劉丹，滕達，邱士庭，李顏龍，王漢羊，馬永財

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土木水利學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院）

農(nóng)作物秸稈富含木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、木糖醇等有機質(zhì)成分及氮、磷、鉀等微量元素，是一種非常重要的可再生生物資資源[1]。東北地區(qū)是我國最主要的玉米種植區(qū)，擁有豐富的玉米秸稈資源，其產(chǎn)量在所有農(nóng)作物秸稈中位居首位。隨著玉米單產(chǎn)的提高，玉米秸稈產(chǎn)量將進一步增加[2]。大量的玉米秸稈資源若不能進行合理的處理和利用，將會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境造成極大的壓力[3]。目前，對作物秸稈的綜合利用主要是圍繞“五化”技術(shù)工程開展，即原料化、飼料化、肥料化、基料化及能源化[4]。相關(guān)研究表明，我國每年的秸稈總產(chǎn)量中，約20%的秸稈直接用于生活燃料，15%的秸稈采用秸稈還田的方式被用作肥料，用于飼料化的秸稈約占秸稈總量的15%，而用于工業(yè)原料的秸稈只占秸稈總量的2%左右，其余近一半的秸稈直接被廢棄或就地焚燒[5]。近些年，秸稈焚燒已成為春秋農(nóng)忙時節(jié)的標(biāo)志性現(xiàn)象，不僅造成了極大的秸稈資源浪費，同時對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞，給人們的生產(chǎn)和生活造成了不良影響。因此，開發(fā)秸稈綜合利用技術(shù)，提高秸稈利用價值對穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、解決秸稈焚燒問題、緩解環(huán)境壓力具有重要的作用[6]。

沼渣是作物秸稈、畜禽糞便與污泥等有機物經(jīng)厭氧發(fā)酵后殘留的半固體物質(zhì)及脫水后的固體物質(zhì)。大量研究表明，不同原料的沼渣均含有豐富的有機質(zhì)及氮磷鉀等植物生長所需的元素，是一種優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)資源[7-9]。近幾年，在國家政策和資金的大力支持下，我國的沼氣工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，沼氣產(chǎn)量不斷上升。沼氣工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展必然產(chǎn)生大量的沼渣，隨之而來的沼渣處理問題變得日益嚴(yán)峻。目前，對沼渣的資源化利用主要是好氧堆肥后作為有機肥料以及作為飼料或飼料添加劑應(yīng)用于養(yǎng)殖和水產(chǎn)等方面，除此之外，在土壤改良劑、吸附劑、固體燃料添加劑等方面也有一定的應(yīng)用[10-11]。然而，由于技術(shù)和處理設(shè)備等問題，沼渣的消耗量遠遠不能平衡其生產(chǎn)量，沼渣處理已成為沼氣工業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。因此，合理處置和利用沼渣對促進我國沼氣工業(yè)的發(fā)展，保護農(nóng)村、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。

生物質(zhì)固化成型技術(shù)是指在一定的溫度、濕度以及壓力等條件下，采用壓縮成型設(shè)備將松散的生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為高密度、高硬度的生物質(zhì)產(chǎn)品。該技術(shù)可極大降低生物質(zhì)原材料的體積，從而降低其運輸、儲藏成本，提高其品質(zhì)和利用價值，是一項重要的生物質(zhì)處理技術(shù)[12-14]。根據(jù)成型方式的不同，生物質(zhì)固化成型技術(shù)主要包括：熱壓、濕壓和碳化三種成型方式。美國、日本以及一些歐洲發(fā)達國家對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究較早，并研制出了較為成熟的配套成型設(shè)備，基本實現(xiàn)了規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[15-16]。國內(nèi)對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究起步較晚，進入21 世紀(jì)以后開始重視生物質(zhì)成型技術(shù)及裝備的研發(fā)工作。近年來，國內(nèi)外科研人員對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究主要集中在生物質(zhì)顆粒燃料方面。Gilbert等[17]研究了溫度、壓力兩個因素對楊柳和麥秸顆粒固化成型特性的影響，結(jié)果表明：溫度對成型特性具有較大的影響。Mani 等以小麥秸稈、大麥秸稈、玉米秸稈及柳枝稷草為原材料，研究了壓力、粒度、物料含水等因素對成型顆粒燃料機械特性的影響，結(jié)果表明：物料粒度對成型顆粒的松弛密度影響較小，當(dāng)物料粒度為3.2 mm，物料含水率為12%時，顆粒燃料的松弛密度最大。邱志丹等[18]研究了不同配比煙稈和木屑成型燃料的燃燒特性，得到了兩者的最佳配比為15%煙稈和85%木屑。艾宇等[19]以水葫蘆和大澡為研究對象，采用熱壓成型技術(shù)制成生物質(zhì)顆粒燃料，通過對比木屑的燃燒及結(jié)渣特性，發(fā)現(xiàn)水葫蘆的燃燒效果明顯高于大澡，且水生植物具有較高的酸堿指數(shù)、酸堿比和嚴(yán)重的結(jié)渣傾向。

