生物质育苗钵热压成型特性试验分析

马永财，滕 达，王汉羊，毛 欣，李昊庭，吕 卓

(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

秸秆和禽畜粪便作为可再生资源，在能源和资源开发战略中发挥了积极的作用，尽管我国是合成肥料的生产和消费大国，但作为潜在资源的农作物秸秆和禽畜粪便并没有得到有效利用。在过去，中国大部分地区农作物秸秆被焚烧或丢弃，而未经有效处理的牲畜家禽粪便则经常排放到地表水中[1-2]，这不仅造成了资源浪费，还对环境造成了污染。

当前农作物育苗主要使用由聚乙烯、聚氯乙烯等材料制得的塑料育苗钵，因其具有价格低、可重复使用等优点被种植者广泛使用，但由于塑料育苗钵的透水、透气性差，在移栽过程中需要从育苗钵中取出苗坨进行移栽，此过程会对根系造成损伤，移栽后有缓苗期，在一定程度上影响作物生长[3]。此外，塑料育苗钵如果得不到有效处理，泄露到土壤、水体等自然环境会对土壤和环境造成污染等问题[4]。因此，开展生物质育苗钵成型特性试验研究，利用热压成型技术制备可降解生物质育苗钵，既实现了秸秆的还田循环利用，又实现了秸秆和动物粪便的资源化、综合化和高值化利用，对实现低碳、环保、生态、优质、高产、高效的农业可持续发展均具有重要意义。

以水稻秸秆和发酵牛粪混合物为研究对象，采用热压成型工艺，探讨成型压力、成型温度、秸秆含量及含水率对育苗钵成型特性的影响，以期为生物质育苗钵压缩成型工艺优化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻秸秆取自黑龙江八一农垦大学试验田，发酵牛粪选自中国山东省肥沃农资有限公司。水稻秸秆经DLF-20粉碎机粉碎，利用GB/T6003.1—2012标准检验筛将水稻秸秆分级处理，并对发酵牛粪进行过筛处理，剔除发酵牛粪中石子等杂质后，置于室内通风处自然晾干48 h后采用塑料密封袋保存待用。

1.2 仪器与设备

生物质育苗钵成型压力机及配套模具如图1所示。该设备主要由压缩成型系统、加热冷却系统、计算机控制系统3部分组成。育苗钵压缩成型模具依据常见规格50穴育苗盘尺寸540 mm×280 mm设计，育苗钵外径54 mm，育苗钵底直径45 mm，高50 mm，壁厚5 mm。

图1 压缩成型设备简图

试验用WDW-200E型微机控制电子式万能试验机，精准等级为1级，最大压力为200 kN，误差±1%；DLF-20秸秆粉碎机，粉碎程度，60～800目；GB/T6003.1—2012标准检验筛，2～80目；JD300-3电子分析天平，精度0.001 g；MS100型水分自动测量仪，测量范围0～100%，精度 0.01%。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

采用单因素试验方法研究成型压力、成型温度、秸秆含量及含水率对抗破坏强度和耐久度的影响，试验因数及水平如表1所示。

表1 试验因素和水平

根据预试验确定压制育苗钵所需物料为85 g，每次试验前，将模具预热3～5 min达到目标温度。随后，运行万能试验机，以10 mm·min-1的加载速度进行压缩成型，试验中的力由计算机控制系统控制，最大压力200 kN。达到试验所需压力后计算机程序自动控制暂停，并保压20 s，保压结束后开启冷却系统，当模具温度达到25 ℃以下时暂停冷却，启动万能试验机上升程序，取出成型育苗钵，将育苗钵标记好放在阴凉通风处自然放置。压制成型后生物质育苗钵如图2所示。

