孫勇，初曉冬，曲京博，劉金明,2，王延鵬

玉米秸稈不同預處理方式對育苗缽制備的影響

孫勇1，初曉冬1，曲京博1，劉金明1,2，王延鵬1

（1.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030；2.黑龍江八一農墾大學信息技術學院，大慶黑龍江163319）

針對制缽漿液粘度低和吸附時間等參數不確定問題，以不同預處理玉米秸稈為原料提出負壓吸附工藝制備育苗缽方法。探究四種預處理原料表觀粘度與制缽可行性。結果表明，純玉米秸稈漿液表觀粘度最低，加入豬糞可提高原玉米秸稈漿液粘度；堿處理玉米秸稈漿液粘度最高，混入純秸稈可降低漿液粘度，提高漿液均勻性；純玉米秸稈漿液和混入豬糞玉米秸稈漿液可使育苗缽濕坯均勻度達80%，成型率100%，但無法脫模；堿處理秸稈漿液及混入純秸稈后秸稈漿液均可成型，TS 1%～4%，吸附時間5～45 s，TS增大，吸附時間減小。該研究為制缽漿液制備、參數確定奠定理論基礎。

玉米秸稈；粘度；堿處理；豬糞；育苗缽

當前制備可降解育苗缽常用壓制工藝，需對模具或可降解材料加熱，促使缽體粘結成型[1]，工作效率低，模具損毀和破壞率高、設備耗能高、工作時噪音大、自動化銜接能力差[2]。負壓吸附工藝[3]制備育苗缽效率高、耗能降低，克服壓制工藝缺陷，但需對原材料清洗、篩選和蒸煮，或添加必要粘結劑輔助育苗缽濕坯成型，粘結劑成本高，不利于大規(guī)模推廣。本文采用負壓吸附工藝制備可降解育苗缽，探究不添加粘結劑和蒸煮試驗材料制備可降解育苗缽可行性。本文以純玉米秸稈漿液、純玉米秸稈混合新鮮豬糞漿液、堿混合沼液處理秸稈漿液和堿混合沼液處理秸稈漿液混合純玉米秸稈漿液為基本漿料，借鑒造紙工藝，負壓吸附工藝制備育苗缽濕坯，分析漿料總干物質濃度（TS）、吸附時間對育苗缽濕坯均勻度、成型率和脫模成功率影響規(guī)律，為負壓吸附工藝制備可降解育苗缽提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈（含水率4.5%）來自哈爾濱市平房區(qū)周邊農場。豬糞沼液來自哈爾濱市雙城區(qū)順利村示范基地。新鮮豬糞（TS=6.2%）來自哈爾濱市阿城三花豬養(yǎng)殖基地。氫氧化鈉、蒸餾水和清水來自東北農業(yè)大大學生物質能源實驗室。用于玉米秸稈預處理或漿液調配。

1.2 儀器

將秸稈漿液制備成可降解育苗缽，試驗儀器主體為有機可降解育苗缽機，東北農業(yè)大學工程學院可再生能源方向團隊研制，育苗缽機負壓吸附原理工作，制缽機主體包括鋁合金機架、儲漿箱、氣動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電機運動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要負責協(xié)調制缽機各項工作，裝置見圖1。

圖1 有機可降解育苗缽成型機Fig.1 Biodegradable organic seedling bowl forming machine

試驗輔助設備主要為101-1型電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司），料理機（九陽股份有限公司），FFL-250型超微粉碎機（山東青島即墨市超微粉碎機廠），9 QS 20-60秸稈揉切機（哈爾濱龍牧機械設備有限公司），ANKOM 200 i半自動纖維分析儀（北京安科博瑞科技有限公司）等。

