玉米秸秆不同预处理方式对育苗钵制备的影响

孙勇，初晓冬，曲京博，刘金明,2，王延鹏

玉米秸秆不同预处理方式对育苗钵制备的影响

孙勇1，初晓冬1，曲京博1，刘金明1,2，王延鹏1

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆黑龙江163319）

针对制钵浆液粘度低和吸附时间等参数不确定问题，以不同预处理玉米秸秆为原料提出负压吸附工艺制备育苗钵方法。探究四种预处理原料表观粘度与制钵可行性。结果表明，纯玉米秸秆浆液表观粘度最低，加入猪粪可提高原玉米秸秆浆液粘度；碱处理玉米秸秆浆液粘度最高，混入纯秸秆可降低浆液粘度，提高浆液均匀性；纯玉米秸秆浆液和混入猪粪玉米秸秆浆液可使育苗钵湿坯均匀度达80%，成型率100%，但无法脱模；碱处理秸秆浆液及混入纯秸秆后秸秆浆液均可成型，TS 1%～4%，吸附时间5～45 s，TS增大，吸附时间减小。该研究为制钵浆液制备、参数确定奠定理论基础。

玉米秸秆；粘度；碱处理；猪粪；育苗钵

当前制备可降解育苗钵常用压制工艺，需对模具或可降解材料加热，促使钵体粘结成型[1]，工作效率低，模具损毁和破坏率高、设备耗能高、工作时噪音大、自动化衔接能力差[2]。负压吸附工艺[3]制备育苗钵效率高、耗能降低，克服压制工艺缺陷，但需对原材料清洗、筛选和蒸煮，或添加必要粘结剂辅助育苗钵湿坯成型，粘结剂成本高，不利于大规模推广。本文采用负压吸附工艺制备可降解育苗钵，探究不添加粘结剂和蒸煮试验材料制备可降解育苗钵可行性。本文以纯玉米秸秆浆液、纯玉米秸秆混合新鲜猪粪浆液、碱混合沼液处理秸秆浆液和碱混合沼液处理秸秆浆液混合纯玉米秸秆浆液为基本浆料，借鉴造纸工艺，负压吸附工艺制备育苗钵湿坯，分析浆料总干物质浓度（TS）、吸附时间对育苗钵湿坯均匀度、成型率和脱模成功率影响规律，为负压吸附工艺制备可降解育苗钵提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米秸秆（含水率4.5%）来自哈尔滨市平房区周边农场。猪粪沼液来自哈尔滨市双城区顺利村示范基地。新鲜猪粪（TS=6.2%）来自哈尔滨市阿城三花猪养殖基地。氢氧化钠、蒸馏水和清水来自东北农业大大学生物质能源实验室。用于玉米秸秆预处理或浆液调配。

1.2 仪器

将秸秆浆液制备成可降解育苗钵，试验仪器主体为有机可降解育苗钵机，东北农业大学工程学院可再生能源方向团队研制，育苗钵机负压吸附原理工作，制钵机主体包括铝合金机架、储浆箱、气动系统、控制系统和电机运动系统，控制系统主要负责协调制钵机各项工作，装置见图1。

图1 有机可降解育苗钵成型机Fig.1 Biodegradable organic seedling bowl forming machine

试验辅助设备主要为101-1型电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司），料理机（九阳股份有限公司），FFL-250型超微粉碎机（山东青岛即墨市超微粉碎机厂），9 QS 20-60秸秆揉切机（哈尔滨龙牧机械设备有限公司），ANKOM 200 i半自动纤维分析仪（北京安科博瑞科技有限公司）等。

