利用稻麦秸秆制备复合材料研究进展

刘军军LIU Jun-jun；陈国铭CHEN Guo-ming；郭兰中GUO Lan-zhong；

牛曙光NIU Shu-guang；郭必成GUO Bi-cheng

（常熟理工学院机械工程学院，常熟 215500）

（School of Mechanical Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

0 引言

随着人类文明进步，社会资源日渐短缺，环境压力与日俱增，采用生态友好型原料制备复合材料越来越受到关注。利用可再生、可回收利用、可生物降解等农作物废弃物材料，不仅促进材料科学的发展，还可提高人类生活品质。如采用农作物废弃物制备复合材料代替木材，既节能环保，又可带动农业发展。

农作物废弃物世界年产量约38.35 亿吨，资源丰富，具有低密度性、可再生性及洁净性，通常被丢弃腐烂、垃圾掩埋或田间焚烧，引发众多环境问题，如大气污染、温室效应、破坏良田等，危害人体健康。采用农作物废弃物制备复合材料，具有其它复合材料无法比拟的质轻价廉、可再生及可生物降解等优点。

目前国外已广泛开展了利用多种农作物废弃物，如，稻秸秆、麦秸秆、玉米秸秆、豆秸、向日葵杆、芦苇杆、棉杆、油菜杆、稻壳、麦壳、黑麦壳、椰子壳、甘蔗渣、玉米穗、香蕉皮、黄麻等研究制备复合材料，使用多种分析方法对自然纤维及其复合材料进行性能研究，包括纤维的化学组成、表面结构及性能、复合材料的热性能、界面结合性能、吸水吸湿性能、吸声隔热性能、降解性能、微观结构及机械性能。本文介绍国内外稻麦秸杆填充复合材料的研究现状，希望能为我国相关研究提供指导。

1 稻麦秸秆纤维化学成分及预处理方法

稻麦秸具有比木质更为复杂的微观结构，且其细胞单元尺寸和类型多变，与木质纤维相比，具有更短的纤维和更薄的细胞壁[1-2]。表1 给出了稻、麦秸秆纤维的化学成分。

农作物废弃物纤维含有机质，如纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、蛋白质及脂肪等，也含有许多无机质，如硅、镁、硫、磷、钾、钙及灰份等，这些物质在作物生长过程中起结构支撑、提供营养、防止病毒入侵及保持水分等作用，然而在复合材料制备中，有些物质的存在会影响复合材料性能。国外学者采用多种预处理方法对农作物废弃物纤维改性，以提高其在复合材料中的作用。Mingzhu Pan 等[6]认为未处理稻秸纤维平滑表皮下有维管束，不规则表面滋生了2 种赘生物，及存在香毛簇和硅质；经过热机械精炼的稻秸秆纤维，赘生物及硅质大量减少；酸处理的稻秸纤维产生空洞，且能去除半纤维素及其他无定形物质；木聚糖酶处理的稻秸纤维纵向表面有构架结构产生。

表1 稻麦秸秆纤维成分分析[3-5]

Hua Jianga 等[7]分析了脂肪酶处理麦秸纤维（WS）微观结构，认为未处理麦秸外表面存在维管束和浅薄的凹槽，表面平滑、均质，且覆盖厚层蜡质；而脂肪酶处理的麦秸纤维外表面有不同程度损伤和不规则裂纹，且表皮部分减少；未处理麦秸纤维内表面平滑和粗糙两种平面，有小部分突起和软组织粘在维管束上；脂肪酶处理后，麦秸纤维内表面没有明显的脱落、损伤、裂纹出现，并认为脂肪酶处理对麦秸秆内表面影响甚小。

