一种利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸秆胶合性能的方法

一种利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸秆胶合性能的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用介质阻挡放电等离子体改善农作物秸秆表面润湿性和界面胶合强度的方法。属于人造板制造技术领域。其工艺是将秸秆去叶、鞘、节，截成2～30cm长，经软化、干燥处理后，调含水率至6～10％，放于水蒸气介质阻挡放电等离子体处理秸秆专用装置的石英反应腔进行处理；将含水蒸气的气体通入反应腔，通过真空泵控制腔内压力为5～100kPa，开启等离子体电源，调节放电功率为20～500W，电极间距为5～12mm，使电极间的水蒸气激发放电产生低温等离子体，并持续处理秸秆表面10～600s；在经处理的农作物秸秆表面施胶，热压后使胶粘剂固化获得胶合强度。该方法可显著提高秸秆内?内、内?外和外?外表面间的胶合，提高秸秆板产品质量，且设备简单、易操作、节能高效、环保无公害。
【专利说明】
一种利用水蒸气介质阻挡放电等离子体増强农作物秸秆胶合 性能的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种利用介质阻挡放电等离子体改善麦秸表面润湿性和界面胶合强 度的方法。属于人造板制造技术领域。
【背景技术】
[0002] 我国是一个森林资源相对贫乏的国家，长期以来，一直存在木材供需紧张的矛盾。 实施天然林保护工程以后，全国许多地区实行了禁伐，众多以木材为原料的人造板制造企 业因原料供应不足而面临停产或转产的危机，迫切需要寻找理想的替代原料。同时，我国又 是一个传统的农业大国，拥有丰富的农作物秸杆资源。据统计，全国平均每年农作物秸杆产 量达8.20亿吨，其中75.6%为麦秸、稻草和玉米秸杆。长期以来，农作物秸杆主要用作肥料、 燃料、饲料和造纸原料。随着科技进步，上述用途已经严重弱化。目前，许多地方推广秸杆还 田作肥料、秸杆气化制沼气、秸杆发酵作饲料等，但这些用途秸杆消耗量不大，尚有约50% 的秸杆未得到合理利用。秸杆的出路问题，令广大农民一筹莫展。每到收获季节，农民大面 积焚烧秸杆，污染环境，影响交通，已成为严重的社会公害。如何科学合理地利用农作物秸 杆资源，帮助农民解决这一棘手问题，已成为政府部门十分重视，科研人员万分关注的热点 课题之一。科学研究的结果表明，农作物秸杆与木材具有相似的结构和性质，是人造板产品 制造理想的原料。然而，由于大部分农作物秸杆表面富含角质层等不利于胶合的物质，形成 了弱界面层，严重影响了产品的胶合性能，成为了制约农作物秸杆人造板产业发展的主要 技术难题之一。目前工业化生产中主要是通过采用昂贵的高强度胶粘剂(如异氰酸酯胶)来 解决秸杆胶合困难的问题，但是同时又带来了生产成本高、生产工艺复杂（需配套脱模技 术、施胶防护技术等)等问题，导致产品市场竞争能力不强，难以打开销路，而致使农作物秸 杆人造板产业化进展缓慢。针对农作物秸杆界面胶合困难的技术难题，科研人员主要采用 机械处理法、湿热处理法、物理处理法、化学处理法以及生物处理法等方法对秸杆进行表面 改性处理，以期改善表面活性，提高界面胶合性能。
