室内装饰装修用秸秆板材制备技术研究进展

胡洪亮，黎子琦

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

我国秸秆储量十分丰富，据统计年产量高达9亿多吨[1]，是一种急需开发的优质可再生资源。目前，我国对于秸秆板材的研究有了快速发展，越来越多的企业成功开发了秸秆板产品并且建设了数十条生产线。秸秆板材不管是从性能还是成型工艺来说，都是一种优良的生态材料，可以替代木质材料成为室内装饰装修的主要材料。当前室内装饰装修用秸秆板存在物理强度较差、防水性较差、胶合性差、用胶量高以及生产效率低、成型热压时可能产生的鼓泡、分层或炸板等技术难题，这些难题影响了秸秆板的大范围推广及应用。因此，本文重点阐述了秸秆板原材料的改性技术、胶黏剂改性技术、秸秆板功能化改性和成型工艺的研究进展，并对其应用及存在的问题进行展望。

1 秸秆板制备技术研究进展

1.1 秸秆板原材料改性技术

由于秸秆表面中含有蜡质层和硅类化合物，使其与胶黏剂胶合困难，与普通木材相比存在许多不足，为此，国内外的专家学者们通过界面改性技术，来改善板材的物理性能和胶黏性能。其中包括机械粉碎、湿热处理、酸碱处理、生物处理、微波处理等离子体处理等技术方法[2]。

周定国等[3]使用异氰酸酯作为胶黏剂，通过球磨机对原材料进行机械粉碎，制备出的秸秆板材各项指标均达到了国家标准GB 4897.3—2003的要求。在湿热处理和酸碱处理研究方面，张峰等[4]研究了HCl、NaOH、热水等对玉米秸秆进行预处理，观察其对秸秆板材性能的影响。结果表明，单一预处理条件下，NaOH处理后外表面接触角降低了 26.7%，其改善表面润湿性效果最好。其内结合强度值较未处理的秸秆板提高了700%，静曲强度值提高了112.5%，弹性模量值提高了87.5%。张鑫导等[5]则以白腐菌来对秸秆进行预处理，结果表明处理后的秸秆板弯曲弹性模量较原来提高了 6.7倍，弯曲强度较原来提高了1.9倍。Gadhe等[6]利用反气相色谱法，在高频超声波处理下观察其对木质纤维素的影响。结果表明因为处理过的木质纤维的表面自由能有一定的提高，所以也就提高了纤维板的粘合强度。Xu等[7]利用了等离子碱性液体对玉米秸秆进行预处理，其主要成分为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐。结果表明玉米秸秆纤维素和半纤维素含量分别提高到85.69%和9.1%，木质素去除率达87.4%。

张敏等[8]在秸秆纤维中加入不同种类的改性剂与聚丁二酸丁二醇酯进行混合改性，制备出一种秸秆复合材料，然后比较湿热处理和微波处理对秸秆纤维的影响。结果表明湿热处理工艺复杂且废液处理污染环境；微波处理增加了秸秆纤维的比表面积，增加了与复合材料接触面积，提升了力学性能。与湿热处理后的复合材料相比，微波处理后的复合材料其撕裂强度和拉伸强度均提高约16%。Stepn等[9]对小麦秸秆进行等离子体处理，并将其制成刨花板，制备了平均密度为540 kg/m，厚度为 6 mm 的秸秆板，等离子体处理的实验条件为：发生器输出电压为26.9 V，电流为6.9 A，第2次处理，最大电压为28.6 V，电流为8.7 A。结果表明两种等离子体处理均使板材的力学性能提高，但物理性能却发生了负变化。

从工艺手段上看，机械粉碎的处理方法最为便捷，有利于胶黏剂的使用，但其原料形态与内部纤维强度都遭到了很大的破坏；酸碱处理的工艺简单、价格低，但是处理在实验过程中使用的酸碱残留物是很大的问题，如果处理不当会造成环境污染等问题；微波处理具有处理效果好、操作简便、适用范围广等优点，但其成本过高，还不能适用于生产；生物处理方法成本较低，但是其工艺程序不易操作，实验结果难于保障。

1.2 秸秆板功能化改性技术

秸秆作为原料制作秸秆板材已经越来越受学术界和商业界的关注，但秸秆板材单一的性能已经不能满足人们的日常需求，所以为了让秸秆板多功能化，广大学者进行了大量的探索和尝试，并取得了大量的研究成果。

