纖維秸稈提取及再生利用*

于熙昊，曹 歡，王曉晨，趙常暉，金 鑫

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028）

1 植物纖維結(jié)構(gòu)和特點

在自然界中有很多纖維，根據(jù)來源可分為植物纖維，動物纖維和礦物纖維3 類，而植物纖維的來源廣泛，其中植物纖維的主要組成可分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，三者都是高分子化合物且具有各自的空間結(jié)構(gòu)。其中纖維素是以D-吡喃型葡萄糖為主的高分子化合物，它們之間以β-1，4-糖苷鍵相連結(jié)構(gòu)成螺旋狀鏈，這些長鏈以某種特定的順序締結(jié)聯(lián)合形成纖維素微原纖維，微原纖維彼此結(jié)合形成微纖絲，并且在細胞壁中纖維素以微纖絲的狀態(tài)存在。纖維素具有較強的結(jié)合度和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，這依賴于纖維素中大量的羥基，羥基在分子內(nèi)部或者分子之間相互締合作用而形成氫鍵，而纖維素的特性正是由這些氫鍵決定[1]。纖維素內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)可以由X-射線衍射技術(shù)觀測到，結(jié)構(gòu)含有分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu),分子鏈具有整齊排列的、完整規(guī)則的結(jié)晶區(qū)[2]；而無定形區(qū)的分子鏈幾乎與纖維軸平行，較為松散，排列雜亂，極性水分子易于附著在其中的未結(jié)合羥基上并產(chǎn)生氫鍵，從而出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象。半纖維素指在植物細胞壁中與纖維素共生、可溶于堿溶液，遇酸后遠較纖維素易于水解的那部分植物多糖。組成的成分往往是兩種及兩種以上的單糖，如甘露糖、木糖和半乳糖等[3]；大部分的半纖維聚合度較低，有短的側(cè)鏈，易吸水膨脹，屬于無定形物質(zhì)。木質(zhì)素是一種由3 種醇單體構(gòu)成的復(fù)雜酚類聚合物，是以醚鍵和碳碳鍵相連結(jié)形成的，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素和半纖維素對纖維素起到保護和支撐的作用，通過氫鍵把與其相鄰的纖維素牢固的結(jié)合在一起，使植物細胞具有較高的機械強度[4]。

植物纖維復(fù)合材料具有強重比高、價格低廉、可回收、可降解等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的材料相比，植物纖維的來源廣、資源豐富、種類繁多，這為以后的復(fù)合材料提供更大的發(fā)展基礎(chǔ)，可以在未來許多種類的領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用[5]。

2 植物纖維品的成型方法

木質(zhì)素屬于非晶體，雖然其沒有固定的熔點，但達到一定溫度可以使其軟化。當(dāng)溫度升高到70℃以上時，木質(zhì)素變軟，具有粘性；再次加溫，當(dāng)溫度達到200～300℃時，木質(zhì)素變?yōu)槿廴跔?，粘性較高，壓力下使木質(zhì)素與纖維素緊密粘接，冷卻后固化成型[6]。根據(jù)這種特性，將植物纖維在一定溫度、壓力的條件下放入壓縮成型機，使木質(zhì)素軟化，后經(jīng)擠壓使植物纖維成型。植物纖維復(fù)合材料一般可分為4 步:擠出、發(fā)泡、注塑和熱壓。植物纖維復(fù)合材料的成型方法一般為擠出成型和注塑成型兩種。其中擠出成型具有相對較強的剪切作用、易于將纖維打碎使其與物料均勻的混合; 但擠出機的施壓成型部分對溫度比較敏感，不易于操控，對溫度和操作具有較高的要求，溫度較低時物料具有低粘度，從而使得擠出的材料不緊密，物料的塑化效果相對而言就比較差，尺寸不夠，導(dǎo)致擠出的成品也具有較差的效果，最后使產(chǎn)品的機械性能也受到影響[7]。注塑成型的原理是指把原料打碎混合均勻后經(jīng)過塑化再通過一定壓力和一定的流速注入到準(zhǔn)備好的模具的內(nèi)腔中，然后在內(nèi)腔中冷卻脫模后制得，制得的成品具有精確的尺寸，其加工性能優(yōu)異，可以在短時間內(nèi)進行大批量的生產(chǎn); 但注塑階段初始的壓力難以調(diào)控，成品的質(zhì)量會因此產(chǎn)生較大的誤差[8]。熱壓成型的優(yōu)點是成品強度密實性好，生產(chǎn)效率高，條件要求較低易于操控等; 缺點是需要加入助劑，并且要制作符合原料和成品特點的模具，比較耗時還容易產(chǎn)生誤差。但隨著科技的進步和人們的不斷嘗試，找到了可以運用原料自身的粘性且使用助劑的替代物使其效果與原來一致;如使用堿木素來代替粘黏劑，堿木素產(chǎn)生的脫甲基木素可以使分子與物料的混合充分性提高，從而使碾碎的纖維之間的粘合效果更棒[9]。

