木粉加工目數(shù)與細胞裂解機理的研究

楊冬霞，范長勝，楊春梅

(1.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150040；2.哈爾濱學院，黑龍江哈爾濱150086)

木粉加工目數(shù)與細胞裂解機理的研究

楊冬霞1,2，范長勝1，楊春梅1

(1.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150040；2.哈爾濱學院，黑龍江哈爾濱150086)

依據(jù)木粉的目數(shù)和形態(tài)將其應用于不同材料領域可產(chǎn)生許多新特性的高附加值產(chǎn)品。在試驗過程中以落葉松鋸屑為加工原料，根據(jù)理論分析和試驗結果，確定出了不同目數(shù)的木粉與木材細胞裂解間的關系及與加工工藝間的關系。試驗結果表明，傳統(tǒng)木粉機生產(chǎn)的木粉顆粒主要呈棒狀，木屑顆粒的斷裂主要是由于加工系統(tǒng)供給的能量大于纖維間的結合力，管胞間發(fā)生徑向剝離并使顆粒的長徑比隨著顆粒的徑向斷裂逐漸減?。怀毮痉蹤C提供的能量使纖絲間發(fā)生位錯產(chǎn)生滑移導致木材細胞橫向結構破壞，木粉粒徑更小。并將不同目數(shù)的木粉與加工時間、加工刀具和加工后得到的樣品進行分析研究，并對木粉形態(tài)和粒徑大小進行顯微觀測為針葉材管胞的破胞和今后納米木粉的研究提供了意義重大的試驗數(shù)據(jù)和理論支持。

落葉松木粉；木粉形態(tài)；木粉加工目數(shù)；顆粒長徑比；細胞裂解機理

木屑是木材加工的副產(chǎn)品，將其超細粉碎加工后可形成高附加值的產(chǎn)品，木粉粒徑的大小及其形態(tài)對其后其運用有著重要的影響[1-2]。人們越來越重視環(huán)境保護，正在逐漸減少用甲醛樹脂為粘合劑的苯酚合成熱固性樹脂木質材料，以減少對人和環(huán)境的影響[3]。近年來無粘結劑的綠色環(huán)保型板材引起了人們極大興趣，無粘結劑板材可用細小的木質纖維材料經(jīng)熱壓實現(xiàn)，而無需添加任何粘合劑，在日本用振動磨將紅麻芯粉加工到粒度為10 μm左右做為無粘結劑板材的粘合劑[4]。在研究和制造復合板材的過程中，發(fā)現(xiàn)木粉粒徑越小，黏度就越高[5]。在常壓下對木粉進行催化液化并將其進行催化裂解可得到生物燃料油，選用木粉、纖維素及木質素3種樣品進行液化反應，經(jīng)SEM照片分析三者液化前后形態(tài)，得出木粉的液化速度最快[6-7]。因此將木材加工到超細粉狀態(tài)下進行木材液化使這項技術的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能，將具有開創(chuàng)性的意義。本研究將木粉的粒徑在9～23 μm間的木粉定義為超細木粉。如果將超細木粉填充膠黏劑、手機和電器的機殼、可降解汽車內(nèi)飾件、金屬表面的木粉靜電噴涂材料等等都可派生出各類新型可降解的環(huán)境友好材料[8]。加工超細木粉的原材料廉價、可再生、可廢物利用，使其具有巨大的商業(yè)價值，超細木粉的應用領域正走向一個廣泛的空間。

1 木粉目數(shù)與木材細胞間的關系

木材纖維最有效的粉碎斷裂方式有兩種：一是針葉材管胞間的分離直至斷裂，這種胞間分離能最大程度地破壞針葉材在橫斷面上的蜂窩狀結構；二是管胞在長度方向上直接斷裂，通過剪切使管胞長度變短。木粉的目數(shù)與粉體粒徑間不呈線性關系，隨著粉體目數(shù)的增大，粉體粒徑逐漸減小。由于地域的原因試驗原料選用的是興安落葉松，將試驗加工分離出的不同目數(shù)的木粉與興安落葉松管胞平均弦直徑進行對比，其結果見表1所示。

