洞庭湖芦苇材料属性与加工利用技术初探

2015-05-22

中南林业科技大学学报 2015年8期

（湖南大学，湖南长沙 410082）

据《湖洲志》记载，洞庭湖地区的芦苇古称葭、蒹、菼，泛指芦泡、荻苇两类。实指又不同：蒹即荻苇，葭即芦苇（芦泡）。芦苇和荻是两种完全不同的植物，两者有质的差异。芦苇：禾本科芦苇属，水生植物。荻：禾本科芒属荻种，湿生植物。芦与荻一般混生于苇田中，芦比荻高，荻比芦坚实。由于它们在外部形态、内部结构以及环境条件关系等方面有许多相似，特别是从造纸的角度来看，相似之处更多，同时古书中有芦、荻皆可通用的论述，因此人们习惯称荻芦为芦苇。洞庭湖地区芦的品种主要是线芦、大头芦、观音芦，荻主要有岗柴、刹柴两个变种。据统计，2013年洞庭湖地域有芦苇面积 0.867×104hm2，产量约 9.0×107kg[1]。以前洞庭湖地区的芦苇主要用作造纸原料。但随着国家环保政策的实施，大量小型造纸厂已关闭，大型造纸厂又存在资源收集困难的问题。于是，芦苇产地有必要进行新产品的研发[2]。

芦苇是一种典型的可再生资源，生长周期短，资源量大，且如不及时利用，原材料极易变质报废。当今芦苇资源综合利用主要包括直接利用和纤维再造利用两种方式。所谓直接利用，就是将采割的芦苇经过适当处理和简单加工后直接制成相关产品，叶、茎、根等通身可被利用，因而资源利用率高，且无废弃物和中间生成物污染，产品原汁原味，粗狂自然，但产品类型单调，附加值较低。所谓再造利用，就是先将芦苇充分解体磨制成芦苇纤维浆，再利用纤维浆制成相关产品。此种利用方式产品质地细腻，形态可塑造性强，但由于在浆料制造过程中会产生废水，并且磨浆过程能耗较大，就绿色生产理念而言，此种利用方式当前受到较多限制[3]。因此，对于芦苇资源利用的研究主要集中在直接利用的产品设计创新和再造利用的控制污染2个方面。

1 芦苇物性与直接利用的产品结构和生产工艺

材料可直接用于产品设计和制造，也可以对材料进行适当加工后进行利用，就产品制造的LCA观点而言，直接利用的物耗、能耗最少[4]。

1.1 芦苇各部位原材料的物性特点

材料是设计的灵魂，设计中对材料的正确利用就是要做到材尽其才。因此，要利用好芦苇原材料，首先必须了解芦苇的物性特点。

芦苇各部位材料物性特点不同，具体分析如表1所示：

表 1 芦苇各部位物料分析Table 1 Analysis of each parts of reed

1.2 直接利用的形态与结构分析

材料形态特点、物料属性、加工方式与结果、结构形式、可使用的装饰手法等均是产品分析的重要依据。

苇叶与苇花的产品利用途径主要是作为饰品素材。即利用其特殊的生物形态，进行相关艺术构思。此类产品的结构特点是将选定的素材粘贴在基体上，即胶合是主要的结构形式。技术关键在于去除表面的蜡质和进行防腐处理。

芦茎与芦根可以直接使用，但结构强度较低。利用其中空的构造特点，可将其碾压破碎并展开为芦蔑。将芦蔑集成为产品的主要结构方式是编制，如图1（1）所示。视编制方法不同可以形成不同的图案效果。也可以对芦蔑进行染色处理，染色的技术关键在于去除表面的蜡质。

荻茎的直接使用与竹材相似。可以单纯用荻茎来制造产品，也可以与其它材料共用。其结构方式主要包括胶接、绑接、串接以及其它连接方式。如图1（2）所示。

图1 直接利用结构形式Fig.1 Structure form of directly using

1.3 关键生产工艺及典型产品案例

芦苇直接利用的共性工艺包括去蜡、防腐、漂白、染色等。其工艺指标如表2所示。

案例1：芦苇席

加工工艺如下：

芦苇展开→防腐处理→（漂白处理）→（染色）→编制→去芦毛→表面涂饰→（塑型）→边部或收口处理

将芦苇剖切并碾压展开，形成芦蔑。进行防虫蛀、防霉、漂白处理后进行编制。编制时，不同的穿插方法可以形成不同的编制纹理，如将芦蔑染色，用不同色彩的芦蔑交错编制，则可形成丰富的编制图案。芦席半成品表面粗糙，用水性清漆涂刷席面，有利于芦毛竖起并变硬，用木砂纸磨除芦毛，再用水性油漆涂刷表面，让席面更加光亮美观。芦席可按设计要求进行剪裁、锁边处理后直接成为成品，也可采用模具对其进行塑型处理，其工艺为采用高温喷蒸方法对苇席进行局部软化，将已软化的芦席敷贴于模具上固定，待芦席自然冷却后，即定型为模具的形态。如图2（1）所示。

