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中国粮食产量已经实现连续十二年增长，随之产生的农林剩余物产量巨大，常见的有秸秆、稻壳、甘蔗渣、木竹材加工剩余物等[1]。然而大部分农作物秸秆被焚烧或废弃，危害巨大[2]，不能充分利用其价值。近年来，很多研究者以农作物秸秆替代木材为原料，制备秸秆人造板，它可广泛应用于建筑装饰、家具制造和包装等领域[3-5]。漆楚生等[6-7]以甜高粱秆为原料，以热塑性塑料为胶黏剂，制备的定向秸秆-塑料复合材料具有良好的力学性能及耐水性能。随着我国全面禁止天然林采伐，木材资源更加紧张，以农作物秸秆代替木材制备生物质人造板是人造板行业实现可持续发展的新出路。
玉米是我国的主要粮食作物，2015年产量约为2.05亿t，根据玉米谷草比1:1.37估算，玉米秸秆产量约为3.08亿t。目前对玉米秸秆的利用率较低，大部分玉米秸秆以田间焚烧的方式被处理。以玉米秸秆为原材料制备轻质人造板[8]是有效利用秸秆资源的途径。玉米秸秆表面硅及蜡状物质等低表面能的物质含量较高，影响秸秆纤维与胶黏剂的胶合[9]，有研究表明通过预处理方式能有效改善天然纤维的表面形态，去除表面杂质，使处理后的纤维材料获得更好的界面性能[10]。刘飞虹[11]研究发现氢氧化钠处理能够有效去除玉米秸秆纤维表面的部分非极性物质, 提高纤维表面的粗糙度, 显著增强玉米秸秆人造板的力学性能。Li等[12-13]利用草酸和蒸汽对稻秸纤维进行处理，能有效增强秸秆人造板力学强度，改善板材尺寸稳定性。Han等[14]研究发现蒸汽处理后麦秸表面灰分以及硅元素质量分数明显减少，麦秸纤维与水溶性胶黏剂之间的胶合得到明显改善。很多学者的研究也表明：在改善秸秆与胶黏剂的界面接合强度的同时，化学或物理处理会溶解秸秆纤维中部分果胶、半纤维素和木质素等有机物，改变纤维表面结构，增加纤维脆性[15-16]。纤维素是细胞的骨架物质，果胶是植物纤维细胞的支撑物质，能使各种细胞组织结构坚硬，促进细胞的黏附[17]。纤维素与果胶对植物纤维强度有至关重要的作用, 随之也会影响秸秆人造板的力学性能。
为利用玉米秸秆制备性能良好的轻质人造板，探讨酸处理、碱处理、水热处理、羧甲基纤维素钠(CMC)及果胶浸渍处理对玉米秸秆人造板结构和性能的影响，分别利用2%的盐酸(HCl)溶液、2%的氢氧化钠(NaOH)溶液、80 ℃热水对秸秆进行浸渍处理，然后再用CMC或果胶悬浊液浸渍处理12 h，将处理后的秸秆纤维干燥到含水率为5%后热压制备轻质人造板。通过比较处理前后玉米秸秆表面润湿性、微观形貌变化、热稳定性以及板材的力学性能，分析评价不同预处理方式对轻质玉米秸秆人造板性能的影响。
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玉米秆去叶后裁成每段50 cm, 对半裁开保留髓心部分，整段送入疏解设备疏解成丝状单元(简称秸秆束)，如图 1所示，秸秆束平均宽度为2~5 mm，平均厚度约为2 mm，平均长度为100~200 mm，秸秆皮干质量占玉米秸秆总质量的60%左右；脲醛树脂胶(UF)，不挥发物含量为46%；氢氧化钠固体粉末；盐酸溶液；羧甲基纤维素钠粉末；果胶粉末。
图 1 疏解后的玉米秸秆束
Figure 1. Crashed corn straw bundle
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实验处理条件及编号如表 1所示。所有原料处理均于室温条件下进行，容器为尺寸60 cm×40 cm×35 cm的耐酸碱塑料箱体。CMC和果胶悬浊液质量比为1:60，pH约为7，处理时间12 h。水热处理温度为80±3 ℃，处理时间60 min。HCl溶液质量分数为2%，pH值约为1，处理时间30 min。NaOH溶液质量分数为2%，pH值约为13，处理时间为30 min。处理后将玉米秸秆束漂洗至pH呈中性, 自然风干72 h，于103 ℃烘箱中干燥至含水率5%以下备用。
表 1 预处理条件
Table 1. Pretreatment conditions
编号Code 预处理条件1 Pretreatment condition 1 预处理条件2 Pretreatment condition 2 U 未处理Untreated H 盐酸处理30 min HCl treatment for 30 min N 氢氧化钠处理30 min NaOH treatment for 30 min W 水热处理60 min Hydrothermal for 60 min C CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours P 果胶处理12 h Pectin for 12 hours HC 盐酸处理30 min HCl treatment for 30 min CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours HP 