摘要:目的針對(duì)各類材料制品原材料短缺的現(xiàn)狀,探討高效、清潔利用秸稈廢棄物的資源方式。方法對(duì)造紙、發(fā)泡緩沖材料、人造板材、納米纖維素、餐飲具及包裝容器具等幾大類材料進(jìn)行分析與研究。
結(jié)論秸稈材料化應(yīng)用前景廣闊,進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新解決關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題后有望迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇;利用秸稈纖維制備納米纖維素是新興的高科技產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。
據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全國(guó)秸稈年產(chǎn)量已超過(guò)8億t,其中可回收的秸稈資源約7億t;可回收秸稈資源中,直接還田的約15.0%,用于生產(chǎn)動(dòng)物飼料的約30.7%,用于工業(yè)能源的約17.9%,用于材料制備等其他項(xiàng)目領(lǐng)域的僅占5.25%(其中用作造紙等工業(yè)原料量約占2.6%),直接廢棄燃燒的秸稈資源比例高達(dá)31.6%[1]??梢?,提高可回收秸稈資源的材料化利用率具有重要意義。以秸稈為原料生產(chǎn)各種材料用途非常廣泛,具體包括造紙、發(fā)泡緩沖材料、人造板材、納米纖維素、餐飲具、包裝容器具及其他,以下分別進(jìn)行闡述。
1.1造紙紙漿原料現(xiàn)狀及趨勢(shì)
目前,中國(guó)年進(jìn)口木漿和廢紙漿量分別達(dá)1400萬(wàn)t和2800萬(wàn)t,約占國(guó)內(nèi)年紙漿消耗總量的40%。預(yù)計(jì)5年內(nèi)進(jìn)口廢紙漿消費(fèi)總量將超過(guò)50%,從全球范圍來(lái)看,廢紙漿將占造紙紙漿總用量的40%[2]。此外,結(jié)合全球纖維原料供應(yīng)發(fā)展趨勢(shì),為滿足未來(lái)纖維原料需求,其中一個(gè)很好的解決途徑便是發(fā)展基于農(nóng)作物秸稈再利用的清潔制漿技術(shù)。一年期農(nóng)作物秸稈作為原料供應(yīng)來(lái)源廣泛,只要做到合理收儲(chǔ),原料供應(yīng)將不成問(wèn)題。按照國(guó)家“十三五”規(guī)劃中對(duì)造紙工業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè),至2020年,中國(guó)紙和紙板產(chǎn)量預(yù)計(jì)將接近1.5億t,紙漿的消耗量達(dá)1.2億t,其中30%是秸稈漿,其數(shù)量近3600萬(wàn)t[2]。
1.2傳統(tǒng)秸稈制漿存在的問(wèn)題
傳統(tǒng)秸稈制漿受眾多因素制約,主要有以下方面:廢液處理困難,秸稈的葉、節(jié)、鞘和穗所含雜細(xì)胞多、硅含量高,蒸煮前若未有效去除而直接進(jìn)入蒸煮環(huán)節(jié),則會(huì)造成黑液中溶入部分半纖維素化,導(dǎo)致其粘度上升而固含量降低,從而影響有效提取,資源化利用困難,同時(shí)造成環(huán)境污染;農(nóng)作物秸稈漿質(zhì)量差,如稻草類的化學(xué)組成和纖維結(jié)構(gòu)與木材有較大差別;草漿的理論強(qiáng)度高于闊葉木漿,但是存在解離點(diǎn)高的缺點(diǎn)。
1.3秸稈清潔制漿與廢液資源化利用
解決傳統(tǒng)秸稈制漿問(wèn)題的關(guān)鍵是盡量減少制漿過(guò)程中的纖維損傷,提高纖維質(zhì)量,科學(xué)合理處理制漿黑液,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。山東泉林紙業(yè)責(zé)任有限公司等企業(yè)通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作,經(jīng)過(guò)10多年深入研究,開發(fā)出一整套秸稈清潔制漿技術(shù)工藝,使秸稈制漿造紙生產(chǎn)線順利實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)型升級(jí)。目前,吉林、黑龍江、安徽、湖北等秸稈資源豐富省份已就秸稈清潔制漿及其廢液肥料資源化利用新技術(shù)與泉林公司實(shí)現(xiàn)了技術(shù)洽談及投資建設(shè)對(duì)接,部分合作項(xiàng)目已獲得批復(fù)立項(xiàng),并開工建設(shè)。
