利用各項(xiàng)生物質(zhì)的資源進(jìn)行產(chǎn)品加工與制造，用 以代替木材、水泥等材料使其成為新型的環(huán)?？裳h(huán) 材料。該種材料對(duì)于環(huán)境保護(hù)與資源節(jié)約以及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)有重大意義。生物質(zhì)材料中擠出加工的應(yīng)用多 在于木塑復(fù)合材料領(lǐng)域，將秸稈、木屑、鋸末等材料作 為充填物加入高分子材料中造粒共混擠出。其中廢紙纖維擠出的應(yīng)用仍較少，且廢紙纖維的處理多為模壓， 加工成本高、用時(shí)長(zhǎng)及效率低。基于廢紙纖維擠出的 連續(xù)加工雖有一定進(jìn)展，但卻局限于材料成品單一，試 驗(yàn)分析不完整等因素，不能完全探索出可行的擠出加 工工藝參數(shù)。且現(xiàn)有對(duì)螺桿擠出工藝參數(shù)研究均針對(duì) 塑性高分子材料，對(duì)于纖維材料為基材的擠出工藝影 響與機(jī)理方面，仍較為空白，有較大補(bǔ)充空間。

1 試驗(yàn)材料和方法

1． 1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

課題組選用的試驗(yàn)材料包括: 某包裝材料廠廢棄 瓦楞紙的瓦楞紙芯; 某化學(xué)試劑公司的羧甲基纖維素 鈉( CMC) ，分析純( analyticalreagent，AＲ) ; 某化工公司 的丙三醇 C3H8O3，分析純 AＲ。 選用的試驗(yàn)設(shè)備包括: 某設(shè)備有限公司制造的 TD7-PFI 立式磨漿機(jī); 上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司的 DHG-9247A 電熱鼓風(fēng)干燥箱; 某公司開發(fā)制造的 JB 系列攪拌機(jī); 某塑 料機(jī)械制造的單螺桿塑料擠出機(jī); 實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的 螺桿擠出模頭。

1． 2 制備方法

廢紙纖維擠出加工具體制備流程如圖 1 所示。

1) 廢紙打漿。將廢紙破碎為細(xì)小片狀，并于清水 中浸泡 24 h，待纖維充分軟化后通過(guò)打漿機(jī)將廢紙打 漿至絮狀，經(jīng) 0． 075 mm( 200 目) 紗網(wǎng)過(guò)濾，并擠出試 樣水分，獲得中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 70% 的廢紙漿。
2) 漿料混合。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 13% 、10% 的 羧甲基纖維素鈉( CMC) 和甘油加入制備的紙漿內(nèi)，加 入適量水保證水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 71． 5% 。然后將物料 在 85 ℃水浴鍋攪拌 10 min，使物料混合均勻。
3) 擠出成型。將混合均勻的漿料置于擠出機(jī)填 料口，控制溫度、轉(zhuǎn)速及模頭形狀等因素，獲得連續(xù)擠出的生物質(zhì)型材。
4) 冷卻烘干。將擠出型材送入烘箱，在 60 ℃ 環(huán) 境下烘干 6 h，通過(guò)修邊定型等工藝，獲得最終的擠出 試樣。

1． 3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前期原理性試驗(yàn)結(jié)果，確定擠出工藝參數(shù)的 影響因素及水平，具體見表 1。正交試驗(yàn)安排見表 2。

1． 4 試驗(yàn)性能測(cè)試

采用 GB /T 1936． 2—2009《木材抗彎彈性模量測(cè) 定方法》，測(cè)試擠出樣品的抗彎彈性模量; 采用 GB /T 1936． 2—2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，測(cè)試擠出樣 品的抗彎強(qiáng)度; 采用 GB /T 1936． 2—2009《木材順紋抗 壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，測(cè)試擠出樣品的抗壓強(qiáng)度; 采用 GB /T 1932—2009《木材干縮比測(cè)定方法》，測(cè)試擠出 樣品的干縮比; 采用 GB /T 1933—2009《木材密度測(cè)定 方法》，測(cè)試擠出樣品的密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