1.3 試驗分組

依據測試漿料構成，將試驗漿料分成4組，具體參數如表1。

1.4 漿液制備

TA與TB漿液制備工藝基本一致，具體工藝流程如圖2所示。

首先將玉米秸稈經9 QS 20-60秸稈揉切機粉碎至10～20 mm玉米秸稈切段，人工篩選，去除雜物，將篩選后玉米秸稈切段超微粉碎，粉碎后玉米秸稈纖維60目，此時秸稈含水率4.5%。將超微粉碎后玉米秸稈與清水按預定質量比混合，得到1%～7%質量分數TA（B）漿液，將混合后玉米秸稈漿液貯存0.5 h，待玉米秸稈纖維充分吸收水分后作制備育苗缽濕坯原料漿液。TC和TD試驗組漿液制備工藝基本一致，具體流程如圖3。

由圖3可知，將玉米秸稈經秸稈揉切機粉碎至10～20 mm，人工篩選，去除雜物；一部分超微粉碎，另一部分放入干燥箱干燥3 h；取豬糞沼液、氫氧化鈉和蒸餾水配置預處理液，將烘干秸稈與配置預處理液裝入自封袋混合預處理10 d。豬糞沼液質量比、氫氧化鈉質量分數分別為8%、4%，每個自封袋裝入一定量秸稈和預處理液；10 d后，取出秸稈放入60目標準分樣篩清洗，洗至略微發(fā)白，pH近7，將清洗后秸稈和適量清水混合加入料理機打漿處理，每批打漿15～20 s，重復3次，每袋秸稈打漿2批，將打漿后秸稈與清水按照預定質量比配置成質量為2 kg TC漿液，將上述有機原料攪拌均勻制備育苗缽。

表1 試驗參數Table 1 Test parameter

圖2 TA（B）漿液制備Fig.2 TA(B)slurry preparation

圖3 TC（D）漿液制備工藝Fig.3 Preparation process of TC(D)slurry

1.5 方法

1.5.1 漿液表觀粘度測定

漿液表觀粘度測定選擇單因素控制變量法，試驗重復5次取平均值，將TA～TD四類漿液表觀粘度對比。

1.5.2 TA-TD漿液單因素試驗

TA～TD漿液為原材料制缽試驗，采用單因素全面試驗方法，重復2次，將漿液TS、吸附時間分別作為自變量，探究TS、吸附時間對育苗缽濕坯厚度均勻性、成型影響規(guī)律。

1.6 考查指標

1.6.1 自變量

自變量主要是TS和吸附時間，TS和吸附時間均影響育苗缽濕坯厚度及成型。TS采用烘干稱重法[4]，具體測量方法如下：

式中，TS-總固體質量（%）；A1-稱重器皿質量（g）；A2-有機原料漿液與稱重器皿總質量（g）；A3-有機原料干料與稱重器皿總質量（g）。吸附時間通過單片機程序執(zhí)行，吸附時間設置為5、10、15、20、25、30、35、40和45 s共9個等級?？紤]較低濃度制缽試驗可行性，吸附時間45 s為宜。

1.6.2 響應指標

響應指標分別為缽體均勻度、缽成型率和脫模成功率。漿液表觀粘度是影響育苗缽濕坯成型重要因素之一。缽體均勻度反映育苗缽壁厚均勻程度，其值越接近于1，表明育苗缽厚度越均勻。脫模時，壁厚均勻的育苗缽濕坯受力均勻，吹缽壓力不會造成育苗缽濕坯局部損毀。

首先采用直尺對圖4中測量點測量并分析[5]，具體計算如公式2所示：

式中，Un-克里斯琴森均勻度（%）；Li-第i個測量點厚度（mm）；-L-所有測量點均值。缽體厚度通過直尺測量，具體測量位置如圖4所示。缽成型率是成型缽濕坯占試驗總次數比例，由于試驗重復2次，成型率取值為0，50%和100%。脫模成功率是指脫模成功無損壞育苗缽占總成型育苗缽濕坯比例，對應試驗重復2次，因此脫模成功率取值為0，50%和100%。