2012年世界首條秸稈綜合利用生產(chǎn)線在我國(guó)山東省臨沂市沂南縣正式投產(chǎn)。該生產(chǎn)線能通過(guò)一次投料,聯(lián)合產(chǎn)出多種產(chǎn)品,如乙醇、復(fù)合肥、紙漿等。秸稈年加工量接近20萬(wàn)t,產(chǎn)出燃料乙醇2萬(wàn)t,有機(jī)肥10萬(wàn)t,纖維素紙漿10萬(wàn)t,實(shí)現(xiàn)總產(chǎn)值6億元,累計(jì)利稅8000萬(wàn)元[3]。另?yè)?jù)報(bào)道,2013年江蘇永豐余造紙(揚(yáng)州)有限公司建立了全球首條采用先進(jìn)生物技術(shù)進(jìn)行制漿的生產(chǎn)線;寧夏紫荊花紙業(yè)有限公司以小麥、玉米、稻草、蘆葦、葡萄藤等農(nóng)作物為原料進(jìn)行制漿,實(shí)現(xiàn)了資源—產(chǎn)品—再生資源的良性循環(huán)。據(jù)此,以秸稈為原料進(jìn)行清潔制漿及廢液資源化利用,具有綜合成本低、經(jīng)濟(jì)效益較好的優(yōu)勢(shì),同時(shí)還可在一定程度上緩解木漿紙?jiān)暇o張的局面,因此,可預(yù)測(cè)其未來(lái)發(fā)展前景良好。
2秸稈在發(fā)泡緩沖材料中的應(yīng)用
眾所周知,發(fā)泡聚苯乙烯泡沫緩沖材料因環(huán)保問(wèn)題在很多國(guó)家已被限制使用,如何開發(fā)出綜合性能及經(jīng)濟(jì)性上能夠替代該類材料的新型緩沖材料是當(dāng)前該領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。
2.1植物纖維制品
植物纖維制品統(tǒng)指非原生木材來(lái)源纖維,采用植物纖維模壓工藝成型制品,包括傳統(tǒng)紙漿模塑產(chǎn)品。傳統(tǒng)紙漿模塑制品屬于廢物利用,且在使用后能快速自然降解,是非常常見的緩沖發(fā)泡材料種類,常見于雞蛋、水果、紅酒、小型設(shè)備等的運(yùn)輸緩沖。對(duì)于緩沖要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合,相應(yīng)則需更大壁厚支持,而這對(duì)于濕法成型的紙漿模塑工藝而言,將大大增大制品密度,延長(zhǎng)干燥時(shí)間,增加生產(chǎn)能耗,同時(shí)造成制品在厚度方向上的不均勻性及綜合制品性能的下降。
新發(fā)展的植物纖維模壓制品,一般是將廢紙或農(nóng)作物秸稈等采用機(jī)械粉碎、打漿、帚化等一系列預(yù)處理后,通過(guò)配方設(shè)計(jì),添加發(fā)泡劑、膠黏劑、防潮劑等助劑,經(jīng)高速攪拌及混煉后置于成型機(jī)熱壓成型。該類制品的發(fā)泡過(guò)程可在熱壓時(shí)完成,也可根據(jù)不同制品特點(diǎn)分2次進(jìn)行。植物纖維發(fā)泡的意義在于可在纖維支撐材料內(nèi)部形成氣泡孔,其泡孔尺寸及分布由助劑配方及工藝決定;儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,根據(jù)包裝件受載荷情況,發(fā)泡材料內(nèi)部氣泡會(huì)相應(yīng)發(fā)生擠壓變形,同時(shí)吸收外界沖擊能量,載荷消失后,氣泡則自動(dòng)恢復(fù)原始支撐狀態(tài),達(dá)到持續(xù)保護(hù)內(nèi)裝物品的功能。
2.2國(guó)外植物纖維緩沖包裝制品現(xiàn)狀