1.3 试验分组

依据测试浆料构成，将试验浆料分成4组，具体参数如表1。

1.4 浆液制备

TA与TB浆液制备工艺基本一致，具体工艺流程如图2所示。

首先将玉米秸秆经9 QS 20-60秸秆揉切机粉碎至10～20 mm玉米秸秆切段，人工筛选，去除杂物，将筛选后玉米秸秆切段超微粉碎，粉碎后玉米秸秆纤维60目，此时秸秆含水率4.5%。将超微粉碎后玉米秸秆与清水按预定质量比混合，得到1%～7%质量分数TA（B）浆液，将混合后玉米秸秆浆液贮存0.5 h，待玉米秸秆纤维充分吸收水分后作制备育苗钵湿坯原料浆液。TC和TD试验组浆液制备工艺基本一致，具体流程如图3。

由图3可知，将玉米秸秆经秸秆揉切机粉碎至10～20 mm，人工筛选，去除杂物；一部分超微粉碎，另一部分放入干燥箱干燥3 h；取猪粪沼液、氢氧化钠和蒸馏水配置预处理液，将烘干秸秆与配置预处理液装入自封袋混合预处理10 d。猪粪沼液质量比、氢氧化钠质量分数分别为8%、4%，每个自封袋装入一定量秸秆和预处理液；10 d后，取出秸秆放入60目标准分样筛清洗，洗至略微发白，pH近7，将清洗后秸秆和适量清水混合加入料理机打浆处理，每批打浆15～20 s，重复3次，每袋秸秆打浆2批，将打浆后秸秆与清水按照预定质量比配置成质量为2 kg TC浆液，将上述有机原料搅拌均匀制备育苗钵。

表1 试验参数Table 1 Test parameter

图2 TA（B）浆液制备Fig.2 TA(B)slurry preparation

图3 TC（D）浆液制备工艺Fig.3 Preparation process of TC(D)slurry

1.5 方法

1.5.1 浆液表观粘度测定

浆液表观粘度测定选择单因素控制变量法，试验重复5次取平均值，将TA～TD四类浆液表观粘度对比。

1.5.2 TA-TD浆液单因素试验

TA～TD浆液为原材料制钵试验，采用单因素全面试验方法，重复2次，将浆液TS、吸附时间分别作为自变量，探究TS、吸附时间对育苗钵湿坯厚度均匀性、成型影响规律。

1.6 考查指标

1.6.1 自变量

自变量主要是TS和吸附时间，TS和吸附时间均影响育苗钵湿坯厚度及成型。TS采用烘干称重法[4]，具体测量方法如下：

式中，TS-总固体质量（%）；A1-称重器皿质量（g）；A2-有机原料浆液与称重器皿总质量（g）；A3-有机原料干料与称重器皿总质量（g）。吸附时间通过单片机程序执行，吸附时间设置为5、10、15、20、25、30、35、40和45 s共9个等级。考虑较低浓度制钵试验可行性，吸附时间45 s为宜。

1.6.2 响应指标

响应指标分别为钵体均匀度、钵成型率和脱模成功率。浆液表观粘度是影响育苗钵湿坯成型重要因素之一。钵体均匀度反映育苗钵壁厚均匀程度，其值越接近于1，表明育苗钵厚度越均匀。脱模时，壁厚均匀的育苗钵湿坯受力均匀，吹钵压力不会造成育苗钵湿坯局部损毁。

首先采用直尺对图4中测量点测量并分析[5]，具体计算如公式2所示：

式中，Un-克里斯琴森均匀度（%）；Li-第i个测量点厚度（mm）；-L-所有测量点均值。钵体厚度通过直尺测量，具体测量位置如图4所示。钵成型率是成型钵湿坯占试验总次数比例，由于试验重复2次，成型率取值为0，50%和100%。脱模成功率是指脱模成功无损坏育苗钵占总成型育苗钵湿坯比例，对应试验重复2次，因此脱模成功率取值为0，50%和100%。