圖4 育苗缽厚度測量位置Fig.4 Measuring position of the thickness of the seedling pot

2 結果與分析

2.1 漿液表觀粘度對比

原料表觀粘度直接影響育苗缽粘結成型和脫模。本文針對TS為4%TA、TB、TC和TD原料表觀粘度對比，結果如圖5。

由圖5可知，原料中TS為4%時，表觀粘度隨著轉速增加而減小，轉速越高，表觀粘度越低。原因是轉速增加破壞秸稈纖維氫鍵[6-8]連接，而轉子周圍出現轉動稀化現象，說明較低作用力可提高原料表觀粘度，助于育苗缽濕坯纖維粘結。

圖5 原料粘度隨轉速變化規(guī)律Fig.5 Variation rule of material's appanrent viscosity with speed changing

由表2可知，針對不同原料，在轉子轉速為定值條件下，6 r·min-1為例，TA原料表觀粘度最低，TB與TD原料表觀粘度逐漸增加，TC原料表觀粘度最大。

表2 原料表觀粘度對比Table 2 Contrast of material's appanrent viscosity (mPa·s-1)

不同處理原料，表觀粘度差異顯著，由于有機原料成份不同，向水中加入一定量玉米秸稈，玉米秸稈纖維吸水膨脹，改變自由水與結合水比例，加入小顆粒物質，在6 r·min-1轉速下，使純玉米秸稈原料表觀粘度值達到51.3 mPa·s-1；加入粉碎玉米秸稈和新鮮豬糞，而原料總質量不變，導致TB原料中TS大于TA原料TS，引起原料中固體物質、秸稈纖維摩擦加劇，豬糞本身粘度較大，混合后原料分層現象減弱，TB原料表觀粘度增加[9]，最終TB原料表觀粘度達到461 mPa·s-1，較TA提高9倍；TD和TC原料表觀粘度相對于TA、TB原料表觀粘度提升5到200倍，原因為采用NaOH、豬糞沼液對玉米秸稈預處理，破壞玉米秸稈纖維結構，使玉米秸稈纖維中木質素發(fā)生降解，暴露不同小分子親水性基團，增加原料表觀粘度值；TD原料中，一是經堿處理秸稈纖維少于TC原料，二是TD中加入秸稈僅增加物理性摩擦與阻礙，基本不涉及化學基團間微觀作用，TD原料表觀粘度較于TC原料降低，表觀粘度適度有助于育苗缽濕坯脫模成功。

2.2 TA漿液制備育苗缽

2.2.1 TS對育苗缽濕坯制備影響

TS影響漿液中秸稈纖維含量、秸稈纖維分布及育苗缽濕坯成型和脫模規(guī)律見圖6。

由圖6可知，隨著TS增加，育苗缽濕坯成型率為100%，脫模成功率始終為0，濕坯厚度均勻度維持在80%；TS3%時，均勻度為75%。原因是，在相同吸附條件下，隨TS增加，單位體積漿液中玉米秸稈纖維貼附在網模上概率較高，育苗缽濕坯較均勻，成型較好。玉米秸稈纖維是物理摩擦力相互連接，簡單摩擦力無法克服脫模時較大壓力，育苗缽濕坯脫模成功率始終為0，無法有效脫模，即使脫模成功，因干燥等產生力的作用使育苗缽無法成型。在TS為3%時，育苗缽濕坯厚度均勻度為75%，低于一般均勻度值，試驗時漿液攪拌不均勻所致，純秸稈纖維在漿液中分布不均勻，導致玉米秸稈纖維貼附在網模上厚度不均勻，濕坯厚度下厚上薄，均勻度低于80%。

圖6 TS對育苗缽濕坯影響Fig.6 Effect of TS on wet bile in nursery

2.2.2 吸附時間對育苗缽濕坯制備影響

吸附時間是在相同TS下，通過控制負壓力對纖維吸附時間調節(jié)濕坯厚度，控制濕坯均勻度、成型率和脫模成功率。針對純玉米秸稈漿液，吸附時間對育苗缽濕坯影響規(guī)律如圖7所示。