表1 不同目數(shù)木粉與管胞弦向平均直徑的對比Table 1 Contrast of different meshes of wood powder and tracheid tangential diameter average

2 木粉目數(shù)與細胞裂解間的關系

根據(jù)加工原料粒徑和產(chǎn)出木粉目數(shù)的不同，可以將木粉的生產(chǎn)分為兩部分，首先是傳統(tǒng)木粉機生產(chǎn)加工的普通木粉，生產(chǎn)出的木粉顆粒較大，目數(shù)較低，加工原料來源也較為廣泛可以是木屑、短小的枝杈等纖維類物料；然后是將傳統(tǒng)木粉進一步精細化即超細木粉的加工，生產(chǎn)出的木粉顆粒較小，目數(shù)較高，附著性較強，但加工原料的粒徑也較小。傳統(tǒng)木粉主要用于生產(chǎn)復合板材，而超細木粉可用于生產(chǎn)高附值產(chǎn)品或環(huán)保型板材。

2.1 傳統(tǒng)木粉目數(shù)與細胞裂解間的關系

對不同目數(shù)的木粉顆粒進行顯微鏡觀測其形態(tài)，是分析木屑顆粒斷裂方式和粉碎機理的重要方法之一。傳統(tǒng)木粉的生產(chǎn)主要是電動機帶動主體機中的電機主軸作高速運動，使機械能對原料產(chǎn)生高強度的沖擊力、剪切力、摩擦力、壓縮力，這些力可使木屑顆粒發(fā)生胞間分離和管胞長度變短，使管胞的長徑比發(fā)生重大變化。沖擊力致使胞間層中的應力集中使管胞間或管胞發(fā)生分離和斷裂。管胞間斷裂可以分為胞間層分離和管胞撕裂兩種情況。胞間層分離是由于管胞壁內(nèi)纖維產(chǎn)生的非均勻性和各向異性造成的相鄰層間應力與剛度不平衡，在受外力作用下管胞間易產(chǎn)生分離。管胞撕裂主要是由于木材在外力作用下，大多從細胞次生壁外層與中層之間的滑移而繼發(fā)產(chǎn)生的，原因在于兩層的微纖絲排列方向明顯不同。在剪切力的作用鋸屑顆粒內(nèi)所含的管胞長度逐漸變短，在摩擦力和壓縮力的共同作用下，使受外力的顆粒內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，使加工初期的顆粒具有三維方向的尺寸減少到只具有二維方向的尺寸，且顆粒內(nèi)存在裂紋。

隨著粉體粒徑逐漸變小，粉體顆粒承受形變的能力逐漸加強，使其發(fā)生斷裂的能量則需更大。在加工至200目左右時加工系統(tǒng)供給的能量大于纖維間的結合力，使顆粒在受到較大的剪切、沖擊作用后發(fā)生變形，變形的程度未達到使纖維斷裂的臨界狀態(tài)時，卻可以使纖維發(fā)生剝離，從而在顯微鏡觀測200目木粉時粉體大都呈棒狀，且在邊緣處還會觀測到絲狀,如圖1（a）所示。將木粉加工至400目左右時加工系統(tǒng)供給的能量趨于穩(wěn)定，加工箱中的物料變化量也趨于恒定，加工原料顆粒在各個方向上受到的力大小概率較為接近，單個顆粒所承受力的大小和方向比較均勻。在摩擦剪切過程中，顆粒的棱角被相互間的作用力而磨平，顆粒變得比較光滑，棒狀程度與200目時的木粉相比要差些，如圖所示1（b）所示為400目木粉形態(tài)。

木屑顆粒的長徑比隨著顆粒的徑向斷裂和管胞間分離使粉體的粒徑逐漸減小，木粉的目數(shù)逐漸增大。采用有限元法計算胞間應力場，用平均胞間層正應力判據(jù)來確定管胞分離的應力大小。當平均胞層間正應力達到胞間層拉伸強度時，胞間層分離，即：

