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秸秆重组材制备及成板机理研究

作　者: 宋孝周
导　师: 郭康权
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 秸秆特性秸秆重组材制板工艺成板机理关键设备
分类号: TS653
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

为了充分利用农作物秸秆，生产可替代木材、强度高、环境友好的重组材，本文以几种农作物秸秆(棉秆、豆秆、辣椒秆、烟秆及玉米秆)为原料，围绕原料特性、秸秆重组材的制板工艺、成板机理及关键技术展开研究。首先通过显微镜观察、纤维离析、化学成份分析等方法研究五种秸秆的理化特性，为原料的合理利用提供基础理论和数据；其次，研究了秸秆的软化处理方法及梳解工艺，通过正交试验、单因素试验研究了秸秆重组材的制板工艺及改善棉秆重组材防水性能的措施；第三，检测了板坯中心层温度的变化，采用非稳态法测量秸秆重组材的导热系数、比热和导温系数，建立了秸秆重组材板坯的传热模型。利用显微照相观察成板过程中棉秆组织结构的变化规律，应用傅立叶变换红外光谱、扫描电镜分析了脲醛胶棉秆重组材的胶接机理；最后，分析了秸秆重组材工业化生产的流程，并对工业化生产中关键的梳解设备和铺装设备进行了深入研究。主要结论如下：(1)棉秆、豆秆、辣椒秆和烟秆均由韧皮部、木质部和髓心组成，玉米秆是由表皮层、维管束组织和薄壁细胞组成；五种秸秆纤维的化学成分与木材相似，但也存在着各自的特点，可以作为木材的替代原料。在五种秸秆中，棉秆是优良的重组材制备原料。(2)在实验室条件下，含水率为12％左右的棉秆、豆秆、辣椒秆以及烟秆木质化程度较高的实心部位采用90℃热水常压蒸煮3h，可以取得较好的梳解效果，烟秆中空部位和玉米秆只需在常温下用冷水浸泡1～2h即可达到软化的目的。(3)利用脲醛胶压制10mm厚的棉秆重组材，在实验室条件下较佳的工艺参数为：密度0．7g／cm~3、施胶量12％、热压温度150℃、热压时间为14min，除2h吸水厚度膨胀率(2hTS)外，棉秆重组材的其它性能指标均超过刨花板国标GB／T4897．2-2003(以下国标均指此标准)的要求；参照此工艺参数，压制豆秆和辣椒秆重组材，测试结果和棉秆重组材相似，烟秆重组材的内结合强度和2hTS没有达到国标要求，利用脲醛胶无法压制玉米秆重组材；利用酚醛胶压制秸秆重组材，除了玉米秆外，棉秆、豆秆、辣椒秆和烟秆重组材的各项性能均达到或远远超过国标的要求。(4)在较佳工艺参数条件下，施加石蜡乳液能够降低棉秆重组材的2hTS，但施加量即使达到2．5％，仍未达到国标的要求；将热压温度分别提高到180℃和200℃，在添加1．5％的石蜡乳液的条件下制板，棉秆重组材的2hTS均能达到国标的要求；当混合胶料中脲醛胶和酚醛胶的重量比为4：2时，棉秆重组材的2hTS也达到国标的要求。(5)秸秆重组材板坯热压时中心层温度的变化曲线可以分为三段，即水分开始气化前的快速升温段、水分气化时的恒温段和水分气化之后的慢速升温段；在热压过程中，施胶量、含水率、热压温度、目标密度和厚度对棉秆重组材板坯中心层的升温速度、水分气化所需时间以及板坯中心层达到玻璃化反应温度的时间均有不同程度的影响。(6)对秸秆重组材的导热系数、比热和导温系数进行测定；在试验条件下，含水率和密度与棉秆重组材的导热系数和比热均呈显著正相关，与导温系数的相关性不显著；板材厚度变化对棉秆重组材热学性能各指标没有明显的影响。(7)在合理假设下，建立了秸秆重组材板坯中心层温度随时间变化的数学模型，模型曲线基本反映了秸秆重组材板坯热压时中心层温度的变化规律，提出了模型修正的思路。(8)棉秆重组材在成板过程中，原料存在径向和弦向的压缩，组织结构发生了变形，木射线变弯曲了，导管由原来的近似圆形明显被压扁了，木纤维也被压缩成不规则的形状。压力是细胞发生变形的主要因素，同时，细胞变形与温度和含水率也有一定关系。(9)红外光谱分析表明：脲醛胶棉秆重组材在成板过程中，羟基缔合形成氢键，使得游离羟基的数量减少；半纤维素羰基吸收峰的位置和形状发生了变化，说明半纤维素在成板中可能参与了化学反应；木质素羰基的吸收峰位置发生变化，表征苯环的特征峰吸收强度相对减弱，说明木质素在成板过程中可能参与了化学反应。(10)扫描电镜显示在用脲醛胶压制棉秆两片的横面和纵面及周围细胞中，能够明显看到固化的胶层，说明棉秆重组材中存在着“胶钉”接合。(11)从机械胶接理论、吸附胶接理论、化学键理论、弱界面层理论及流变学理论的角度分析了脲醛胶棉秆重组材的胶接机理。(12)秸秆重组材工业化生产可分为预处理、梳解、干燥、施胶及铺装、热压和完成共6个工段，据此制定了工业化生产的工艺流程，绘制了厂房工艺平面布置图。(13)提出了棉秆梳解机主要参数的设计原则、限定条件以及用撕裂系数表示梳解质量，完成了梳解机的结构装配设计；设计了一种新的板坯铺装方法和设备，可实现秸秆重组材的机械化铺装。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章文献综述  13-33
  1.1 开发农作物秸秆人造板的意义  13-15
    1.1.1 我国木材资源短缺  13-15
    1.1.2 我国农作物秸秆资源丰富  15
  1.2 秸秆人造板研究现状及存在问题  15-27
    1.2.1 研究现状  15-26
    1.2.2 存在问题  26-27
  1.3 重组材的研究现状及存在问题  27-31
    1.3.1 重组木  27-29