缽育移栽技術(shù)能夠延長作物的生長周期，進而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，對于無霜期較短的東北高寒地區(qū)，效果尤為顯著。目前，我國使用的育秧缽盤以塑料缽盤為主，該缽盤存在價格昂貴，透水、透氣性差等問題，同時由于塑料難以降解的特性，破舊后無法使用的塑料缽盤處理已成為制約缽育移栽技術(shù)大面積推廣的關(guān)鍵技術(shù)問題。為解決這一難題，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)汪春教授團隊成功研發(fā)了一種生物質(zhì)缽育秧盤[20]。該秧盤以秸稈和粘土為主要原料，通過熱壓成型制備而成。與塑料缽盤相比，生物質(zhì)缽盤具有成本低、可降解以及改良土壤等優(yōu)點，同時為作物秸稈及其他生物質(zhì)資源的綜合利用開辟了新的思路。目前，生物質(zhì)缽育秧盤成型過程中仍存在成型率、生產(chǎn)率以及耐久度較低等問題。因此，開展生物質(zhì)缽育秧盤成型特性基礎(chǔ)研究，為生物質(zhì)缽育秧盤成型工藝優(yōu)化及配套設(shè)備的改進設(shè)計提供理論依據(jù)。

研究以玉米秸稈和沼渣混合物為研究對象，采用熱壓固化成型技術(shù)，探討物料配比（玉米秸稈與沼渣的質(zhì)量比）、物料含水率、成型溫度以及成型壓力對玉米秸稈和沼渣混配生物質(zhì)缽育秧盤成型特性的影響，以期為生物質(zhì)缽育秧盤的成型工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用玉米秸稈取自黑龍江省大慶市大同區(qū)農(nóng)機合作社。將收集的玉米秸稈上干枯的葉子剔除，使用鍘刀將莖稈切碎至5 cm 左右，放置于室內(nèi)48 h 后采用錘片式粉碎機進行粉碎。粉碎后的物料采用分級篩進行篩分，選取顆粒度3±0.5 mm 秸稈作為試驗物料。試驗用沼渣選用水稻秸稈高固厭氧發(fā)酵40 d后的沼渣，新鮮沼渣放置于通風(fēng)處自然晾干后，采用塑料密封袋保存待用。

根據(jù)試驗設(shè)計物料配比（20%玉米秸稈+80%沼渣，30%玉米秸稈+70%沼渣，40%玉米秸稈+60%沼渣，50%玉米秸稈+50%沼渣，60%玉米秸稈+40%沼渣，70%玉米秸稈+30%沼渣，80%玉米秸稈+20%沼渣）將物料進行充分混合。混合后的物料在70 ℃條件下使用電熱恒溫箱干燥48 h，并測定此時物料的含水率（濕基）。根據(jù)試驗需求稱取定量的混合物料置于塑料密封袋中，通過添加適量水分將物料含水率調(diào)整至試驗所需含水率，將配置好的物料置于冰箱內(nèi)，在4±0.5 ℃條件下保存48 h 以使物料含水率更加均勻。

1.2 儀器與設(shè)備

缽育秧盤熱壓成型設(shè)備由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院自制，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。設(shè)備主要由成型系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)三部分組成。成型模具采用不銹鋼制作，外模內(nèi)徑為50 mm，內(nèi)模外徑為30 mm，最大壓縮行程為100 mm。試驗用WDW-200E 型微機控制電子式萬能試驗機，精準(zhǔn)等級為1 級，最大壓力為200 kN，誤差±1%。