圖7 吸附時間對育苗缽濕坯影響Fig.7 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由圖7可知，隨著吸附時間增加，育苗缽濕坯成型率為100%，脫模成功率始終為0，均勻度維持在80%～100%，呈波浪式上升趨勢。原因是在TS相同條件下，玉米秸稈纖維在漿液中分布比較均勻，秸稈纖維可較好貼附在網模上有效成型，但吸附時間無法改變秸稈纖維粘結性能，秸稈纖維摩擦力難以克服脫模時吹力，濕坯無法有效脫模；但隨著吸附時間延長，濕坯厚度增加，吸附力逐漸增大，漿液和秸稈纖維均勻分離，濕坯厚度均勻性提高，相同TS條件下，吸附時間越長，濕坯厚度越均勻。

2.3 TB漿液制備育苗缽

2.3.1 TS對育苗缽濕坯制備影響

豬糞表觀粘度相對較高，在純秸稈漿液中混入一定量豬糞可改善純秸稈漿液流變性能和固液分散體系。針對TB漿液制備育苗缽，TS對育苗缽濕坯成型影響規(guī)律如圖8所示。

圖8 TS對育苗缽濕坯影響Fig.8 Effect of TS on wet bile in nursery

由圖8可知，隨TS增加，育苗缽濕坯成型率為100%，濕坯厚度均勻度在80%（且基本不變）；當TS在1%～5%時，濕坯無法脫模；當TS超過6%時，濕坯脫模成功率上升到50%。原因是在相同吸附條件下，隨著TS增加，單位體積漿液中玉米秸稈纖維貼附在網模上概率比較接近，混入豬糞[10]秸稈纖維分布比較均勻，因此育苗缽濕坯厚度比較均勻，成型較好。在TS低于5%條件下，由于漿液中秸稈纖維是純物理性粘結，纖維粘結不緊密[11]，脫模時易破碎；當TS大于5%時，同等吸附條件下，濕坯厚度明顯高于TS較低純玉米秸稈漿液，脫模時，含水率相對較高，濕坯厚度增加減緩干裂應力，濕坯脫模成功率達50%，但脫模成功濕坯無法完好承受熱處理，粘結力無法克服熱應力，導致缽體破裂。

2.3.2 吸附時間對育苗缽濕坯制備影響

豬糞混合玉米秸稈漿液改善制缽原料漿液均勻性，而吸附時間破壞相對靜止固液體系和漿液均勻性，吸附時間對育苗缽濕坯成型影響規(guī)律見圖9。

圖9 吸附時間對育苗缽濕坯影響Fig.9 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由圖9可知，隨吸附時間增加，育苗缽濕坯成型率和脫模成功率分別為100%和0，濕坯脫模成功率多數情況下保持在80%，吸附10 s時，均勻度為70%。

純秸稈漿液中加入一定量豬糞，豬糞與秸稈充分攪拌后存在部分粘結小塊，制備育苗缽時，這些小塊堆積在缽層表面，引起缽體局部位置加厚，濕坯厚度不均勻?；旌县i糞雖然增加漿液表觀粘度，但表觀粘度增加僅因豬糞改良分散系物理性質，并未涉及化學鍵連接，秸稈纖維粘結力脆弱，無法克服脫模壓力脫模成型。

2.4 TC漿液制備育苗缽

2.4.1 TS對育苗缽濕坯制備影響

堿混合豬糞沼液預處理玉米秸稈改變漿液中秸稈纖維結構構成[12]，有效提高漿液表觀粘度。吸附時間5 s時，TS對育苗缽濕坯制備影響規(guī)律見圖10。

圖10 TS對育苗缽濕坯影響Fig.10 Effect of TS on wet bile in nursery

由圖10可知，隨著TS增加，育苗缽濕坯厚度均勻度先減后增，濕坯成型率始終維持在100%，脫模成功率從0增加到100%后趨于穩(wěn)定。

堿處理玉米秸稈改變玉米秸稈纖維結構，改善漿液表觀粘度[9,13]性能，漿液粘度相對于TA、TB漿液提升9～220倍不等，秸稈纖維除物理性質摩擦，還存在纖維氫鍵連接，提高粘結性能，使TC漿液在相對較低TS下，育苗缽濕坯均勻度達到80%，脫模成功率有所提高；當TS高于2%時，吸附時間5 s時，育苗缽濕坯厚度超過5 mm，厚度增加影響含水率和水分布，均勻度略有下降，濕坯脫模成功率達到100%；當TS高于3%時，厚度增加，濕坯厚度對均勻度影響減弱，濕坯均勻度也隨之增加。