图2 生物质育苗钵试验样品图

1.3.2 指标测定

1)抗破坏强度。抗破坏强度是模拟在运输和存储的过程中作用在生物质育苗钵上的力。将压制成型的生物质育苗钵垂直放置在万能试验机操作台上，通过电脑控制万能试验机，以10 mm·min-1的速度向下移动，直至生物质育苗钵破碎开裂，压头返回初始位置。试验过程中通过计算机控制系统采集育苗钵压缩力-位移曲线，该曲线中的峰值即作为育苗钵的抗破坏强度。

2)耐久度。耐久度是衡量育苗钵在运输、储存过程中的重要指标。根据欧盟技术标准 CEN/TS15210-2[5]，使用直径和深度均为598 mm的旋转滚筒和垂直于圆筒壁598 mm×200 mm的挡板来测量育苗钵的耐久度。滚筒以21 r·min-1的转速持续转动5 min，测量育苗钵初始质量及磨损后质量，记录数据最后根据公式(1)计算育苗钵耐久度[6]

(1)

式中：Du育苗杯耐久度，%；m1为磨损后育苗钵的质量，g；m为育苗钵初始质量，g。

2 结果与分析

2.1 成型压力对成型特性的影响

成型压力对抗破坏强度和耐久度的影响如图3所示。

图3 成型压力对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响

由图3可知，随成型压力的增加，成型育苗钵的抗破坏强度和耐久度均呈现上升趋势。在成型温度为140 ℃、秸秆含量为6%、物料含水率为14%的条件下，随着成型压力的增加，成型育苗钵的抗破坏强度和耐久度不断增加。成型压力是生物质压缩成型的一个重要参数，当成型压力较小时不能使原料压实，甚至不能满足原料和成型模具间的摩擦力，导致无法成型或成型产品质量低。随着成型压力的增加，物料颗粒间的空隙减少，物料原有结构重新组合，颗粒间形成范德华力和氢键结合力，提高了成型育苗钵的塑形能力[7]。然而，当成型压力过大时，成型育苗钵的抗破坏强度越高耐久度越强，但过高的成型压力会增加制备育苗钵的能耗，加快模具磨损，以及不利于作物秧苗根系穿透育苗钵，限制根的生长。因此，成型压力过大或过小都会影响成型育苗钵的品质，只有适当的成型压力，才能保证成型育苗钵的品质和最佳使用效果。

2.2 成型温度对成型特性的影响

成型温度对抗破坏强度和耐久度的影响如图4所示。

图4 成型温度对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响

由图4(a)可知，随成型温度的增加，成型育苗钵的抗破坏强度呈现先上升后下降的趋势。在成型压力为160 kN、秸秆含量为6%、物料含水率为14%的条件下，当成型温度由80 ℃增加至120 ℃，抗破坏强度由4.368 kN增大至7.215 kN，当继续提高成型温度至200 ℃时，抗破坏强度由7.215 kN降低至4.285 kN。由此可知，当温度低于120 ℃时，随着温度的增加，抗压强度不断增大，当温度超过120 ℃时，抗压强度随着温度的增加而降低。这是因为温度的适当提高有利于秸秆中木质素的软化和扩散，形成实心桥，提高成型育苗钵的品质[8]。

由图4(b)可知，随成型温度的增加，成型育苗钵的耐久度呈现先上升后下降的趋势。当其他条件设置为中间水平，成型温度由80 ℃增加至140 ℃，耐久度由84.665%增大至99.607%。当继续提高成型温度至200 ℃时，耐久度由99.607%降低至63.956%，由此可知当温度大于140 ℃时，随着温度的不断增加，成型育苗钵的耐久性不断降低，产生这一现象的原因可能是因为过高的温度会破坏秸秆内部的结构使育苗钵中的天然粘结剂木质素发生变质，降低内部分子之间的结合度，使成型育苗钵的耐久度下降[9]。因此，为了保证成型育苗钵的质量，成型温度应该控制在120～140 ℃。

