环保型秸秆人造板的研究与展望

赵东洋，杨 煜，陈 峰，夏兴华

（1.辽宁生态工程职业学院木材工程学院，辽宁 沈阳 110100；2.台州学院艺术与设计学院，浙江 台州 318000）

第九次全国森林资源清查结果显示，我国人均森林蓄积不到世界平均水平的1/6。改革开放以来，我国木材消费每年以约10% 的速度增长，国内木材生产远远不能满足市场需求[1-2]。近年来，我国已成为世界人造板生产和消费第一大国，2020 年我国人造板总产量3.1101 亿m3，木材资源需求量巨大，仍需探索可以替代木材的生物质材料来缓解森林资源压力[3-4]。作为农业大国，我国每年产生农作物秸秆约8.65 亿t，而原料化利用率仅为2.47%，大量的农作物秸秆被焚烧，造成了严重的环境污染[5-6]。秸秆人造板产业是我国国民经济和社会发展的重要组成部分，在保障生态安全、促进农民就业、带动农民增收、推动 “双碳” 目标实现等方面发挥着非常特殊和重要的作用[7-8]。此外，传统醛类胶粘剂是产生以游离甲醛为主的高毒性VOCs 释放量的最主要来源，随着我国对 “无醛” 胶黏剂生产技术要求的日益增加，“无醛” 胶黏剂的技术研发及推广已引起行业及相关高校院所、企业的高度重视。

1 环保型秸秆人造板的研究进展

无醛秸秆人造板是在传统秸秆人造板生产工艺基础上不添加含有甲醛成分的胶黏剂或其他添加剂，或采用一定手段代替胶粘剂来实现无胶胶合机理而制备的板材，亦可称为环保型秸秆人造板。

国外秸秆人造板兴起于20 世纪初，到20 世纪40 年代，美国和欧洲科学家以甘蔗渣及麻秆等为原料制备秸秆人造板[9]。1948 年，比利时在麻秆刨花板研究中取得突破性成果，随后，英国、美国、德国等国家相继研究了稻草、甘蔗渣、棉杆等秸秆人造板[10]。1970 年，“非木质人造板学术讨论会” 的召开，为秸秆人造板指定了研究方向，此后，相关研究人员围绕玉米秸秆和棉秆人造板制品展开了系统的研究[11]。20 世纪90 年代初期，北美与欧洲已形成大型麦秸人造板生产线[12]。

我国秸秆人造板起始于20 世纪50 年代末，到20 世纪70 年代，中国林科院、东北林业大学、南京林业大学、黑龙江省木材科学研究所等单位开展了秸秆人造板的研究，到80 年代初，我国兴建了多家秸秆人造板生产企业，但由于工艺不成熟和设备落后，最终被迫停产。直到20 世纪90 年代，通过借鉴国外的发展经验，我国秸秆人造板技术迅速发展，研究方向主要集中在稻草中密度板、麦秸纤维板、水泥/麦秸刨花板、麦秸与塑料复合人造板等方面，麦秸、稻秸等人造板的研究开发也从实验室成功转向生产实践[13-14]。

进入21 世纪，国内外学者在上个世纪研究的基础上进一步探索界面胶合机理、无胶胶合机理、秸秆预处理等技术领域，以改善秸秆人造板的制备工艺和应用需求，并在各个领域取得了一定的进展和成果。

1.1 界面胶合机理

秸秆表面存在蜡质及硅质层，胶粘剂难以渗透至秸秆内部，秸秆表面润湿性差，难以形成 “胶钉”，影响秸秆纤维的界面胶合性能，致使秸秆人造板的制备出现施胶不均、成本高、生产效率低、制品理化性能差等难题。此外，秸秆表面存在的非极性灰分与极性醛类胶黏剂之间形成严重的弱界面层，不利于界面胶合。异氰酸酯胶黏剂易与秸秆中的羟基反应，并生成牢固的化学键，提高秸秆纤维间的胶合强度，异氰酸酯胶黏剂中不含有醛类物质，彻底排除了游离甲醛的隐患[15]。