2 稻秸秆纤维增强复合材料

Han Seung Yang[8]等研究用稻秸秆和废旧轮胎制备建筑隔音复合材料，结果表明，该复合材料的吸水率、吸水厚度膨胀率、弹性及弯曲性能均优于刨花板。Lijun Qin[9]等研究了丁基丙烯酸盐改性稻秸秆纤维-乳酸复合材料表明，稻秸秆纤维吸附了丁基丙烯酸盐单体，并覆盖其表面。由改性稻秸纤维和PLA 制备可降解复合材料抗拉强度比未改性稻秸复合材料增加6MPa（W（%）=7.98），且有较优防水性能。复合材料热稳定性随着丁基丙烯酸盐的增加而增加。Xianjun Li[10]等认为蒸汽和短时间草酸处理稻秸能明显改善稻秸-UF 板机械性能和尺寸稳定性能；而蒸汽处理优于草酸处理；5 分钟草酸处理板的性能优于10 分钟草酸处理。Xianjun Li[11]等还认为复合材料性能主要取决于纤维粒径，异氰酸酯（pMDI）复合材料静曲强度和内结合强度随纤维粒径的减小先增大后减小，吸水厚度膨胀率、吸水率及线延伸率随粒径的增大而减小；尿素甲醛树脂复合材料性能明显低于异氰酸酯复合材料。复合材料获得最佳性能条件为：4%异氰酸酯（pMDI）和粉碎机筛孔尺寸3.18mm。

Fei Yao[12]等研究原始或废旧高密度聚乙烯（VHDPE或RHDPE）-天然纤维复合板表明，对于基体VHDPE 和RHDPE，稻草纤维与木质纤维增强复合材料力学性能差异微小。增加纤维比重使弹性模量增加及拉伸强度和冲击强度下降。稻壳复合板具有最小弹性模量，但其冲击强度与其他秸秆纤维复合板相当或更优。叶、茎、全草纤维复合板机械性能差异很小。由于初次加工过程中使用添加剂，RHDPE 复合材料的模量和强度性能得到显著改善。并指出稻秸纤维可作为两种树脂较好的增强体。

Mehrab Madhoushi[13]等研究了稻秸纤维-热塑性塑料（原始PE、PP）复合材料紧固件拔出性能（干、湿环境），结果表明，螺钉拔出强度大于钉子拔出强度；不考虑基体时，稻秸纤维含量对拔出强度影响显著。在湿环境下，复合材料钉子拔出强度减小73.66% 大于螺钉的28.9%。Sumin Kim[14]等认为稻秸、稻壳表面覆盖的蜡质和硅质阻碍其与UF 胶黏剂的粘合，复合材料机械性能随着稻秸、稻壳含量的增加下降显著，由10%纸浆代替10%的木质制得木-纸浆复合材料机械性能接近木质复合材料。Salim Hiziroglu[15]等通过尿素甲醛胶黏接装饰纸研究板材覆盖性能表明，两种原料（稻秸、竹纤维）制备的板材粗糙度没有明显差别，92%湿度条件下，Ra，Rz，Rmax 均高于55%条件下。Han-Seung Yang[16]等研究了秸秆木粉复合隔音板表明，相对密度为0.4g/cm3复合板弯曲断裂模数达到140-290psi，0.6时达到700-900psi，0.8 时达到1400-2900psi；所有复合板强度都优于木板；秸秆颗粒长度和宽度并不影响弯曲模量；相对密度为0.4 和0.6 复合板吸声系数要高于其他木质材料；秸秆木粉复合板具有较好的吸声保温性，可以部分或完全取代木质刨花板和木结构保温板。