盐酸处理30 min HCl treatment for 30 min 果胶处理12 h Pectin for 12 hours NC 氢氧化钠处理30 min NaOH treatment for 30 min CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours NP 氢氧化钠处理30 min NaOH treatment for 30 min 果胶处理12 h Pectin for 12 hours WC 水热处理60 min Hydrothermal for 60 min CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours WP 水热处理60 min Hydrothermal for 60 min 果胶处理12 h Pectin for 12 hours -
玉米秸秆轻质人造板目标密度为0.5 g/cm3，尺寸为300 mm×300 mm×10 mm。称量玉米秸秆束材料，置于滚筒内搅拌混合，同时利用高压喷枪均匀施胶，施胶量为秸秆束绝干质量的7%，然后于模具中均匀铺装，放入热压机热压，热压温度为150 ℃，热压时间8 min，压力4 mPa，采用厚度规控制板材厚度。热压完成的玉米秸秆板材如图 2所示，在25 ℃、65%湿度条件下恒温恒湿静置至少7天后，使用圆锯机裁切试件。
图 2 玉米秸秆人造板
Figure 2. Corn straw board
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玉米秸秆束表面接触角在Sigma700高性能表面张力/接触角仪上测定。玉米秸秆原料表面微观形貌及能谱分析采用台式扫描电镜Phenom-World Phenom ProX测试，在放大倍数为2 500倍时，选取6 μm×6 μm的面积进行Si元素扫描能谱分析。玉米秸秆的热稳定性采用Q50同步热分析仪进行分析，升温速率10 ℃/min，温度范围20~600 ℃。内结合强度、静曲强度和弹性模量参照GB/T17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能测试方法》进行测定，不同处理条件测试10个试件，取平均值。
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秸秆束表面润湿性通过接触角(θ)表征，若θ＜90°表明材料表面亲水，若θ＞90°则表明材料疏水，其值越小润湿性越好。玉米秸秆外表面是秸秆束外层的光滑表皮，内表面是玉米秸秆去除瓤后内层的粗糙表皮。表 2为各预处理条件下秸秆束内、外表面与水的接触角。
表 2 不同预处理条件下秸秆束与水的接触角
Table 2. Contact angle of straw bundle with different treatments
(°) U H N W C P 内表面
Inner surface63.5 61.5 57.5 67.1 63.6 70.9 外表面
Outer surface101.1 79.3 74.1 81.7 87.6 71.2 从表 2中可以看出，玉米秸秆外表面接触角均大于内表面接触角，这是由于秸秆外表面存在大量的硅层和蜡状层等非极性物质[9]。未处理玉米秸秆外表皮接触角为101.1°，水对其基本不浸润，属于疏水性材料。经HCl、NaOH及水热预处理后，外表面接触角分别降低了21.6%、26.7%、19.2%。这是因为预处理能溶解秸秆表面非极性物质，使得表面硅层及蜡状层脱落，极性的纤维暴露出来，秸秆束与水的润湿性增强。CMC与果胶处理后，玉米秸秆与水的接触角有所降低，这是因为CMC与果胶浸渍处理后有机物分子附着在秸秆表面形成一层亲水层，取代了非极性的硅和蜡状物质与水结合。NaOH处理后内外表面接触角分别为57.5°和74.1°，对秸秆束表面润湿性改善最佳。
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图 3为未处理、HCl处理、NaOH处理及水热预处理条件下秸秆束表面微观形貌图。由图 3可以看出：未处理的玉米秸秆束外表面平滑，存在少量星散颗粒状杂质。经HCl、NaOH及水热预处理后玉米秸秆束外皮变得粗糙，外表皮皱缩翘曲形成沟槽，伴随表层物质破裂脱落。这表明预处理条件能破坏表面光滑结构，去除秸秆表层物质，增大秸秆表层的比表面积，有助于增强纤维界面胶合强度。其中降解物质主要包括秸秆表面的硅层、蜡状层，但是会伴随部分半纤维素和木质素等有机物的降解[16]，使得玉米秸秆纤维疏松度增大，纤维本身脆性也随之增大。
图 3 预处理前后秸秆束表面微观形貌图
Figure 3. Microstructure of straw bundle surface before and after pretreatment