王建恒等[10]以水玻璃与玉米秸秆进行复合制备出阻燃性能、强度优异的玉米秸秆板材。实验测得其内结合强度为 0.73 MPa，燃烧性能达到A级。左迎峰等[11]制备了以水玻璃为主体的无机胶黏剂，再加入以磷酸三钠为主的改性剂，制备出具有阻燃抑烟性能秸秆板，结果表明其导热系数较原来降低了27.7%。同时，凌启飞等[12]设计了一种隔热滞火结构单元层，其自身不燃还具有隔热滞火的功能，且能够于木质单板层相结合，该复合材料具有操作简单、阻燃性好等优点。Thomas等[13]依据秸秆纤维板应用过程中耐水性能差的问题，提出采用经济高效的氨基塑料和酚醛树脂制备麦秸基中密度纤维板，其弯曲性能、内黏结强度和厚度膨胀性能均能达到美国国家标准协会的要求。

王芳等[14]以秸秆穰丝为原料，制备了一种吸声保温玉米秸秆穰板。结果表明其压缩强度满足 GB/T 25975—2010中高效保温材料的要求。针对于市面上秸秆人造板物理性能较差、释放甲醛等问题，Hojat等[15]利用尿素生产了一种低甲醛释放秸秆刨花板，研究了尿素对于刨花板来说，是否可以降低甲醛排放量。结果表明在15%的浓度含量情况下，刨花板的甲醛释放量最少。此外，还有学者发明了新型环保型秸秆装饰板，如于浪[16]发明创造了一种以硅藻土、高岭土和玉米秸秆粉为原材料的装饰板，硅藻土可以起到净化空气的作用。其甲醛净化效率平均能到达89.2%，甲醛每24 h降解能力达到59.6%。

1.3 秸秆板用胶黏剂改性技术

脲醛树脂胶黏剂具有黏结性好、工艺简单、成本较低等优点被广泛应用。吴俊华等[17]以纳米二氧化钛为改性剂，通过共混的方式加入到脲醛树脂胶黏剂，在碱-酸-碱的处理工艺下，制备出了一种新型改性脲醛树脂胶黏剂，具有成本低、甲醛释放量少、绿色环保等优点。卢杰[18]以7∶3的比例将两种常用胶黏剂混合制成自制改性胶黏剂，其制得的玉米秸秆皮复合板与复合地板基材进行性能比较。研究结果表明其内结合强度为1.49 MPa、静曲强度为45.29 MPa及弹性模量为6 547.81 MPa均好于地板基材，力学性能均达到了LY/T 1611—2003行业标准的要求。但脲醛树脂也有许多缺点，如树脂中含有游离甲醛过高，这是室内装饰装修污染的主要因素之一，同时其耐水性和抗老化性能较差。

酚醛树脂胶黏剂具有优异的耐老化、耐热性和耐水性。Tabarsa等[19]研究了以麦秸为原料，使用单宁对酚醛树脂胶黏剂进行改性。结果表明，10%单宁含量的改性酚醛树脂比其他改性酚醛树脂具有更高的胶合性能，但其物理力学性能较单纯使用酚醛树脂胶黏剂来说稍差一些，因为单宁会导致树脂含量降低。王荣兴等[20]则使用尿素代替苯酚，制备出了尿素改性酚醛树脂胶黏剂。结果表明与纯用酚醛树脂相比，添加尿素改性酚醛树脂会使胶合板的甲醛释放量变低。同时添加廉价的尿素，在保证其各项性能的基础上，降低成本。

然而，随着人们健康环保意识的提高，甲醛的释放越来越受到重视，这也影响了室内装饰用秸秆板的销售。其中，异氰酸酯胶黏剂因其甲醛释放量低、施胶量少、黏结强度高、耐水性好等优点而受到越来越多的关注。但是，异氰酸酯胶黏剂还具有毒性较高、易粘板和成本高等缺点。针对上述缺点，时君友等[21]则利用改性玉米淀粉等制备了改性生物质玉米淀粉异氰酸酯胶黏剂，结果表明通过高温热压工艺制备了稻草人造板，其各项物理性能不仅能达到GB/T 4897.3—2003的要求，还节约成本。

除了上述三种主要胶黏剂外，还有三聚氰胺树脂胶黏剂。Halvarsson等[22]使用以脲三聚氰胺甲醛树脂等为主的改性胶黏剂，制备了一种中密度麦秸纤维板，结果表明麦秸纤维板符合中密度纤维板标准BS-EN 622-5：1997的要求。同时，还有学者研究天然胶黏剂，通过添加一些天然的物质，如木素、大豆蛋白等。Liu等[23]因为贻贝蛋白是一种胶黏强度大而耐水的黏结剂，但价格昂贵且不易获得。大豆蛋白价格便宜，含量丰富，所以向大豆蛋白引入具有类似贻贝蛋白的结构，改善其黏合性能和耐水性。贾翀等[24]以秸秆、大豆和木片作为主要原料，利用材料自身的自黏性与共磨技术相结合，制备了一种无胶复合秸秆人造板。因为大豆和木片共磨的复合纤维，具有一定的自黏性，从而可以与秸秆胶接时充当胶黏剂。同时，秸秆自身在高温下也具有胶黏作用。实验测得其静曲强度为8.38 MPa，弹性模量为 2 899.29 MPa。

