺是在保护地条件下( 大多数在日光温室内) 对作物首 先进行钵体育苗，待钵苗长到一定阶段并且外界的自然光照、温度条件适合于作物生长 时，将作物钵体苗移栽少外界自然条件下的田间土壤上。这样，可以获得以下几方面的 经济效益： ( 1 ) 早春提前育苗后移栽，可以使作物的成熟期提前，从而提前产品的上市期， 比在自然条件下生长的作物在价格上具有相对优势； 1 2 沈阳农业大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过集中育苗后移栽，使作物在自然条件下的生长期相对缩短，从而可以提 高复种指数，进而通过提高土地的利用率来提高单位面积的产量。在我国东北地区，如 果种植玉米采用移栽方式，可以使一年两熟成为可能，从而提高玉米的单位面积产量， 这对增加农民收入和提高作物生产的经济效益无疑会产生重要的影响； ( 3 ) 与作物全程温室生长相比，移栽作物只是在育苗期生长在温室，而大部分生 长期在自然条件下。这样，可以充分利用育苗温室的环境调节功能，并且降低作物整个 生长期在温室的生长费用，从而达到降低作物全程生长过程中的费用，提高生产的经济 效益。 1 4 3 育苗钵育苗的优点 ( 1 ) 高出芽率，苗的生命力强，可以大大节约种子，种苗公司可以放心的采用价 值很高的优良品种； ( 2 ) 育苗的密度高，节省了育苗所需温室或暖棚面积。每株商品苗所需的温室投 资( 固定成本) 和冬季采暖费用( 作业成本) 显著下降，经济效益显著； ( 3 ) 不论是手工或机械化移栽，机制都不易散结，致使苗根受伤，移栽入土后迅 速成长，没有传统育苗移栽后的换苗期； ( 4 ) 机械化作业和规范化管理，使出苗日期和苗的大小整齐一致，成苗茁壮，成 熟和结实的时间不致相差过大，产量和产品质量有很好的保证； ( 5 ) 容易实行整个生产环节的无毒化处理，防止病虫害侵入种苗，保证提供无病 虫害商品苗，建立良好的商业荣誉； ( 6 ) 轻基质、轻容器，便于实现集装运输。商品苗可实现远距离运输，扩大供应 范围，对种苗业的扩大再生产创造了良好的条件。 1 4 4 采用秸秆制取育苗钵的社会效益 目前我国园艺育苗采用的育苗钵大多数是塑料制品。由于聚苯乙烯( e p s ) 暴露在 空气中或埋入地下数十年不分解、不腐烂，而且其重量轻，体积大，不易回收，给环境 带来极大的污染，严重影响了人们的生存环境。发泡塑料制品同时造成土质下降，水质 污染，农作物减产，使人类赖以生存的空问因这种“白色污染”而付出巨大的无可挽回 的代价。 目前，治理白色污染的措施有三种：( 1 ) 回收利用。加强回收建立回收组织，行车 1 前言 系统：( 2 ) 可降解塑料的研究；( 3 ) 大力发展以植物纤维为原料的绿色制品。 目前回收利用存在很多问题：( 1 ) 回收成本高；( 2 ) 分离分选难度大；( 3 ) 尚未形 成可靠有效的回收渠道。据有关资料显示，1 9 9 6 年美国的废旧塑料回收利用率大约为 2 0 左右，日本约为1 7 ，欧洲各国在1 3 左右。我国的废旧塑料回收才刚刚起步，利 用率很低。结合我国人口多，地域广，国民环保意识差的实际情况，此方法实施难度更 大。近年来，可降解塑料的研究备受关注，用途也越来越广泛，然而不论是光降解、生 物降解、光生物降解，还是水溶性降解技术，其降解机理和二次生成物污染环境的问题 都未能完全解决。而且很多降解塑料消耗大量粮食作物，因此，其应用也受到限制。 