甘蔗渣生物质板材制作及性能分析

翁炎 王秀仑

摘要 以甘蔗渣为原料，经预处理、磨解、热压等步骤，成功制作了生物质板材，并探究了热压压力、纤维长度、含水率等对板材强度的影响。纤维长度在0～2.0 mm制作的板材强度最高，最大抗拉强度为15.46 MPa，最大抗弯强度为32.22 MPa，最佳工艺参数为热压温度110 ℃，热压压强6.5 MPa，纤维长度及热压压力是影响板材强度的主要因素。

关键词 生物质板材；甘蔗渣；纤维长度；力学性能；含水率

中图分类号 TS653.5 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）13-0181-04

Manufacture and Performance Analysis of Bagasse Biomass Plates

WENG Yan1，2，WANG Xiulun1，2

（1. School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui 230036；2. Faculty of Bioresources，Mie University，Tsu ，Japan 514-8507）

Abstract Bagasse was used as raw material，after the early processing，grinding，hot pressing and other steps，the biomass board was successfully produced. The influence of hotpressing pressure，fiber length，and moisture content on the strength of the plate were explored. The strength of the sheet made from 0 to 2.0 mm in fiber length is the highest，the maximum tensile strength is 15.46 MPa，and the maximum flexural strength is 3222 MPa. The best process parameters are hot pressing temperature 110 ℃，hot pressing pressure 6.5 MPa. In this research，the main factors affecting the strength of the sheet are fiber length and hot pressure.

Key words Biomass board；Bagasse；Fiber length；Mechanical properties；Moisture content

在石油和林业资源日益枯竭的大环境下，甘蔗渣材料却面临着被浪费的尴尬处境，以甘蔗渣为原料生产生物质材料板材可一举多得。甘蔗渣是压榨制糖的副产物，我国蔗糖产量很高，约占全国食糖总产量的80%，甘蔗渣储量丰富，压榨1 t甘蔗汁，约可获得湿蔗渣270 kg[1]。因此，甘蔗渣作为原料生产出的生物质材料板材具有产品集中、产量巨大和运输成本几乎为零等优点。利用甘蔗渣生产生物质板材，代替传统的木制品和塑料品，用于农业、工业、建筑业等方面，既减少了塑料的使用，又降低了森林资源的压力，也使甘蔗渣资源变废为宝，创造经济价值。因此，其绿色、环保、经济的特性使其有着巨大的市场潜力和应用价值。

甘蔗是甘蔗属的总称[2-3]。除部分蔗渣用作造纸和人造板等用途外，往往作为锅炉燃料供制糖厂使用或大量堆积废弃，造成了大量的资源浪费和环境污染[4]。目前甘蔗渣利用方式还有很多不足，主要的利用方式还是制糖厂焚烧利用，甘蔗渣作为一种尚未完全得到开发利用的生物质材料具有很高的应用潜力。

目前，对于甘蔗渣生物质板材力学性能的研究，主要是添加化学黏合剂来提升板材的强度，而这种方法往往成本高昂或对环境有害。Umemura等[5]发现，掺杂了壳聚糖的甘蔗渣板材的表征优于未掺杂板材。Guimaraes等[6]对比了用香蕉纤维和甘蔗渣纤维分别制备的淀粉基复合材料，SEM测定显示蔗渣-热塑性淀粉的结合优于香蕉纤维，且纤维抗拉强度与其制备工艺密切相关。

另一种方法就是从原材料或生产工艺上进行改进。黄莉莉[7]以玉米秸秆、油菜秸秆为原料，探索了不同条件下压制板材的自胶合机理，用密度泛函理论从微观上解释了温度、压力对板材的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

原材料：蔗渣，其主要成分是纤维素、半纤维素和木素，其中纤维素占40%～50%，大多以结晶态存在，而半纤维素占25%～35%，是一种无定形聚合物，此外还含有木素和脂肪、果胶、单宁、少量矿物质等[8-9]。可以看出，蔗渣含有丰富的纤维素，因而蔗渣制板有很大的优势。甘蔗渣原材料取自日本三重縣三重大学。

主要仪器：里见制造所A型磨解机，RH-50万能试验机，LDO-450S型烘干机，分样筛等。

1.2 制备方法

生物质板材的制作按照成型工艺可分为常温成型、冷压态成型、热压成型、炭化成型[10]。该试验所采用的热压工艺，将磨解过后的蔗渣分选为0～2.0、2.0～4.0、4.0～5.6 mm 3种不同的纤维长度，放置于110 ℃的模具中，制成10.0 cm×10.0 cm×1.5 mm的板材；再对板材进行力学性能和含水率的测定，通过生物质板材试验片的纤维长度、热压压力、抗弯强度、抗弯强度和含水率等数据来分析该生物质板材的性能，并分析各项数据之间的关联[11]。

