生物质秸秆—高密度聚乙烯定向秸塑板的制备及其热压成材机理研究

发布时间：2020-07-06 12:17

【摘要】：我国2012年秸秆总产量预计超过7亿吨，充分利用丰富的秸秆资源，增加生物质秸秆的经济附加值成为关注的热点问题。本研究以棉秆、甜高梁秆生物质秸秆为原料,以热塑性塑料高密度聚乙烯（HDPE）为胶合剂，采用热压工艺制备了生物质秸秆-HDPE定向秸塑板，研究了生物质秸秆的热稳定性以及秸塑板热压过程中的热传导和秸秆热解问题，探讨了热压法制备定向秸塑板的成材机理，取得的主要结论如下： 1.使用高效液相色谱仪分析了甜高梁秆的化学成分，结果表明甜高梁秆的纤维素、半纤维素、木质素和水溶性糖的含量分别为24.58%，21.07%，19.08%和10.38%。 2.使用TGA分析了棉秆、甜高梁秆及其表皮和髓芯的热稳定性，得到其热解温度分别为236.0℃、185.8℃、199.9℃和179.2℃；在秸塑板热压过程中，甜高梁秆中水溶性糖和木质素受热最先热解，其次是半纤维素，纤维素受热最稳定。 3.分别以HDPE粉末和HDPE薄膜为胶合剂，开发了棉秆-HDPE定向秸塑板和甜高梁秆-HDPE定向秸塑板。研究了秸秆长径比、热处理温度和HDPE塑料含量对秸塑板物理力学性能的影响，得到：秸秆长径比越大，棉秆-HDPE秸塑板的力学性能越好；棉秆热处理温度为103℃和140℃时，制备的秸塑板力学性能最优，热处理温度为170℃时，秸塑板的吸水厚度膨胀率最低；添加10%的HDPE的甜高梁秆-HDPE定向秸塑板的力学性能、耐水性能和断面密度均匀性，比未添加HDPE的甜高梁秆定向板有较大改善，但HDPE添加量从10%增加到40%时，板材的力学性能有下降趋势；添加的MAPE、PF和pMDI偶联剂增强了生物质秸秆与HDPE塑料之间的界面结合力，提高了生物质秸秆-HDPE秸塑板的物理力学性能。 4.通过热压压力测试、红外光谱分析、微观结构和板材失效形式观察等手段，研究了生物质秸秆-HDPE定向秸塑板的热压成型机理，得到塑料含量越高，热压时获得相同密度的板材需要的压力越小，板坯断面密度变化越大；在HDPE和偶联剂的作用下，在秸秆和HDPE接合界面形成局部机械啮合和化学接合，提高了板材性能；秸塑板的失效发生在生物质秸秆髓芯、生物质秸秆之间以生物质秸秆与HDPE塑料之间。 5.利用独立平行反应模型模拟了生物质秸秆在秸塑板热压成型过程中的热解程度，计算了甜高梁秆中的水溶性糖、半纤维素、纤维素和木质素的热解动力学参数，得到其活化能分别为：101，110，202和26kJ/mol，指前因子分别为1.2×10~(11)，5.0×10~9，3.0×10~(17)和20min~(1)；预测了热压过程中甜高梁秆在板坯的表层、1/4处和中心层的热解量分别为5.4%,2.8%和2.0%。 6.建立了甜高梁秆和HDPE比热容随温度变化的数学模型，甜高梁秆和熔化之前的HDPE的比热容随温度的增加而增加；在熔化过程中，使用Gauss方程和Lorentz方程拟合了由HDPE熔化吸热引起的表观比热容。 7.建立了包含HDPE含量、板坯密度和温度三个参数的秸塑板导热系数数学模型。在稳态条件下测试了秸塑板的导热系数，甜高梁秆-HDPE秸塑板的导热系数随密度和温度的增加而线性增加，随HDPE含量的增加而非线性增加。 8.建立了包含HDPE熔化吸热在内的秸塑板热压过程中的一维热传导模型，通过Matlab求取了热传导模型的数值解，并对模拟结果进行了实测验证，得到板坯热压过程中，随着HDPE含量的增加，当温度达到塑料熔化温度时，由HDPE熔化吸收的热量增多，在热压后期板坯的温度越低。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.2
【图文】：

甜高梁,数据来源,产量,产品

特性描述种植季节在温带种植一季，热带种植二季或三季。生长期限 3 到 5 个月，通常 4 个月左右成熟，最短可达 36 天。土壤要求各种土壤，包括盐碱地和干旱地区。水分需求 12000 立方米每公顷，大大少于甘蔗的 36000 立方米每公顷。作物管理容易管理，只需少量化肥和少量的有机肥。甜高梁秆产量 50~69 吨每公顷。庶糖产量 6~8 吨每公顷。收获非常容易，可进行人工的机械收获。甜高梁（Sorghum bicolor (L.) Moench），也称“二代甘蔗”，为粒用高粱的一与普通高粱一样，每亩产 150~500 千克粮食，且其茎秆含糖量高，每亩~8000 千克糖，表 1.7 列出了甜高梁的种植和收获特征。根据 Almodares an)和 Gnansounou et al. (2005)的研究，图 1.1 列出了甜高梁秆产品及其产量，甜高梁秆茎糖汁可以生产生物质燃料，近年来，世界各国甜高梁的种植量逐

森林蓄积,活立木,森林覆盖率,总面积

料制备生物质秸秆复合材料。1.1.2 木材资源现状木材是世界上公认的四大原材料之一，而且是四大原材料中唯一可再生的资源，它不仅可以从自然界中直接获取（森林、农作物等），而且还可以进行人工栽培，是取之不竭、用之不尽的资源材料(刘一星和赵广杰 2004)。a.我国近年来的森总面积 b.近年来我国的森林蓄积a. Forest area of China in recent years. b. Forest stock volume of China in recent years.

森林资源分布图,碳汇,林网,图片

133.6 亿立方米。天然林面积为 11969.3 万公顷，天然林蓄林保存面积为 6168.8 万公顷，人工林蓄积为 19.6 亿立方。根据历次全国森林资源清查结果(1973-2008 年)，图 1.2积、森林蓄积、活立木总蓄积和森林覆盖率，从图中可以看，我国森林面积、森林蓄积和总立木蓄积持续增加，森林森林清查时的 12.7%提高到第七次森林清查时的 20.36%。程以来，天然林面积蓄积明显增加，同时人工林面积蓄积资源呈增加趋势，森林采伐逐步向人工林转移。第七次全我国森林资源进入了快速发展时期。

【共引文献】