2.3 秸秆含量对成型特性的影响

秸秆含量对抗破坏强度和耐久度的影响如图5所示。

图5 秸秆含量对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响

由图5(a)可知，随混合物料中秸秆含量的增加，成型育苗钵的抗破坏强度呈现先升高后降低的趋势。在成型压力160 kN、成型温度140 ℃、物料含水率14 %条件下，当秸秆含量由3 %增加至 8%，抗破坏强度由4.465 kN增大至6.622 kN。当继续提高混合物料中秸秆占比至9 %，抗破坏强度由6.622 kN降低至5.651 kN。这是因为一定的秸秆含量在压力作用下会相互缠绕起到“骨架”作用，增加抗压强度，而当秸秆含量过多牛粪含量较少时，二者不能充分结合，从而形成松散状态，降低了其抗压强度。

由图5(b)可知，随秸秆含量的增加，成型育苗钵的耐久度呈现先上升后下降的趋势。当其他条件设置为中间水平，秸秆含量由3%增加至7 %，耐久度由88.860%增大至99.522%。当继续提高混合物料中秸秆占比至9%，抗破坏强度由99.522%降低至96.764%。由此可知，适当增加秸秆含量可提高耐久度，但是当秸秆含量超过7%时，耐久度则呈现降低的趋势，这是因为秸秆含量较低时，随着秸秆含量的增加，秸秆之间形成固体桥，在范德华力、氢键结合力等共同作用增加了其耐久度，但当秸秆含量过大时，虽增多了混合原料中的木质素，但由于水稻秸秆的粒径大于发酵牛粪，使物料混合不充分，成型育苗钵易出现断层现象，从而降低了耐久度[10]。因此，为了保证成型育苗钵的质量，秸秆含量应该控制在7%～8%范围内。

2.4 含水率对成型特性的影响

含水率对抗破坏强度和耐久度的影响如图6 所示。

图6 含水率对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响

由图6(a)可知，随含水率的不断增大，成型育苗钵的抗破坏强度呈现先上升后下降的趋势。在成型压力160 kN、成型温度140 ℃、秸秆含量6 %条件下，当含水率由8 %增加至16 %，抗破坏强度由2.105 kN增大至6.723 kN。当继续增大物料含水率至20%，抗破坏强度由6.723 kN降低至4.237 kN。这是因为水既是粘合剂，又是润滑剂。当水分含量处于适当水平时，可以提高范德华力，进而增加颗粒间的粘结力。但是，当含水率超过合理值时，水作为润滑剂的作用占主导地位[11]。因此当水分含量超过16 %时，由于水作为润滑剂占主导作用，抗压强度会降低。

由图6(b)可知，随含水率的不断增大，成型育苗钵的抗破坏强度呈现先上升后下降的趋势。当其他条件设置为中间水平，含水率由8%增加至16%，耐久度由80.360%增大至99.021%。当继续增大物料含水率至20%，抗破坏强度由99.021%降低至94.271%。水分含量对耐久度的影响较大，低水分含量时，分子之间的结合力较弱，耐久度较低，随着水分含量的增加耐久度增加。水分含量较高时，成型过程中多余水分子会填充在颗粒之间，阻断颗粒与颗粒间分子结合力的形成，进而降低成型制品的耐久度[12]。

3 结论

采用热压成型技术，对水稻秸秆和发酵牛粪混合物料制备育苗钵的成型特性进行了试验研究，研究结果表明，成型压力、成型温度、秸秆含量及含水率对成型育苗钵的成型特性均有显著影响。随成型温度、秸秆含量、含水率的增加，成型育苗钵的抗破坏强度和耐久度均呈现出先增大再减小的趋势。当成型温度为120 ℃时抗破坏强度达到峰值；成型温度为140 ℃时耐久度达到峰值；秸秆含量为7%时抗破坏强度达到峰值；秸秆含量为8%时耐久度达到峰值；含水率为16%时，成型育苗钵抗破坏强度和耐久度均达到峰值。随着成型压力的不断增加，成型育苗钵的抗破坏强度和耐久度均增大，但考虑能耗和使用效果，成型压力在160 kN为宜。