国内外麦秸板的研究、生产及发展
王 戈 余 雁
(中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091)
卢狄耿
(广东省湛江市麻章区林业局,湛江524094)
摘要 综述了国内外麦秸板的研究与开发状况,还介绍了麦秸板的工业化生产
及其工艺特点,指出麦秸板生产中需要解决的问题和发展趋势。
关键词 麦秸板 研究 生产 特点 问题 趋势
目前,在世界范围内,森林资源呈现明显减少的趋势,木材供应短缺,仅1990～1995年期间,世界森林面积就缩减5600多万hm 2
。亚洲、非洲及中南美洲的森林破坏最为严重,木材质量和数量急剧下降。即使在美国、加拿大等国也面临着为了保护森林的综合生态环境效益而减少木材采伐量的压力[1]。据FAO 预测[2],到2010年世界人均森林面积将从1960年的每人1.17hm 2下降到0.47hm 2。中国是一个少林国家,人均森林面积仅为0.112hm 2,人均森林蓄积量0.12m 3,远低于目前0.65m 3的世界人均水平。2000～2010年国内木材年均总耗将达2.7亿m 3,木材年缺口量为6000万m 3。麦秸刨花板或MDF (简称麦秸板)的出现正是顺应了这种形势。麦秸属农业生产剩余物,其数量巨大,1999年全球麦(小麦、大麦和燕麦)产量为7.38亿t 。若按折算系数1.2计算,麦秸的数量约为
8.86亿t,其中的41%集中在中国、印度、美国和加拿大等国[3]。除极少部分用作工业原料(如造纸)或秸秆还田外,绝大部分都被烧掉或废弃,且造成很大污染。据农业部统计,我国仅麦秸的年剩余量约1亿t [4],若利用1%即可以生产出将近100多万m 3的麦秸板,不仅可以满足生产和生活的需要,同时也节约了木材,保护了环境。1 麦秸板的研究及开发
1.1 国外麦秸板的研究与开发
麦秸作为农业生产的一种副产品,最早被用于制作草筋泥板,用来建造房屋。1905年德国曾用麦秸等农作物秸秆原料与胶粘剂混合进行过制板研究。1930～1940年美国也进
行过利用此原料制造绝缘板的研究[3,5,6]。英国在20世纪40年代中期开始用稻草和麦秸
制造纸面草板,该技术曾转让世界二十几个国家。1970年联合国工发组织就非木材人造第15卷 第1期 世 界 林 业 研 究 Vo l.15 N o.12002年2月 W or ld Fo restr y R esea rch F eb.2002X 收稿日期:2001-04-25
板召开了有13个国家参加的研讨会,人造板生产利用农业剩余物已扩大至各种秸秆材料[7,9]。但真正研究和开发以麦秸为原料,来生产人造板并大规模应用于生产和生活中,还是近些年才迅速发展起来的。近几届较有影响的美国华盛顿州立大学刨花板及木质复合材料研讨会以及欧洲人造板产品研讨会中都涉及到了此方面的内容。
虽然麦秸的主要成分为纤维素、半纤维和木素,但其结构疏松,纤维细胞含量(60%)低于木材(75%～98%),溶液抽提物含量较高,灰分大,因此其本身强度远远低于木材。针对上述麦秸特性,对如何利用它制造出高强度、能满足使用要求的麦秸板,许多国家都进行了广泛深入的研究,并且近些年越来越受到人们的关注。特别需要指出的是,异氰酸酯胶用于制造麦秸板,对麦秸板性能的提高起到了决定性的作用,促进了麦秸板研究和生产的发展。由于麦秸表面含有大量蜡质及硅类物质,其与普通脲醛树脂胶和酚醛树脂胶的粘合性较差、板强度低。而异氰酸酯胶(MDI)则克服了上述困难,该胶中含有极强活性基团异氰酸根(-NCO),与麦秸纤维中的羟基反应,产生强度高,对酸、碱及水有较好稳定性的接合键。此外,异氰酸根还可以与麦秸中的水反应生成聚脲,从而形成牢固的结合,使麦秸板具有很好的物理力学性能[10]。