圖1 成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of the forming device

上海一恒科學(xué)儀器郵箱公司：DHG-9240A 型恒溫鼓風(fēng)干燥箱；上海佳實電子科技有限公司：MS100型水分自動測量儀，測量范圍0～100%，精度0.01%；沈陽龍騰電子有限公司：JD300-3 型電子天平，精度0.001 g，最大稱量300 g；香港麥特爾電子科技有限公司：SF2000 三按鍵電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺。其他實驗儀器包括：錘片式粉碎機、螺旋式攪拌器等。

1.3 方法

1.3.1 試驗設(shè)計

采用單因素試驗方法研究物料配比（玉米秸稈與沼渣的質(zhì)量比）、物料含水率、成型溫度以及成型壓力對成型缽盤的抗破壞強度和松弛比的影響，試驗設(shè)置如表1 所示。

表1 試驗因素和水平Table 1 Experimental factors and levels

干燥試驗時，將其中三個因素固定為中間水平，針對第三個因素的各個水平進行單因素試驗。每次試驗前，先運行加熱系統(tǒng)15～20 min，待成型模具溫度恒定至試驗設(shè)定溫度后，將預(yù)先配置好的物料放入成型模具的凹模內(nèi)。隨后，啟動電子萬能試驗機，并根據(jù)試驗方案設(shè)定相應(yīng)的壓力，設(shè)置凸模以10 mm·min-1速度進行壓縮成型。當(dāng)凸模壓力達到預(yù)設(shè)壓力后保壓10 s，隨后關(guān)閉加熱系統(tǒng)，同時開啟冷卻系統(tǒng)。當(dāng)模具溫度≤25 ℃時，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)并進行脫模。成型后的缽盤置于室溫條件下10～20 min，然后置于塑料密封袋中封存，用于缽盤抗破壞強度和松弛比的測定。每組試驗重復(fù)3 次，以其平均值作為指標(biāo)值。成型生物質(zhì)缽育秧盤的結(jié)構(gòu)及實物如圖2所示。

圖2 缽育秧盤結(jié)構(gòu)及實物簡圖Fig.2 Structural physical sketch of the potted seedling tray

1.3.2 指標(biāo)測定

（1）抗破壞強度

抗破壞強度指物料成型后抵抗外力的能力，是衡量成型制品在運輸、堆碼、存放以及育秧過程中能否滿足強度要求的重要指標(biāo)之一。測定時，將壓縮成型缽盤置于萬能試驗機上下壓盤之間，成型塊與試驗機上壓盤接觸臨界位置作為初始位置，以10 mm·min-1加載速度壓縮成型缽盤，成型缽盤完全破壞變形后，壓頭返回初始位置。試驗過程中通過計算機控制系統(tǒng)采集缽盤壓縮力-位移曲線，該曲線中的峰值即作為成型塊的抗破壞強度。

（2）松弛比

松弛比是指物料受力變性且撤去外力后，應(yīng)力松弛過程中，成型制品外形尺寸保持不變的能力，主要采用成型制品在經(jīng)過一定時間靜置后的高度與成型初期高度的比值進行評定。測定時，即刻測量脫模后成型制品的高度，作為初始值；隨后將成型制品在室內(nèi)靜置48 h，隨后測量成型制品的高度，作為最終值。

成型缽盤的松弛比按式（1）進行計算[21]。

式中，λ 為松弛比；h1為成型缽盤高度初始值，mm；h2為成型缽盤靜置48 h 后高度最終值，mm。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013 和origin 8.5 進行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料配比對成型特性的影響