在此背景下，资源丰富的农作物秸秆无疑是一个引人瞩目的对象。据资料显示，全 世界每年有2 0 多亿t 农作物秸秆，我国每年有5 亿t 秸秆，其中玉米秸秆1 2 亿t ，目 前已有用于造纸、饲料、肥料、酒精等行业，但利用比例很少，随着煤、液化气等商品 能源的发展，钢筋、水泥等建材的普及，以及化肥的广泛应用，大大改变了秸秆在农村 的原有综合利用格局，秸秆反而成了一大污染源，三夏三秋到处浓烟滚滚，使人均资源 本来就贫乏的我国又面临着大规模浪费资源的局面。因此，在经济发展的今天，如何利 用好农作物秸秆，使这一资源优势转化为经济优势，探索秸秆综合利用的有效途径，是 社会效益、经济效益和环保效益并重的工程，同时也成为各级政府关注的焦点。 采用秸秆制取育苗钵是利用秸秆的一个很好的方式，随着技术的成熟，必将取代塑 料育苗钵，不但具有很高的经济效益，并具有很高的环保效益。 1 5 本课题的研究内容 以秸秆和淀粉等植物材料为研究对象的模压成型，其流动、压缩成型的机理比较复 杂，而且碎料的形状尺寸、物性等因素对成型的影响尚不很清楚，这些因素间的关系目 前多靠经验设计，大大限制了成型的研究和应用。而且以秸秆为原料，加入适当的粘结 剂热压成型育苗钵的制作技术，国内外很少有报道。由于缺乏可直接借鉴的资料和方法， 给试验研究工作带来了很大的困难。本试验首先按照设想试制了热压磨具，以玉米秸秆、 淀粉为原料，进行了预备试验，初步明确了影响成型物性能的主要因素。在此基础上以 北方地区有代表性的玉米秸秆为原料，展开了制作育苗钵的探索性试验研究工作，以摸 清影响施胶热压成型工艺的主要因素，为植物材料模压成型育苗钵的进一步试验研究打 下一些理论基础。 1 5 1 研究目标 ( 1 ) 研究不同粘合剂与预处理秸秆混合后物料的流动性，不同粘合剂对挤压成型试 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 样的机械性能和耐水性的影响，通过比较试验，选出合适的成型粘合剂； ( 2 ) 研究物料特性参数( 秸秆粉碎粒度、含水率、粘合剂用量) 及挤压成型工艺参 数( 成型压力、温度、时间) 对试样机械性能和耐水性的影响，并对参数进行优化； ( 3 ) 分析秸秆挤压成型育苗钵的机理，确定生产中切实可行的工艺路线； ( 4 ) 研究物料特性参数及工艺参数对挤压产品机械性能和耐水性的影响，并通过优 化得出最佳参数组合 1 5 2 需要解决的关键问题 ( 1 ) 粘合剂的选择及用量； ( 2 ) 物料特性参数和成型工艺参数对产品性能的影响； ( 3 ) 挤压模具的研制。 1 5 3 试验方案 ( 1 ) 成型原料的流动性试验：将不同的粘合剂与经过预处理的秸秆均匀混合，测定 混合物的流动性； ( 2 ) 粘合剂对成型试样性能影响试验：将不同的粘合剂与经过预处理的秸秆混合后， 在相同的条件下挤压成型，测定试样的机械性能及耐水性并进行比较： ( 3 ) 物料特性及工艺参数对试样性能影响试验：先通过单因素试验确定各参数的变 化范围，然后进行多因素正交组合试验，确定各参数及其交互作用对试验指标的影响主 次顺序，建立试验指标的数学模型，对优化结果进行试验验证。 1 5 4 可行性分析 ( 1 ) 秸秆是一种来源丰富、价格低廉的天然可降解高分子材料，而且其纤维强度可 满足许多使用条件的要求，加入粘合剂后可以提高成型物的粘结强度，提高颗粒之间的 聚合力。目前已有报道可将秸秆挤压成型一次性餐具及建筑材料。因此，只要确定合理 的工艺路线，选择合适的