日本和一些歐洲國(guó)家如芬蘭等近年在植物纖維發(fā)泡領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)推廣取得了非常顯著的成績(jī),其研究及技術(shù)成果主要集中在基于物理發(fā)泡的兩步成型法:不添加化學(xué)發(fā)泡劑,直接利用物料所含水分在擠出機(jī)模頭部位擠出時(shí)的內(nèi)外壓差,瞬間汽化形成氣泡,制成顆粒型發(fā)泡制品;將前述制品置于金屬模具加熱加壓最終成型成所需形狀和發(fā)泡倍率的制品。兩步物理發(fā)泡工藝較傳統(tǒng)化學(xué)一步發(fā)泡工藝稍復(fù)雜,但在生產(chǎn)、使用及廢棄物處理整個(gè)生命周期內(nèi)都較安全且環(huán)境友好,因而是非常有前景的工藝技術(shù)。德國(guó)不萊梅PSP公司、日本帝人公司、日本工業(yè)技術(shù)研究所、日本索尼公司等開發(fā)的植物纖維制品已有不錯(cuò)的市場(chǎng)反饋。近年芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心(VTT)不但研究開發(fā)技術(shù)突破顯著,且其植物纖維發(fā)泡技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),市場(chǎng)前景非??春???梢?,國(guó)外的緩沖包裝制品研究與產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)進(jìn)入較為成熟的發(fā)展階段。
2.3國(guó)內(nèi)植物纖維發(fā)泡制品現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)關(guān)于植物纖維發(fā)泡制品的研究已有20多年歷史,早期主要集中在添加化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行化學(xué)發(fā)泡工藝的優(yōu)化研究,哈爾濱商業(yè)大學(xué)高德等在此領(lǐng)域的研究較早。此外,山東大學(xué)、天津科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、大連工業(yè)學(xué)院、福建農(nóng)林大學(xué)、南通工學(xué)院、陜西科技大學(xué)、江南大學(xué)等高校也有較多的成果積累。劉鵬等[4—6]研究了加工過(guò)程、原料配方、加工參數(shù)對(duì)秸稈纖維緩沖材料性能的影響。王立元[7]以針葉木漂白硫酸鹽漿和馬鈴薯淀粉共混物為主料,以滑石粉為無(wú)機(jī)增強(qiáng)劑,以聚乙烯醇等常規(guī)醇類為增塑及交聯(lián)劑,共混后模壓成型,制得綜合強(qiáng)度及環(huán)境降解性良好的包裝件和片材。張紹應(yīng)等[8]進(jìn)行了輕質(zhì)包裝材料的干法紙漿模塑制備技術(shù)的研究,研究?jī)?nèi)容包括廢紙?jiān)系姆鬯?、膠黏劑淀粉糊的制備、粒子的膨化發(fā)泡及模塑成型等。其中膠黏劑的制備和基礎(chǔ)粒子的膨化發(fā)泡是整個(gè)工藝研究的關(guān)鍵,原因是此干法工藝大大減少了生產(chǎn)過(guò)程中水分的蒸發(fā),與傳統(tǒng)濕法模塑工藝相比,大幅度減少了此環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能耗。
景曉輝等[9]以NaHCO3,NH4HCO3為無(wú)機(jī)發(fā)泡劑,以植物秸稈為原料,添加膠粘劑及其它添加劑,采用整體澆注一步法制備出一種環(huán)境友好型緩沖包裝材料。丁毅[10]等采用秸稈、果皮和淀粉為基料,加入少量助劑,采用先膨化發(fā)泡再模壓成型制備出綠色環(huán)保的緩沖材料。制品性能試驗(yàn)表明,該制品的回彈性能基本滿足運(yùn)輸包裝要求,其抵抗沖擊和振動(dòng)的能量吸收性也表現(xiàn)不俗。張秀梅等[11—12]以高梁秸稈為原料,以聚乙烯醇為增塑劑,以可溶性淀粉和水共混為粘結(jié)劑,經(jīng)共混交聯(lián)發(fā)泡制得一種結(jié)構(gòu)疏松的發(fā)泡包裝材料。黃君[13]等以秸稈為原料,經(jīng)烘干、粉碎、過(guò)篩,并經(jīng)NaOH預(yù)處理后,加入玉米淀粉、甘油、不同膠黏劑(如明膠、羧甲基纖維素及瓜爾膠)、不同填充劑(如淀粉和碳酸鈣)和交聯(lián)劑(十水四硼酸鈉)后烘焙發(fā)泡,制得復(fù)合發(fā)泡體。研究結(jié)果表明,NaOH濃度、淀粉、膠黏劑和交聯(lián)劑添加量對(duì)發(fā)泡體密度的交互影響顯著;發(fā)泡體為黃褐色,表面光潔,氣孔均密。
