生物質(zhì)育苗缽熱壓成型特性試驗分析

馬永財，滕 達，王漢羊，毛 欣，李昊庭，呂 卓

(黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

秸稈和禽畜糞便作為可再生資源，在能源和資源開發(fā)戰(zhàn)略中發(fā)揮了積極的作用，盡管我國是合成肥料的生產(chǎn)和消費大國，但作為潛在資源的農(nóng)作物秸稈和禽畜糞便并沒有得到有效利用。在過去，中國大部分地區(qū)農(nóng)作物秸稈被焚燒或丟棄，而未經(jīng)有效處理的牲畜家禽糞便則經(jīng)常排放到地表水中[1-2]，這不僅造成了資源浪費，還對環(huán)境造成了污染。

當前農(nóng)作物育苗主要使用由聚乙烯、聚氯乙烯等材料制得的塑料育苗缽，因其具有價格低、可重復使用等優(yōu)點被種植者廣泛使用，但由于塑料育苗缽的透水、透氣性差，在移栽過程中需要從育苗缽中取出苗坨進行移栽，此過程會對根系造成損傷，移栽后有緩苗期，在一定程度上影響作物生長[3]。此外，塑料育苗缽如果得不到有效處理，泄露到土壤、水體等自然環(huán)境會對土壤和環(huán)境造成污染等問題[4]。因此，開展生物質(zhì)育苗缽成型特性試驗研究，利用熱壓成型技術(shù)制備可降解生物質(zhì)育苗缽，既實現(xiàn)了秸稈的還田循環(huán)利用，又實現(xiàn)了秸稈和動物糞便的資源化、綜合化和高值化利用，對實現(xiàn)低碳、環(huán)保、生態(tài)、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

以水稻秸稈和發(fā)酵牛糞混合物為研究對象，采用熱壓成型工藝，探討成型壓力、成型溫度、秸稈含量及含水率對育苗缽成型特性的影響，以期為生物質(zhì)育苗缽壓縮成型工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻秸稈取自黑龍江八一農(nóng)墾大學試驗田，發(fā)酵牛糞選自中國山東省肥沃農(nóng)資有限公司。水稻秸稈經(jīng)DLF-20粉碎機粉碎，利用GB/T6003.1—2012標準檢驗篩將水稻秸稈分級處理，并對發(fā)酵牛糞進行過篩處理，剔除發(fā)酵牛糞中石子等雜質(zhì)后，置于室內(nèi)通風處自然晾干48 h后采用塑料密封袋保存待用。

1.2 儀器與設(shè)備

生物質(zhì)育苗缽成型壓力機及配套模具如圖1所示。該設(shè)備主要由壓縮成型系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)3部分組成。育苗缽壓縮成型模具依據(jù)常見規(guī)格50穴育苗盤尺寸540 mm×280 mm設(shè)計，育苗缽外徑54 mm，育苗缽底直徑45 mm，高50 mm，壁厚5 mm。

圖1 壓縮成型設(shè)備簡圖

試驗用WDW-200E型微機控制電子式萬能試驗機，精準等級為1級，最大壓力為200 kN，誤差±1%；DLF-20秸稈粉碎機，粉碎程度，60～800目；GB/T6003.1—2012標準檢驗篩，2～80目；JD300-3電子分析天平，精度0.001 g；MS100型水分自動測量儀，測量范圍0～100%，精度 0.01%。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計

采用單因素試驗方法研究成型壓力、成型溫度、秸稈含量及含水率對抗破壞強度和耐久度的影響，試驗因數(shù)及水平如表1所示。

表1 試驗因素和水平

根據(jù)預試驗確定壓制育苗缽所需物料為85 g，每次試驗前，將模具預熱3～5 min達到目標溫度。隨后，運行萬能試驗機，以10 mm·min-1的加載速度進行壓縮成型，試驗中的力由計算機控制系統(tǒng)控制，最大壓力200 kN。達到試驗所需壓力后計算機程序自動控制暫停，并保壓20 s，保壓結(jié)束后開啟冷卻系統(tǒng)，當模具溫度達到25 ℃以下時暫停冷卻，啟動萬能試驗機上升程序，取出成型育苗缽，將育苗缽標記好放在陰涼通風處自然放置。壓制成型后生物質(zhì)育苗缽如圖2所示。

