一種利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸稈膠合性能的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用介質阻擋放電等離子體改善農(nóng)作物秸稈表面潤濕性和界面膠合強度的方法。屬于人造板制造技術領域。其工藝是將秸稈去葉、鞘、節(jié)，截成2～30cm長，經(jīng)軟化、干燥處理后，調(diào)含水率至6～10％，放于水蒸氣介質阻擋放電等離子體處理秸稈專用裝置的石英反應腔進行處理；將含水蒸氣的氣體通入反應腔，通過真空泵控制腔內(nèi)壓力為5～100kPa，開啟等離子體電源，調(diào)節(jié)放電功率為20～500W，電極間距為5～12mm，使電極間的水蒸氣激發(fā)放電產(chǎn)生低溫等離子體，并持續(xù)處理秸稈表面10～600s；在經(jīng)處理的農(nóng)作物秸稈表面施膠，熱壓后使膠粘劑固化獲得膠合強度。該方法可顯著提高秸稈內(nèi)?內(nèi)、內(nèi)?外和外?外表面間的膠合，提高秸稈板產(chǎn)品質量，且設備簡單、易操作、節(jié)能高效、環(huán)保無公害。
【專利說明】
一種利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體増強農(nóng)作物秸稈膠合 性能的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用介質阻擋放電等離子體改善麥秸表面潤濕性和界面膠合強 度的方法。屬于人造板制造技術領域。
【背景技術】
[0002] 我國是一個森林資源相對貧乏的國家，長期以來，一直存在木材供需緊張的矛盾。 實施天然林保護工程以后，全國許多地區(qū)實行了禁伐，眾多以木材為原料的人造板制造企 業(yè)因原料供應不足而面臨停產(chǎn)或轉產(chǎn)的危機，迫切需要尋找理想的替代原料。同時，我國又 是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，擁有豐富的農(nóng)作物秸桿資源。據(jù)統(tǒng)計，全國平均每年農(nóng)作物秸桿產(chǎn) 量達8.20億噸，其中75.6%為麥秸、稻草和玉米秸桿。長期以來，農(nóng)作物秸桿主要用作肥料、 燃料、飼料和造紙原料。隨著科技進步，上述用途已經(jīng)嚴重弱化。目前，許多地方推廣秸桿還 田作肥料、秸桿氣化制沼氣、秸桿發(fā)酵作飼料等，但這些用途秸桿消耗量不大，尚有約50% 的秸桿未得到合理利用。秸桿的出路問題，令廣大農(nóng)民一籌莫展。每到收獲季節(jié)，農(nóng)民大面 積焚燒秸桿，污染環(huán)境，影響交通，已成為嚴重的社會公害。如何科學合理地利用農(nóng)作物秸 桿資源，幫助農(nóng)民解決這一棘手問題，已成為政府部門十分重視，科研人員萬分關注的熱點 課題之一?？茖W研究的結果表明，農(nóng)作物秸桿與木材具有相似的結構和性質，是人造板產(chǎn)品 制造理想的原料。然而，由于大部分農(nóng)作物秸桿表面富含角質層等不利于膠合的物質，形成 了弱界面層，嚴重影響了產(chǎn)品的膠合性能，成為了制約農(nóng)作物秸桿人造板產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要 技術難題之一。目前工業(yè)化生產(chǎn)中主要是通過采用昂貴的高強度膠粘劑(如異氰酸酯膠)來 解決秸桿膠合困難的問題，但是同時又帶來了生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)工藝復雜（需配套脫模技 術、施膠防護技術等)等問題，導致產(chǎn)品市場競爭能力不強，難以打開銷路，而致使農(nóng)作物秸 桿人造板產(chǎn)業(yè)化進展緩慢。針對農(nóng)作物秸桿界面膠合困難的技術難題，科研人員主要采用 機械處理法、濕熱處理法、物理處理法、化學處理法以及生物處理法等方法對秸桿進行表面 改性處理，以期改善表面活性，提高界面膠合性能。