[0003] 等离子体作为一种物理处理法，是一种清洁的干式改性工艺，具有极大的市场潜 力和发展前景。等离子体是一种高能量的物质聚集态，其中含有大量的电子、离子、激发态 的原子、分子、光子和自由基等活性粒子。利用等离子体对材料进行处理可引起材料表面的 物理变化(如刻蚀、解吸、溅射、注入、激发和电离等)和化学变化(如氧化、分解、交联、聚合 和接枝等），以达到改变材料表面特性(包括亲水性、疏水性、粘合性、阻燃性、防腐性、防静 电性以及生物适应性）的目的。等离子体按照组成粒子能量的大小及热力学性质可分为高 温等离子体和低温等离子体，低温等离子体又分为热等离子体(热力学平衡)和冷等离子体 (非热力学平衡），其中热等离子体中粒子的能量约几千度到几十万度，通常用于需要高温 作业的领域，如磁流体发电、等离子体焊接、切割、等离子体冶炼、等离子体喷涂、等离子体 制备超细粉等。冷等离子体中不同粒子的温度是不相同的，其中电子的温度从几千度到几 十万度，而离子的温度与室温相差无几，正因为如此，它有着重要的应用价值，如用于对材 料表面进行改性以及光源等。
[0004] 冷等离子体可以通过辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电以及微波放电 等方式产生。介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电。在两个 放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将介 质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压 时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。在实际应用中，管线式的 电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中 的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。
[0005] 本专利利用主要成分为水蒸气的混合反应气体作为工作气体，通过介质阻挡放电 的方式激发，并使之应用于秸杆表面的活化改性。具有激发功率低、激发效率高、操作简便、 操作环境安全等特点。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的是以主要成分为水蒸气的混合反应气体为改性气氛，利用介质阻挡 放电等离子体对秸杆表面进行改性处理，使秸杆表面得到活化，提高秸杆表面的自由能和 润湿性，使木质材料常用胶粘剂在秸杆表面能够得到更好的铺展和浸润，从而显著增强秸 杆的胶合性能。
[0007] 本发明的技术解决方案：
[0008] -种利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能的方法，该方法 将农作物秸杆去叶、鞘、节，截成2~30cm长的单元，经软化和干燥处理后，将含水率调至6~ 10% ;将改性试剂由储液瓶加料盖口加入储液瓶中，并盖上盖口；打开石英反应腔盖板，将 处理后的秸杆放入农作物秸杆水蒸气介质阻挡放电等离子体处理专用装置的石英反应腔 中，并盖上盖板;在室温条件下，利用负压形成组件抽吸反应腔，并保持反应腔压力在lkPa 以下达10分钟以上，以除去其中的空气;将由供气组件产生的水蒸气从石英反应腔的进口 通入，石英反应腔的出口接负压形成组件，并控制石英反应腔内的压力为5~lOOkPa，开启 等离子体电源，调节放电功率为20~500W，电极间距为5~12mm，使电极之间的水蒸气通过 介质阻挡放电产生低温等离子体，对农作物秸杆表面进行改性处理，处理时间为10~600s; 而后，在经改性处理的农作物秸杆表面涂布胶粘剂，经热压后使胶粘剂固化获得胶合强度。
[0009] 所述的方法，采用的农作物秸杆水蒸气介质阻挡放电等离子体处理专用装置包括 供气组件、等离子体产生组件、放电组件和负压形成组件;其中所述的供气组件包括储液瓶 (内放置改性试剂）、加料盖口和气管，等离子产生组件包括电源，放电组件包括上下电极 板、石英反应皿、石英盖板、反应腔、接口 6(接供气组件)和接口 12(接负压形成组件），负压 形成组件包括真空栗、电磁阀、真空计和气管；