各国麦秸板研究涉及的内容非常广泛。美国麦迪逊林产品实验室的M Ro well 对包括麦秸在内的20种秸秆类植物的纤维进行了化学成分分析及性能比较,认为利用它们及将其与其它材料复合来制造人造板是可行的[11]。另外,美国学者曾经研究过以麦秸为增强材料,将其与塑料复合来制造复合板的生产工艺。从研究结果来看,随着聚丙烯中麦秸的加入(30%～50%),其复合材料的拉伸强度及柔韧性比纯聚丙烯材料均有显著提高,且使成本降低。这些说明利用麦秸与其它材料复合来生产人造板是完全可行的。
英国威尔士大学生物复合材料研究中心的J Hague 等人分别采用脲醛树脂胶、酚醛树脂胶及异氰酸酯胶,对麦秸等农业剩余物制造的刨花板性能进行了深入研究[12]
,结果表明:用这些剩余物若按木材刨花板的方法制造板材,其强度偏低,这主要是由于它们表面的蜡质及硅质层影响胶粘剂的胶合性能,因此应对表面进行预处理及改进制造工艺,同时,还要注意刨花形态的选择,以此来提高内结合强度。
美国麦迪逊林产品实验室与伊利诺伊大学的研究人员合作对麦秸等植物纤维原料的资源状况、化学成分、制板的性能及市场应用前景进行详尽的研究与分析,认为利用它们制造人造板是可行的,原料资源极为丰富。该研究提出了许多有益的指导性建议[13]。美国的Stev en L Sauter 对用脲醛树脂胶制造的麦秸板的性能进行了详细的探讨。结果表明:脲醛胶麦秸刨花板比脲醛胶木材刨花板的强度要低很多;但麦秸中密度板的性能较好,可以与木材相比。他还指出了诸如进一步降低麦秸板吸水厚度膨胀和线性膨胀率,以及进行各种材料贴面研究的建议。日本京都大学木质科学研究所用脲醛树脂胶添加硅烷偶联剂的方法来制造麦秸板,提高板的内结合强度,也取得了较好的效果[14]。
德国著名的Bay er 公司以及原Bison 公司研究中心也都对以1年生植物作为原料来生产刨花板这一领域进行了探索[15,16]。研究结果显示:虽然对麦秸原料进行碱预处理,可以使用常规脲醛胶粘剂来制造麦秸板,但工艺不易实施,成本较高,不利于普遍采用和推广;使用聚异氰酸酯胶(PM DI )时,麦秸板的性能较好,施加内脱模剂可以解决粘板问题,且工艺上容易实施;同时,研究也表明,若100%用麦秸作为原料制造人造板,施胶量比用木材要大些,一般为3%～5%,而木材为2.5%～3%,这使胶的成本有所增加;另外,在所37第1期 王 戈 余 雁 卢狄耿:国内外麦秸板的研究、生产及发展
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用麦秸中小麦麦秸的强度为最好。瑞典和荷兰的生产技术人员对采用异氰酸酯胶粘剂来生产麦秸板的生产工艺及设备进行了研究与开发。并应用到实际生产中,取得良好效果。从生产情况来看,麦秸的粉碎、胶粘剂的施加及板坯铺装是关键所在,解决得好,完全可以生产出达到美国ANSI标准要求的板材。近些年许多国家都加大了开发生产麦秸板成套设备的力度。并取得了实质性突破。加拿大的C Willion,Russell对麦秸原料的化学成分、收集方式、麦秸板的性能和生产中应注意的问题,以及生产麦秸板对环境的影响都进行了研究与分析[17]。为进一步研究麦秸板提供了很好的借鉴。加拿大阿尔伯塔研究协会(ARC)也一直对利用麦秸等农剩物生产人造板材进行研究,并积极进行商业化推广。
最近,美国M innesota大学及Goldboard公司的科研人员联合发表了最新研究成果[3],他们认为麦秸原料在北美及中国和印度等地均非常丰富,具有很大开发潜力。文章从世界木材资源及板材消耗情况入手,详细阐述了麦秸原料及利用的历史、北美麦秸板的生产情况及存在的问题,分析了麦秸板的经济效益及市场潜力。
1.2 国内麦秸板的研究与开发
我国研究人员,对利用麦秸来生产人造板同样进行了大量的研究与探索。早在20世纪40～50年代上海就利用麦秸制造软质纤维板用作吸声材料,但因原料收集、运输及工艺设备等诸多问题,一直未发展起来。1981年中国新型建筑材料总公司从英国引进利用稻草及麦秸来生产纸面草板的两条生产线,但由于该板的性能及用途所限,一直没有推广开[7]。现在我国麦秸的主要用途是造纸,还有一些采用农业领域的研究成果进行麦秸秆保水或还田等[18]。但大部分仍是烧掉和废弃,曾引起严重的环境污染。
