农作物秸秆纳米尺度微表面构建及界面胶合增强机制

Since most of straws contain hydrophobic waxy cuticle layers and a high amount of inorganic silica which results in weak bonding between particles, many attempts have been made to improve the bondability between the straw materials and adhesives through raw material pretreatment. The objective of this project is to explore an innovative means - plasma treatment which can form an active nano-scale surface on straws and enhance the bonding strength of straws. The influence of plasma treatment methods and parameters on the characteristics of the nano-scale surface on straws and the bondability between the straw materials and adhesives will be investigated, so that the mechanism of forming the nano-scale surface on straws and improving the bonding strength of straws by plasma treatment can be clarified. Finally, the plasma treatment which can be applied in the industrial production line of straw-based panels can be developed in the light of the theoretical and practical achievements from this project. These achievements will promote the value-added applications of straws and the sustainable development of wood industry in China.

针对农作物秸秆表面富含硅与蜡状物质不利于胶合的科学问题，提出采用等离子体处理在秸秆表面构建与本体具有不同反应活性的纳米尺度微表面，提高其界面胶合特性的思路，分析等离子体处理方法和处理工艺与秸秆纳米尺度微表面结构和特性的关系，揭示秸秆纳米尺度微表面的结构与特性影响秸秆界面胶合特性的规律，阐明等离子体处理构建秸秆纳米尺度微表面的机理及其增强界面胶合特性的机制，建立可用于工业化生产的秸秆纳米尺度微表面构建的等离子体处理方法，为实现秸秆等离子体处理技术的工业化推广应用奠定理论基础和提供实践依据。本项目的研究成果将为农作物秸秆高附加值的工业化利用提供理论依据和技术支撑，大幅度提高利用农作物秸秆生产人造板产品的经济效益，对于推进我国农作物秸秆人造板生产的工业化进程和促进我国木材工业的可持续发展具有重要的现实意义。

针对农作物秸秆表面富含硅与蜡状物质不利于胶合的科学问题，采用等离子体处理在秸秆表面构建纳米尺度微表面，提高其界面胶合特性，分析等离子体处理方法和处理工艺与秸秆纳米尺度微表面结构和特性的关系，揭示秸秆纳米尺度微表面的结构与特性影响秸秆界面胶合特性的规律，阐明等离子体处理构建秸秆纳米尺度微表面的机理及其增强界面胶合特性的机制，建立可用于工业化生产的等离子体处理方法。. 研究结果表明：（1）三种等离子体处理方法均能在秸秆表面构建具有高反应活性的纳米尺度微表面，并且其界面胶合特性能得到显著提高。因为等离子体中高能量活性粒子的刻蚀作用，去除了秸秆表面不利于胶合的物质，形成了高粗糙度的特殊纳米结构层，同时通过这些粒子自由基引发和诱导接枝等化学作用，在其表面引入大量极性基团（如羟基、羰基、羧基等），从而实现了秸秆与胶粘剂的高效胶合。（2）三种等离子体处理方法优化工艺分别为：低压射频等离子体处理功率：200W~300W，处理时间：150s，处理气体：氧气；常压介质阻挡放电等离子体处理放电电压：30V，电极间距：6mm，处理时间：60s；等离子体气相接枝处理反应腔压强：20KPa，放电功率：40W，处理时间：180s，接枝单体：甲基丙烯酸缩水甘油酯。（3）秸秆经等离子体接枝改性后，将其放置于空气中存在时效性，即随着放置时间的延长，其表面自由能降低，胶粘剂在其表面的润湿性能下降，自由基浓度逐渐减小，进而导致界面胶合强度也呈现下降趋势。但是，在放置第1天内，以上变化趋势都非常小，本项技术应用于工业化生产是完全可行的。（4）对比上述三种处理方法，常压介质阻挡放电等离子体处理可在常压空气中进行，能满足工业化连续生产的要求。项目组发明了等离子体改性连续处理设备，实现了农林生物质材料等离子体改性技术的工业化应用。. 本项目研究成果为农作物秸秆高附加值工业化利用提供了理论依据和技术支撑，对于推进我国秸秆人造板生产工业化进程和促进木材工业可持续发展具有重要现实意义。