图 4为未处理、HCl处理、NaOH处理及水热处理条件下玉米秸秆束表面Si元素分布图，Si元素质量分数分别为43.0%、29.1%、25.7%和39.0%。未处理玉米秸秆束外表面存在大量的Si元素，预处理后单位面积内Si元素质量分数明显减少，表明预处理能有效去除秸秆表面非极性的硅质，改善玉米秸秆表面的润湿性。其中，NaOH处理后玉米秸秆束外表面Si元素质量分数降低了40.2%，表明NaOH处理对秸秆表面Si元素影响较大，润湿性改善效果最显著。
图 4 预处理前后秸秆束表面Si元素分布图
Figure 4. Si distribution of straw bundle surface before and after pretreatment
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图 5和图 6分别为未处理、HCl处理、NaOH处理及水热处理玉米秸秆纤维的热重曲线图(TG)与热失重速率曲线(DTG)。在热压温度150 ℃条件下，各个预处理条件秸秆束纤维热分解情况与未处理相同，表明预处理秸秆束在热压过程热稳定性良好，无明显热分解趋势。
图 5 不同处理条件下玉米秸秆纤维的TG曲线
Figure 5. TG curves of corn straw with different treatments
图 6 不同处理条件下玉米秸秆纤维的DTG曲线
Figure 6. DTG curves of corn straw with different treatments
TG/DTG曲线显示NaOH预处理秸秆束与未处理相比热解后的残重率增加，最大失重峰往低温方向移动，有研究[18]表明在低温阶段主要是秸秆中纤维素、半纤维素及部分木质素热裂解，在高温段主要是木质素热裂解，推测原因可能是NaOH处理秸秆纤维木质素降解量较大，木质素含量小于其他处理，纤维素相对质量分数的增加也提高了高温段的炭化率。HCl处理与水热处理热解后的残重率减少，原因可能是酸及水热处理能去除秸秆中的Si及灰分，同时纤维素组分发生重组，结晶区破坏，热解效率提高，使得残炭量大幅降低。水热处理后失重峰往高温方向移动，表明水热处理对纤维素与半纤维素影响较大，增大木质素的相对质量分数，与已有研究[19]结果相同。
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表 3为不同处理条件下玉米秸秆人造板的静曲强度、弹性模量及内结合强度值。由表 3可知U组未处理玉米秸秆人造板MOR为8.21 mPa，MOE为1 206.0 mPa，大部分预处理组板材的MOR与MOE值均较未处理组有明显提高。C组处理条件下MOR与MOE值分别提高了43.4%与11.1%，P组MOR与MOE值分别提高了97.7%与65.0%。原因可能是由于CMC与果胶来源于天然有机物，与植物纤维具有良好相容性，同时它们在建筑及造纸行业常作为增强剂使用，在秸秆纤维胶结过程相当于胶黏助剂，辅助秸秆束与胶黏剂间的结合，从而MOE与MOR相比未处理板材有所提高。
表 3 不同预处理条件玉米秸秆人造板的MOR、MOE及IB值
Table 3. MOR, MOE and IB values of corn straw board with different treatments
MPa 编号Code MOR MOE IB U 8.21 1 206.0 0.03 H 12.86 1 682.0 0.15 N 15.91 2 508.7 0.06 W 17.45 2 260.8 0.24 C 11.77 1 340.3 0.14 P 16.23 1 989.6 0.13 HC 17.54 1 729.0 0.20 HP 13.77 1 494.6 0.15 NC 10.43 926.4 0.07 NP 14.70 1 864.6 0.07 WC 18.76 1 942.9 0.18 WP 17.86 2 215.9 0.16 H组MOR、MOE与U组相比较分别提高了56.6%和39.5%，由图 3微观形貌分析可知：HCl处理后玉米秸秆束外表皮横向表现出皱缩凸起，纤维纵向抗弯性能有所改善。同时HCl处理能够有效去除玉米秸秆表面非极性物质，增强秸秆束与UF胶的接合。HC与HP组的MOE与MOR值相比未处理组均有所提高，但是相比H组没有表现出进一步的增强，原因可能是稀酸处理后秸秆纤维细胞壁结构遭到破坏，各种多糖溶解使得细胞壁变得脆弱[16]，有机物添加改善胶黏界面，并不能改善秸秆束纤维本身的结构强度，材料本身的强度一定程度上决定了板材的抗弯强度的强弱。N组NaOH处理后对板材力学性能的改善很明显，其中MOR值提高了93.8%，MOE提高了108.0%。这是由于NaOH处理硅质去除最大，表面润湿性改善最佳，秸秆束与UF胶的界面改善最佳。但是NC与NP组的MOR与MOE值较N组有所降低，这主要有两个方面的原因：一是碱处理对秸秆束纤维细胞壁结构强度的影响较大[20]；二是果胶水溶液呈弱酸性，处理过程中与秸秆纤维内部残留的NaOH中和，弱化了果胶的作用；CMC水溶液为中性或微碱性，但在碱液中黏性会降低，胶黏增强的作用被弱化。W、WC、WP组水热处理条件下MOR与MOE值都有较大的提高，与U组相比较，W组MOR与MOE值分别提高了112.5%与87.5%，WC组MOR与MOE值分别提高了128.5%与61.1%，WP组MOR与MOE值分别提高了117.5%与83.7%。这是因为水热处理对秸秆纤维结构强度影响较小，同时秸秆表面润湿性改善促进秸秆束与胶黏剂的接合。