80年代中期江西省建筑材料科学院对麦秸刨花板进行了初步研究,并研制了小型加工设备。西北人造板机器厂在80年代后期对麦秸板生产工艺及设备、板的性能及应用范围进行了研究与分析,提供了一些生产工艺参数及成本核算数据[19]。江西建筑人造板研究所对利用平压法生产改性脲醛胶酚醛胶麦秸板进行了尝试[20],结果表明:利用脲醛胶制造的麦秸板的平面抗拉强度较差,但由于原料来源广泛,工艺简单,成本低,产品具有一定市场竞争力,该研究也给出了生产成本核算。中国林科院的研究人员在这期间也在实验室对制造麦秸板进行过研究。
90年代以来,东北林业大学对麦秸特性与制板工艺进行了广泛、深入、细致的研究及分析。该研究涉及了麦秸的结构与特性,麦秸板的制造工艺参数等[21],研究表明:采用脲醛树脂胶,当施胶量为14%,密度大于0.8g/cm3时,板材才能获得较理想的强度。这说明由于表皮蜡层及硅质细胞的存在,使麦秸与脲醛胶胶合时难以达到牢固结合,形成高强度,建议使用异氰酸酯胶粘剂。最近,东北林业大学完成了麦秸稻草农作物秸秆人造板制造技术的开发课题。该大学的研究人员对麦秸刨花在使用异氰醛酯胶时胶接效果的视觉进行了分析,通过炭化荧光显微技术可以更清楚地观察到麦秸板的胶接视觉效果和状态。一些学者还对发展麦秸人造板的生态效应进行了详细的论述,认为麦秸人造板属于维护生态资源、保护环境的绿色产品,将会带来较好的经济社会和生态效益[22]。另外,还有一些研究人员对麦秸板备料加工工艺及制成板的性能进行了探讨。
南京林业大学的科研人员在麦秸板的研究方面投入了大量精力。成立了农作物秸秆与速生材工程研究中心,着重研究了麦秸作为墙体保温材料的可能性以及利用麦秸制造刨花板和中密度纤维板的生产工艺。并开发了相应的专用胶粘剂。同时,对麦秸板的胶合
机理及麦秸表面润湿性进行了研究[23],利用差示扫描量热法(DSC ),来测定异氰酸脂胶及脲醛树脂胶与麦秸之间的反应热;通过测量不同表面张力的胶液体对麦秸的接触角,推算麦秸表面自由能等,进一步从微观上说明异氰酸酯胶与麦秸结合比与脲醛胶结合牢固的原因。对麦秸与其他材料的复合性能也进行了研究。
黑龙江省林科院林产工业研究所在90年代中期对利用麦秸的制板工艺、生产设备及板材功能性进行了深入研究[24]。研究表明:利用麦秸与聚异氰酸酯(PM DI)混合,当施胶量为3%,热压温度为160℃时,可以制造出高性能麦秸板。同时,经过特殊处理,麦秸板的耐腐、阻燃性可显著提高;对现行木材刨花板设备进行局部改造可以用来生产麦秸板;该研究还对将麦秸板用作墙体材料进行了初步的探索。武汉建材设计研究院也对麦秸板做过研究和探讨,并给出了产品性能参数。
除了用有机胶粘剂制造麦秸板外,南京林业大学、东北林业大学和黑龙江省林产工业研究所,都曾对利用水泥作为基质制造水泥/麦秸刨花板进行过研究。结果表明:在加入适当助剂的情况下,可以生产出较高质量的水泥/麦秸板,它具有很好的防水性、阻燃性及尺寸稳定性,可以用作建筑墙体材料。研究还对制造过程中产生的缺陷进行了分析。
近几年我国对麦秸板研究越来越广泛,2001年分别在成都和南京召开了“全国农业剩余物及非木材植物的综合利用新技术研讨会”及“农业和林业剩余物加工利用国际研讨会”,发表了大量有关麦秸板的加工工艺、胶合机理、复合性能、开发应用前景等研究成果,呈现出木材行业新的研究热点。考虑到我国基本国情,以及麦秸板自身具有的性能优势和环保功能,麦秸板的发展在中国是很有前途的。
2 麦秸板的生产及设备