1.4 秸秆板成型工艺

据目前已知的方法，最常用的就是脲醛树脂、异氰酸酯等胶黏剂通过热压的方式与秸秆复合，此外也有学者提出采用自胶粘体系成型，实现秸秆皮瓤一体化应用。除了热压时间、温度和压力之外，热压磨具的尺寸大小、处理过程等都会对秸秆板材性能造成影响。

Ling等[25]采用高温热压法制备了低成本稻草刨花板。结果表明，随着热压时间的延长，板坯的黏结强度越来越大、越来越均匀。随着热压温度的升高，胶黏剂的流动性增加，有利于提高板材的黏结强度。潘青青等[26]利用热压成型技术制备了添加花生纤维无胶纤维板，通过单因素实验，研究了花生秸秆添加量对于静曲强度的影响。结果表明在添加20%的花生秸秆时，其静曲强度最大为10.181 5 MPa。其都是研究工艺因素对秸秆板物理力学性能的影响。王芳等[27]以将玉米秸秆茎皮疏解为丝状，通过分层定向铺装，制备了秸秆板。结果表明，铺装三层时，弹性模量和静曲强度分别为2 312 MPa和36.72 MPa符合GB/T 4897—2015的要求。为了解决热压过程中出现材料分布不均，影响秸秆板的物理指标的情况。刘德军等[28]采用了多频往复冲压的方式来制备秸秆板，先通过仿真软件对设计的布料设置进行分析。检测显示秸秆板的各项物理性能均符合国家标准。除了脲醛树脂、异氰酸酯等胶黏剂通过热压的方式与秸秆复合的常规方法之外，还有人利用湿法工艺制备无胶秸秆板材。如Huang等[29]先将秸秆皮与瓤用水浸泡72 h，然后再进行打浆，这样有利于细纤维和微纤维的分离，最后进行消潜，消潜后的纤维有利于相互结合。作者利用了高温磨浆的方法，制备了一种自胶合秸秆板，其过程没有添加任何化学胶黏剂，绿色环保且节约成本。常规板材加热成型方式，有着整体温度上升较慢，成型周期长的缺点。为了改进其工艺缺点，Hata等[30]则采用喷蒸热压工艺来制备杨木刨花板，与传统热压的成型周期相比，喷蒸热压可以节约70%的时间。近几年来，随着科学技术的发展，相比较于热压工艺，左迎峰等[31]则利用其自主研发的无机胶黏剂通过冷压实现快速固化，解决了热压时可能产生的粘板、炸板、分层等热压缺陷。同时，Xiong等[32]也在实验中以无甲醛玉米淀粉胶黏剂，通过冷压成型工艺方式，制备了秸秆板材。结果表明其物理性能超过了GB/T 15104—2006的国家标准。

2 秸秆板的应用及存在的问题

我国秸秆板的应用研究主要集中在建筑、家具、室内装饰等方面[33]。经过多年的研究，已成功地从实验阶段过渡到实际应用阶段。例如，在大型体育赛事和救灾过程中，秸秆板可用于大量可快速拆除的简易房屋，上海世博会期间建造的万科展馆采用了秸秆内墙。许多专家学者通过功能改性技术制备出具有防水、阻燃、甲醛净化等多功能的环保秸秆板，可广泛应用于地板、门板和墙面装饰。与此同时，秸秆板还涵盖了各种家具应用，如床上用品、衣柜、电视柜等，对于室内装饰产品而言，秸秆板的质感可与木材媲美，且价格低廉，具有很强的环保性，如木雕花、小规模物件等[34]。随着人们生活水平的不断提高，用于室内装饰的秸秆板，不仅满足了实用效果和审美需求，而且以独特的功能诠释了保护人类环境、生命和自然的绿色问题，秸秆板的使用是未来室内装饰发展的趋势[35]。

虽然，秸秆板材的研究已经取得了显著的进展，但室内装饰装修秸秆板还存在着诸多问题，主要集中在以下几个方面：①仍需深入研究秸秆板功能化改性技术，如防水、阻燃、防腐及甲醛去除等性能；②进一步研究和开发秸秆板材的制备装备，以提高生产效率和产量；③进一步深入研究秸秆板材的胶合机理，为制备秸秆板材提供新的胶合方式；④除了高温热压技术和冷压技术等成型工艺，应进一步突破秸秆板材的成型技术；⑤应加大秸秆原材料多元化利用技术开发；⑥市场的认可度较低；⑦应该利用秸秆板的优势，继续探索其在室内装饰装修方面的应用前景，并优化其产业化推广途径。