[0010] 所述的方法，其农作物秸杆软化和干燥处理的方法是将秸杆单元置于蒸馏水中浸 泡1~5h，充分软化后，平铺于玻璃上，在压力作用下放置在通风处凉干，而后用鼓风干燥箱 在60°C条件下干燥1~3h;
[0011] 所述的方法，其中改性试剂包括蒸馏水、各种浓度的盐水溶液、氨水等在加热、真 空等条件下能够挥发产生水蒸气的试剂中的一种或几种；
[0012] 所述的方法，其中在经改性处理的农作物秸杆表面涂布胶粘剂是脲醛树脂胶、三 聚氰胺改性脲醛树脂胶、酚醛树脂胶中的一种；
[0013]所述的方法，其中涂胶农作物秸杆单元的热压工艺条件为，单面涂胶量为200~ 250g/m2,热压温度为110~150°C，热压压力为1.2~1.5MPa，热压时间为60~90s;
[0014]所述的方法，其中农作物秸杆包括麦秸、稻秸、玉米杆、高梁杆、芦苇等。
[0015] 本发明的优点：（1)设备简单，易操作:本项发明介质阻挡放电等离子体处理专用 装置，不同于真空射频等离子体对设备要求高、能耗大，其能在低压或正常大气压下工作， 操作简单可控，为大规模工业化生产提供实践依据。（2)高效节能:等离子体产生所需的放 电功率低，仅为20~500W，处理时间也仅为10s~600s，处理效率高且能耗低（3)环保无公 害:使用经挥发可得到水蒸气的处理试剂，通过抽吸方式，并由电磁阀控制反应腔内低压， 可提高反应体系的稳定性，试剂利用率可达到85%以上;不存在废液处理、燃烧爆炸等诸多 问题，不会对环境和人身造成任何损伤。（4)效果显著:经水蒸气介质阻挡放电等离子体处 理后秸杆表面的反应活性显著提高，胶合性能明显增强。
【附图说明】：
[0016] 附图1是农作物秸杆水蒸气介质阻挡放电等离子体处理专用装置原理图
[0017] 图中：1-储液瓶、2-改性试剂、3-气管、4-储液瓶加料盖口、5-电源、6/12-接口、7-反应腔、8-石英盖板、9-电极板、10-改性试件、11-石英反应皿、13-真空计、14-电磁阀、15- 真空栗。
【具体实施方式】：
[0018] 对比例1:
[0019] 将当年麦秸杆，经过去叶、鞘、节，选取光滑平整部分剪成5cm长，用小刀从中间剖 开，置于蒸馏水中浸泡5h，充分软化后，均匀平摊在玻璃上，放置在通风处用重物压一星期， 然后取下，放置在筛网中，鼓风干燥箱60摄氏度干燥1小时至含水率达8%左右，然后密封袋 储存在干燥皿中备用。
[0020] 将前期展平干燥后的麦秸裁成10cm长，并在其端部平整处量取2cm，作为涂胶胶合 部位，量取宽度，计算胶合面积。然后以脲醛树脂胶为胶黏剂分别将处理后的麦秸以内内表 面、内外表面和外外表面三种不同的表面结合方式粘结在一起（每种条件平行试样为20 组），涂胶量为单面200g/m 2,采用的热压工艺为热压温度为110°C，热压压力为1.5MPa，热压 时间为90s。胶合强度结果见下表1。
[0021] 对比例2:
[0022] 将当年稻秸杆，经过去叶、鞘、节，选取光滑平整部分剪成5cm长，用小刀从中间剖 开，置于蒸馏水中浸泡3h，充分软化后，均匀平摊在玻璃上，放置在通风处用重物压一星期， 然后取下，放置在筛网中，鼓风干燥箱60摄氏度干燥2小时至含水率达6 %左右，然后密封袋 储存在干燥皿中备用。
[0023] 以酚醛树脂为胶黏剂，以对比例1中的方法胶合麦秸杆的内内、内外和外外表面， 涂胶量为单面220g/m2,采用的热压工艺为热压温度为120°C，热压压力为l.OMPa，热压时间 为60s。胶合强度数据见下表2。
[0024] 对比例1、2中所述方法制备的秸杆胶合材料，存在胶合强度低的缺陷，难以用于秸 杆类人造板的大规模生产。
[0025] 实施例1:
[0026] 将当年麦秸杆，经过去叶、鞘、节，选取光滑平整部分剪成5cm长，用小刀从中间剖 开，置于蒸馏水中浸泡5h，充分软化后，均匀平摊在玻璃上，放置在通风处用重物压一星期， 然后取下，放置在筛网中，鼓风干燥箱60摄氏度干燥1小时至含水率达8%左右，然后密封袋 储存在干燥皿中备用。
