農(nóng)作物秸稈用于制取路用纖維的探索

段紹帆，蒙嘉璐，白 洋，楊 武，馮 錦

(貴州理工學(xué)院 交通工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003)

1 引言

農(nóng)作物秸稈是一類重要的可再生生物質(zhì)資源，中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量高于7億噸。但由于其分布范圍廣，體積大，收集運輸不便，往往得不到充分利用而成為廢棄物，甚至被農(nóng)民就地焚燒，既污染環(huán)境，又浪費資源。當前全球氣候變暖以及礦物能源短缺是世界各國所面臨的嚴重問題，開發(fā)利用不會對環(huán)境帶來污染的可再生能源已成為當今社會主要的課題之一[1-3]。農(nóng)作物秸稈中含有的大量纖維，是一種豐富的生物質(zhì)能源，具有可再生，可降解等優(yōu)點，農(nóng)作物秸稈纖維的提取和利用被認為是發(fā)展可持續(xù)能源的有效途徑。 纖維類能源植物具有很高的產(chǎn)量、纖維含量且對環(huán)境友好，是目前最有發(fā)展前途的生物質(zhì)能源之一。由此可見，科學(xué)合理的利用農(nóng)作物秸稈是減少環(huán)境污染，是提高秸稈資源經(jīng)濟價值的主要途徑之一[4-6]。

目前，農(nóng)作物秸稈在用于路用纖維方面的研究還相對較少。瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗疲勞特性等路用性能的好壞決定了瀝青路面的使用壽命，而對瀝青混合料起粘結(jié)作用的瀝青膠漿的性能很大程度上決定了瀝青混合料的路用性能，尤其是對混合料低溫抗開裂、抗疲勞性能有重要影響[7-8]。郎森等[9]以廢棄農(nóng)作秸稈為原料提取秸稈纖維，研究秸稈纖維的路用性能，在不同的纖維摻量下，選用木質(zhì)素纖維和礦物纖維作為對比，分別開展析漏損失、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性試驗研究。實驗結(jié)果表明：秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的各項路用性能相差不大。因此秸稈纖維可以作為瀝青路面添加材料，從而為減少瀝青路面的早期破壞提供材料支持[10-11]。

本文設(shè)計試驗在一定條件下的堿性溶液中從農(nóng)作物秸稈中提取纖維，通過設(shè)計對比試驗比較農(nóng)作物秸稈纖維相對于礦物纖維和木質(zhì)纖維的性能優(yōu)劣，并測試農(nóng)作物秸稈纖維的高溫穩(wěn)定性，從實驗結(jié)論得出農(nóng)作物秸稈纖維在瀝青混合料中的路用性能。

2 原材料性能

試驗所用纖維為木質(zhì)素纖維，所用纖維為玄武巖纖維，所用農(nóng)作物纖維為高粱秸稈纖維其主要技術(shù)指標如表1、表2和表3所示。

表1 木質(zhì)素纖維

表2 玄武巖纖維

表3 高粱秸稈纖維

3 農(nóng)作物秸稈纖維制取

將農(nóng)作物秸稈去葉并切成小段，用清洗干凈，在沸水中煮1h，烘箱中烘干。用粉碎機粉碎，得到秸稈粉末，取適量秸稈粉末，加入質(zhì)量分數(shù)3%的氫氧化鈉溶液，加熱至50℃，攪拌1.0h，洗滌，烘干。得到的干燥粉末，加入適量一定比例的冰醋酸與3.5g/L的亞氯酸鈉混合溶液，在溫度為65℃的水浴中攪拌處理1h，原料變白，然后用丙酮浸泡，過濾，洗滌，過濾，烘箱中烘干，得到高粱秸稈纖維，如圖1所示。

圖1 高粱秸稈纖維

將西紅柿秸稈去葉并切成小段，用清洗干凈，在沸水中煮1h，烘箱中烘干。用粉碎機粉碎，得到秸稈粉末，取適量秸稈粉末，加入質(zhì)量分數(shù)為4%的氫氧化鈉溶液，秸稈與堿液質(zhì)量比分別為1:4在溫度160℃，壓力為40kPa條件下恒溫30min，洗滌過濾，烘箱中烘干，即得到西紅柿秸稈纖維，如圖2所示。