    1.3.2 重组竹  29
    1.3.3 秸秆重组材  29-30
    1.3.4 秸秆重组材研究中存在的问题  30-31
  1.4 研究目的和内容  31-33
    1.4.1 研究目的  31
    1.4.2 研究内容  31-33
第二章农作物秸秆原料特性研究  33-48
  2.1 引言  33
  2.2 试验材料与设备  33
    2.2.1 试验材料  33
    2.2.2 仪器及设备  33
  2.3 试验方法  33-35
    2.3.1 原料取样  33-34
    2.3.2 切片制作及组织比量的测量  34
    2.3.3 秸秆纤维的离析  34-35
    2.3.4 纤维尺寸的测量  35
    2.3.5 化学成分的测定  35
    2.3.6 pH值与酸碱缓冲容量的测定  35
  2.4 试验结果与分析  35-46
    2.4.1 棉秆  35-39
    2.4.2 烟杆  39-41
    2.4.3 豆秆  41-43
    2.4.4 玉米秆  43-44
    2.4.5 辣椒秆  44-46
    2.4.6 棉秆与其它几种秸秆的特性对比  46
  2.5 小结  46-48
第三章秸秆重组材制板工艺研究  48-78
  3.1 引言  48-49
  3.2 试验材料与设备  49-50
    3.2.1 试验材料  49
    3.2.2 试验设备  49-50
  3.3 试验方法  50-55
    3.3.1 秸秆软化与梳解  50
    3.3.2 秸秆束的干燥  50-51
    3.3.3 脲醛胶棉秆重组材试验  51-53
    3.3.4 脲醛胶烟秆、豆秆、辣椒秆和玉米秆重组材试验  53
    3.3.5 酚醛胶秸秆重组材试验  53
    3.3.6 工艺流程  53-55
    3.3.7 试件取样和性能检测  55
  3.4 试验结果与分析  55-69
    3.4.1 秸秆软化与梳解的试验结果与分析  55-60
    3.4.2 脲醛胶棉秆重组材试验安排与结果  60-61
    3.4.3 脲醛胶棉秆重组材试验结果分析  61-67
    3.4.4 脲醛胶棉秆重组材较佳工艺参数确定和验证  67
    3.4.5 脲醛胶烟秆、豆秆、辣椒秆和玉米秆重组材试验结果  67-68
    3.4.6 酚醛胶秸秆重组材的试验结果  68-69
  3.5 改善脲醛胶棉秆重组材防水性能试验  69-75
    3.5.1 试验材料与设备  70
    3.5.2 试验方法  70-71
    3.5.3 试验结果与分析  71-75
  3.6 秸秆重组材外观及用途分析  75-77
  3.7 小结  77-78
第四章秸秆重组材传热机理研究  78-101
  4.1 引言  78-80
  4.2 秸秆重组材板坯传热特性试验  80-88
    4.2.1 试验材料与设备  80
    4.2.2 试验方法  80-82
    4.2.3 试验结果与分析  82-88
  4.3 秸秆重组材热学性能参数的测试  88-94
    4.3.1 试验材料与设备  88-89
    4.3.2 试验方法  89-92
    4.3.3 试验结果与分析  92-94
  4.4 秸秆重组材热压过程中传热模型的建立  94-99
    4.4.1 模型假设条件  94
    4.4.2 模型建立与求解  94-97
    4.4.3 模型验证  97-98
    4.4.4 模型修正的设想  98-99
  4.5 小结  99-101
第五章秸秆重组材成板机理研究  101-117
  5.1 引言  101
  5.2 原料组织结构变形规律研究  101-104
    5.2.1 试验材料与设备  101
    5.2.2 试验方法  101
    5.2.3 试验结果与分析  101-104
  5.3 脲醛胶棉秆重组材胶接机理研究  104-115
    5.3.1 胶接理论概述  104-109
    5.3.2 试验材料与设备  109
    5.3.3 试验方法  109-110
    5.3.4 试验结果与分析  110-114
    5.3.5 脲醛胶棉秆重组材胶接机理分析  114-115
  5.4 小结  115-117
第六章秸秆重组材工业化生产及关键设备研究  117-134
  6.1 引言  117-118
  6.2 秸秆重组材工艺流程的制定  118-122
  6.3 秸秆梳解设备研究  122-128
    6.3.1 棉秆梳解机结构  122
    6.3.2 压辊设计  122-125
    6.3.3 梳解辊的设计  125-126
    6.3.4 梳解机传动方案的拟定  126-127
    6.3.5 梳解机的装配结构  127-128
  6.4 秸秆重组材铺装设备研究  128-133
    6.4.1 铺装设备的结构  129-130
    6.4.2 铺装设备的工作原理  130-131
    6.4.3 喂料施胶装置传动方案的拟定  131-133
  6.5 小结  133-134
第七章结论  134-138
参考文献  138-145
附录  145-146
致谢  146-147
作者简介  147

秸秆重组材制备及成板机理研究

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