周謀志[14]以稻草、麥秸、玉米秸稈等為原料,以聚乙烯醇、可溶性淀粉與水混合物為增塑劑和膠黏劑,以甲醛為交聯(lián)劑,以HCl或HNO3為催化劑,以NaHCO3或NH4HCO3為發(fā)泡劑,發(fā)明了一種秸稈纖維發(fā)泡減震緩沖包裝材料,并成功獲得專利。該制品制備工藝簡(jiǎn)單,綜合成本低,制品吸能抗震性能佳,具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景,更有望替代傳統(tǒng)聚合物發(fā)泡泡沫緩沖材料。
此外廣東工業(yè)大學(xué)、武漢遠(yuǎn)東綠世界公司、重慶青天環(huán)保材料有限公司、重慶工商大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)發(fā)泡工藝的合作研究,并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,該類制品可以較低成本替代傳統(tǒng)聚合物發(fā)泡緩沖制品。王彤[15]等以廉價(jià)環(huán)保易得的玉米秸稈纖維、廢紙纖維和氣相緩蝕劑為原料,添加適量的成膜劑、膠黏劑、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑等,以微波發(fā)泡的方式制備玉米秸稈纖維緩蝕緩沖包裝材料。此發(fā)泡材料具有良好的緩沖性能與緩蝕性能,提出了通過(guò)改變發(fā)泡劑和粘合劑用量達(dá)到對(duì)緩蝕劑進(jìn)行控釋的構(gòu)想。此外,還有通過(guò)添加抗菌劑實(shí)現(xiàn)緩釋抗菌效果的功能性緩沖包裝材料。由此,采用物理發(fā)泡等更環(huán)保制備方法制備具有特定功能的植物纖維發(fā)泡緩沖包裝制品,將是未來(lái)適應(yīng)環(huán)保和多樣化市場(chǎng)需求的重要發(fā)展趨勢(shì)。
2.4植物纖維與聚合物復(fù)合發(fā)泡制品
除上述植物纖維制品外,農(nóng)業(yè)廢棄物還可用于各種復(fù)合發(fā)泡材料的生產(chǎn)加工。如將各類經(jīng)預(yù)處理后的植物秸稈材料與可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)、聚丙烯(PP)、回收聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乳酸(PLA)、水玻璃凝膠等進(jìn)行復(fù)合發(fā)泡制備不同特性復(fù)合發(fā)泡材料。劉壯[16]等采用玉米秸稈纖維與可發(fā)性聚苯乙烯共混物為原料,制備了一種新型可降解緩沖包裝材料。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與分析,研究了玉米秸稈纖維長(zhǎng)度、使用量、表面處理方法及聚合物成分的預(yù)發(fā)泡條件、后熟化條件對(duì)復(fù)合材料回彈性、緩沖特性、密度的影響。王瑜[17]等通過(guò)SEM、力學(xué)性能測(cè)試等方法研究了纖維對(duì)聚乳酸/玉米秸稈纖維復(fù)合發(fā)泡材料(PFFM)微觀結(jié)構(gòu)、發(fā)泡倍率、表觀參數(shù)、力學(xué)性能及熱力學(xué)性能的影響。掃描電鏡結(jié)果表明,聚乳酸和玉米秸稈纖維等2種基材之間的共混相容性較好,纖維的加入改變了泡孔成型方式,增強(qiáng)了制品的綜合力學(xué)性能。力學(xué)性能測(cè)試表明,當(dāng)纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)15%時(shí),制品的綜合力學(xué)性能最好。葛正浩[18—19]等分別研究了秸稈粉/PP微孔發(fā)泡復(fù)合材料、秸稈粉/廢舊PE發(fā)泡復(fù)合材料的發(fā)泡工藝,研究了AC發(fā)泡劑用量、偶聯(lián)劑種類、秸稈粉比例和其他助劑添加量等對(duì)發(fā)泡材料密度、力學(xué)強(qiáng)度的影響。