物料配比對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響如圖3 所示。由圖3a 可知，隨物料中玉米秸稈含量的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在物料含水率為12%、成型溫度為150 ℃、成型壓力為120 kN 的條件下，物料中玉米秸稈含量由20%增加至60%時，成型缽盤的抗破壞強度由212.45 kN 增加至287.61 kN。相關(guān)文獻研究表明：熱壓固化成型技術(shù)主要是利用生物質(zhì)材料中所含的木質(zhì)素、蛋白、纖維素、半纖維素以及淀粉等天然粘結(jié)劑成分，在一定的壓力和溫度條件下使其軟化和析出，這些天然粘結(jié)劑成分在物料顆粒間流動和擴散，并均勻地填充于生物質(zhì)材料顆粒間的縫隙中。壓縮過程結(jié)束后，將成型缽盤置于室溫條件下進行冷卻，此時，木質(zhì)素會再次硬化，蛋白、淀粉等會再次結(jié)晶，從而在顆粒與顆粒間形成固體橋、范德華力、氫鍵結(jié)合力、機械聯(lián)鎖力以及表面結(jié)合力等，最終實現(xiàn)生物質(zhì)材料的成型。Kaliyan 等[22]對生物質(zhì)材料壓縮成型顆粒燃料的成型特性進行了相關(guān)研究，其結(jié)果表明生物質(zhì)材料中的木質(zhì)素、蛋白、纖維素等成分在顆粒燃料成型過程中具有顯著的粘結(jié)作用，可提高顆粒燃料的硬度和耐久度。不同類型生物質(zhì)材料所含的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素以及蛋白質(zhì)等成分在生物質(zhì)材料成型過程中充當(dāng)天然粘結(jié)劑的含量不同，而這些成分在一定的成型條件下，可增強生物質(zhì)材料成型過程中顆粒的硬度和穩(wěn)定性，從而使得不同物料配比條件下成型缽盤的抗壓強度存在一定的差別。研究所用成型原材料由玉米秸稈和沼渣組成，而沼渣經(jīng)過厭氧消化反應(yīng)后，物料內(nèi)所含的蛋白、淀粉已經(jīng)糖類物質(zhì)大部分被甲烷菌轉(zhuǎn)化為沼氣。玉米秸稈所含的半纖維素以及蛋白質(zhì)等天然粘結(jié)劑高于沼渣。因此，適當(dāng)提高物料中玉米秸稈含量，有利于生物質(zhì)顆粒的成型，并能促進顆粒之間粘結(jié)力的增強，從而提高成型制品的抗破壞強度。當(dāng)玉米秸稈含量繼續(xù)增加至80%時，缽盤的抗破壞強度由287.61 kN下降至254.47 kN。這是因為在生物質(zhì)材料成型過程中，當(dāng)其他條件不變時，物料粒徑越小越有利于成型，且成型質(zhì)量較高。物料粒徑對物料顆粒間的結(jié)合具有較大的影響，粒徑越小，粒子比表面積越大，顆粒與顆粒間的接觸面積增大，利于顆粒間的固相橋接，增大了顆粒間的范德華力，提高了成型后的制品強度和硬度。當(dāng)物料中玉米秸稈含量超過60%時，雖增加了物料中木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、纖維素等天然粘結(jié)劑的含量，但由于玉米秸稈的粒徑大于沼渣，因此隨著玉米秸稈含量的增大，使得混合后物料的粒徑增大，從而導(dǎo)致成型缽盤的抗破壞強度降低。Carone 等[23]研究了成型工藝參數(shù)對成型特性的影響，結(jié)果表明減小物料顆粒尺寸可顯著提高成型制品的品質(zhì)。

圖3 物料配比對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響Fig.3 The effect of material ratio on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖3b 可以發(fā)現(xiàn)，隨物料中玉米秸稈含量的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)其他條件保持為中間水平，物料中玉米秸稈含量由20%增加至60%時，松弛比由5.43%降低至3.89%。這是由于混合物料中玉米秸稈含量的增加，提高了物料中木質(zhì)素、纖維素、蛋白、淀粉等天然粘結(jié)劑的含量，使顆粒間的結(jié)合力增大，成型結(jié)束撤去外力后，顆粒間的結(jié)合力增強，成型后制品抵抗變形的能力提高，從而降低了成型制品的松弛比。當(dāng)物料中玉米秸稈含量由60%增大至80%時，成型制品的松弛比由3.89%增加至4.94%?；旌衔锪狭降慕档蛯ι镔|(zhì)材料在壓縮成型過程中物料的流動性和填充性具有較大的影響，顆粒粒徑越小其流動性和填充性能越好，成型制品的密度和耐久性越高，而使用混合粒徑的物料成型后產(chǎn)品的品質(zhì)越高，這是因為混合粒徑中的大顆粒材料可作為成型制品的“骨架”，而較小的顆粒易于填充入估計，進而降低成型制品顆粒間的孔隙率，提高其成型品質(zhì)。而隨著玉米秸稈含量的增加，混合物料的整體粒徑增大，造成成型制品的密度降低，進而增大了成型缽盤的松弛比。Zafari 等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，較小物料粒徑能夠顯著提高成型制品的密度和硬度。