圖1 傳統(tǒng)木粉形態(tài)Fig.1 Traditional wood powder morphology

式（1）中：h0為特征長度，可取細胞壁的厚度。

此時采用胞間層正應力和剪應力的復合型判據(jù)，即：

式（2）中：τ0為細胞壁的剪切強度。

胞間層所受應力應用斷裂力學中的疊加定理來進行計算，假設在加工過程中單個木粉顆粒承受拉伸載荷，則胞間層的分離起始應變?yōu)椋?/p>

式（3）中：t為胞間層的厚度；E*為胞間層沿一個管胞壁或多個管胞壁面完全分離后若干組管胞壁的軸向模量。

式（4）中：Ei是管胞壁厚度為ti的管胞的軸向模量；E1am、1am分別為胞間層的理論軸向模量和試驗測得模量；GC為臨界能量釋放率。

在實際加工過程中木屑顆粒受應力與剪應力共同作用，致使管胞間分離時主要承受的是Ⅰ型和Ⅰ型的力，因此可得到混合受力時管胞間的層間分離判據(jù)為：

式（5）中：GⅠ、GⅡ分別為Ⅰ型和Ⅱ型斷裂時的能量釋放率。

2.2 超細木粉目數(shù)與細胞裂解間的關系

對木屑顆粒粉碎加工過程的評價，單個木顆粒的破碎比和單位能耗是評價粉碎過程的重要參數(shù)[9]。在原料顆粒的破碎比相同時，單位能耗越低，粉碎效率就越高，表明粉碎效果越好；而顆粒粉碎在單位能耗相同時，破碎比越大，粉碎效率就越高，粉碎效果也就越好。在進行粉體加工時粉碎參數(shù)的確定一定要綜合考慮木粉顆粒的破碎比和單位能耗兩個因素。當木粉粒徑在800目以上時，單個顆粒內(nèi)裂紋個數(shù)較少，如只簡單的增加外部施力方式難以使顆粒繼續(xù)粉碎，因此需提高整體粉體加工設備的能量，圖2(a)所示為800目木粉形態(tài)。它與400目木粉相比，其相對粒徑的長度更短，在寬度上尺寸變化不大，圖2 (b)圖所示1 000目木粉，這時在木粉中可見整體球形度較好的顆粒。

對木屑顆粒粉碎加工過程的評價，單個木顆粒的破碎比和單位能耗是評價粉碎過程的重要參數(shù)[10-11]。在原料顆粒的破碎比相同時，單位能耗越低，粉碎效率就越高，表明粉碎效果越好；而顆粒粉碎在單位能耗相同時，破碎比越大，粉碎效率就越高，粉碎效果也就越好。在進行粉體加工時粉碎參數(shù)的確定一定要綜合考慮木粉顆粒的破碎比和單位能耗兩個因素。當木粉粒徑在800目以上時，單個顆粒內(nèi)裂紋個數(shù)較少，如只簡單的增加外部施力方式難以使顆粒繼續(xù)粉碎，因此需提高整體粉體加工設備的能量，圖2(a)所示為800目木粉形態(tài)。它與400目木粉相比，其相對粒徑的長度更短，在寬度上尺寸變化不大，圖2 (b)圖所示1 000 目木粉，這時在木粉中可見整體球形度較好的顆粒。

圖2 超細木粉形態(tài)Fig.2 Superf i ne wood powder morphology

能量理論是研究顆粒斷裂的最有效分析方法之一。由于木材細胞的結構特點使得對于800目以上的木粉受到外部能量使其斷裂時，顆粒內(nèi)原裂紋尖端處的裂紋擴展并不一定沿原裂紋面行進，而可能會沿著一個新的方向，形成裂紋分叉，使裂紋尖端發(fā)生鈍化，纖絲間發(fā)生位錯產(chǎn)生滑移。在加工過程中顆粒內(nèi)裂紋所承受的載荷可能是拉伸載荷、剪切載荷和扭轉載荷即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型載荷，即出現(xiàn)復合型裂紋。研究復合型裂紋的斷裂，主要解決兩個問題，一是裂紋在復合型載荷作用下，起裂后的擴展方向；另一個是裂紋進行擴展時載荷的臨界條件，在這里應用能量釋放率理論主要進行第一個問題的討論。