付菁菁[20]研究了麥秸稈/聚丙烯發(fā)泡復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性與微觀結(jié)構(gòu),探討了發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺(AC)的添加量對(duì)麥秸稈/聚丙烯發(fā)泡復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)以及化學(xué)結(jié)構(gòu)之間的影響,采用熱重-差示掃描聯(lián)用法分析了復(fù)合材料的發(fā)泡熱穩(wěn)定性,用體視顯微鏡觀察復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu),用傅里葉紅外光譜分析材料的化學(xué)結(jié)構(gòu),并測(cè)試復(fù)合材料的線性膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、表觀密度和力學(xué)性能。結(jié)果表明,AC的添加量及其熱分解程度對(duì)麥秸稈/聚丙烯發(fā)泡復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、泡孔結(jié)構(gòu)和熱膨脹性能影響顯著;當(dāng)AC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),其分解程度最高,復(fù)合材料泡孔結(jié)構(gòu)均勻,麥秸稈與聚丙烯基體界面穩(wěn)定,線性膨脹系數(shù)最小,具有較好的熱穩(wěn)定性。孫蓉[21]研究了秸稈纖維/紅粘土/聚丙烯三元復(fù)合發(fā)泡材料的制備及應(yīng)用,采用依次填充60目、100目/200目的秸稈微粉于PP基體中,分別利用微波輻射接枝、硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑處理等3種途徑提升秸稈/聚丙烯界面相容性,同時(shí)為了提高發(fā)泡成核能力,加入了少量紅黏土。
PVC/秸稈復(fù)合發(fā)泡材料是通過(guò)廢棄回收PVC粒料與秸稈纖維共混,通過(guò)添加助劑形成的一種微孔發(fā)泡制品。該制品內(nèi)發(fā)泡孔分布連續(xù)且均勻,較未經(jīng)發(fā)泡而直接擠出后熱壓成型復(fù)合材料密度明顯減少,力學(xué)性能(如抗拉伸及抗彎曲性)都得到較大改善,且吸熱隔音效果良好。根據(jù)不同應(yīng)用目標(biāo),可通過(guò)變更主輔料配方,加工出不同密度及硬度的材料,如較硬的仿紅木家具飾面板,儀器設(shè)備的緩沖防震包裝襯墊等。薛盤芳[22]研究了PVC/秸稈復(fù)合發(fā)泡材料成形工藝。夏星蘭[23]以農(nóng)作物纖維和聚氯乙烯(新料或回收料)為主料,制備出一種具有產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的秸稈纖維/PVC發(fā)泡制品。為改善纖維與聚合材料界面相容性,夏星蘭先對(duì)棉秸稈纖維進(jìn)行堿化和接枝改性,再與聚氯乙烯進(jìn)行混煉,詳細(xì)討論了改性方法、主料配比、助劑的種類及含量、混煉時(shí)間與成品性能的影響,并獲得了最佳配方和工藝加工數(shù)據(jù)。林振[24]采用溶膠-凝膠法和機(jī)械發(fā)泡法相結(jié)合制備出水玻璃凝膠復(fù)合材料,可用于建筑或包裝領(lǐng)域,以取代聚苯乙烯泡沫材料。
秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物還可作為發(fā)泡混凝土增強(qiáng)材,制備強(qiáng)度、保溫隔音效果等綜合性能更優(yōu)的新型輕質(zhì)建筑材料??琢铢i[25]等利用正交實(shí)驗(yàn)法,在陶粒泡沫混凝土中摻入大量的稻草秸稈纖維,研制出新型環(huán)保輕質(zhì)保溫墻體材料,并研究了水泥摻量、水膠比、纖維率和氣泡摻量對(duì)摻入大量秸稈纖維的泡沫混凝土的干表觀密度、抗壓強(qiáng)度、吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響,確定了摻入大量秸稈纖維的泡沫混凝土的最佳配合比。何國(guó)情[26]等研發(fā)出一種凹凸對(duì)接的植物纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥保溫吸隔音屏障板,并獲得了專利。