圖2 西紅柿秸稈纖維

從制取纖維的結(jié)果來看，質(zhì)量分數(shù)4%的氫氧化鈉溶液尚難以有效去除農(nóng)作物秸稈中的木質(zhì)素、粗蛋白等物質(zhì)，因此，項目組將氫氧化鈉溶液的濃度增至10%，再次制取了農(nóng)作物秸稈纖維，其他制取條件相同。

從外觀上看，采用10%氫氧化鈉溶液制取的秸稈纖維已經(jīng)實現(xiàn)了對木質(zhì)素和粗蛋白等物質(zhì)的有效去除，且與購買的成品木質(zhì)纖維形狀相近，如圖3所示。

(a)礦物纖維；(b)木質(zhì)纖維 ；(c)秸稈纖維

纖維的吸油性能是評價纖維性能優(yōu)劣的重要指標。項目自主設(shè)計了纖維吸油量試驗，即采用紗布包裹相同質(zhì)量的礦物纖維、木質(zhì)纖維和農(nóng)作物秸稈纖維，浸潤在熔融的瀝青中相同時間，分別稱量各組纖維試件吸附瀝青的質(zhì)量，并以此對纖維的吸油性能進行評價，結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種纖維吸油性能對比

從圖4可以看出，三種纖維的吸油量為農(nóng)作物秸稈纖維>木質(zhì)纖維>礦物纖維，即農(nóng)作物秸稈纖維具有優(yōu)良的吸油性能。

5 農(nóng)作物秸稈纖維瀝青混合料性能測試

項目采用70#道路石油瀝青為膠結(jié)料，分別摻加礦物纖維、木質(zhì)纖維和農(nóng)作物秸稈纖維成型了SMA-13瀝青混合料，并測定了三種混合料的穩(wěn)定度和流值，如圖5所示。

圖5 三種纖維混合料性能對比

從圖5可以看出，農(nóng)作物秸稈纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度、流值等指標與木質(zhì)素纖維接近，滿足規(guī)范要求。

6 農(nóng)作物秸稈纖維高溫穩(wěn)定性分析

在瀝青混合料拌和過程中，拌和溫度一般在150℃以上，因此，在拌和、運輸和碾壓過程中，耐高溫而發(fā)生明顯性能變化，是評價路用纖維適用性的重要評價指標。

項目為對制取的農(nóng)作物秸稈纖維的高溫穩(wěn)定性進行評價，將秸稈纖維分別在170℃高溫環(huán)境箱中放置30min和60min，并分別觀察其形狀以及顏色變化，如圖6所示。

圖6 秸稈纖維在170℃時加熱不同時間的形狀對比

從圖6可以看出，農(nóng)作物秸稈纖維在170℃高溫下加熱30min和60min后，其形狀均未發(fā)生明顯變化，即表明農(nóng)作物秸稈纖維具有較好的耐高溫性能，能夠滿足在熱拌瀝青混合料施工溫度環(huán)境下保持穩(wěn)定的要求。

7 結(jié)論

本文探索了從農(nóng)作物秸稈中提取路用纖維的技術(shù)方法，提出并優(yōu)化了從農(nóng)作物秸稈中提取纖維的方法，并對農(nóng)作物秸稈纖維的吸油性能、對瀝青混合料性能影響，以及耐高溫性能進行了研究，取得以下主要結(jié)論。

(1)提出了農(nóng)作物秸稈路用纖維的制取工藝；

(2)通過改變堿性溶液濃度，對農(nóng)作物秸稈纖維的制取工藝進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的制備工藝具有更好的制備效果；

(3)設(shè)計了纖維吸油性試驗，其結(jié)果表明，農(nóng)作物秸稈纖維具有相對于礦物纖維和木質(zhì)纖維更好的吸油性能；

(4)農(nóng)作物秸稈纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度、流值等指標與木質(zhì)纖維接近，滿足規(guī)范要求；

(5)農(nóng)作物秸稈纖維在170℃的高溫環(huán)境下，經(jīng)1h加熱后其形狀無明顯變化，表明農(nóng)作物秸稈纖維具有較高的耐高溫性能，能夠滿足在瀝青路面施工過程中的性質(zhì)穩(wěn)定。