齊菁，于洪亮，林海，王洋，李永富

(遼寧省森林經(jīng)營研究所，遼寧丹東118000)

摘要：采用電子顯微鏡對稻殼生物質(zhì)顆粒進(jìn)行顯微觀察，從而分析了稻殼生物質(zhì)顆粒的成型機(jī)理，包括化學(xué)和物理兩方面。該研究工作為稻殼生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

利用生物質(zhì)致密成型設(shè)備，充分利用農(nóng)林廢棄物如稻殼、木屑、秸稈等生產(chǎn)顆粒燃料，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在生物質(zhì)顆粒產(chǎn)品中，稻殼顆粒是一種新興產(chǎn)品。與其它種類的生物質(zhì)顆粒產(chǎn)品相比，稻殼顆粒的原料來源更廣泛，價格更低廉，成型效果更好，生產(chǎn)過程更簡單，具有很好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益。

本文報道了通過電子掃描顯微鏡對稻殼生物質(zhì)顆粒進(jìn)行顯微觀察結(jié)果，從中分析其成型機(jī)理，為改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1試驗材料和方法

1.1試驗材料及儀器

試材：稻殼生物質(zhì)顆粒，圓柱狀，尺寸為：長80mm、直徑8mm。

儀器：Quanta200型掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)。

1.2試驗方法

試件制作：以稻殼作為原料成分，制造出稻殼生物質(zhì)顆粒的成型產(chǎn)品，從中選取成型質(zhì)量好的用于電鏡觀察試驗。

電鏡觀察：首先將直徑為8mm的圓柱形試件的長度裁至8mm，用砂紙進(jìn)行表面清潔。選表面平整，成型效果好，無嚴(yán)重缺陷的試件進(jìn)行編號，作為試驗用材。然后將試件橫截面向上放置在用于顯微觀察的載物臺上；進(jìn)行固定之后，對試件表面進(jìn)行噴金處理。最后，將載物臺放置于電子掃描顯微鏡中進(jìn)行顯微觀察，觀察結(jié)束后將選好的電鏡照片拷貝存放，用于研究分析。

2試驗結(jié)果與分析

2.1稻殼顆粒化學(xué)結(jié)合分析

從化學(xué)結(jié)合方面看，通過圖1，我們發(fā)現(xiàn)以水稻殼作為原料的生物質(zhì)顆粒，其原料之間的結(jié)合不如木質(zhì)顆粒那樣緊密，能夠明晰地觀察到單片狀水稻殼的存在，水稻殼之間的縫隙也比較大，而且片狀的水稻殼沒有發(fā)生明顯的彎曲和變形。這是因為，一方面，水稻殼的外表面覆蓋著一層硅和硅的無機(jī)化合物(圖1中片狀癩皮式的半球狀突起)，呈現(xiàn)網(wǎng)狀排列。由于硅及其無機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在普通條件下很難和別的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，而且它還具有很高的硬度。因此水稻殼原料在壓縮成型過程中，原料外表面與外表面、外表面與內(nèi)表面相接觸、相結(jié)合的時，含有極性基團(tuán)的纖維素、半纖維素之間無法形成氫鍵等化學(xué)結(jié)合。另一方面，由于水稻屬于草本植物，其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素與木材相比含量較低，尤其是木質(zhì)素含量不到木材的50%，而木質(zhì)素是一種天然的粘合劑，當(dāng)溫度為70～110℃時木質(zhì)素就能夠開始軟化，具有一定的粘度。在200～300℃呈熔融狀，粘度高。

2.2稻殼顆粒物理結(jié)合分析

從物理結(jié)合方面來分析。微觀上，由于原料水稻殼的外表面覆蓋著一層硅質(zhì)，這層硅質(zhì)具有很高的硬度，特殊的排列方式和立體空間結(jié)構(gòu)。

從而使得在壓縮成型過程中，兩片水稻殼相接觸時，很難緊密靠近形成分子間的作用力，而且由于硅及其無機(jī)化合物是不具有極性的穩(wěn)定物質(zhì)，所以水稻殼之間也就不具有靜電吸附力。因此，水稻殼之間的結(jié)合程度就不如鋸木屑那樣緊密。宏觀上，由于本研究采用的水稻殼在脫粒后未經(jīng)過粉碎，還保持著水稻殼的原有形態(tài)，它的直徑較大，一般在4～7mm之間，而且呈片狀；它很難形成木質(zhì)原料之間那樣的緊密填充結(jié)合。從圖2中可以看出，水稻殼生物質(zhì)顆粒中的水稻殼原料之間，片與片錯落有致的層疊在一起。

從圖3中可以觀察出水稻殼原料之間明顯的分層現(xiàn)象。這表明在水稻殼原料的壓縮成型過程中，原料之間產(chǎn)生的主要是搭橋，橋接結(jié)合，英文稱為Solidbridge。它的形成方式是，體積較大或有一定長度的原料物質(zhì)之間互相搭頭，并層層疊搭。

本研究中采用的水稻殼原料呈片狀，因此我們將它的這種結(jié)合稱為片搭或疊片。由于較硬的硅質(zhì)層的存在，使得水稻殼的塑性極差，在壓縮過程中很難發(fā)生變形來實現(xiàn)原料之間的緊密接觸，原料之間存在較大空隙，因此在片搭的結(jié)合方式下(見圖4)，原料之間的摩擦力有限；機(jī)械阻力方面，也只有垂直于水稻殼方向的剪切、彎曲阻力較好，而平行于水稻殼的機(jī)械阻力就比較差。與木質(zhì)生物質(zhì)顆粒相比較，水稻殼顆粒很容易出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，顆粒產(chǎn)品容易折斷。此外水稻殼屬于硬質(zhì)短纖維生物質(zhì)材料，與木材相比纖維長度較短；在壓縮成型過程中，不會出現(xiàn)木質(zhì)原料那樣的纖維纏繞式的結(jié)合。

3結(jié)論

本試驗通過電子顯微鏡對稻殼生物質(zhì)顆粒進(jìn)行了觀察和對比，分析了它成型的機(jī)理，及與木質(zhì)顆粒的差異。總的來說，稻殼顆粒產(chǎn)品的成型機(jī)理包括化學(xué)結(jié)合和物理結(jié)合兩部分。首先，由于硅質(zhì)層的存在，稻殼原料的化學(xué)結(jié)合能力要低于木質(zhì)原料；其次，稻殼原料之間的物理結(jié)合主要采用的是片搭的形式，其結(jié)合效果要比木質(zhì)材料稍差?？偟膩碚f，利用稻殼作為生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒的原料是可行的，產(chǎn)品成型效果較好，有廣闊的市場前景，具有很好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益。

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