對(duì)于農(nóng)作物秸稈制備發(fā)泡材料或作為發(fā)泡增強(qiáng)組分的實(shí)驗(yàn)研究已非常普遍,主料來(lái)源為不同秸稈,種類分布十分廣泛,各機(jī)構(gòu)研究重點(diǎn)主要集中在主料的改性、助劑的種類及用量、發(fā)泡工藝及參數(shù)等方面。此外,熱發(fā)泡加工過(guò)程中纖維的熱降解,制品的綜合性能,如發(fā)泡倍率、表觀密度、力學(xué)強(qiáng)度、緩沖吸能特性等問(wèn)題均需進(jìn)一步解決。
3.秸稈板(瓦)人造板材
隨著建筑行業(yè)節(jié)能環(huán)保需求日益增多和汽車等行業(yè)的快速發(fā)展,利用秸稈等農(nóng)林廢棄物開發(fā)具有絕熱、隔音、減震等功能的力學(xué)性能優(yōu)良的人造板材,可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)目的。這類應(yīng)用主要是將農(nóng)業(yè)廢棄植物纖維加工成高壓板、纖維密度板等輕質(zhì)人造板材,用于建筑板材、家居裝飾、汽車裝飾、汽車吸音、減震等場(chǎng)合。農(nóng)作物秸稈板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,不但可以緩解我國(guó)木材供應(yīng)不足的現(xiàn)狀,同時(shí)由于其突出的環(huán)境友好特點(diǎn),一方面可成為國(guó)家可再生資料戰(zhàn)略的有力推進(jìn)力量,另一方面對(duì)促進(jìn)農(nóng)村清潔發(fā)展,防止秸稈焚燒污染等有重要的意義。據(jù)《2016—2022年中國(guó)人造板行業(yè)運(yùn)行態(tài)勢(shì)及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告》,2014年我國(guó)人造板產(chǎn)量達(dá)30212.33萬(wàn)m3,同比增長(zhǎng)11%;2011—2014年我國(guó)人造板產(chǎn)量小幅波動(dòng),起伏不大。
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在秸稈板領(lǐng)域的研究及產(chǎn)業(yè)化較國(guó)內(nèi)早很多,德國(guó)最早于1905年開展了麥秸等農(nóng)作物秸稈原料與膠粘劑共混制板的研究;20世紀(jì)30年代,美國(guó)也進(jìn)行了利用秸稈原料制造絕緣板的研究。英國(guó)Compak公司從20世紀(jì)80年代末開始,致力于研制開發(fā)以農(nóng)業(yè)剩余物為原料生產(chǎn)人造板的小型設(shè)備。德國(guó)Schenck人造板機(jī)械設(shè)備制造公司與美國(guó)Phenix公司聯(lián)合研制生產(chǎn)了麥秸和豆秸的成套設(shè)備[27]。2009年初,荷蘭(Panel Board Holdings,PHB)農(nóng)業(yè)纖維板材有限公司獨(dú)立投資的陜西環(huán)球嘉禾板業(yè)有限公司,在我國(guó)西安楊凌工業(yè)示范區(qū)內(nèi)開工生產(chǎn)了世界首條麥秸定向板(OSSB),該類板材能代替?zhèn)鹘y(tǒng)建材,具有節(jié)能、防火、抗震功能,實(shí)現(xiàn)又一次產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