鉴于国外研究学者在20 世纪90 年代后期使用异氰酸酯生产麦秸板而取得的成功经验，张洋等[16]于21世纪初采用UF/ MDI 混合胶黏剂生产麦秸板。然而，由于醛类胶粘剂的加入，秸秆人造板仍有游离甲醛存在，相关学者在混合胶黏剂研究的基础上进一步深入，并取得了一定的研究进展。易顺民等[17]采用异氰酸酯胶粘剂制备麦秸板，板材的物理性能完全满足国家标准要求。时君友等[18]以改性水性高分子异氰酸酯胶粘剂制备稻秸板，板材的各项理化性能均能达到GB/T 4897.3-2003 的标准。Sitz 等[19]采用异氰酸酯胶黏剂制备低密度秸秆纤维板，板材的刚度和强度没有变化，但耐水性、内粘结强度等有较大变化。王芳等[20]以异氰酸酯为胶黏剂制备吸声保温玉米秸秆穰板，板材的吸声性能达到GB/T 16731-1997 的Ⅲ级标准，压缩强度满足GB/T 25975-2010 的要求，板材的保温性能良好。

然而，异氰酸酯胶粘剂的使用存在一些弊端，如施胶不均、板坯塌边、脱模、清洗和防护困难等问题[21]。此外，肖俊华等[22]发现，异氰酸酯胶黏剂会与水蒸汽发生反应，生成二氧化碳，影响秸秆纤维间的胶合强度。更为严重的是，采用异氰酸酯胶粘剂制备的板材燃烧时会产生氢气，存在巨大的潜在安全风险[23-26]。

1.2 无胶胶合机理

无胶胶合机理是通过一定的处理使秸秆纤维发生改变，产生类似于胶粘剂的物质，以替代脲醛树脂和异氰酸酯胶粘剂来制备秸秆人造板。2021 年，肖力光等[27]对无胶胶合技术进行了总结，主要分为碱溶液活化、酸催化缩聚、自由基引发、氧化结合、酶活化处理、天然物质转化等方式。此外，沈仁杰等[28]于2022 年对大豆蛋白、淀粉、热塑性树脂、木质素胶黏剂等无醛胶粘剂进行了总结，为无胶秸秆人造板的进一步研究和发展做出了贡献。

早在1939 年，Ernst[29]就获得了无胶人造板的专利，直到1986 年，我国自主研制了无胶胶合技术，蔡祖善等[30]在甘蔗渣中加入适量催化剂并干燥，采用热压工艺制备人造板，板材的性能完全符合要求。20 世纪以来，东北林业大学[31-32]围绕麦秸秆的无胶胶合技术进行了广泛研究，确定了工艺参数，为无胶秸秆人造板的发展做出了积极贡献。

到21 世纪，张亚卓等[33]采用漆酶水浴与干法处理方法制备无胶麦秸板，板材的各项物理性能较佳。黄莉莉[34]以玉米和油菜秸秆为原材料，采用湿法工艺制备无胶秸秆板，最佳工艺参数为热压温度150℃，热压压力为6.5 MPa。吴磊[35]采用自由基引入法来制备无胶麦秸板，板材的核心力学强度均超过GB/T 9341-2008 的要求。吴义强等[36]采用反应型硅酸盐胶黏剂制备秸秆板，板材的力学性能较佳。Zhu 等[37]在硅酸盐胶黏剂中加入纳米蒙脱土，板材的耐水性显著提高。符彬等[38]采用氯化镁胶黏剂制备麦秸板，板材的强度超过了国家麦秸板和水泥刨花板的标准。杨辉等[39]采用自制氧化交联聚乙烯醇胶粘剂制备新型无醛麦秸板，板材的各项性能均超过GB/T 201723-2008 标准要求。