在世界范围,麦秸的资源极为丰富,虽然在传统工业主要用于造纸[25],但随着近些年研究的深入,麦秸板已进入到大规模生产阶段,配套设备大量涌现。从全球角度看,麦秸板的生产中心在北美洲,主要是在加拿大和美国。在北美,目前有10余家主要以麦秸为原料生产刨花板的工厂,至少有12条生产线在运行[2]。最著名的有加拿大的Isobo ar d 公司和美国的Prime Bo ar d 公司。美国的Prime Board 公司采用瑞典Dapro ma 公司生产的设备,
设计年产278.7万m 2(3000万平方英尺,厚3/4英寸计,以下同)。热压机为多层有垫板
式。胶粘剂使用美国ICI 公司生产的环保型异氰酸酯胶—Rubinate,用施加外脱膜剂的方法来脱膜。该厂的建立得到了美国农业部农业研究及商业应用中心(AARC)的资金与技术支持[26]
。位于加拿大M anitoba,Elie 的Isobord 公司主要采用Kvaerner 公司生产的设备,投资约为1.1亿美元,设计年产量为1337.8万m 2(1.44亿平方英尺),系采用连续式热压机,使用Dow 化学公司生产的聚异氰酸酯胶,脱膜方式是采用上下板坯上各铺一层牛皮纸的方法,热压后的板材经砂光,砂掉表层的牛皮纸[27]。该公司产品已大量投放市场。
另外,英国Com pak 公司,从20世纪80年代末,也致力于研制开发以农业剩余物为原料生产人造板的小型设备。1990年为挪威提供一条以麦秸为主要原料来生产刨花板的生产线。1995年为澳大利亚提供2条麦秸板生产线。1997年进入北美市场。德国Schenck 人造板机械设备制造公司与美国Phenix 公司联合研制生产麦秸和豆秸的成套设备,并已39第1期 王 戈 余 雁 卢狄耿:国内外麦秸板的研究、生产及发展
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在美国的M inneso ta,Le Ceter建厂,该套设备可以将多种农业剩余物加工成人造板。最近,原Valmet公司与Sorm a公司合作也加入到联合开发生产麦秸板设备的行列。
1994年以前,北美地区没有一家正规生产麦秸板的工厂,但到2000年底已有十余家生产厂,总产量已达2415.5万m2(2.6亿平方英尺),并相继还有一些生产线上马。预计到2005年麦秸等农业剩余物人造板产量可达4831.0万m2(5.2亿平方英尺),2010年为9290.3万m2(10亿平方英尺)[28]。
我国麦秸板工业化生产还处于起步阶段,黑龙江省林产工业研究所与河北赛博板业集团联合,通过对原刨花板生产线的改造,成功生产出了麦秸板,该产品获1999年国家新产品称号。目前,上海人造板机器厂等单位联合研制年产3万m3的麦秸板成套设备。东北林业大学与四川东华机械厂开发了年产1.5万～3.0万m3秸秆中密度纤维板成套设备,主要以麦秸、稻草为原料生产优质中密度纤维板。南京林业大学与苏福马有限公司及江苏建湖轻工机械厂合作建起小型年产5000～7000m3麦秸板生产厂。中国林科院与北京鑫源宏业投资有限公司引进风险投资基金,联合研制开发均质麦秸刨花板生产工艺及设备,并成立了麦秸板研究中心。国内许多企业已对麦秸板产生极大兴趣。另外,对现有的刨花板厂工艺设备进行局部改造来生产麦秸板是可行的,且投资小,见效快,适合中国的基本国情。在这方面也有相关研究和报道[29]。因此,对麦秸板市场前景普遍看好。
3 需要解决的问题及发展趋势
3.1 原料的运输与贮存
由于麦秸原料质轻,堆积密度小,所占用场地较大,给运输效率和贮存质量都带来不利影响。国外普遍采用打包形式贮存,将麦秸打成1220mm×1220mm×2440mm的方包(约1t重),便于运输和存放。原料可以一次性收购,但要有足够的场地且注意防腐防火。也可以分批收购,分地贮存,采用定期运送到工厂的方法,减轻集中管理的压力。建厂应首选麦产区,麦秸原料收购的半径小于50km为宜。
3.2 产品成本