3 麦秸秆纤维增强复合材料

Soren Halvarssona[17]等利用麦秸秆和三聚氰胺改性尿素甲醛制备中密度纤维板，得出树脂含量大于14%、密度大于780kg/m3时，复合材料内结合强度、断裂系数、弹性模量，吸水厚度膨胀率及吸水率等性能较好，达到欧洲中密度纤维板标准EN622-5:1997 要求。Xuan Kuang[18]等研究麦秸秆/废旧低密度聚乙烯（LDPE）复合材料表明，当混合偶联剂PAPI 与PAL 质量比为30：70、含量为4.5 wt.%时，复合材料有最大内结合强度和最大2h 吸水后内结合强度。麦秸含量从90-40wt.%，内结合强度提高明显。当混合偶联剂含量从1.5-4.5wt.%，内结合强度和2h 吸水后内结合强度提高明显，断裂系数和弹性模量缓慢增加，而24h 吸水厚度膨胀率缓慢减小。当复合偶联剂含量为6wt.%，复合材料所有性能指标明显减小。复合偶联剂含量为4.5wt.%，复合材料性能随LDPE 含量从10-40wt.%稳定改善。并得出混合偶联剂PAPI 与PAL 质量比为30：70、含量为4.5wt.%，麦秸与LDPE 质量比为30：70 是最优组合，且密度为0.93g/cm3的复合材料机械性能和吸水厚度稳定性完全满足相关标准，可在潮湿环境下用作承重复合材料。Yi Zou[19]等研究长麦秸秆/聚丙烯（PP）复合材料表明，其弯曲强度、弯曲弹性模量、拉伸强度、弹性系数比黄麻/PP 材料分别高114%、10%、38%、140%，且具有较好的吸声性能。Taghi Tabarsa[20]等研究3 种衬垫用纸板表明，单宁酸改性苯酚-甲醛胶-麦秸秆板机械性能略低于苯酚-甲醛胶-麦秸秆板，10%单宁酸改性苯酚-甲醛胶-麦秸秆板结合强度高于其他改性（10%和30%）；复合材料在10%单宁酸改性苯酚-甲醛胶及压制12min 获得最大断裂系数、弹性模数和内结合强度及最小吸水率和吸水厚度膨胀率；压制时间的增加影响其机械物理性能。Daniel P.Pfister[21]等认为增加麦秸用量、基体密度、成型压力，能改善复合材料热性能和机械性能；马来酸酐增溶剂明显改善机械性能；麦秸用量及纤维尺寸是影响吸水性能的主要因素。Anupama Kaushik[22]等研究薄膜纳米复合材料表明机械性能随纳米纤维用量的增加而增大；防护性能随纳米纤维含量增加而加强，但大于10%，由于纳米纤维团聚结块，性能下降。

Soren Halvarssona[23]等认为非树脂小麦秸秆纤维刨花板断裂系数，弹性模量，内结合强度低于中密度（0.8g/cm3）秸秆三聚氰胺刨花板，但接近MDF 标准（EN 622-5：2006）；加入过氧化氢刨花板吸水性较大，但加入防水剂氯化钙后，下降25%；过氧化氢的增加能有效改善刨花板机械和物理性能。Ayse Alemdar[24]等采用熔融复合方法制备纳米纤维和热塑性淀粉纳米复合材料研究表明，纳米纤维在热塑性淀粉基中分布均匀，复合材料拉伸强度和断裂系数高于纯热塑性淀粉复合材料。C.Ravindra Reddy[25]等使用双螺旋挤出机熔融复合制备麦秸、粘土增强聚丙烯复合材料结果表明，随麦秸和粘土含量的增加，复合材料弯曲模量增大，而防水性能下降；弯曲模量和防水性能随增溶剂马来酸酯聚丙烯含量的增加而增大。加入增溶剂能有效改善基体和增强体界面的结合。粘土作为另一种增强体对复合材料弯曲模量和吸水性能影响甚微。

4 结束语

我国农作物秸秆年产量约7 亿吨，其中大部分被丢弃腐烂或田间焚烧，引发众多环境问题，如大气污染、温室效应、破坏良田等，且浪费资源。只有极少部分用作家畜饲料和工业应用。农作物废弃物增强复合材料成本低廉、可回收再利用、可部分降解，是生态友好型复合材料。若能有效利用数量巨大的农业废弃物，变废为宝，可减少木材消耗和森林砍伐，保持生态平衡。由此可见，高效利用农业废弃物势在必行且意义重大。

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