2.4.2 吸附時間對育苗缽濕坯制備影響

堿處理玉米秸稈改變TC漿液流變特性，影響秸稈纖維粘結性能和TC漿液制備育苗缽濕坯性能。漿液TS為0.5%時，吸附時間對育苗缽濕坯制備影響規(guī)律如圖11所示。

圖11 吸附時間對育苗缽濕坯影響Fig.11 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由圖11可知，隨著吸附時間延長，育苗缽濕坯均勻度維持在100%不變，可貼附在模具上成型，脫模成功率從0上升到50%最終至100%不變，濕坯均勻度在25s前為100%，超過25 s時，濕坯均勻度下降，最低仍維持在80%。

當漿液TS為0.5且吸附時間較短時，秸稈纖維貼附在制缽機網模模具上秸稈纖維量較少，厚度不超過5 mm，秸稈纖維物理摩擦力和化學鍵[14-15]連接仍無法克服脫模時壓力，導致無法脫模；當吸附時間超過25 s時，育苗缽濕坯厚度達到或超過5 mm，濕坯厚度增加，改變濕坯含水率，增強秸稈纖維粘結性能，摩擦力和粘結力在一定程度上可克服脫模時作用力，脫模成功率上升到50%；吸附時間增加導致漿液中水分過度減少，秸稈纖維粘附力增加，吸附時間增加導致濕坯厚度增加，濕坯在離開漿液時會黏連部分漿液中秸稈纖維[8]，因此吸附時間越長，濕坯厚度均勻性越低，脫模成功率越高。

2.5 TD漿液制備育苗缽

2.5.1 TS對育苗缽濕坯制備影響

由圖12可知，在堿處理玉米秸稈漿液中混合部分純玉米秸稈，TD漿液表觀粘度降低，但仍高于TA、TB漿液表觀粘度，混入純玉米秸稈改善漿液均勻性和粘度性能。吸附時間為5 s時，TS對TD漿液制備育苗缽濕坯影響規(guī)律如圖12所示。

圖12 TS對育苗缽濕坯影響Fig.12 Effect of TS on wet bile in nursery

由圖12可知，隨著TS增加，育苗缽濕坯成型率為100%，均勻度維持在85%，呈V字形，脫模成功率從50%上升到100%。

TS低于1%時，漿液表觀粘度相對于TC漿液較低，吸附時間5 s時，濕坯無法形成有效脫模厚度，含水量相對較低，秸稈纖維粘結力、摩擦力相對較小，濕坯無法成功脫模；當TS大于2%時，同等吸附時間下育苗缽濕坯厚度較大，含水量和秸稈纖維粘結力均較高，秸稈纖維粘結力和摩擦力可克服脫模時壓力，有效脫模。因此TS越高，脫模成功率越高。由于添加純玉米秸稈纖維，漿液中纖維分布較為均勻，秸稈纖維搭接更緊密，均勻度也相對較高。

2.5.2 吸附時間對育苗缽濕坯制備影響

堿處理玉米秸稈混合純玉米秸稈降低漿液表觀粘度，提高漿液均勻性，降低模具離開漿液時粘結。相對于TC漿液，TD漿液纖維分布更均勻，吸附時間對育苗缽濕坯制備影響規(guī)律如圖13所示。