贾翀等[40]采用大豆胶粘剂制备稻秸板，板材的各项性能较佳。刘笑航等[41]采用改性豆粕胶黏剂制备低密度耐水型秸秆板，板材的静曲强度为1.47 MPa，符合LY/T1718-2007 轻质纤维板标准。侯人鸾等[42]采用氧化玉米淀粉胶粘剂制备稻秸板，板材的抗压强度随着施胶量的增加而降低。刘德军等[43]采用无机和有机胶凝材料混合制成胶黏剂制备无醛无毒防火玉米秸板，板材的各项指标均达到中密度纤维板的国家标准。王金明等[44]采用大豆胶粘剂制备稻秸板，板材的各项理化性能均能达到GB/T 21723-2008 的标准。Zhang 等[45]采用响应面法对大豆基胶粘剂生产芦苇秸板的工艺条件进行了优化，在优化条件下，板材的吸水厚度膨胀率和力学性能均满足P6 型刨花板的要求。

丹宁和木质素属酚类化合物，可作为酚醛树脂胶粘剂的替代物，但目前在秸秆人造板制备方面鲜有相关研究。

早在20 世纪90 年代，卢晓宁[46]就提出适用于单宁刨花板的三段降压方式，热压温度170～190℃，热压时间10～20 min。直至2020 年，Chen 等[47]在国内外多项研究的基础上，采用硝酸和单宁代替传统脲醛树脂胶粘剂作为添加单元，来制备无醛刨花板，结果表明，当硝酸/刨花质量比为20/80，单宁浓度为50%，热压温度为135℃时，所制备的板材静曲强度、表面结合强度、内部结合强度以及2h 吸水厚度膨胀率均优于脲醛树脂胶粘剂制备的板材；更为重要的是，该课题组为硝酸/丹宁在无醛人造板研究领域中的应用开创了先河，虽然原材料采用的是木质刨花，但是对于硝酸/丹宁在秸秆人造板中的研究而言，却是提供了重要的工艺参数，拓宽了无醛秸秆人造板的研究领域，响应了 “碳达峰、碳中和” 标准体系的构建，极具参考价值。

Bhm 等[48]证实了木质素磺酸钠改性胶黏剂可以成功地用于油菜秸板的制备。Zhang 等[49]采用共改性木质素来制备无胶秸秆中密度纤维板，板材的各项性能完全符合中国国家标准GB/T 11718-2009 和欧盟国家标准BS EN 622-5-2009 的要求。Radabutra 等[50]验证了预硫化天然橡胶和Si-69 偶联剂制备稻秸板的可行性。Wang 等[51]采用制浆废水改善无胶稻秸秆纤维板的性能，采用190°C 热压温度制备的板材具有优异的强度和耐水性，在商业装饰和包装应用中具有巨大的潜力。廖添文[52]研制的环保型高强度草类纤维板，除静曲强度稍有降低，其它指标均超出中密度纤维板国家标准规定值，且未发现游离甲醛。

Ismail 课题组在2018 年提出，综合利用稻秸秆和塑料这两大类资源丰富且环境污染严重的废弃物来制备稻秸板，以缓解木材需求压力，改善生态环境；同年，研制了符合印尼国家标准和日本工业标准要求的稻秸板，并提出了MOR、MOE 和ρ 与环氧树脂成分的指数函数；次年，提出了稻秸秆与聚丙烯重量比为60：40这一重要实验参数；2020 年，提出稻秸秆目数对秸秆板的物理性能起到至关重要的作用；2021 年，发现稻秸秆复合板材的热导率随着厚度膨胀的增加而降低[53-58]。

1.3 秸秆预处理

秸秆预处理是指在制备秸秆人造板前，采用物理、化学、微生物等方式对秸秆进行预处理，以消除杂质、活化羟基，进而提高秸秆纤维与胶粘剂间的胶合性能，改善秸秆人造板的物理力学性能。

在21 世纪初，Han[59]等围绕不同蒸煮条件对苇秆、麦秸纤维板性能的影响展开研究，研究结果表明蒸煮工艺可以改善稻草的润湿性。Zhang 等[60]研究发现，经过酶制剂处理后的麦秸作原料所制备的麦秸板具有良好的胶合性能。