图4 育苗钵厚度测量位置Fig.4 Measuring position of the thickness of the seedling pot

2 结果与分析

2.1 浆液表观粘度对比

原料表观粘度直接影响育苗钵粘结成型和脱模。本文针对TS为4%TA、TB、TC和TD原料表观粘度对比，结果如图5。

由图5可知，原料中TS为4%时，表观粘度随着转速增加而减小，转速越高，表观粘度越低。原因是转速增加破坏秸秆纤维氢键[6-8]连接，而转子周围出现转动稀化现象，说明较低作用力可提高原料表观粘度，助于育苗钵湿坯纤维粘结。

图5 原料粘度随转速变化规律Fig.5 Variation rule of material's appanrent viscosity with speed changing

由表2可知，针对不同原料，在转子转速为定值条件下，6 r·min-1为例，TA原料表观粘度最低，TB与TD原料表观粘度逐渐增加，TC原料表观粘度最大。

表2 原料表观粘度对比Table 2 Contrast of material's appanrent viscosity (mPa·s-1)

不同处理原料，表观粘度差异显著，由于有机原料成份不同，向水中加入一定量玉米秸秆，玉米秸秆纤维吸水膨胀，改变自由水与结合水比例，加入小颗粒物质，在6 r·min-1转速下，使纯玉米秸秆原料表观粘度值达到51.3 mPa·s-1；加入粉碎玉米秸秆和新鲜猪粪，而原料总质量不变，导致TB原料中TS大于TA原料TS，引起原料中固体物质、秸秆纤维摩擦加剧，猪粪本身粘度较大，混合后原料分层现象减弱，TB原料表观粘度增加[9]，最终TB原料表观粘度达到461 mPa·s-1，较TA提高9倍；TD和TC原料表观粘度相对于TA、TB原料表观粘度提升5到200倍，原因为采用NaOH、猪粪沼液对玉米秸秆预处理，破坏玉米秸秆纤维结构，使玉米秸秆纤维中木质素发生降解，暴露不同小分子亲水性基团，增加原料表观粘度值；TD原料中，一是经碱处理秸秆纤维少于TC原料，二是TD中加入秸秆仅增加物理性摩擦与阻碍，基本不涉及化学基团间微观作用，TD原料表观粘度较于TC原料降低，表观粘度适度有助于育苗钵湿坯脱模成功。

2.2 TA浆液制备育苗钵

2.2.1 TS对育苗钵湿坯制备影响

TS影响浆液中秸秆纤维含量、秸秆纤维分布及育苗钵湿坯成型和脱模规律见图6。

由图6可知，随着TS增加，育苗钵湿坯成型率为100%，脱模成功率始终为0，湿坯厚度均匀度维持在80%；TS3%时，均匀度为75%。原因是，在相同吸附条件下，随TS增加，单位体积浆液中玉米秸秆纤维贴附在网模上概率较高，育苗钵湿坯较均匀，成型较好。玉米秸秆纤维是物理摩擦力相互连接，简单摩擦力无法克服脱模时较大压力，育苗钵湿坯脱模成功率始终为0，无法有效脱模，即使脱模成功，因干燥等产生力的作用使育苗钵无法成型。在TS为3%时，育苗钵湿坯厚度均匀度为75%，低于一般均匀度值，试验时浆液搅拌不均匀所致，纯秸秆纤维在浆液中分布不均匀，导致玉米秸秆纤维贴附在网模上厚度不均匀，湿坯厚度下厚上薄，均匀度低于80%。

图6 TS对育苗钵湿坯影响Fig.6 Effect of TS on wet bile in nursery

2.2.2 吸附时间对育苗钵湿坯制备影响

吸附时间是在相同TS下，通过控制负压力对纤维吸附时间调节湿坯厚度，控制湿坯均匀度、成型率和脱模成功率。针对纯玉米秸秆浆液，吸附时间对育苗钵湿坯影响规律如图7所示。