圖2 生物質(zhì)育苗缽試驗樣品圖

1.3.2 指標測定

1)抗破壞強度。抗破壞強度是模擬在運輸和存儲的過程中作用在生物質(zhì)育苗缽上的力。將壓制成型的生物質(zhì)育苗缽垂直放置在萬能試驗機操作臺上，通過電腦控制萬能試驗機，以10 mm·min-1的速度向下移動，直至生物質(zhì)育苗缽破碎開裂，壓頭返回初始位置。試驗過程中通過計算機控制系統(tǒng)采集育苗缽壓縮力-位移曲線，該曲線中的峰值即作為育苗缽的抗破壞強度。

2)耐久度。耐久度是衡量育苗缽在運輸、儲存過程中的重要指標。根據(jù)歐盟技術(shù)標準 CEN/TS15210-2[5]，使用直徑和深度均為598 mm的旋轉(zhuǎn)滾筒和垂直于圓筒壁598 mm×200 mm的擋板來測量育苗缽的耐久度。滾筒以21 r·min-1的轉(zhuǎn)速持續(xù)轉(zhuǎn)動5 min，測量育苗缽初始質(zhì)量及磨損后質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)最后根據(jù)公式(1)計算育苗缽耐久度[6]

(1)

式中：Du育苗杯耐久度，%；m1為磨損后育苗缽的質(zhì)量，g；m為育苗缽初始質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型壓力對成型特性的影響

成型壓力對抗破壞強度和耐久度的影響如圖3所示。

圖3 成型壓力對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖3可知，隨成型壓力的增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度均呈現(xiàn)上升趨勢。在成型溫度為140 ℃、秸稈含量為6%、物料含水率為14%的條件下，隨著成型壓力的增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度不斷增加。成型壓力是生物質(zhì)壓縮成型的一個重要參數(shù)，當成型壓力較小時不能使原料壓實，甚至不能滿足原料和成型模具間的摩擦力，導致無法成型或成型產(chǎn)品質(zhì)量低。隨著成型壓力的增加，物料顆粒間的空隙減少，物料原有結(jié)構(gòu)重新組合，顆粒間形成范德華力和氫鍵結(jié)合力，提高了成型育苗缽的塑形能力[7]。然而，當成型壓力過大時，成型育苗缽的抗破壞強度越高耐久度越強，但過高的成型壓力會增加制備育苗缽的能耗，加快模具磨損，以及不利于作物秧苗根系穿透育苗缽，限制根的生長。因此，成型壓力過大或過小都會影響成型育苗缽的品質(zhì)，只有適當?shù)某尚蛪毫Γ拍鼙ＷC成型育苗缽的品質(zhì)和最佳使用效果。

2.2 成型溫度對成型特性的影響

成型溫度對抗破壞強度和耐久度的影響如圖4所示。

圖4 成型溫度對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖4(a)可知，隨成型溫度的增加，成型育苗缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在成型壓力為160 kN、秸稈含量為6%、物料含水率為14%的條件下，當成型溫度由80 ℃增加至120 ℃，抗破壞強度由4.368 kN增大至7.215 kN，當繼續(xù)提高成型溫度至200 ℃時，抗破壞強度由7.215 kN降低至4.285 kN。由此可知，當溫度低于120 ℃時，隨著溫度的增加，抗壓強度不斷增大，當溫度超過120 ℃時，抗壓強度隨著溫度的增加而降低。這是因為溫度的適當提高有利于秸稈中木質(zhì)素的軟化和擴散，形成實心橋，提高成型育苗缽的品質(zhì)[8]。

由圖4(b)可知，隨成型溫度的增加，成型育苗缽的耐久度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當其他條件設(shè)置為中間水平，成型溫度由80 ℃增加至140 ℃，耐久度由84.665%增大至99.607%。當繼續(xù)提高成型溫度至200 ℃時，耐久度由99.607%降低至63.956%，由此可知當溫度大于140 ℃時，隨著溫度的不斷增加，成型育苗缽的耐久性不斷降低，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是因為過高的溫度會破壞秸稈內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使育苗缽中的天然粘結(jié)劑木質(zhì)素發(fā)生變質(zhì)，降低內(nèi)部分子之間的結(jié)合度，使成型育苗缽的耐久度下降[9]。因此，為了保證成型育苗缽的質(zhì)量，成型溫度應(yīng)該控制在120～140 ℃。