木材細胞的結構形態(tài)決定了在加工過程中細胞壁的斷裂形式，即加工過程中細胞壁上的裂紋形態(tài)及擴展方向，原裂紋尖端的結構在受力過程中的變化不但決定了斷裂能量而且還決定了裂紋擴展機理。在復合型裂紋情況下，計算單個顆粒斷裂所需能耗較為困難，但顆粒中出現(xiàn)裂紋則會增加一個新表面，此表面具有表面能，系統(tǒng)所釋放的能量U的一部分將會轉化為表面能。根據(jù)能量的交換關系，可以得到：

式(6)中：W為外力功；A裂紋表面面積；S表面能。

將式6的左邊可寫為：

式（7）中：G為能量釋放率，N/M；GC為臨界值。

G是與結構的受力形式、裂紋尺寸和形式等有關的一個力學參數(shù)，G為裂紋擴展一個單位長度時所需要的力，也就是裂紋擴展力。顆粒發(fā)生斷裂時，裂紋沿著能產(chǎn)生最大能量釋放率的方向起裂擴展，且當這個方向上的能量釋放率達到一個臨界值時，裂紋起裂擴展。為了計算裂紋分叉后的能量釋放率，假設裂紋的擴展是連續(xù)的，即在原裂紋尖端處分叉如圖3所示。圖3中支裂紋長度為，數(shù)值很小則可認為在分叉后的裂紋尖端o點的應力、位移、應變場仍等于未分叉前該點原有的應力、位移、應變場；，是以分支裂紋尖端為原點的新坐標系中的坐標值；、為分支裂紋擴展方向和角度。

圖3 分叉后的裂紋Fig.3 Crack after bifurcation expressed in coordinate system

分叉后的裂紋能量釋放率為：

則分支裂紋沿θ=θ0方向的能量釋放率為：

由此可以看出，對于一個受Ⅰ—Ⅱ型復合載荷作用的裂紋，開始分叉擴展的瞬間能量釋放率由未擴展前的應力狀態(tài)和分叉擴展的方向角決定。滿足裂紋開始分叉擴展的方向角θ表達式為11式。

滿足式（11）所求得的方向角也將是σθ為最大值，θ為其極值的方向。由式（9）、式（10）和式（11）可知，應有ΙΙ=0。因此，由式（11）可得到能量釋放率為：

因此，在加工超細木粉的過程中欲使目數(shù)高的粉體顆粒發(fā)生斷裂，就是使顆粒上的原微觀裂紋在外部能量的作用下沿其滑移面擴展形成多條支裂紋。顆粒在機器中經(jīng)過反復加工吸收能量使顆粒繼續(xù)破碎以達到要求的更高目數(shù)。

2.3 不同目數(shù)木粉與加工工藝間的關系

通過對不同目數(shù)木粉形態(tài)尺寸的比較可以得出，在用興安落葉松鋸屑進行超細木粉的加工試驗過程中，木粉的目數(shù)隨時間的變化并不顯著，如圖4所示。在加工開始就可得到目數(shù)較低的木粉，這是由于加工原料在加工過程中受到外部施加的機械能變成原料顆粒的應力能，應力能根據(jù)物質的幾何形狀和內(nèi)部裂紋形式，使顆粒裂開而破碎。隨著顆粒的破碎，顆粒的粒徑越來小，其內(nèi)部裂紋也變得越來小越來越少，如果外界施加的機械能不能滿足更小顆粒的斷裂能，則無論加工時間延長多少都很難使顆料繼續(xù)破碎。