图7 吸附时间对育苗钵湿坯影响Fig.7 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由图7可知，随着吸附时间增加，育苗钵湿坯成型率为100%，脱模成功率始终为0，均匀度维持在80%～100%，呈波浪式上升趋势。原因是在TS相同条件下，玉米秸秆纤维在浆液中分布比较均匀，秸秆纤维可较好贴附在网模上有效成型，但吸附时间无法改变秸秆纤维粘结性能，秸秆纤维摩擦力难以克服脱模时吹力，湿坯无法有效脱模；但随着吸附时间延长，湿坯厚度增加，吸附力逐渐增大，浆液和秸秆纤维均匀分离，湿坯厚度均匀性提高，相同TS条件下，吸附时间越长，湿坯厚度越均匀。

2.3 TB浆液制备育苗钵

2.3.1 TS对育苗钵湿坯制备影响

猪粪表观粘度相对较高，在纯秸秆浆液中混入一定量猪粪可改善纯秸秆浆液流变性能和固液分散体系。针对TB浆液制备育苗钵，TS对育苗钵湿坯成型影响规律如图8所示。

图8 TS对育苗钵湿坯影响Fig.8 Effect of TS on wet bile in nursery

由图8可知，随TS增加，育苗钵湿坯成型率为100%，湿坯厚度均匀度在80%（且基本不变）；当TS在1%～5%时，湿坯无法脱模；当TS超过6%时，湿坯脱模成功率上升到50%。原因是在相同吸附条件下，随着TS增加，单位体积浆液中玉米秸秆纤维贴附在网模上概率比较接近，混入猪粪[10]秸秆纤维分布比较均匀，因此育苗钵湿坯厚度比较均匀，成型较好。在TS低于5%条件下，由于浆液中秸秆纤维是纯物理性粘结，纤维粘结不紧密[11]，脱模时易破碎；当TS大于5%时，同等吸附条件下，湿坯厚度明显高于TS较低纯玉米秸秆浆液，脱模时，含水率相对较高，湿坯厚度增加减缓干裂应力，湿坯脱模成功率达50%，但脱模成功湿坯无法完好承受热处理，粘结力无法克服热应力，导致钵体破裂。

2.3.2 吸附时间对育苗钵湿坯制备影响

猪粪混合玉米秸秆浆液改善制钵原料浆液均匀性，而吸附时间破坏相对静止固液体系和浆液均匀性，吸附时间对育苗钵湿坯成型影响规律见图9。

图9 吸附时间对育苗钵湿坯影响Fig.9 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由图9可知，随吸附时间增加，育苗钵湿坯成型率和脱模成功率分别为100%和0，湿坯脱模成功率多数情况下保持在80%，吸附10 s时，均匀度为70%。

纯秸秆浆液中加入一定量猪粪，猪粪与秸秆充分搅拌后存在部分粘结小块，制备育苗钵时，这些小块堆积在钵层表面，引起钵体局部位置加厚，湿坯厚度不均匀。混合猪粪虽然增加浆液表观粘度，但表观粘度增加仅因猪粪改良分散系物理性质，并未涉及化学键连接，秸秆纤维粘结力脆弱，无法克服脱模压力脱模成型。

2.4 TC浆液制备育苗钵

2.4.1 TS对育苗钵湿坯制备影响

碱混合猪粪沼液预处理玉米秸秆改变浆液中秸秆纤维结构构成[12]，有效提高浆液表观粘度。吸附时间5 s时，TS对育苗钵湿坯制备影响规律见图10。

图10 TS对育苗钵湿坯影响Fig.10 Effect of TS on wet bile in nursery

由图10可知，随着TS增加，育苗钵湿坯厚度均匀度先减后增，湿坯成型率始终维持在100%，脱模成功率从0增加到100%后趋于稳定。

碱处理玉米秸秆改变玉米秸秆纤维结构，改善浆液表观粘度[9,13]性能，浆液粘度相对于TA、TB浆液提升9～220倍不等，秸秆纤维除物理性质摩擦，还存在纤维氢键连接，提高粘结性能，使TC浆液在相对较低TS下，育苗钵湿坯均匀度达到80%，脱模成功率有所提高；当TS高于2%时，吸附时间5 s时，育苗钵湿坯厚度超过5 mm，厚度增加影响含水率和水分布，均匀度略有下降，湿坯脱模成功率达到100%；当TS高于3%时，厚度增加，湿坯厚度对均匀度影响减弱，湿坯均匀度也随之增加。