2.2 物料含水率對成型特性的影響

物料含水率對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響如圖4 所示。

由圖4a 可知，隨物料含水率的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在物料配比為50∶50、成型溫度為150 ℃、成型壓力為120 kN的條件下，物料含水率由6%增加至12%時，成型缽盤的抗破壞強度由202.31 kN 增加至262.37 kN。當(dāng)繼續(xù)增大物料含水率至18%時，成型缽盤的抗破壞強度由262.37 kN 下降至198.54 kN。物料中的水分作為潤滑劑和粘結(jié)劑，是生物質(zhì)材料成型過程中比較重要的一個因素。一方面，水分在壓力作用下會形成薄膜粘結(jié)劑，增大物料顆粒間的接觸面積，促進顆粒間范德華力的形成。此外，水膜會通過粒子間的毛細吸附作用形成氫鍵，從而提高粒子與粒子間的分子結(jié)合力。在水分和溫度的共同作用下，木質(zhì)素、纖維素的軟化，蛋白質(zhì)的變性以及淀粉凝膠化等物理和化學(xué)變化得到進一步的增強，可顯著促進顆粒間的固相橋接作用，進而提高成型制品的強度。另一方面，水分作為潤滑劑可促進物料粒子滑動，提高成型過程中粒子的流動性和填充性，減少顆粒間的間隙，有利于增強成型制品的密度和強度。然而，并不是物料含水率越高越好，當(dāng)含水率超過一定的范圍后，在成型過程中多余水分子會填充在顆粒之間，阻斷顆粒與顆粒間分子結(jié)合力的形成，進而降低成型制品的密度和強度。同時，在溫度的作用下，在成型過程中過高的物料含水率會出現(xiàn)水分閃蒸現(xiàn)象，在制品內(nèi)部形成大量的微小汽泡，成型結(jié)束后，隨溫度的下降汽泡破裂，在成型制品內(nèi)部形成大量的孔隙，從而導(dǎo)致成型制品的密度和強度下降。Zafari 等[24]的研究表明，水分的增加會導(dǎo)致生物質(zhì)的流變特性由黏塑性轉(zhuǎn)為黏彈性，使成型制品的密度和強度下降。

圖4 物料含水率對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響Fig.4 The effect of moisture content on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖4b 可知，隨物料含水率的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)其他條件保持為中間水平，物料含水率由6%增加至12%時，松弛比由5.52%降低至4.61%，當(dāng)繼續(xù)增大含水率至18%時，松弛比由4.61%上升至5.66%。這可能是由于當(dāng)物料含水率處于低水平時，隨著含水率的增加，物料中水分作為潤滑劑和粘結(jié)劑的作用得以提升，有利于提高成型制品的密度和顆粒間的結(jié)合力，從而降低了其松弛比。然而，當(dāng)物料中水分含量超過12%時，含水率的增加使物料顆粒間的相對滑動增加，減弱了粒子間的粘結(jié)作用，從而導(dǎo)致成型制品的密度和強度下降，使其松弛比增大。

2.3 成型溫度對成型特性的影響

成型溫度對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響如圖5 所示。

圖5 成型溫度對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響Fig.5 The effect of temperature on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖5a 可知，隨成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在物料配比為50∶50、物料含水率為12%、成型壓力為120 kN 的條件下，成型溫度由120 ℃增加至160 ℃時，成型缽盤的抗破壞強度由210.65 kN 增加至275.42 kN。當(dāng)繼續(xù)增大成型溫度至180 ℃時，成型缽盤的抗破壞強度由275.42 kN 下降至237.21 kN。溫度是生物質(zhì)材料成型過程中，影響成型制品品質(zhì)的一個非常重要的參數(shù)。在熱壓成型過程中，當(dāng)其他條件不變的條件下，適當(dāng)提高成型溫度能夠促進物料中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素以及蛋白等物質(zhì)的軟化和析出，使物料中的天然粘結(jié)劑充分的填充至顆粒的間隙中，最大程度地發(fā)揮其粘結(jié)作用，從而促進顆粒間的固相橋接和范德華力的形成，并最終提高成型制品的強度和硬度。Lee 等[25]的研究結(jié)果表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，升溫可以提高成型制品的耐久性。Huang等[26]的研究結(jié)果表明，在一定的成型條件下，合理增加成型溫度有利于提升成型制品的強度。然而，當(dāng)成型溫度超過一定范圍后，在高溫高壓條件下，物料內(nèi)部天然粘結(jié)劑成分會發(fā)生變質(zhì)，甚至焦糊現(xiàn)象，使其粘結(jié)作用下降，從而影響顆粒間的結(jié)合力，導(dǎo)致成型制品的強度降低。此外，若溫度超過合理值后，成型材料的粉粒體特性會逐漸向流體特性轉(zhuǎn)變，粒子受主應(yīng)力產(chǎn)生的形變受到阻礙，會對成型產(chǎn)生不利影響。張霞等[27]的研究表明，在一定成型條件下，隨成型溫度的升高，成型制品的密度和抗壓力呈先上升后下降的趨勢。