蔗渣生物质板材的制作主要分为预处理、磨解、热压（图1）。

1.2.1 预处理。由于甘蔗渣是制糖厂的副产物，本身尺寸已经很小，不需要预先对其进行切碎，将自然风干的甘蔗渣浸泡72 h，使甘蔗渣中的纤维自然舒张，暴露甘蔗渣高分子中的羟基，浸泡使水分子与碳水化合物高分子充分结合，使其便于与水分子或其他位置上的羟基结合成氢键。解离时间亦不宜过长，空气及甘蔗渣中存在的微生物会对甘蔗渣消化分解，时间过久可能会降低板材的强度。适度的软化有利于材料在磨解机中顺利流动，增加磨解的效率，提高磨解质量，减少磨解过程中刀具的损伤。

1.2.2 磨解。将已经浸渍完全的甘蔗渣放入磨解机中，磨解10 min，原本细长的甘蔗渣纤维全部被磨解成长度小于1 cm的微小纤维。为探究纤维长度对板材强度的影响，使用分样筛对纤维进行筛选，将浆液分成0～2.0、2.0～4.0、4.0～5.6 mm 3种不同的纤维长度，舍弃大于5.6 mm的纤维。并将水料比控制在1 ∶1左右。

1.2.3 热压。将浆料置于10 cm×10 cm模具中，维持恒温110 ℃，并对生物质材料分别施加2.0、3.5、5.0、6.5、8.0 MPa的压强，热压2 h后即可得到板材。

2 结果与分析

2.1 密度

热压压制成功的板材，首先进行板材的重量（M）、长度（L）、宽度（W）、厚度（T）的测定。其中，一块生物质板材，分别测量3个位置不同的长度L1、L2、L3求其长度的平均值；其宽度W测量其3个位置的不同长度W1、W2、W3，求其平均值。

因为使用甘蔗渣生物质压制成功的板材属于非均质材料，所以在压制成功的板材的厚度T测量上取8个点进行测量，求出其平均值，这样可以尽量减小由于板材的非均质而导致的测量数据与板材实际数据的偏差。具体数据如表1所示。

由表1可知，板材纤维长度越小，密度越大；每块板材的长宽厚数据均不同，且即使是同一块板材，不同部位的数据也有细微不同。出现这种情形是因为板材未添加任何胶黏剂，由热压处理得到，热压过程中纤维的排列方向不同，且相互脱水，纤维的流动性差，因此纤维的分布不均匀，压制成功的板材为非均质板材，导致不同位置的厚度有所不同。因此在计算密度过程中，通过多点测量求平均值来减少对密度计算的误差。

由图2可知，在压力从2.5 MPa上升至8.0 MPa过程中，3种纤维长度密度变化均缓慢增大， 在所有压强下，0～2.0 mm的板材密度均最高，2.0～4.0 mm的板材密度适中，4.0～5.6 mm的板材密度最小。板材的密度与压制板材所选用的纤维长度成反比，造成这一现象的原因可能是在宏观层面下，纤维过长，会在板材内部形成很多的空隙，导致了板材密度的降低。

式中，σt为拉伸应力（MPa）；P为施加的载荷（N）；a为试验片的宽度（mm）；b为试验片的厚度（mm）；εt为拉伸应变；LD为拉伸形变量（mm）；L0为试样原始长度（mm）。

由图4可知，在热压温度为110 ℃条件下，不论纤维长短，板材的抗拉强度随着热压压力的升高，表现出先上升后下降的趋势，在5.0～6.5 MPa取得最大值。纤维长度为0～2.0 mm的板材的抗拉强度在各个热压压力情况下均最高，纤维长度为4.0～5.6 mm的板材在6.5～8.0 MPa情况下略低于0～2.0 mm的板材。在热压温度为110 ℃条件下，适当地增加热压压强，可以提高蔗渣板材的抗拉强度。