[0027] 将前期展平干燥后的麦秸裁成10cm长，并在其端部平整处量取2cm，作为涂胶胶合 部位，量取宽度，计算胶合面积。
[0028] 打开石英盖板8,将裁减好的秸杆置于介质阻挡放电等离子体放电装置的两个电 极板之间的石英反应腔中，并盖上盖板;将蒸馏水作为改性试剂，通过加料盖口 4倒入储液 瓶1中，并盖上加料盖口；在整个装置系统(包括石英反应皿、储液瓶及各部分之间连接的管 路)处于室温(低于25°C)的条件下，利用真空栗15的抽吸作用，将整个装置系统抽真空(腔 压不超过lkPa)10分钟，以除去其中的空气;将蒸馏水加热至60°C的条件下，挥发产生水蒸 气;通过真空栗15的抽吸作用，在石英反应腔7中形成水蒸气的低压环境（由真空计13和电 磁阀14控制腔压20kPa);调节电源放电功率为30W，电极板间距为10mm，激发反应皿中的水 蒸气放电，产生介质阻挡放电等离子体，作用于秸杆表面使之表面改性;持续等离子处理秸 杆l〇s。然后以脲醛树脂胶为胶黏剂分别将处理后的麦秸以内内表面、内外表面和外外表面 三种不同的表面结合方式粘结在一起(每种条件平行试样为20组），涂胶量为单面200g/m 2， 采用的热压工艺为热压温度为ll〇°C，热压压力为1.5MPa，热压时间为90s。胶合强度结果见 下表1。
[0029] 实施例2:
[0030] 将当年麦秸杆，经过去叶、鞘、节，选取光滑平整部分剪成5cm长，用小刀从中间剖 开，置于蒸馏水中浸泡5h，充分软化后，均匀平摊在玻璃上，放置在通风处用重物压一星期， 然后取下，放置在筛网中，鼓风干燥箱60摄氏度干燥1小时至含水率达8%左右，然后密封袋 储存在干燥皿中备用。
[0031] 将前期展平干燥后的麦秸裁成10cm长，并在其端部平整处量取2cm，作为涂胶胶合 部位，量取宽度，计算胶合面积。置于介质阻挡放电等离子体放电装置的两个绝缘介质之间 进行改性处理。采用实施例1中所述步骤，以氨水作为改性试剂。通过加热氨水，从接口6处 通入挥发产生的水蒸气，在放电功率为20W、电极间距为12mm、腔压lOOkPa、处理时间为 600s。然后以脲醛树脂胶为胶黏剂分别将处理后的麦秸以内内表面、内外表面和外外表面 三种不同的表面结合方式粘结在一起(每种条件平行试样为20组），涂胶量为单面200g/m 2， 采用的热压工艺为热压温度为ll〇°C，热压压力为1.5MPa，热压时间为90s。胶合强度结果见 下表1。
[0032] 实施例3:
[0033] 将当年稻秸杆，经过去叶、鞘、节，选取光滑平整部分剪成5cm长，用小刀从中间剖 开，置于蒸馏水中浸泡3h，充分软化后，均匀平摊在玻璃上，放置在通风处用重物压一星期， 然后取下，放置在筛网中，鼓风干燥箱60摄氏度干燥2小时至含水率达6 %左右，然后密封袋 储存在干燥皿中备用。
[0034] 将前期展平干燥后的麦秸裁成10cm长，并在其端部平整处量取2cm，作为涂胶胶合 部位，量取宽度，计算胶合面积。置于介质阻挡放电等离子体放电装置的两个绝缘介质之间 进行改性处理。采用实施例1中所述步骤，以10 % NaCl水溶液作为改性试剂。通过加热10 % NaCl水溶液，从接口 6处通入挥发产生的水蒸气，在放电功率为500W、电极间距为8mm、腔压 5kPa、处理时间为150s。然后以酚醛树脂胶为胶黏剂分别将处理后的麦秸以内内表面、内外 表面和外外表面三种不同的表面结合方式粘结在一起(每种条件平行试样为20组），涂胶量 为单面220g/m 2，采用的热压工艺为热压温度为120°C，热压压力为1. OMPa，热压时间为60s。 胶合强度结果见下表2。