随着研究的进一步深入，国内外学者在蒸汽预处理、碱性预处理、湿热预处理等领域取得进展。Soroushian 等[61]的研究发现，饱和石灰水可去除秸秆表面蜡质成分，可提高秸秆人造板生产效率。张峰等[62]发现，NaOH 预处理对玉米秸秆表面润湿性改善最佳，HCL、热水等预处理方式均能改善玉米秸板的力学强度。靳璇等[63]采用湿热法、偶联剂表面化学改性对稻秸秆进行预处理，板材的吸水厚度膨胀率、冲击强度等性能均有所改善。袁苗苗[64]的研究表明，离子液体材料可有效改善离子液体型无胶生物质板的尺寸稳定性和阻燃性，有效防止板材出现塌陷和破坏的现象，板材的拉伸强度提高到14.8 MPa，弯曲强度提高到8.5 MPa。冯彦洪等[65]采用连续式螺杆蒸汽爆破对稻秸秆进行预处理，制备无胶稻秸板，板材的静曲强度提高了142.02 %，弹性模量提高了196.78 %，2 h 吸水厚度膨胀率为39.32 %。Tupciauskas 等[66]采用非催化蒸汽爆炸方法对大麻和麦草秸秆进行预处理，板材的弹性模量有所改善。Ysaito[67]发现，40 分钟以上的热处理时间可增强稻秸板的内结合强度。Sejati 等[68]以沸水浸泡为预处理方式、柠檬酸和蔗糖为胶粘剂制备稻秸板，1 小时沸水预处理条件下的板材断裂模量和内部粘合满足JIS 5908（2003）要求。

2 环保型秸秆人造板的应用进展

2.1 家具领域

秸秆人造板在家具领域的应用得到了广泛的关注。受益于特殊的成型机理，秸秆人造板一般不含有游离甲醛，表现出更为优异的环保性能。为满足现代审美需求、为用户带来新的体验，秸秆人造板家具设计发展可以从绿色定位、传统形式和现代理念三个方面入手[69]。秸秆人造板在儿童家具、办公家具、整体橱柜、酒店家具等具有广阔的发展空间。目前，奥运会家具制作商史泰博已使用秸秆人造板制作儿童家具和橱柜家具[70]。

2.2 室内装饰领域

在室内装饰领域，相比于木质装饰材料，秸秆人造板在质感、机理、材性等方面均可与之媲美，并以独特的功能向世人展现了其实用效果和审美需求，是未来室内装饰发展的趋势。秸秆人造板可代替木质人造板来制作室内装饰中固定用木质装饰造型等。同时，也可运用秸秆材料的天然肌理、色彩，设计出既符合现代潮流又富有生态美学的室内陈设品[71]。此外，新型秸秆/塑料复合材料具有防水、防潮、防霉、防虫、缓冲吸震、隔音等特点，可用于体育场馆、健身房、舞蹈室等室内装饰中[72]。2022 年，胡洪亮等[73]总结了秸秆人造板材的实际应用和现阶段所存在的问题，提到秸秆人造板可用于可快速拆除的简易房屋，并对秸秆人造板的应用发展提出几点建议，如环保改性技术、多元化技术、前景探索等。

2.3 建筑材料领域

在建筑材料领域，秸秆材料的导热系数超低，应用于建筑、室内墙体、硬装等方面，相比于传统砖结构而言，具有优异的保温特性，再加以疏松多孔结构所带来的优良隔音效果，秸秆人造板无疑是理想的建筑材料之一。肖力光等[74]结合国内外秸秆在建筑材料中的应用及研究进展，对3 种秸秆建筑材料进行了综述，包括秸秆砖、秸秆人造板和秸秆水泥基复合材料。邹钰莹等[75]总结了国内外对秸秆人造板力学性能测试的研究，并通过对国内外秸秆人造板力学特性检测研究进展的总结，提出了存在的问题及主要措施，并作了研究展望，以期为我国秸秆人造板在建筑中的进一步研究提供参考，例如，采用无损检测方法，既能得到多维度、多方面的研究成果，了解秸秆人造板的各项力学性能是否满足实际应用中的要求，又能节约试材，以达到确保产品质量，节约成本等要求。