2.3 抗弯强度 每块10 cm×10 cm板材可切割出4块弯曲试验片，如图5所示。

由图6可知，纤维长度对板材抗弯强度的影响最大，纤维长度为0～2.0 mm的板材在各个热压压力情况下抗弯性能均最高，纤维2.0～4.0 mm的板材抗弯强度适中，在5 MPa热压压力下有最高的抗弯强度27.79 MPa，纤维长度为4.0～5.6 mm的板材在低热压情况下表现不佳，高压表现仅次于纤维0～2.0 mm板材。在热压温度为110 ℃条件下，0～2.0 mm纤维长度的板材，在各压强情况下力学性能均最高，而加压对其强度的提升一般；对于2.0～4.0 mm的板材，热压压力5.0 MPa是其抗弯性能最高的压力，过高或过低的热压压力均导致其力学性能的下降；对于4.0～5.6 mm的板材，抗弯强度和热压压力呈正相关，热压压力2.0 MPa下性能不佳，而随着压强的升高，抗弯强度立刻追上了另外2种材料，在热压压力8.0 MPa情况下有近30.0 MPa的抗弯强度，加压性价比最高。

综上分析可知，在力学性能中，试验片的应力随着形变的增大而增大，当形变量达到生物质板所能承载的顶点时，应力达到最大值，生物质板断裂，而后应力迅速减小。纤维长度是板材力学性能的重要影响因素。

2.4 含水率 计算公式如公式（5）所示[14]。

ω= m1-m0 m1 ×100% （5）

式中，ω为含水率（%）；M1为干燥前试样的重量即湿重，精确到0.01 g；M0为干燥后试样的质量，精确到0.01 g。

由图7可以看出，3种纤维长度的板材含水率在4.89%～5.98%，含水率差异在1%左右，含水率随着密度的增大而降低；0～2.0 mm長度压制的板材含水率最高，2.0～4.0 mm长度压制的板材含水率第二，4.0～5.6 mm长度压制的板材含水率最低。3种不同纤维长度的板材含水率差异明显，可见纤维长度对板材的含水率影响很大。

由图7分析可以得知：不同纤维长度和不同压力压制的生物质板材，含水率随热压压力变化的趋势基本一致；同一试验片上不同部位的含水率也不同。

对于纤维0～2.0 mm的板材：当压力从2.0 MPa升至35 MPa和当压力从3.5 MPa升至5.0 MPa时，含水率分别下降0.38%和0.25%；而当压力从5.0 MPa升至6.5 MPa和当压力从6.5 MPa升至8.0 MPa时，含水率几乎没有变化；说明对纤维0～2.0 mm的板材而言，热压压力超过5.0 MPa就不能再降低其含水率。

对于纤维2.0～4.0 mm的板材：当压力从2.0 MPa升至3.5 MPa和当压力从3.5 MPa升至5.0 MPa时，含水率分别下降0.16%和0.19%；而当压力从5.0 MPa升至6.5 MPa和当压力从6.5 MPa升至8.0 MPa时，含水率分别上升0.09%和0.05%。说明对纤维2.0～4.0 mm的板材而言，最低含水率的热压压力为5.0 MPa。

对于纤维4.0～5.6 mm的板材：在压力从2.0 MPa升至8.0 MPa，每增大1.5 MPa热压压力含水率分别上升0.01%、0.03%、0.16%、0.41%，最低含水率的热压压力为2.0 MPa。

0～2.0 mm长度压制的板材含水率变化最大，2.0～40 mm长度压制的板材含水率的方差次之，4.0～5.6 mm长度压制的板材含水率的方差最小。

由图8可以看出，由甘蔗渣压制的板材含水率随热压压力的变化幅度不大，但趋势很明显：纤维0～2.0 mm和纤维2.0～4.0 mm的板材含水率随热压压力的增大先下降后趋于稳定，纤维4.0～5.6 mm的板材含水率随热压压力的增大同步上升，且上升速率增大。

在110 ℃的热压温度下，同系列的板材，含水率与密度呈负相关；甘蔗渣生物质板材的含水率较低，不同纤维长度和不同压力压制的生物质板材，含水率随热压压力变化的趋势基本一致。同一试验片上不同部位的含水率也不同；由甘蔗渣压制的板材含水率随热压压力的变化幅度不大，但趋势很明显：纤维0～2.0 mm和纤维2.0～4.0 mm的板材含水率

随热压压力的增大先下降后趋于稳定，纤维4.0～5.6 mm的板材含水率随热压压力的增大同步上升，且上升速率增大。

3 结论

不同纤维长度的蔗渣，在2.0～8.0 MPa热压压力下均能成功制作生物质板材。对于不同纤维长度的甘蔗渣板材来说，最佳的工艺参数为纤维长度0～2.0 mm，热压温度110 ℃，热压压强6.5 MPa；在最佳工艺条件下，密度为1.024 g/cm3，最大抗拉强度为15.46 MPa，最大抗弯强度为32.22 MPa。蔗渣板材的含水率在5.4%±0.5%，纤维长度是板材含水率的主要影响因素。

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