圖4 加工時間與木粉目數(shù)的關系Fig.4 Relation of processing time and wood powder mesh

欲提高木粉的目數(shù)可以通過減小加工刀具刀片間距離，如圖5所示。減小刀具刀片間距離可使木粉的目數(shù)有所增加，刀片間距與目數(shù)之間并非線性，刀片間距有一極值，當達到間距極值時，木粉目數(shù)就不再增加，同時刀具設計難度也增大。當高速旋轉的刀具與顆粒之間產(chǎn)生高頻率的碰撞并使顆粒與刀片間產(chǎn)生強剪切作用，使加工顆粒受到多次撞擊和強剪切而粉碎，但在設計中如果只減小刀具刀片間距離而不能提高顆粒在加工過程中的碰撞速度，也很難提高木粉的目數(shù)。

圖5 加工刀具的刀片間距離與木粉目數(shù)的關系Fig.5 Relation of distance between cutting blades and wood powder meshes

在試驗中取一定量的鋸屑進行加工，并將收集區(qū)所得木粉進行顯微鏡觀測比較，可得出圖6和圖7。隨著目數(shù)的增加收集到木粉量就越來越少，但在400目左右出現(xiàn)極值。這是由于興安落葉松早材管胞平均弦向直徑40 μm，晚材管胞平均弦向直徑36 μm，而400目顆粒的粒徑大約是38 μm，500目顆粒的粒徑大約是25 μm。在收集到的400目左右的木粉時其中會有許多晚材細胞沒有破壁，沒有破壁的細胞所需的外部能量就較少，而總體比例占很大。而高于400目就需要細胞都破壁，則所需的外部能量就較大，而總體比例占得相對就較小。隨著木粉目數(shù)的增加，細胞壁的完整度也就逐漸降低，目數(shù)越高細胞的完整度也就越差，則細胞壁上的顯著特征紋孔的完整度也就越差。但從圖7中所示可以看出它們近似呈線性關系增長，這與木材本身結構特點有關。欲加工出高目數(shù)的木粉僅提高加工設備的一項性能是不能夠實現(xiàn)的，這需要提高整個試驗設備的機械性能。

圖6 樣品比例與木粉目數(shù)的關系Fig.6 Relation between sample ratio and wood powder meshes

圖7 細胞壁紋完整度與木粉目數(shù)的關系Fig.7 Relation between cell wall texture integrity and wood powder meshes

3 結 論

將傳統(tǒng)木粉機加工的木粉與超細木粉機加工的木粉進行木粉粒徑與形態(tài)的比較，并將不同目數(shù)的木粉通過顯微觀測，確定出在加工初期鋸屑顆粒主要受到?jīng)_擊力和剪切力作力，使鋸屑顆粒內(nèi)出現(xiàn)的微裂紋，在外力作用下管胞間易產(chǎn)生分離，管胞間的分離破壞了針葉材在橫斷面上的蜂窩結構，可加工出的木粉目數(shù)較低。隨著加工時間的延長粉體的粒徑逐漸減小，木粉的目數(shù)逐漸增大，顆粒內(nèi)裂紋數(shù)量越來越少，所需的單位能耗將不斷增大，在顆粒內(nèi)所含的紋孔和木射線這些位置處就容易形成應力集中，這些木材加工中的薄弱組織在外力作用增大時就會使其破壞，使木粉粒徑進一步縮小，在較高目數(shù)加工過程中起主要作用的是摩擦力和剪切力。因此，低目數(shù)的木粉棒狀形態(tài)顯著，而高目數(shù)的木粉沒有尖銳的棱角且有一定的球形度。

[1]Obernberger Ι, Thek G. Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour[J]. Biomass & Bioenergy, 2004, 27(6)∶ 653-669.

[2] 楊春梅,吳全會,馬 巖,等.動壓射流制備微纖絲實驗設備動靜磨盤的設計[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2013,33(10)∶ 135-140.

[3]Laemsak N. Properties of binderless boards from steamexploded fi bers of oil palm frond[J]. J Wood Sci. 2000,46(4)∶322-326.

[4]Motoe Ando, Masatoshi Sato. Manufacture of plywood bonded with kenaf core powder[J]. The Japan Wood Research Society. 2009,55(1)∶283-288.