[0003] 等離子體作為一種物理處理法，是一種清潔的干式改性工藝，具有極大的市場潛 力和發(fā)展前景。等離子體是一種高能量的物質聚集態(tài)，其中含有大量的電子、離子、激發(fā)態(tài) 的原子、分子、光子和自由基等活性粒子。利用等離子體對材料進行處理可引起材料表面的 物理變化(如刻蝕、解吸、濺射、注入、激發(fā)和電離等)和化學變化(如氧化、分解、交聯(lián)、聚合 和接枝等），以達到改變材料表面特性(包括親水性、疏水性、粘合性、阻燃性、防腐性、防靜 電性以及生物適應性）的目的。等離子體按照組成粒子能量的大小及熱力學性質可分為高 溫等離子體和低溫等離子體，低溫等離子體又分為熱等離子體(熱力學平衡)和冷等離子體 (非熱力學平衡），其中熱等離子體中粒子的能量約幾千度到幾十萬度，通常用于需要高溫 作業(yè)的領域，如磁流體發(fā)電、等離子體焊接、切割、等離子體冶煉、等離子體噴涂、等離子體 制備超細粉等。冷等離子體中不同粒子的溫度是不相同的，其中電子的溫度從幾千度到幾 十萬度，而離子的溫度與室溫相差無幾，正因為如此，它有著重要的應用價值，如用于對材 料表面進行改性以及光源等。
[0004] 冷等離子體可以通過輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電、射頻放電以及微波放電 等方式產(chǎn)生。介質阻擋放電是有絕緣介質插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電。在兩個 放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個或兩個電極用絕緣介質覆蓋，也可以將介 質直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質填充其中，當兩電極間施加足夠高的交流電壓 時，電極間的氣體會被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質阻擋放電。在實際應用中，管線式的 電極結構被廣泛的應用于各種化學反應器中，而平板式電極結構則被廣泛的應用于工業(yè)中 的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。
[0005] 本專利利用主要成分為水蒸氣的混合反應氣體作為工作氣體，通過介質阻擋放電 的方式激發(fā)，并使之應用于秸桿表面的活化改性。具有激發(fā)功率低、激發(fā)效率高、操作簡便、 操作環(huán)境安全等特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是以主要成分為水蒸氣的混合反應氣體為改性氣氛，利用介質阻擋 放電等離子體對秸桿表面進行改性處理，使秸桿表面得到活化，提高秸桿表面的自由能和 潤濕性，使木質材料常用膠粘劑在秸桿表面能夠得到更好的鋪展和浸潤，從而顯著增強秸 桿的膠合性能。
[0007] 本發(fā)明的技術解決方案：
[0008] -種利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能的方法，該方法 將農(nóng)作物秸桿去葉、鞘、節(jié)，截成2~30cm長的單元，經(jīng)軟化和干燥處理后，將含水率調(diào)至6~ 10% ;將改性試劑由儲液瓶加料蓋口加入儲液瓶中，并蓋上蓋口；打開石英反應腔蓋板，將 處理后的秸桿放入農(nóng)作物秸桿水蒸氣介質阻擋放電等離子體處理專用裝置的石英反應腔 中，并蓋上蓋板;在室溫條件下，利用負壓形成組件抽吸反應腔，并保持反應腔壓力在lkPa 以下達10分鐘以上，以除去其中的空氣;將由供氣組件產(chǎn)生的水蒸氣從石英反應腔的進口 通入，石英反應腔的出口接負壓形成組件，并控制石英反應腔內(nèi)的壓力為5~lOOkPa，開啟 等離子體電源，調(diào)節(jié)放電功率為20~500W，電極間距為5~12mm，使電極之間的水蒸氣通過 介質阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體，對農(nóng)作物秸桿表面進行改性處理，處理時間為10~600s; 而后，在經(jīng)改性處理的農(nóng)作物秸桿表面涂布膠粘劑，經(jīng)熱壓后使膠粘劑固化獲得膠合強度。
[0009] 所述的方法，采用的農(nóng)作物秸桿水蒸氣介質阻擋放電等離子體處理專用裝置包括 供氣組件、等離子體產(chǎn)生組件、放電組件和負壓形成組件;其中所述的供氣組件包括儲液瓶 (內(nèi)放置改性試劑）、加料蓋口和氣管，等離子產(chǎn)生組件包括電源，放電組件包括上下電極 板、石英反應皿、石英蓋板、反應腔、接口 6(接供氣組件)和接口 12(接負壓形成組件），負壓 形成組件包括真空栗、電磁閥、真空計和氣管；