2.4 地板领域

在地板领域，木质地板以其天然材色、肌理等优势，深受广大消费者的青睐。但是木质地板的年产比例快速增长，无疑将进一步恶化木材资源短缺的现状，再加以现阶段地板阻燃技术的瓶颈，高效利用秸秆资源、合理利用无机胶黏剂具有非常重要的意义。卢杰等[76]成功研制玉米秸秆复合板，力学性能、吸声性能及动态热力学性能上均优于市售上的地板基材，基本符合强化复合地板基材的要求。左迎峰等[77]将秸秆人造板应用于地板基材来制备复合结构地板，即上、下层和芯层为单板，第二和第四层为秸秆人造板，该结构可有效地改善了地板的表面性能；此外，该课题组所采用的无机胶黏剂环保无毒，具有阻燃抑烟性能，现已在多家企业进行了推广应用，具备广阔的市场前景。

2.5 其他领域

秸秆人造板除应用于家具、室内装饰、建筑等领域，秸秆材料还广泛应用于包装、室内配饰、造型家具等领域。包装领域现有缓冲包装材料、高强度模塑包装材料、生态型包装材料、食品防潮包装材料、阻燃发泡包装材料等；室内配饰多体现在工艺品、室内陈设等方面；造型家具有草编家具及相关家具工艺品等。

3 环保型秸秆人造板发展的问题

从秸秆人造板制备工艺方面考虑，应侧重秸秆贮存、胶粘剂选用、施胶工艺和热压参数等方面；从秸秆人造板制备设备方面考虑，应侧重秸秆收集、运输、储藏过程中所涉及的机械和设备等方面。

3.1 收集和贮存

秸秆材料存在蓬松、质轻、易燃、易霉变、占地面积大等缺点，秸秆收集和贮存面临极大的挑战，因此，应注意收集时段、气候变化、相关企业经验教训、场地布置、国家政策等方面。

3.2 制备工艺

异氰酸酯胶粘剂的引入虽然在一定程度上解决了秸秆纤维界面相容的问题，但其产业化发展亟待科学研究提供理论基础、先进技术提供实践支撑。相关研究人员或引入改性异氰酸酯胶粘剂，或引入生物质胶粘剂、或引入无胶胶合技术、或对秸秆材料进行物理、化学等处理，并对热压工艺进行了深入的探讨和优化，展开了大量的研究，已初步形成科学的研究体系，各课题组也在对应的领域取得了突破性成果，拓宽了秸秆人造板的研究领域。但是，秸秆人造板的制备仍要向木质人造板学习，研制成套热压设备，学习并细化先进技术，扩充知识领域，破解秸秆人造板产业发展困局。

3.3 市场问题

秸秆人造板产品有秸秆刨花板、秸秆纤维板、秸秆定向板、秸秆建筑板、秸秆包装板等，应用于家具、地板、室内装饰、建筑墙体等领域，可选种类多、可用领域广。然而，作为一种新型材料，秸秆人造板仅在某些局部区域推广使用，同时，相关企业的倒闭或转让，无疑是在显示一个问题——成本，秸秆材料的收集和贮存、胶粘剂的选用、配套设备的革新等都在无形中缩减了企业的利润，这无疑为秸秆人造板产业带来巨大的挑战。此外，传统意义上的木质材料制品早已深入人心，如何在改善秸秆人造板生产工艺、提高秸秆人造板产品质量、降低秸秆人造板生产成本同时满足大众消费者的心理需求，也是秸秆人造板推广和产业发展应侧重考虑的核心问题。

4 结语

环保型秸秆人造板的发展可实现 “以草代木”，减少森林木材资源砍伐，为保护生态环境提供了新的产业发展思路，解决了秸秆综合利用问题，防止了秸秆燃烧造成的雾霾危害，对于人类共同体的安全等方面均起到积极的推进作用。同时，我们也客观地认识到秸秆人造板材已昂首阔步走向市场，凭借环保、隔音、隔热性等优势向传统家具、室内装饰、建筑材料发起了挑战。然而，对秸秆综合利用的研究尚未形成一个系统、完整的体系，工业化生产仍是难题。此外，相比木质人造板，无醛秸秆人造板在制备成本和物理力学性能方面仍有一定的差距，后续研究应侧重于秸秆的开发、收集与贮存、板材制备工艺的创新、新型无醛胶合理论的开发、国际合作的开展、产品的宣传与推广等方面。