2.3 秸稈含量對成型特性的影響

秸稈含量對抗破壞強度和耐久度的影響如圖5所示。

圖5 秸稈含量對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖5(a)可知，隨混合物料中秸稈含量的增加，成型育苗缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在成型壓力160 kN、成型溫度140 ℃、物料含水率14 %條件下，當秸稈含量由3 %增加至 8%，抗破壞強度由4.465 kN增大至6.622 kN。當繼續(xù)提高混合物料中秸稈占比至9 %，抗破壞強度由6.622 kN降低至5.651 kN。這是因為一定的秸稈含量在壓力作用下會相互纏繞起到“骨架”作用，增加抗壓強度，而當秸稈含量過多牛糞含量較少時，二者不能充分結(jié)合，從而形成松散狀態(tài)，降低了其抗壓強度。

由圖5(b)可知，隨秸稈含量的增加，成型育苗缽的耐久度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當其他條件設(shè)置為中間水平，秸稈含量由3%增加至7 %，耐久度由88.860%增大至99.522%。當繼續(xù)提高混合物料中秸稈占比至9%，抗破壞強度由99.522%降低至96.764%。由此可知，適當增加秸稈含量可提高耐久度，但是當秸稈含量超過7%時，耐久度則呈現(xiàn)降低的趨勢，這是因為秸稈含量較低時，隨著秸稈含量的增加，秸稈之間形成固體橋，在范德華力、氫鍵結(jié)合力等共同作用增加了其耐久度，但當秸稈含量過大時，雖增多了混合原料中的木質(zhì)素，但由于水稻秸稈的粒徑大于發(fā)酵牛糞，使物料混合不充分，成型育苗缽易出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，從而降低了耐久度[10]。因此，為了保證成型育苗缽的質(zhì)量，秸稈含量應(yīng)該控制在7%～8%范圍內(nèi)。

2.4 含水率對成型特性的影響

含水率對抗破壞強度和耐久度的影響如圖6 所示。

圖6 含水率對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響

由圖6(a)可知，隨含水率的不斷增大，成型育苗缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在成型壓力160 kN、成型溫度140 ℃、秸稈含量6 %條件下，當含水率由8 %增加至16 %，抗破壞強度由2.105 kN增大至6.723 kN。當繼續(xù)增大物料含水率至20%，抗破壞強度由6.723 kN降低至4.237 kN。這是因為水既是粘合劑，又是潤滑劑。當水分含量處于適當水平時，可以提高范德華力，進而增加顆粒間的粘結(jié)力。但是，當含水率超過合理值時，水作為潤滑劑的作用占主導地位[11]。因此當水分含量超過16 %時，由于水作為潤滑劑占主導作用，抗壓強度會降低。

由圖6(b)可知，隨含水率的不斷增大，成型育苗缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當其他條件設(shè)置為中間水平，含水率由8%增加至16%，耐久度由80.360%增大至99.021%。當繼續(xù)增大物料含水率至20%，抗破壞強度由99.021%降低至94.271%。水分含量對耐久度的影響較大，低水分含量時，分子之間的結(jié)合力較弱，耐久度較低，隨著水分含量的增加耐久度增加。水分含量較高時，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耐久度[12]。

3 結(jié)論

采用熱壓成型技術(shù)，對水稻秸稈和發(fā)酵牛糞混合物料制備育苗缽的成型特性進行了試驗研究，研究結(jié)果表明，成型壓力、成型溫度、秸稈含量及含水率對成型育苗缽的成型特性均有顯著影響。隨成型溫度、秸稈含量、含水率的增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度均呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢。當成型溫度為120 ℃時抗破壞強度達到峰值；成型溫度為140 ℃時耐久度達到峰值；秸稈含量為7%時抗破壞強度達到峰值；秸稈含量為8%時耐久度達到峰值；含水率為16%時，成型育苗缽抗破壞強度和耐久度均達到峰值。隨著成型壓力的不斷增加，成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度均增大，但考慮能耗和使用效果，成型壓力在160 kN為宜。