由圖5b 可知，隨成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)其他條件保持為中間水平，成型溫度由120 ℃增加至160 ℃時，松弛比由5.45%降低至4.28%，當(dāng)繼續(xù)增大成型溫度至180 ℃時，松弛比由4.28%上升至5.11%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是在其他條件不變且溫度為160 ℃時，物料內(nèi)的天然粘結(jié)劑的粘結(jié)作用達到極值，顆粒與顆粒間的結(jié)合力最大，且成型制品的孔隙率最小，最大程度地強化了成型制品的密度和強度。當(dāng)成型結(jié)束撤去外力后，制品的外形尺寸回彈最小。Stelte 等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，與30 ℃成型溫度相比，在100 ℃條件下獲得的成型制品，其回彈現(xiàn)象不明顯，抗壓強度更高，密度更大。相反地，當(dāng)成型溫度過高是，會導(dǎo)致木質(zhì)纖維的塑化，使生物質(zhì)顆粒的彈性模量降低，進而使顆粒與顆粒之間形成空隙，致使相鄰顆粒之間的粘附性變差，最終降低顆粒質(zhì)量。

2.4 成型壓力對成型特性的影響

成型壓力對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響如圖6 所示。

圖6 成型壓力對成型缽盤抗破壞強度和松弛比的影響Fig.6 The effect of pressure on damage resistance and expansion ratio of molding bowl tray

由圖6 可知，隨成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈上升的趨勢，松弛比呈下降的趨勢。在物料配比為50∶50、物料含水率為12%、成型溫度為150 ℃的條件下，成型壓力由60 kN 增加至180 kN時，成型缽盤的抗破壞強度由175.36 kN 增加至297.62 kN，松弛比由6.07%下降至3.63%。成型壓力是生物質(zhì)材料固化成型最為重要的一個參數(shù)。在足夠壓力下，物料的原有結(jié)構(gòu)被破壞，微觀粒子間形成范德華力和氫鍵結(jié)合力，從而形成新的組織結(jié)構(gòu)。物料顆粒與顆粒間的間隙減小，促進成型過程的進行。同時，物料內(nèi)的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和蛋白等天然粘結(jié)劑在溫度和壓力的共同作用下軟化、析出，填充于顆粒與顆粒的間隙，并在粒子間形成固相橋接，使粒子與粒子的結(jié)合更加緊密。合適的壓力可獲得密度大、機械性能較好的成型制品。然而，由于物料存在壓縮極限，當(dāng)制品的密度足夠大時，繼續(xù)增大壓力，成型缽盤的形變不會再有較大的變化，其強度、耐久度等指標(biāo)也保持不變。同時，過大的壓力會造成能耗增加、模具磨損增大等負面影響。Poddar 等[29]通過試驗證明，成型壓力對成型制品的密度具有顯著的影響。

3 結(jié)論

采用熱壓固化成型技術(shù)，對玉米秸稈與沼渣混合物料成型缽盤的成型特性進行了試驗研究，研究結(jié)果表明，物料配比、物料含水率、成型溫度和成型壓力對固化成型缽盤的成型特性具有顯著的影響。隨物料配比、物料含水率和成型溫度的增加，成型缽盤的抗破壞強度呈先增大后減小的趨勢，其松弛比呈先下降后上升的趨勢。當(dāng)物料配比為60∶40，物料含水率為12%，成型溫度為160 ℃時，成型缽盤的抗破壞強度和松弛比達到峰值。隨成型壓力的增大，成型缽盤的抗破壞強度增大，松弛比減小。