早在20世紀(jì)40年代,上海就利用麥秸制造了軟質(zhì)纖維板,作為吸聲材料,但終因原料收集、運(yùn)輸及工藝設(shè)備等問(wèn)題一直未發(fā)展起來(lái)[27]。國(guó)內(nèi)秸稈人造板一般以稻草等禾生植物纖維為主料,采用錘式粉碎機(jī)獲得粉碎狀或刨花狀原料后,采用異氰酸酯(PMDI)等粘合劑,經(jīng)熱壓成型而成。目前,采用PMDI作為粘合劑的秸稈板總設(shè)計(jì)產(chǎn)能約270000m3/a,涉及8家秸稈人造板生產(chǎn)企業(yè)。由于實(shí)際市場(chǎng)消費(fèi)習(xí)慣、產(chǎn)品質(zhì)量等問(wèn)題,實(shí)際產(chǎn)能遠(yuǎn)低于該值。鄭鳳山[28]指出,對(duì)待秸稈板產(chǎn)業(yè)投資不可盲目跟風(fēng),應(yīng)客觀著重從秸稈板的設(shè)備制造、工藝技術(shù)如脫模、施膠、鋪裝、熱壓等方面發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和尋找解決措施。近年來(lái),部分高校和相關(guān)企業(yè)積極開展綜合性能更優(yōu)良的秸稈制品實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究。
趙一兵[29]對(duì)玉米秸稈采用皮穰分離技術(shù)將其去穰取皮后,經(jīng)工藝設(shè)計(jì)制得滿足國(guó)標(biāo)要求的秸稈板材。史宇亮[30]將玉米秸和豆秸一起整稈粉碎,經(jīng)風(fēng)選及篩選后充分共混,采用環(huán)保單寧樹脂膠,利用刨花板加工工藝,以預(yù)設(shè)密度、施膠量、熱壓溫度和熱壓壓力為主要因素,得出了豆秸最小用量的最佳配比,優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)。文全興[31]等研發(fā)了一種新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合秸稈人造板,具有輕質(zhì)、環(huán)保、低成本的特點(diǎn)。該復(fù)合增強(qiáng)秸稈板采用了秸稈段和牛皮紙及織物的復(fù)合方案:中間層為秸稈段層,主要用于增加板材的厚度,同時(shí)承受壓力,充分發(fā)揮秸稈抗壓比抗拉強(qiáng)度好的優(yōu)點(diǎn)。上下兩層內(nèi)側(cè)為一層牛皮紙,外側(cè)為一層織物層,用以獲得好的外觀和必要的抗拉強(qiáng)度。牛皮紙層的作用是增加織物層和秸稈層的粘合度,紙和秸稈性質(zhì)相近,有一定柔性,容易粘合,而織物與秸稈性質(zhì)相差較大,不容易粘合。華亮[32]等研究了用可再生資源稻草秸稈板替代汽車用吸聲泡沫塑料,通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)相同厚度的稻草秸稈板平均吸聲系數(shù)大于泡沫塑料,當(dāng)用稻草秸稈板替代XMQ6608客車原發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩內(nèi)的泡沫塑料時(shí),新罩的降噪效果優(yōu)于原罩。
張洪濤[33]開展了基于秸稈類材料的秸稈瓦應(yīng)用研究,設(shè)計(jì)出一種秸稈瓦主瓦的形狀和規(guī)格,制定了秸稈瓦的生產(chǎn)工藝參數(shù),并制作了秸稈瓦樣瓦。樣品測(cè)試結(jié)果顯示,秸稈瓦制品的抗彎強(qiáng)度、吸水率、抗凍防裂性能等均類似或者優(yōu)于傳統(tǒng)屋面覆蓋材。此外,該制品還具有較明顯的成本優(yōu)勢(shì),其價(jià)格較常規(guī)混凝土瓦、瀝青瓦等低10%~50%。此外,南京林業(yè)大學(xué)在秸稈板領(lǐng)域投入了大量科研精力[34—35],由南京林業(yè)大學(xué)開發(fā)、萬(wàn)華生態(tài)板業(yè)有限公司生產(chǎn)的零甲醛生態(tài)秸稈板已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣。隨著設(shè)備制造、工藝技術(shù)的迅猛發(fā)展,秸稈板(瓦)產(chǎn)業(yè)必將迎來(lái)嶄新的發(fā)展空間。
4.利用秸稈制備納米纖維素
秸稈等農(nóng)林廢棄物富含纖維素,纖維素功能材料等高附加值產(chǎn)品的精深加工與低碳制造是目前的研究熱點(diǎn)。秸稈纖維素在強(qiáng)酸條件下水解,可獲得截面尺寸為5~20nm,長(zhǎng)度為10~1000nm,長(zhǎng)徑比為1∶1~100∶1的納米纖維素晶體[36]。由于納米纖維素具有純度高、結(jié)晶性好、彈性模量大、強(qiáng)度高等特點(diǎn),因而在材料合成上顯示出極高的物理強(qiáng)度。