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从内结合强度测试过程的受力特点来说，板材内结合强度受界面胶合强度及秸秆束本身强度的影响。由表 3可知：C组的CMC处理、P组的果胶处理对玉米秸秆人造板IB值有明显的改善作用，与未处理板材相比较分别提高了366.7%和333.3%。这是由于CMC与果胶能有效改善秸秆束表面的润湿性，增强玉米秸秆束与胶黏剂间的结合。H组秸秆人造板IB值为0.15 mPa，与U组相比较提高了400.0%，W组IB值与未处理材相比较提高了700.0%，这是由于HCl处理及水热处理能去除秸秆表面限制胶合的非极性物质，增强了纤维与胶黏剂之间的结合强度。但N组碱处理对IB值改善不明显，这主要由两个方面引起：一是秸秆束中木质素降解量最大，而木质素在纤维板中的作用相当于胶黏剂，使得板材纤维界面结合能力降低；二是NaOH处理后秸秆纤维结构强度下降较大[20]，限制了人造板IB的改善。
复合处理组IB值相较于单一处理组均没有显著提升，这是因为预处理后纤维强度被削弱，一定程度上限制IB值的改善。同时，考虑到内结合强度测试中，试件受到垂直方向的拉力作用，内结合强度受到纤维界面胶合强度以及纤维本身结构强度的双重作用，当酸碱及水热预处理后纤维界面胶合强度大于纤维结构强度时，秸秆纤维的结构强度决定了人造板内结合强度的最大值。这主要有4方面的原因：预处理后纤维润湿性改善，界面胶合强度提升；酸碱及水热预处理后秸秆纤维成分降解，结构强度被削弱；玉米秸秆瓤是疏松多孔的物质且强度低，内结合测试过程中瓤纤维受力易破裂使得IB值无法改善；预处理残留的酸碱均不利于CMC、果胶的结合，还会使脲醛树脂胶提前固化[21]。因此复合处理组IB值没有进一步改善。
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表 4为预处理玉米秸秆人造板与类似人造板性能比较。由表 4可知：相比同类秸秆人造板或预处理纤维板，玉米秸秆人造板的MOR与MOE明显优于同类材料。原因可能是玉米秸秆外皮在纤维纵向上韧性较强，本研究保留了秸秆束的长纤维形态，相比稻秸、油棕等短纤维或碎料在抗弯性能上有明显的优势。预处理后玉米秸秆人造板IB值相对稻秸人造板有所改善，但低于油棕纤维板，原因可能是预处理条件不能完全破坏秸秆束表层的非极性物质，秸秆束本身的结构特点限制了纤维间的胶接。本研究使用的是胶黏性能一般的UF胶，同时玉米秸秆人造板为密度0.5 g/cm3的轻质材料，使得玉米秸秆人造板内结合性能较差，不适用于建筑承重类材料，但是基于其良好的抗弯性能，可以用于缓冲材料、外墙挂板、建筑保温隔音材料[8]。
表 4 预处理玉米秸秆人造板与类似人造板的性能比较
Table 4. Performance comparison of pretreatment corn straw board and similar board
MPa MOR MOE IB 稻秸轻质保温人造板[22] Rice straw insulation board 0.16~0.89 0.01~0.03 稻秸无胶胶合人造板[23] Rice straw binderless board 2.62~4.21 808~1 180 0.04~0.6 预处理油棕纤维板[24] Pretreated oil palm trunk particleboard 5.23~7.09 839.66~863.93 0.84~1.05 蒸汽处理油棕纤维板[25] Steam treatment oil palm trunk particleboard 6.80~8.76 0.63~1.02 预处理玉米秸秆人造板Pretreatment corn straw board 10.43~18.76 926.4~2 508.7 0.06~0.24 -
1) 各个单一预处理条件均能降低玉米秸秆纤维与水的接触角，处理前后秸秆外表面接触角均大于内表面接触角。NaOH预处理玉米秸秆外表面接触角为74.1°，与未处理组相比较降低了26.7%，润湿性改善最显著。
2) HCl、NaOH及水热预处理后玉米秸秆束外皮翘曲形成沟槽，表层破裂脱落，表层形貌由平滑变为粗糙，同时玉米秸秆表面Si元素质量分数明显减少, 经NaOH处理后秸秆表面Si元素质量分数减少了40.2%，润湿性改善效果最显著。
3) 预处理组在热压温度150 ℃下无明显热分解趋势。NaOH处理对秸秆纤维中木质素影响较大，最大失重峰往低温方向移动；水热处理对纤维素与半纤维素影响较大，最大失重峰往高温方向移动。