2.4.2 吸附时间对育苗钵湿坯制备影响

碱处理玉米秸秆改变TC浆液流变特性，影响秸秆纤维粘结性能和TC浆液制备育苗钵湿坯性能。浆液TS为0.5%时，吸附时间对育苗钵湿坯制备影响规律如图11所示。

图11 吸附时间对育苗钵湿坯影响Fig.11 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由图11可知，随着吸附时间延长，育苗钵湿坯均匀度维持在100%不变，可贴附在模具上成型，脱模成功率从0上升到50%最终至100%不变，湿坯均匀度在25s前为100%，超过25 s时，湿坯均匀度下降，最低仍维持在80%。

当浆液TS为0.5且吸附时间较短时，秸秆纤维贴附在制钵机网模模具上秸秆纤维量较少，厚度不超过5 mm，秸秆纤维物理摩擦力和化学键[14-15]连接仍无法克服脱模时压力，导致无法脱模；当吸附时间超过25 s时，育苗钵湿坯厚度达到或超过5 mm，湿坯厚度增加，改变湿坯含水率，增强秸秆纤维粘结性能，摩擦力和粘结力在一定程度上可克服脱模时作用力，脱模成功率上升到50%；吸附时间增加导致浆液中水分过度减少，秸秆纤维粘附力增加，吸附时间增加导致湿坯厚度增加，湿坯在离开浆液时会黏连部分浆液中秸秆纤维[8]，因此吸附时间越长，湿坯厚度均匀性越低，脱模成功率越高。

2.5 TD浆液制备育苗钵

2.5.1 TS对育苗钵湿坯制备影响

由图12可知，在碱处理玉米秸秆浆液中混合部分纯玉米秸秆，TD浆液表观粘度降低，但仍高于TA、TB浆液表观粘度，混入纯玉米秸秆改善浆液均匀性和粘度性能。吸附时间为5 s时，TS对TD浆液制备育苗钵湿坯影响规律如图12所示。

图12 TS对育苗钵湿坯影响Fig.12 Effect of TS on wet bile in nursery

由图12可知，随着TS增加，育苗钵湿坯成型率为100%，均匀度维持在85%，呈V字形，脱模成功率从50%上升到100%。

TS低于1%时，浆液表观粘度相对于TC浆液较低，吸附时间5 s时，湿坯无法形成有效脱模厚度，含水量相对较低，秸秆纤维粘结力、摩擦力相对较小，湿坯无法成功脱模；当TS大于2%时，同等吸附时间下育苗钵湿坯厚度较大，含水量和秸秆纤维粘结力均较高，秸秆纤维粘结力和摩擦力可克服脱模时压力，有效脱模。因此TS越高，脱模成功率越高。由于添加纯玉米秸秆纤维，浆液中纤维分布较为均匀，秸秆纤维搭接更紧密，均匀度也相对较高。

2.5.2 吸附时间对育苗钵湿坯制备影响

碱处理玉米秸秆混合纯玉米秸秆降低浆液表观粘度，提高浆液均匀性，降低模具离开浆液时粘结。相对于TC浆液，TD浆液纤维分布更均匀，吸附时间对育苗钵湿坯制备影响规律如图13所示。

图13 吸附时间对育苗钵湿坯影响Fig.13 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由图13可知，随着吸附时间延长，育苗钵湿坯成型率维持在100%不变，湿坯厚度均匀度呈下降趋势，湿坯脱模成功率从50%上升到100%并维持不变。