圖13 吸附時間對育苗缽濕坯影響Fig.13 Effect of pulping time on wet bile in nursery

由圖13可知，隨著吸附時間延長，育苗缽濕坯成型率維持在100%不變，濕坯厚度均勻度呈下降趨勢，濕坯脫模成功率從50%上升到100%并維持不變。

TS維持在1%保持不變，隨著吸附時間延長，同等條件下貼附在網模模具[16]上秸稈纖維相對較多，濕坯厚度增加，含水量增加，秸稈纖維粘結力有所增加[17]，秸稈纖維粘結力可克服脫模時壓力，有效脫模；而TS在1%時，漿液表觀粘度下降，由于混入大量純玉米秸稈纖維，秸稈纖維搭接基體和粘結劑均充足，模具提出漿液時粘結附帶纖維較多，濕坯均勻度下降，但整體厚度均勻度均維持在80%，未對濕坯成型及脫模產生較大影響。

3 結論

a.將四類漿液對比，純玉米秸稈漿液表觀粘度最低，堿處理玉米秸稈漿液粘度最高，同等轉速下表觀粘度相差數倍至數百倍不等。在純秸稈漿液中添加豬糞或在堿處理玉米秸稈漿液中混合純玉米秸稈均可改善原有漿液表觀粘度性能，提高漿液均勻性，為制備高品質制缽漿液提供參考。

b.對于純玉米秸稈漿液和混入豬糞玉米秸稈漿液，TS 1%～7%，吸附時間5～5 s，育苗缽濕坯均能成型，成型率達到100%，正常情況下均勻度均在80%，脫模成功率始終為0，無法有效脫模，說明這兩類漿液提高粘度性能無法保證濕坯脫模，育苗缽難以有效成型。

c.對于堿處理玉米秸稈漿液和堿處理玉米秸稈漿液混入純玉米秸稈，TS低于0.5～1%，或高于4%時，育苗缽濕坯因厚度或過度粘連而無法有效成型和脫模；吸附時間超過25～35 s時，產生過度粘連。兩種漿液表觀粘度較高時，應降低吸附時間或TS濃度輔助育苗缽濕坯成型和脫模。

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Effect of different pretreatments of corn straw on seeding bowl prepara-tion/

SUN Yong1,CHU Xiaodong1,QU Jingbo1,LIU Jinming1,2,WANG Yanpeng1
(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Information Technology,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China)

Aiming at the uncertainty of parameters,such as low viscosity and adsorption time of slurry,different pertreatments of corn straw were used as materials to prepare the wet blanks with negative pressure adsorption process and to explore the apparent viscosity of four types of pretreatment materials and the feasibility of preparing seedling bowl.The results showed that the apparent viscosity of pure corn straw slurry was the lowest,while adding pig manure could increase the apparent viscosity of the original corn stalk slurry,the viscosity of alkali treatment straw was the highest, mixed it with pure straw could reduce the slurry viscosity and improve the slurry uniformity.The pure straw slurry and the slurry mixed with the pig manure could make the uniformity of the wet blank of the seeding bowl up to 80%,the molding rate of 100%,but it could't be stripped;the straw slurry with alkali treatment and the slurry mixed with straw pure could cause the corn stalk to be formed,TS should be between 1%and 4%,suction time was maintained at 5-45 s,with TS increases,adsorption time was reduced.This paper laid a theoretical foundation for slurry preparation and parameter determination.

corn straw;viscosity;alkali treatment;pig manure;seedling bowl

S513

A

1005-9369（2017）08-0079-09

時間2017-9-12 11:38:41[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170912.1138.020.html

孫勇,初曉冬,曲京博,等.玉米秸稈不同預處理方式對育苗缽制備的影響[J].東北農業(yè)大學學報,2017,48(8):79-87.

Sun Yong,Chu Xiaodong,Qu Jingbo,et al.Effect of different pretreatments of corn straw on seeding bowl preparation[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(8):79-87.(in Chinese with English abstract)

2017-06-30

國家科技支撐計劃子課題（2015BAD21B03-02）；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目（2016RAXXJ009）

孫勇（1974-），男，教授，博士生導師，研究方向為農業(yè)生物環(huán)境與能源工程。E-mail:sunyong740731@163.com