一般来说,制造麦秸板均采用异氰酸酯胶粘剂,其价格较高。虽然麦秸原料比木材便宜,施胶量小,生产动力消耗也少,可以节约一些生产成本,但如何控制和降低胶的生产成本仍是最需要解决的问题之一。另外,还有降低脱模剂的成本问题,改善板坯初强度的问题等。国外的生产企业也面临同样的压力。因此,若想与传统的木材刨花板和M DF相竞争,解决上述问题是关键。
3.3 社会的认知和扩大产品的用途
由于麦秸板是新出现的产品,得到社会的接受和认可还需要一段过程。但由于它具有防潮等许多优良的物理力学性能以及绿色无污染的环保功能,并能为当地农民增加收入[40],因此,国家及地方政府应在政策与资金上给予大力支持和扶持。在我国华北、西北等产麦区开发麦秸板项目将具有很大潜力。另外,还应继续进行提高麦秸板各项性能的研究,如阻燃、耐腐性、尺寸稳定性以及与其它有机或无机材料复合的性能等,扩展其使用范围,开辟建筑等多领域的应用市场。
3.4 加强合作
麦秸板在我国刚刚兴起,特别是配套的工艺及生产设备跟不上形势的需要。生产工艺的成熟度不够,稳定性差,国产设备生产滞后。因此,应在加强我国自身联合研制开发的同时,多借鉴国外现成的经验及教训,使我们少走弯路。有能力的企业可以考虑与外国公司合作,引进先进工艺及设备,充分发挥我国巨大的麦秸资源优势,使麦秸板生产形成规模。
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The Research,Production and Development of Wheat Straw
Board Inside and Outside China
Wang Ge Yu Yan Lu Digeng
Abstract T his paper review s the research and development situation of m anufacturing w heat straw board w ith agricultural residues—w heat straw in so me countries,and intro duces industrialized production and techno logical characteristics of m anufacturing w heat straw board in domestic and international enterprises.The dev elo ping trend and so me problem s on w heat straw board pr oduction are prov ided in this paper.
M r.Wang Ge affiliates with the Research Institute of Wood Industry,CAF,Beijing 100091,China.
新书预告
《国际林联第21届世界大会论文选编》征订启示
国际林业研究组织联盟(国际林联/IUFRO)第21届世界大会于2000年8月7日至8月12日在马来西亚吉隆坡召开。本次大会的主题是“森林与社会:科学研究的作用”,这一主题非常及时地反映了全球对森林的林副产品、环境与社会的需求,同时强调了林业科学研究活动在未来林业发展中的重要作用。这届IUFRO世界大会是一次非常重要的国际林业盛会,信息十分丰富,对于21世纪的林业发展影响深远。为此,中国代表团的部分成员从大会录用的近1500余篇论文中精选出了一部分,编辑出版了《国际林联第21届世界大会论文选编》。该论文选编的主要内容包括:大会重要人物的讲话译文;全体会议上的5篇重要发言的译文;大会5个专题的综述;每个专题中重要论文的译文。该论文选编已由中国环境科学出版社出版,现在开始征订。该论文选编的单价为60元,另加包装和邮费10元。欲订购者请与李维长联系,地址:北京颐和园后中国林科院科信所,联系电话: 010-********。