3 植物纖維結(jié)合的熱壓過程

天然植物纖維熱壓后具有抗耐磨性，較大的強度，較高的硬度等物理力學(xué)性質(zhì)[10]。通過改性處理使植物纖維形成微纖維，這些微纖維填充了纖維間的縫隙，并在纖維內(nèi)部與它們之間彼此纏繞，成為了形成氫鍵的前提。少量植物纖維本身擁有自粘型，是因為纖維內(nèi)部含有大量的果膠、葡萄糖等碳水化合物，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時這些物質(zhì)具有自粘性，同時糖可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭啡举|(zhì)素可以轉(zhuǎn)化為糖醛從而加強纖維的結(jié)合，提高植物纖維的結(jié)合強度。而另一部分不具有自粘型的纖維可以在高溫及高壓條件下，添加膠黏劑，使熔融狀態(tài)下的膠黏劑均勻分布在纖維之間，待其冷卻后也可以達到固化纖維的作用[11]。除了上述方法也可以通過添加單寧或含有酚類的物質(zhì)來使纖維間的粘結(jié)強度提高。纖維粘合的機制為:熱塑性流動、物理固結(jié)以及化學(xué)粘合[12]。在熱壓過程中，熱量的傳遞方式有熱傳導(dǎo)，熱對流，熱輻射3 種方式，隨著模具內(nèi)氣體溫度的升高，熱量從物料外部傳遞到內(nèi)部[13]。除此之外，在熱壓階段物料中的含水量也會發(fā)生改變。隨著逐漸施加壓力，濕物料中的自由水被大量排出，纖維中水的含量也大幅度降低，這個過程為水分迅速下降階段; 之后在溫度以及壓力的雙重影響下，以水蒸汽的形式蒸發(fā)掉了物料內(nèi)的結(jié)合水，從而纖維中的含水率進一步降低，為汽化階段。所以在熱壓過程中，減少干燥的時間可以通過降低物料的含水量及升溫增壓等方法來調(diào)整[14]。

4 植物纖維熱壓成型工藝流程

圖1 熱壓成型工藝流程圖Fig.1 Process of hot pressing

植物纖維的熱壓成型是指把預(yù)處理的植物纖維原料與助劑混合均勻，置于準(zhǔn)備好的模具中，然后在高溫高壓的條件下，經(jīng)過熔融，硬化，冷卻將模型壓成形后形成成品的技術(shù)。

（1）產(chǎn)品的升溫階段（擠水段） 初始濕坯中含有大量結(jié)合水與自由水，其中自由水的水份含量占其絕大部分。開始熱壓的過程中，在高溫的作用下，濕坯的溫度迅速升高，合模壓力將從濕坯中擠壓出約70%的水分，因此，濕坯的相對含水率會下降，大約為30%。經(jīng)測試，在這一階段的產(chǎn)品其內(nèi)部的溫度在結(jié)束時溫度接近100℃。

（2）水分蒸發(fā)階段（干燥段） 此階段是在高溫高壓作用下將細胞內(nèi)的結(jié)合水和其表面水分通過蒸汽的方式排出，首先，排出的是含量較大的孔隙水，此時濕胚的結(jié)構(gòu)不會受到影響，隨后排出毛細管水，使纖維微觀間隙變小，纖維表面因此相互挨攏，為其氫鍵的形成創(chuàng)造了條件。

（3）恒溫階段（塑化段） 在這一階段，濕胚的水分幾乎全被排出，其含水量降到10%以下。此時制成品的結(jié)構(gòu)已然成型，密度升高，纖維素、半纖維素充分塑化，木質(zhì)素發(fā)生熔融現(xiàn)象，因此在高黏度下，木質(zhì)素與纖維之間通過氫鍵結(jié)合在一起。同時制品的質(zhì)量受到干燥程度的直接影響，干燥溫度過低，未達木質(zhì)素熔融點，則會使干燥時間延長；干燥溫度過高，纖維發(fā)生降解，制品強度也同樣隨之下降。若干燥時間不足，則水分難以完全排除，成品會出現(xiàn)凸起點等現(xiàn)象，造成機械強度下降；干燥時間過長，化學(xué)結(jié)構(gòu)可能隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致成品白度下降。

其過程中的模具得具備較強的機械可加工性能、良好的熱傳導(dǎo)效果和一定的抗腐蝕性能，熱壓成型的過程中才能更好更快的進行質(zhì)的傳遞和熱傳導(dǎo)[15]。

5 結(jié)論

熱壓工藝法能夠使混合料中包含的植物纖維比例達到80% ,這是其主要優(yōu)點，植物纖維既具有良好的加工性能，并且加工出來的材料物理力學(xué)性能優(yōu)異，具有較高的強度、硬度和耐磨性。熱壓成型技術(shù)具有能實現(xiàn)工業(yè)化的大批量生產(chǎn)、操作簡單、產(chǎn)品生成后的質(zhì)量與生產(chǎn)要求尺寸統(tǒng)一、環(huán)保耐用等優(yōu)點。熱壓成型的材料在質(zhì)量方面其色澤度較高，成型較為完整，材料表面較為光滑，其韌性度也較好，變形較少發(fā)生，產(chǎn)品的感官品質(zhì)甚佳。熱壓塑化成型工藝的特點是無需添加石化類的產(chǎn)品、植物纖維的可利用率可達到最大、可以自然降解等，發(fā)展空間及使用范圍十分廣闊。