TS维持在1%保持不变，随着吸附时间延长，同等条件下贴附在网模模具[16]上秸秆纤维相对较多，湿坯厚度增加，含水量增加，秸秆纤维粘结力有所增加[17]，秸秆纤维粘结力可克服脱模时压力，有效脱模；而TS在1%时，浆液表观粘度下降，由于混入大量纯玉米秸秆纤维，秸秆纤维搭接基体和粘结剂均充足，模具提出浆液时粘结附带纤维较多，湿坯均匀度下降，但整体厚度均匀度均维持在80%，未对湿坯成型及脱模产生较大影响。

3 结论

a.将四类浆液对比，纯玉米秸秆浆液表观粘度最低，碱处理玉米秸秆浆液粘度最高，同等转速下表观粘度相差数倍至数百倍不等。在纯秸秆浆液中添加猪粪或在碱处理玉米秸秆浆液中混合纯玉米秸秆均可改善原有浆液表观粘度性能，提高浆液均匀性，为制备高品质制钵浆液提供参考。

b.对于纯玉米秸秆浆液和混入猪粪玉米秸秆浆液，TS 1%～7%，吸附时间5～5 s，育苗钵湿坯均能成型，成型率达到100%，正常情况下均匀度均在80%，脱模成功率始终为0，无法有效脱模，说明这两类浆液提高粘度性能无法保证湿坯脱模，育苗钵难以有效成型。

c.对于碱处理玉米秸秆浆液和碱处理玉米秸秆浆液混入纯玉米秸秆，TS低于0.5～1%，或高于4%时，育苗钵湿坯因厚度或过度粘连而无法有效成型和脱模；吸附时间超过25～35 s时，产生过度粘连。两种浆液表观粘度较高时，应降低吸附时间或TS浓度辅助育苗钵湿坯成型和脱模。

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Effect of different pretreatments of corn straw on seeding bowl prepara-tion/

SUN Yong1,CHU Xiaodong1,QU Jingbo1,LIU Jinming1,2,WANG Yanpeng1
(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Information Technology,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China)

Aiming at the uncertainty of parameters,such as low viscosity and adsorption time of slurry,different pertreatments of corn straw were used as materials to prepare the wet blanks with negative pressure adsorption process and to explore the apparent viscosity of four types of pretreatment materials and the feasibility of preparing seedling bowl.The results showed that the apparent viscosity of pure corn straw slurry was the lowest,while adding pig manure could increase the apparent viscosity of the original corn stalk slurry,the viscosity of alkali treatment straw was the highest, mixed it with pure straw could reduce the slurry viscosity and improve the slurry uniformity.The pure straw slurry and the slurry mixed with the pig manure could make the uniformity of the wet blank of the seeding bowl up to 80%,the molding rate of 100%,but it could't be stripped;the straw slurry with alkali treatment and the slurry mixed with straw pure could cause the corn stalk to be formed,TS should be between 1%and 4%,suction time was maintained at 5-45 s,with TS increases,adsorption time was reduced.This paper laid a theoretical foundation for slurry preparation and parameter determination.

corn straw;viscosity;alkali treatment;pig manure;seedling bowl

S513

A

1005-9369（2017）08-0079-09

时间2017-9-12 11:38:41[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170912.1138.020.html

孙勇,初晓冬,曲京博,等.玉米秸秆不同预处理方式对育苗钵制备的影响[J].东北农业大学学报,2017,48(8):79-87.

Sun Yong,Chu Xiaodong,Qu Jingbo,et al.Effect of different pretreatments of corn straw on seeding bowl preparation[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(8):79-87.(in Chinese with English abstract)

2017-06-30

国家科技支撑计划子课题（2015BAD21B03-02）；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目（2016RAXXJ009）

孙勇（1974-），男，教授，博士生导师，研究方向为农业生物环境与能源工程。E-mail:sunyong740731@163.com