[0035]由实施例1-3可见，经过等离子改性处理后，秸杆表面之间的胶合强度有了较大幅 度的提高，其中内内表面胶合最高提高74%、内外表面胶合最高提高344%、外外表面胶合 从几乎无法胶合可提高至0.23MPa，相比于对比例1-2具有明显优势。
[0036]秸杆表面处理前后胶合强度测定结果：

【主权项】
1. 一种利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能的方法，该方法将 农作物秸杆去叶、鞘、节，截成2~30cm长的单元，经软化和干燥处理后，将含水率调至6~ 10% ;将改性试剂由储液瓶加料盖口加入储液瓶中，并盖上盖口；打开石英反应腔盖板，将 处理后的秸杆放入农作物秸杆水蒸气介质阻挡放电等离子体处理专用装置的石英反应腔 中，并盖上盖板;在室温条件下，利用负压形成组件抽吸反应腔，并保持反应腔压力在lkPa 以下达10分钟以上，以除去其中的空气;将由供气组件产生的水蒸气从石英反应腔的进口 通入，石英反应腔的出口接负压形成组件，并控制石英反应腔内的压力为5~lOOkPa，开启 等离子体电源，调节放电功率为20~500W，电极间距为5~12mm，使电极之间的水蒸气通过 介质阻挡放电产生低温等离子体，对农作物秸杆表面进行改性处理，处理时间为10~600s; 而后，在经改性处理的农作物秸杆表面涂布胶粘剂，经热压后使胶粘剂固化获得胶合强度。2. 根据权利要求1所述的利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能 的方法，其特征在于:农作物秸杆水蒸气介质阻挡放电等离子体处理专用装置包括供气组 件、等离子体产生组件、放电组件和负压形成组件;其中所述的供气组件包括储液瓶（内放 置改性试剂）、加料盖口和气管，等离子产生组件包括电源，放电组件包括上下电极板、石英 反应皿、石英盖板、反应腔、接口 6(接供气组件)和接口 12(接负压形成组件），负压形成组件 包括真空栗、电磁阀、真空计和气管。3. 根据权利要求1所述的利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能 的方法，其特征在于:农作物秸杆软化和干燥处理的方法是将秸杆单元置于蒸馏水中浸泡1 ~5h，充分软化后，平铺于玻璃上，在压力作用下放置在通风处凉干，而后用鼓风干燥箱在 60°C条件下干燥1~3h。4. 根据权利要求1所述的利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能 的方法，其特征在于:所述的改性试剂包括蒸馏水、各种浓度的盐水溶液、氨水等在加热、真 空等条件下能够挥发产生水蒸气的试剂中的一种或几种。5. 根据权利要求1所述的利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能 的方法，其特征在于:所述的在经改性处理的农作物秸杆表面涂布胶粘剂是脲醛树脂胶、三 聚氰胺改性脲醛树脂胶、酚醛树脂胶中的一种。6. 根据权利要求1所述的利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能 的方法，其特征在于:所述的涂胶农作物秸杆单元的热压工艺条件为，单面涂胶量为200~ 250g/m 2,热压温度为110~150°C，热压压力为1.2~1.5MPa，热压时间为60~90s。7. 根据权利要求1所述的利用水蒸气介质阻挡放电等离子体增强农作物秸杆胶合性能 的方法，其特征在于:所述的农作物秸杆包括麦秸、稻秸、玉米杆、高梁杆、芦苇等。
【文档编号】B27N1/00GK106079012SQ201610463694
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】陈敏智, 周晓燕, 徐义诚, 张孝涛, 凌溪, 阮氏凤
【申请人】南京林业大学