表 2 直接利用共性工艺指标Table 2 Common process indicators of directly using

案例2：荻苇杆灯具

加工工艺如下：

精选荻苇杆→取段→防虫防腐→（漂白或染色处理）→精加工→安装

按设计尺寸并预留加工尺寸1～2 cm，将荻苇取段，经防虫蛀、防霉处理后，对荻杆段进行整形、端部精截、修整等精加工。在荻杆与骨架的接合部位处涂胶，将其安装在骨架上，即成为灯具罩。如图2（2）所示。

案例3：芦苇装饰画

加工工艺如下：

选料→去蜡→防虫防腐→染色→剪裁→拼贴

选取芦蔑、芦叶、芦花等原料，先去除表面蜡质，以增强构件间的胶合强度[5]。再进行防虫防霉处理，按预先构思计划将素材粘贴在合适的基材上，制作成装饰画，最后进行适当的装裱。如图2（3）所示。

图2 直接利用案例Fig.2 Cases of directly using

2 芦苇纤维物性分析与再造产品生产技术

芦苇原料虽然可以被直接使用，但由其物性特点决定，利用途径受到了较大限制。芦苇是一种优良的木质纤维原料，将芦苇解体为纤维形态，其用途将会极大拓展。再生纤维制品的开发一直是国外生物质材料利用研究的热点[6]。

2.1 芦苇纤维制备、形态及性能分析

按如图3所示的程序制取芦苇纤维浆料：将芦苇切割成50 mm左右的芦苇段，放入水温为80～100 ℃蒸煮槽中蒸煮3～6 h，将混合料注入粗磨热磨机中，浆料连续注入细磨热磨机，视原材料区别调节热磨机的磨盘刀具参数、热磨机转速、研磨压力等技术参数，得到单元尺寸不同的芦苇浆料[7]。取出粗浆和细浆，对浆料和干燥后的纤维形态进行检测，结果如表2所示。

图3 芦苇浆料制备工艺Fig.3 Preparation process of reed pulp

2.2 芦苇纤维再造利用的成型分析

进行芦苇浆料成份与纤维形态检测分析，发现：

芦苇浆的成分与木浆基本相似，纤维间的胶合可参照木纤维制品的方法。但芦苇浆料糖分含量较高，因而亲水性更高，产品的防潮处理、防腐处理更重要[8]。

表 3 芦苇浆料制备与物料分析Table 3 Preparation and analysis of reed pulp

无论是粗浆或细浆，芦苇纤维均可以敷设在形态各异的网状基体表面，制品的形态取决于基体的形态，制品表面将反映夸张或细腻的纤维肌理，只要纤维间、纤维与基体间有足够的胶接强度，纤维层不会轻易被破坏。

可以在网状模具上对纤维浆进行滤水和模压，成为与模具形态相吻合的模压制品。

粗浆纤维适合采用松香胶（黄胶）胶合成型，细浆纤维适合采用脲醛胶、乳白胶胶合成型。

2.3 芦苇纤维再造产品生产案例

案例1：模压餐茶具盘

按设计形状制作模具，阴模具有滤水功能，视纤维粗细长度，滤水孔径为1.2～2.5 mm。阴模和阳模模具表面均涂刷石蜡乳化液脱模剂，在模具中注入纤维浆料即可进行模压。为提高纤维浆料的粘合度以及粘合后的产品强度，经实验发现：加入相当于芦苇浆绝干纤维质量3%左右的松香胶能达到最佳性能，且需加入相当于芦苇浆绝干纤维质量5%左右的硫酸铝才能完成最终施胶工作。经压制工艺测试，投影面积单位压力为0.4～0.6 MPa，模腔内温度控制在180～200 ℃范围，压制时间取决于制品形状厚度，一般控制在30～50 s。制品最终厚度大约是成型模具模腔厚度的70%。制品的干燥温度为250～300 ℃（制品在7～10 s内含水量减少50%），然后温度降为100～150 ℃，最后干燥到含水率为10%～12%左右即可。通过以上工艺，最终制作出了系列餐盘。如图4-1所示。

案例2：芦苇纤维板基用品

选用未经漂白处理、由未添加化学助剂的纤维浆料制成的芦苇纤维板，测试发现其静曲强度均值为36.644 MPa、弹性模量为2 800～3 600 MPa；通过弯曲性能实验，确定5 mm厚的板材的最小弯曲直径为180 mm。制作系列直径大于或等于最小弯曲直径的圆盘形木质模具，选用合格板材，在常温条件下对板条进行弯曲，底板嵌入周边板条，所有接口处用食品包装级胶黏剂连接，在木模上固定4 h后即可。通过以上方法，制作出了系列托盘。如图4-2所示。