[0010] 所述的方法，其農(nóng)作物秸桿軟化和干燥處理的方法是將秸桿單元置于蒸餾水中浸 泡1~5h，充分軟化后，平鋪于玻璃上，在壓力作用下放置在通風處涼干，而后用鼓風干燥箱 在60°C條件下干燥1~3h;
[0011] 所述的方法，其中改性試劑包括蒸餾水、各種濃度的鹽水溶液、氨水等在加熱、真 空等條件下能夠揮發(fā)產(chǎn)生水蒸氣的試劑中的一種或幾種；
[0012] 所述的方法，其中在經(jīng)改性處理的農(nóng)作物秸桿表面涂布膠粘劑是脲醛樹脂膠、三 聚氰胺改性脲醛樹脂膠、酚醛樹脂膠中的一種；
[0013]所述的方法，其中涂膠農(nóng)作物秸桿單元的熱壓工藝條件為，單面涂膠量為200~ 250g/m2,熱壓溫度為110~150°C，熱壓壓力為1.2~1.5MPa，熱壓時間為60~90s;
[0014]所述的方法，其中農(nóng)作物秸桿包括麥秸、稻秸、玉米桿、高梁桿、蘆葦?shù)取?br>[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點：（1)設備簡單，易操作:本項發(fā)明介質阻擋放電等離子體處理專用 裝置，不同于真空射頻等離子體對設備要求高、能耗大，其能在低壓或正常大氣壓下工作， 操作簡單可控，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供實踐依據(jù)。（2)高效節(jié)能:等離子體產(chǎn)生所需的放 電功率低，僅為20~500W，處理時間也僅為10s~600s，處理效率高且能耗低（3)環(huán)保無公 害:使用經(jīng)揮發(fā)可得到水蒸氣的處理試劑，通過抽吸方式，并由電磁閥控制反應腔內(nèi)低壓， 可提高反應體系的穩(wěn)定性，試劑利用率可達到85%以上;不存在廢液處理、燃燒爆炸等諸多 問題，不會對環(huán)境和人身造成任何損傷。（4)效果顯著:經(jīng)水蒸氣介質阻擋放電等離子體處 理后秸桿表面的反應活性顯著提高，膠合性能明顯增強。
【附圖說明】：
[0016] 附圖1是農(nóng)作物秸桿水蒸氣介質阻擋放電等離子體處理專用裝置原理圖
[0017] 圖中：1-儲液瓶、2-改性試劑、3-氣管、4-儲液瓶加料蓋口、5-電源、6/12-接口、7-反應腔、8-石英蓋板、9-電極板、10-改性試件、11-石英反應皿、13-真空計、14-電磁閥、15- 真空栗。
【具體實施方式】：
[0018] 對比例1:
[0019] 將當年麥秸桿，經(jīng)過去葉、鞘、節(jié)，選取光滑平整部分剪成5cm長，用小刀從中間剖 開，置于蒸餾水中浸泡5h，充分軟化后，均勻平攤在玻璃上，放置在通風處用重物壓一星期， 然后取下，放置在篩網(wǎng)中，鼓風干燥箱60攝氏度干燥1小時至含水率達8%左右，然后密封袋 儲存在干燥皿中備用。
[0020] 將前期展平干燥后的麥秸裁成10cm長，并在其端部平整處量取2cm，作為涂膠膠合 部位，量取寬度，計算膠合面積。然后以脲醛樹脂膠為膠黏劑分別將處理后的麥秸以內(nèi)內(nèi)表 面、內(nèi)外表面和外外表面三種不同的表面結合方式粘結在一起（每種條件平行試樣為20 組），涂膠量為單面200g/m 2,采用的熱壓工藝為熱壓溫度為110°C，熱壓壓力為1.5MPa，熱壓 時間為90s。膠合強度結果見下表1。
[0021] 對比例2:
[0022] 將當年稻秸桿，經(jīng)過去葉、鞘、節(jié)，選取光滑平整部分剪成5cm長，用小刀從中間剖 開，置于蒸餾水中浸泡3h，充分軟化后，均勻平攤在玻璃上，放置在通風處用重物壓一星期， 然后取下，放置在篩網(wǎng)中，鼓風干燥箱60攝氏度干燥2小時至含水率達6 %左右，然后密封袋 儲存在干燥皿中備用。
[0023] 以酚醛樹脂為膠黏劑，以對比例1中的方法膠合麥秸桿的內(nèi)內(nèi)、內(nèi)外和外外表面， 涂膠量為單面220g/m2,采用的熱壓工藝為熱壓溫度為120°C，熱壓壓力為l.OMPa，熱壓時間 為60s。膠合強度數(shù)據(jù)見下表2。
[0024] 對比例1、2中所述方法制備的秸桿膠合材料，存在膠合強度低的缺陷，難以用于秸 桿類人造板的大規(guī)模生產(chǎn)。
[0025] 實施例1:
[0026] 將當年麥秸桿，經(jīng)過去葉、鞘、節(jié)，選取光滑平整部分剪成5cm長，用小刀從中間剖 開，置于蒸餾水中浸泡5h，充分軟化后，均勻平攤在玻璃上，放置在通風處用重物壓一星期， 然后取下，放置在篩網(wǎng)中，鼓風干燥箱60攝氏度干燥1小時至含水率達8%左右，然后密封袋 儲存在干燥皿中備用。
[0027] 將前期展平干燥后的麥秸裁成10cm長，并在其端部平整處量取2cm，作為涂膠膠合 部位，量取寬度，計算膠合面積。
[0028] 打開石英蓋板8,將裁減好的秸桿置于介質阻擋放電等離子體放電裝置的兩個電 極板之間的石英反應腔中，并蓋上蓋板;將蒸餾水作為改性試劑，通過加料蓋口 4倒入儲液 瓶1中，并蓋上加料蓋口；在整個裝置系統(tǒng)(包括石英反應皿、儲液瓶及各部分之間連接的管 路)處于室溫(低于25°C)的條件下，利用真空栗15的抽吸作用，將整個裝置系統(tǒng)抽真空(腔 壓不超過lkPa)10分鐘，以除去其中的空氣;將蒸餾水加熱至60°C的條件下，揮發(fā)產(chǎn)生水蒸 氣;通過真空栗15的抽吸作用，在石英反應腔7中形成水蒸氣的低壓環(huán)境（由真空計13和電 磁閥14控制腔壓20kPa);調(diào)節(jié)電源放電功率為30W，電極板間距為10mm，激發(fā)反應皿中的水 蒸氣放電，產(chǎn)生介質阻擋放電等離子體，作用于秸桿表面使之表面改性;持續(xù)等離子處理秸 桿l〇s。然后以脲醛樹脂膠為膠黏劑分別將處理后的麥秸以內(nèi)內(nèi)表面、內(nèi)外表面和外外表面 三種不同的表面結合方式粘結在一起(每種條件平行試樣為20組），涂膠量為單面200g/m 2， 采用的熱壓工藝為熱壓溫度為ll〇°C，熱壓壓力為1.5MPa，熱壓時間為90s。膠合強度結果見 下表1。
[0029] 實施例2:
[0030] 將當年麥秸桿，經(jīng)過去葉、鞘、節(jié)，選取光滑平整部分剪成5cm長，用小刀從中間剖 開，置于蒸餾水中浸泡5h，充分軟化后，均勻平攤在玻璃上，放置在通風處用重物壓一星期， 然后取下，放置在篩網(wǎng)中，鼓風干燥箱60攝氏度干燥1小時至含水率達8%左右，然后密封袋 儲存在干燥皿中備用。
[0031] 將前期展平干燥后的麥秸裁成10cm長，并在其端部平整處量取2cm，作為涂膠膠合 部位，量取寬度，計算膠合面積。置于介質阻擋放電等離子體放電裝置的兩個絕緣介質之間 進行改性處理。采用實施例1中所述步驟，以氨水作為改性試劑。通過加熱氨水，從接口6處 通入揮發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣，在放電功率為20W、電極間距為12mm、腔壓lOOkPa、處理時間為 600s。然后以脲醛樹脂膠為膠黏劑分別將處理后的麥秸以內(nèi)內(nèi)表面、內(nèi)外表面和外外表面 三種不同的表面結合方式粘結在一起(每種條件平行試樣為20組），涂膠量為單面200g/m 2， 采用的熱壓工藝為熱壓溫度為ll〇°C，熱壓壓力為1.5MPa，熱壓時間為90s。膠合強度結果見 下表1。
[0032] 實施例3:
[0033] 將當年稻秸桿，經(jīng)過去葉、鞘、節(jié)，選取光滑平整部分剪成5cm長，用小刀從中間剖 開，置于蒸餾水中浸泡3h，充分軟化后，均勻平攤在玻璃上，放置在通風處用重物壓一星期， 然后取下，放置在篩網(wǎng)中，鼓風干燥箱60攝氏度干燥2小時至含水率達6 %左右，然后密封袋 儲存在干燥皿中備用。
[0034] 將前期展平干燥后的麥秸裁成10cm長，并在其端部平整處量取2cm，作為涂膠膠合 部位，量取寬度，計算膠合面積。置于介質阻擋放電等離子體放電裝置的兩個絕緣介質之間 進行改性處理。采用實施例1中所述步驟，以10 % NaCl水溶液作為改性試劑。通過加熱10 % NaCl水溶液，從接口 6處通入揮發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣，在放電功率為500W、電極間距為8mm、腔壓 5kPa、處理時間為150s。然后以酚醛樹脂膠為膠黏劑分別將處理后的麥秸以內(nèi)內(nèi)表面、內(nèi)外 表面和外外表面三種不同的表面結合方式粘結在一起(每種條件平行試樣為20組），涂膠量 為單面220g/m 2，采用的熱壓工藝為熱壓溫度為120°C，熱壓壓力為1. OMPa，熱壓時間為60s。 膠合強度結果見下表2。