4) 单一预处理均能有效改善玉米秸秆人造板的力学强度，复合处理条件不能进一步提高板材的力学性能。HCl、NaOH及水热预处理对玉米秸秆纤维结构强度影响较大，预处理后纤维强度对板材力学性能的影响大于界面胶合强度。水热处理后秸秆人造板力学性能改善最明显，与未处理的相比，IB值提高了700.0%，MOR值提高了112.5%，MOE值提高了87.5%。
Effects of pretreatment methods on properties of corn straw board
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摘要: 采用HCl、NaOH、热水、羧甲基纤维素钠(CMC)及果胶对玉米秸秆进行预处理，并通过热压法制备轻质玉米秸秆人造板，研究单一预处理和复合预处理对玉米秸秆表面润湿性、表面微观形貌、热稳定性以及板材力学性能的影响。结果表明：各个单一预处理条件均能降低玉米秸秆纤维与水的接触角，预处理后玉米秸秆束外皮表层形貌由平滑变为粗糙，表层破裂脱落，表面硅元素质量分数明显下降，NaOH处理对玉米秸秆表面润湿性改善最佳。热稳定性分析表明：在热压温度150 ℃下，预处理玉米秸秆纤维结构稳定，无明显热分解趋势。各个预处理条件均能改善玉米秸秆人造板的力学强度，复合预处理条件不能在单一预处理的基础上进一步提高板材的力学性能。HCl、NaOH及水热预处理会减弱玉米秸秆纤维结构强度，使得秸秆纤维结构强度对人造板力学性能的影响大于界面胶合强度。水热处理后秸秆人造板力学性能改善最明显，IB值提高了700.0%，MOR值提高了112.5%，MOE值提高了87.5%。Abstract: The corn straw had been treated with HCl, NaOH, hydrothermal, carboxymethyl cellulose(CMC) and pectin in this study, and then lightweight corn straw boards were fabricated by hot pressing technology. The effects of single factor treatment and combined treatments on the surface wettability, surface microstructure, thermal stability and mechanical properties of the corn straw board were investigated. The results showed that single-factor pretreatment can reduce the contact angle of corn straw fiber. Corn straw surface morphology changed from smooth to rough after pretreatment, along with fractured surface and significantly decreased of silicon element mass fraction. Corn straw treated by NaOH had the best surface wettability. Thermal stability analysis indicated that corn straw with pretreatment had no significant thermal decomposition in the hot-pressing temperature of 150 ℃. All pretreatment can effectively improve the mechanical strength of corn straw board but combined pretreatments does not further improve than single factor pretreatment. HCl, NaOH and hydrothermal pretreatment will weaken the structure strength of corn straw fiber. The effect of pretreatment on mechanical properties of fiber structure strength is greater than the bond strength of interface. Hydrothermal pretreatment has the best performance to improve the mechanical properties of corn straw board, and IB increased by 700.0%, MOR increased by 112.5%, MOE increased by 87.5%.