由于擠出試樣用作代木材料， 抗彎強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度作為主要性能，密度和干縮比為 次要性能。通過(guò)專家評(píng)判法，將抗壓強(qiáng)度權(quán)重因數(shù)賦 值 0． 4，抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量權(quán)重因數(shù)均賦值 0． 2，密度與干縮比權(quán)重因數(shù)均賦值 0． 1，獲得試樣的綜合 評(píng)分。料筒溫度 70 ℃，機(jī)頭溫度 70 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速 40 r/min，牽伸長(zhǎng)度 40 mm?？芍獩Q定擠出試 樣綜合性能的影響排序?yàn)闄C(jī)頭溫度 ＞ 螺桿轉(zhuǎn)速 ＞ 牽伸 長(zhǎng)度 ＞ 料筒溫度; 決定擠出試樣抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及 干縮比及密度的影響排序?yàn)闄C(jī)頭溫度 ＞ 螺桿轉(zhuǎn)速 ＞ 牽 伸長(zhǎng)度 ＞ 料筒溫度; 決定擠出試樣抗彎彈性模量的影 響排序?yàn)闄C(jī)頭溫度 ＞ 料筒溫度 ＞ 牽伸長(zhǎng)度 ＞ 螺桿轉(zhuǎn) 速。在具體提高某一項(xiàng)指標(biāo)時(shí)可用作獨(dú)立參考條件。擠出試樣的抗 彎彈性模量和密度降低; 而抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和干縮 比均在 70 ℃時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)。這是由于料筒溫度為混合 漿料的反應(yīng)溫度，決定了混合漿料的混煉效果。當(dāng)料 筒溫度過(guò)低時(shí)，纖維漿料過(guò)硬，流動(dòng)性差，容易在擠出 料筒內(nèi)堆積，影響擠出效果; 隨著料筒溫度的增加，纖 維材料軟化，混合漿料流動(dòng)性增強(qiáng)，使擠出順利連續(xù)進(jìn) 行，堆積現(xiàn)象減少，故試樣密度降低; 但料筒溫度過(guò)高 時(shí)會(huì)使纖維材料焦化，影響材料與添加劑之間的混合 與反應(yīng)，且影響物料流動(dòng)性，降低漿料黏度，造成試樣 冷卻定型中易出現(xiàn)裂痕，強(qiáng)度低等問題。同時(shí)，料 筒溫度過(guò)高會(huì)使膠黏劑粘壁，水蒸發(fā)為蒸氣，造成擠出 試樣不規(guī)整，甚至噴漿; 當(dāng)料筒溫度過(guò)低時(shí)，膠黏劑與 生物質(zhì)纖維反應(yīng)不完全，擠出試樣含有一定的膠黏劑 顆粒，影響試樣性能。在 60 ～ 80 ℃ 合適范圍內(nèi)，料筒 溫度的最佳值為 70 ℃。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，擠出機(jī)生產(chǎn)速率提高，剪切 速率增加，物料在料筒內(nèi)以層流狀向前運(yùn)送，反應(yīng)時(shí)間 減少，焦化現(xiàn)象也減少，使試樣擠出產(chǎn)量、成型周期和 物料連貫性及表觀質(zhì)量均提高，物料的混煉效果好，制 品被擠出口模后表面光滑，外觀質(zhì)量較好; 但隨著螺桿 轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，混合漿料表觀黏度下降，反應(yīng)時(shí)間 過(guò)短，混煉時(shí)間過(guò)少，擠出試樣含有一定的膠黏劑顆 粒，且漿料在口模中融合效果變差，牽伸冷卻不均勻， 試樣各項(xiàng)性能降低。


3 結(jié)論

1) 料筒溫度過(guò)高會(huì)使膠黏劑粘壁，水份蒸發(fā)，試 樣不規(guī)整，甚至噴漿; 當(dāng)料筒溫度過(guò)低時(shí)，膠黏劑與生 物質(zhì)纖維反應(yīng)不完全，試樣含有膠黏劑顆粒。
2) 機(jī)頭溫度較低時(shí)，混合漿料黏度增大，流動(dòng)性 降低，纖維易過(guò)早冷卻固化，擠出試樣不規(guī)則; 機(jī)頭溫 度過(guò)高時(shí)，漿料內(nèi)部水分蒸發(fā)，試樣出現(xiàn)裂紋和氣孔， 甚至噴漿。
3) 隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，剪切速率增加，物料在 料筒內(nèi)以層流狀向前運(yùn)送，焦化現(xiàn)象減少，物料的混煉效果好; 但螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)高，混合漿料表觀粘度下降，反 應(yīng)時(shí)間過(guò)短，擠出試樣含有一定的膠黏劑顆粒，牽伸冷 卻不均勻。
4) 牽伸長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，纖維連接不緊密，易產(chǎn)生裂 紋，尺寸比預(yù)期小; 牽伸長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，混合漿料在模口 堆積，尺寸不穩(wěn)定，擠出速率不均勻，物料各段密度不一。 綜上，料筒溫度為 70 ℃，機(jī)頭溫度為 70 ℃，螺桿 轉(zhuǎn)速為 40 r/min，牽伸長(zhǎng)度為 40 mm 時(shí)試樣綜合性能 最優(yōu)，且決定擠出試樣抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性 模量、干縮比和密度的最大影響因素均為機(jī)頭溫度。 本研究獲得適用于生物質(zhì)材料連續(xù)擠出加工工藝 參數(shù)，對(duì)生物質(zhì)材料連續(xù)擠出生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用具有一定 實(shí)際意義。但本研究仍有一些不足，如擠出機(jī)為小型 機(jī)，擠出模頭形狀單一，今后需進(jìn)一步對(duì)擠出機(jī)類型與 口模形狀進(jìn)行分析。