[0035]由實施例1-3可見，經(jīng)過等離子改性處理后，秸桿表面之間的膠合強度有了較大幅 度的提高，其中內(nèi)內(nèi)表面膠合最高提高74%、內(nèi)外表面膠合最高提高344%、外外表面膠合 從幾乎無法膠合可提高至0.23MPa，相比于對比例1-2具有明顯優(yōu)勢。
[0036]秸桿表面處理前后膠合強度測定結果：

【主權項】
1. 一種利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能的方法，該方法將 農(nóng)作物秸桿去葉、鞘、節(jié)，截成2~30cm長的單元，經(jīng)軟化和干燥處理后，將含水率調(diào)至6~ 10% ;將改性試劑由儲液瓶加料蓋口加入儲液瓶中，并蓋上蓋口；打開石英反應腔蓋板，將 處理后的秸桿放入農(nóng)作物秸桿水蒸氣介質阻擋放電等離子體處理專用裝置的石英反應腔 中，并蓋上蓋板;在室溫條件下，利用負壓形成組件抽吸反應腔，并保持反應腔壓力在lkPa 以下達10分鐘以上，以除去其中的空氣;將由供氣組件產(chǎn)生的水蒸氣從石英反應腔的進口 通入，石英反應腔的出口接負壓形成組件，并控制石英反應腔內(nèi)的壓力為5~lOOkPa，開啟 等離子體電源，調(diào)節(jié)放電功率為20~500W，電極間距為5~12mm，使電極之間的水蒸氣通過 介質阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體，對農(nóng)作物秸桿表面進行改性處理，處理時間為10~600s; 而后，在經(jīng)改性處理的農(nóng)作物秸桿表面涂布膠粘劑，經(jīng)熱壓后使膠粘劑固化獲得膠合強度。2. 根據(jù)權利要求1所述的利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能 的方法，其特征在于:農(nóng)作物秸桿水蒸氣介質阻擋放電等離子體處理專用裝置包括供氣組 件、等離子體產(chǎn)生組件、放電組件和負壓形成組件;其中所述的供氣組件包括儲液瓶（內(nèi)放 置改性試劑）、加料蓋口和氣管，等離子產(chǎn)生組件包括電源，放電組件包括上下電極板、石英 反應皿、石英蓋板、反應腔、接口 6(接供氣組件)和接口 12(接負壓形成組件），負壓形成組件 包括真空栗、電磁閥、真空計和氣管。3. 根據(jù)權利要求1所述的利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能 的方法，其特征在于:農(nóng)作物秸桿軟化和干燥處理的方法是將秸桿單元置于蒸餾水中浸泡1 ~5h，充分軟化后，平鋪于玻璃上，在壓力作用下放置在通風處涼干，而后用鼓風干燥箱在 60°C條件下干燥1~3h。4. 根據(jù)權利要求1所述的利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能 的方法，其特征在于:所述的改性試劑包括蒸餾水、各種濃度的鹽水溶液、氨水等在加熱、真 空等條件下能夠揮發(fā)產(chǎn)生水蒸氣的試劑中的一種或幾種。5. 根據(jù)權利要求1所述的利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能 的方法，其特征在于:所述的在經(jīng)改性處理的農(nóng)作物秸桿表面涂布膠粘劑是脲醛樹脂膠、三 聚氰胺改性脲醛樹脂膠、酚醛樹脂膠中的一種。6. 根據(jù)權利要求1所述的利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能 的方法，其特征在于:所述的涂膠農(nóng)作物秸桿單元的熱壓工藝條件為，單面涂膠量為200~ 250g/m 2,熱壓溫度為110~150°C，熱壓壓力為1.2~1.5MPa，熱壓時間為60~90s。7. 根據(jù)權利要求1所述的利用水蒸氣介質阻擋放電等離子體增強農(nóng)作物秸桿膠合性能 的方法，其特征在于:所述的農(nóng)作物秸桿包括麥秸、稻秸、玉米桿、高梁桿、蘆葦?shù)取?br>【文檔編號】B27N1/00GK106079012SQ201610463694
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】陳敏智, 周曉燕, 徐義誠, 張孝濤, 凌溪, 阮氏鳳
【申請人】南京林業(yè)大學