[5]M. Le Baillif, K.Oksman. Progress in Wood and BioFibre Plastic Composites [M]. Canada∶ Toronto ,2006,5.

[6]張海榮,龐 浩,石錦志,等.木粉及其組分的多元醇酸催化熱化學液化[J].林產(chǎn)化學與工業(yè),2012,32(2)∶14-20.

[7]Zhang H R, Ding F, Luo C R, et al. Liquefaction and characterization of acid hydrolysis residue of corn cob in polyhydric alcohols[J]. Ιndustrial Crops and Products, 2012, 39∶ 47-51.

[8] 孫 鵬,陳慧清,蓋國勝.對木粉加工技術研發(fā)與裝備狀況的認識 [N].中國建材報 , 2009-10-19(03).

[9] 朱再勝,蓋國勝,吳成寶,等.不同含水量木質生物質的粉碎特性研究[J].中國粉體技術,2012,18(2)∶7-11.

[10] 翁星星,蓋國勝,吳成寶,等.林木生物質剪切粉碎特性及其機理分析[J].林產(chǎn)化學與工業(yè),2012,32(1)∶19-24.

[11] Matuana L M, Jin S, Stark N M, et al. Ultraviolet weathering of HDPE/wood-f l our composites coextruded with a clear HDPE cap layer[J].Polymer Degradation and Stability,2011,96(1) ∶ 97-106.

[12] Gregorova A, Hrabalova M, Kovalcik R, et al. Surface modification of spruce wood flour and effects on the dynamic fragility of PLA/wood composites[J]. Polymer Engineering and Science, 2011, 51(1)∶ 143-150.

[13] Laemsak N.Development of boards made from oil palm frond ΙΙ∶ properties of binderless boards from steamexploded f i bers of oil palm frond[J]. J Wood Sci. Okuma M. ,2000,46∶322–326.

[14] Zhang H R, Pang H, Ji H G, et al. Ιnvestigation of Liquefied Wood Residues Based on Cellulose,Hemicellulose and Lignin[J].Journal of Applied Polymer Science,2012, 12(3)∶850-856.

[15] 周先雁,王蘭彩.碳纖維復合材料(CFRP)在土木工程中的應用綜述[J].中南林業(yè)科技大學學報,2007,27(5)∶26-32.

[16] 李 堅.木材科學 [M].北京∶高等教育出版社,2002.

Study of wood powder processing mesh size and cell lysis mechanism

YANG Dong-xia1,2, FAN Chang-sheng1,YANG Chun-mei1
(1. Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China; 2. College of Harbin, Harbin 150086, Heilongjiang, China)

According to wood powder’s mesh size and morphology, they are applied in different materials f i elds and can produce a lot of high value-added products with many new characteristics. Ιn the course of the experiments, with larch sawdust as the raw materials, based on the theoretical analysis and experimental results, the relationship among the wood powder with different meshes, the wood cell lysis and the processing technology were determined. The test results prove that the wood particles produced by traditional wood powder machine primarily showed a rod shape, the fracture of sawdust particles is mainly attributable to the energy of processing system supply being more than the binding force between f i bers and to the radial separation among tracheids, which made the particle aspect ratio gradually decreased with radial fracture; The energy that super f i ne wood powder machine provided made the interf i brillar to be dislocation and slippage and resulted in that the lateral structure destruction of the wood cell, thus the wood powder particle size was smaller. The relations between wood powder with different meshes and machining time, machining tool and the processed sample of different mesh size of wood powder were analyzed and the wood powder morphology and particle size were observed with microscope. This provides great signif i cance test data and theoretical support for softwood tracheids’ broken-cell and future producing nano wood powder.

larch wood powder; wood powder morphology; wood powder processing mesh size; length to diameter ratio of particle; mechanism of cell lysis

S781

A

1673-923X(2013)12-0140-06

2013-03-29

國家自然科學基金項目（31070500）和黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12533043）共同資助

楊冬霞（1976-），女，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，博士研究生，講師，主要從事木材微細加工方面的研究

[本文編校：文鳳鳴]