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Key words:
- corn straw /
- surface wettability /
- microstructure /
- thermal stability /
- mechanical properties
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图 3 预处理前后秸秆束表面微观形貌图
Figure 3. Microstructure of straw bundle surface before and after pretreatment
图 4 预处理前后秸秆束表面Si元素分布图
Figure 4. Si distribution of straw bundle surface before and after pretreatment
表 1 预处理条件
Table 1. Pretreatment conditions
编号Code 预处理条件1 Pretreatment condition 1 预处理条件2 Pretreatment condition 2 U 未处理Untreated H 盐酸处理30 min HCl treatment for 30 min N 氢氧化钠处理30 min NaOH treatment for 30 min W 水热处理60 min Hydrothermal for 60 min C CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours P 果胶处理12 h Pectin for 12 hours HC 盐酸处理30 min HCl treatment for 30 min CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours HP 盐酸处理30 min HCl treatment for 30 min 果胶处理12 h Pectin for 12 hours NC 氢氧化钠处理30 min NaOH treatment for 30 min CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours NP 氢氧化钠处理30 min NaOH treatment for 30 min 果胶处理12 h Pectin for 12 hours WC 水热处理60 min Hydrothermal for 60 min CMC处理12 h CMC treatment for 12 hours WP 水热处理60 min Hydrothermal for 60 min 果胶处理12 h Pectin for 12 hours 
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表 2 不同预处理条件下秸秆束与水的接触角
Table 2. Contact angle of straw bundle with different treatments
(°) U H N W C P 内表面
Inner surface63.5 61.5 57.5 67.1 63.6 70.9 外表面
Outer surface101.1 79.3 74.1 81.7 87.6 71.2
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表 3 不同预处理条件玉米秸秆人造板的MOR、MOE及IB值
Table 3. MOR, MOE and IB values of corn straw board with different treatments
MPa 编号Code MOR MOE IB U 8.21 1 206.0 0.03 H 12.86 1 682.0 0.15 N 15.91 2 508.7 0.06 W 17.45 2 260.8 0.24 C 11.77 1 340.3 0.14 P 16.23 1 989.6 0.13 HC 17.54 1 729.0 0.20 HP 13.77 1 494.6 0.15 NC 10.43 926.4 0.07 NP 14.70 1 864.6 0.07 WC 18.76 1 942.9 0.18 WP 17.86 2 215.9 0.16
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表 4 预处理玉米秸秆人造板与类似人造板的性能比较
Table 4. Performance comparison of pretreatment corn straw board and similar board
MPa MOR MOE IB 稻秸轻质保温人造板[22] Rice straw insulation board 0.16~0.89 0.01~0.03 稻秸无胶胶合人造板[23] Rice straw binderless board 2.62~4.21 808~1 180 0.04~0.6 预处理油棕纤维板[24] Pretreated oil palm trunk particleboard 5.23~7.09 839.66~863.93 0.84~1.05 蒸汽处理油棕纤维板[25] Steam treatment oil palm trunk particleboard 6.80~8.76 0.63~1.02 预处理玉米秸秆人造板Pretreatment corn straw board 10.43~18.76 926.4~2 508.7 0.06~0.24
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