由于納米纖維素晶具有體質(zhì)輕、降解容易、生物相容性好及易于再生等優(yōu)勢(shì),因而常被用作納米增強(qiáng)材料,在高性能復(fù)合產(chǎn)品制備上具有非常廣闊的前景。薛棟杰[37]等進(jìn)行了酸解納米纖維素為增強(qiáng)劑制備植物纖維緩沖包裝材料的研究,結(jié)果表明納米纖維素在緩沖材料中主要通過(guò)含有的大量羥基增強(qiáng)纖維間的膠粘效果,同時(shí)因其具有小分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使其較陽(yáng)離子淀粉具有更好的分散性和粘結(jié)作用,且納米纖維素能顯著改善緩沖材料的性能[38—46]。
5.秸稈在餐飲具、包裝容器具及其他領(lǐng)域應(yīng)用
目前我國(guó)植物纖維包裝材料相關(guān)專利一共有249項(xiàng),其中植物纖維餐飲具就有100項(xiàng)。如將稻草、玉米秸桿、甘蔗渣等植物纖維原料與聚丙烯充分混煉,添加光敏劑后通過(guò)模制工藝生產(chǎn)快餐盒、凈菜盤等,更換模具則可生產(chǎn)超市環(huán)保托盤、豆腐盒、冰淇淋杯、果蔬包裝盒、雞蛋托、育秧盤等環(huán)保制品,相關(guān)技術(shù)已較為成熟,并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。更有不少純植物纖維原料餐飲具及包裝制品見于中高端消費(fèi)市場(chǎng),但價(jià)格偏高。國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)及消費(fèi)市場(chǎng)集中分布在珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)。隨著環(huán)境問(wèn)題的日益顯著,經(jīng)濟(jì)發(fā)展及老百姓生活水平的不斷提高,以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),植物纖維餐具市場(chǎng)逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)。目前主要問(wèn)題在于較于發(fā)泡塑料類餐飲具,純植物纖維餐飲具成本較高,如何開發(fā)出性能更好、成本更低的環(huán)保餐飲具及包裝制品是未來(lái)該類產(chǎn)品研發(fā)的方向。
此外,秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物材料利用還包括編織品利用,如草編成各種用具、地方特色旅游工藝品等,部分區(qū)域已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)鏈,大大促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,增加了老百姓收入。這些產(chǎn)品均具有綠色環(huán)保、可降解性能好、綜合利用價(jià)值較高等共同特性。
6.結(jié)語(yǔ)
秸稈材料化應(yīng)用前景較廣闊,在加工后成為造紙工業(yè)原料、發(fā)泡緩沖材料、人造板材等領(lǐng)域的研究較多,并已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,但受地方政策、技術(shù)與工藝水平等因素影響,產(chǎn)業(yè)進(jìn)程并不一帆風(fēng)順,今后經(jīng)進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新后有望迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。利用秸稈纖維制備納米纖維素屬于高附加值產(chǎn)品的精深加工與低碳制造技術(shù),其制品能廣泛適于各類功能材料的復(fù)合增強(qiáng)等場(chǎng)合,是新興的高科技產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。餐飲具、包裝容器具及如草編等其他應(yīng)用已日見成熟,隨著綠色環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),必將步入穩(wěn)步快速發(fā)展軌道。