《Sustainable Materials and Technologies》：Preparation and life cycle assessment of self-adhesive wheat straw board with wet hot-pressing by enhanced H-bonding
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通过碱处理和氯化锌预处理改善小麦秸秆纤维的氢键网络，成功开发了高强度自粘合板材，其力学性能比未处理样品提高47倍，并显著提升水热稳定性，生命周期评估显示电力消耗是主要环境影响因素。
王建英|姚玲华|葛胜波|张启宇|马沙拉·雷扎卡泽米|左家晨|程丽华|张丽波
中国广东省石油化工技术大学化学工程学院腐蚀与安全工程技术中心，茂名525000
摘要
传统家具板材通常使用大量胶粘剂，这导致环境污染和成本增加。利用农业和林业废弃物开发无胶板材有助于推动家具市场的技术创新和绿色发展。本研究提出了一种策略，旨在增强木质纤维素生物质纤维在分子、超分子和纤维间结构层面的氢键相互作用。以小麦秸秆这种典型的农业废弃物为原料，首先通过碱性处理去除纤维中的木质素，然后使用氯化锌处理使纤维素充分膨胀，最后采用湿压工艺制备高强度板材，从而开发出一种名为WS-A-Zn的无胶板材。WS-A-Zn的拉伸强度为12.42 MPa，内聚强度为0.749 MPa，弯曲强度为26.366 MPa，弯曲模量为2.963 GPa，这些性能远高于在相同热压条件下未经处理的小麦秸秆样品（WS）。其中，WS-A-Zn的拉伸强度是WS的47倍。此外，该板材还具备优异的防水性、热稳定性和抗降解性，并可重复使用。生命周期评估表明，电力消耗是生产小麦秸秆热压板材环境影响的主要因素。总之，本研究为家具行业无胶板材的环保生产、农业和林业废弃物的高价值利用以及生物质材料性能的分子级改进提供了重要见解。
引言
基于木材的复合板材因其机械强度高、尺寸稳定性和加工性能好而被广泛应用于建筑、家具制造和室内装饰领域[1]。然而，其生产严重依赖森林资源衍生的原材料和合成石化胶粘剂，引发了关于资源可持续性、甲醛排放和环境影响的担忧[2]。这些挑战加剧了人们对开发可再生、低排放和高性能替代品的兴趣。农业废弃物是一种丰富但尚未得到充分利用的生物质资源。在主要农作物生产区，每年会产生大量秸秆，传统的处理方式（如露天焚烧或长期堆放）会导致空气污染、土壤退化和资源浪费。特别是小麦秸秆富含纤维素、半纤维素和木质素，使其成为制造工程板材的有希望的木质纤维素原料[3][4]。然而，表面蜡质、果胶物质和高硅含量等内在障碍限制了纤维的兼容性，并降低了热压过程中的界面粘合力[5]，从而限制了其直接用于自粘板材的生产[6]。
为克服这些限制，人们探索了多种预处理方法。机械精炼可以增加纤维表面积并提高纤维的暴露程度[7]，而碱性处理、水热处理、酶处理和蒸汽爆炸等方法可以改变木质纤维素结构并改善粘接性能[8][9][10]。尽管取得了这些进展，但开发无甲醛或自粘板材仍面临挑战[11][12]。天然胶粘体系往往涉及复杂的合成路线或高昂的成本，而现有的预处理方法无法始终达到实现强板材性能所需的纤维间凝聚力[13][14]。因此，寻找既高效又具有工业可行性的预处理策略至关重要[15][16][17][18]。
氢键在木质纤维素材料的内聚力中起着核心作用[19]。作为富含纤维素的生物质中的主要分子间作用力，氢键决定了纤维的凝聚力、机械强度、吸湿性和尺寸稳定性[20]。因此，增强木质纤维素细胞壁结构中的羟基暴露程度并强化氢键网络成为提高自粘生物质复合材料性能的有效途径。然而，针对农业废弃物（尤其是小麦秸秆）的有效促进此类结构相互作用的策略仍不完善。
为应对这些挑战，本研究旨在通过综合预处理和热压工艺开发一种可持续的自粘小麦秸秆板材。基于先前研究表明碱性预处理可以增强小麦秸秆在压制板材中的自粘性[21]，本研究重点在于提高木质纤维素官能团的暴露程度和反应性；改善所得自粘板材的机械和物理性能；并利用生命周期评估（LCA）[22][23][24]评估该工艺的环境性能。通过将材料性能与环境因素相结合，本研究旨在推动农业废弃物的高值化利用，并促进更清洁、更可持续的复合材料的开发。
热压板材的原材料和制备
小麦秸秆来自中国乌鲁木齐的一个农场。粉碎后，使用实验室筛子仔细筛选出3毫米至5毫米之间的颗粒。所用化学品NaOH（96%）、Na?SO?（98%）和ZnCl?（99%）均从中国英诺凯化学试剂有限公司购买。所有化学品均按原样使用，未进行额外纯化。
首先，将选定的小麦秸秆浸泡在2.5 M NaOH和0.4 M Na?SO?的水基溶液中，固液比为1:10。
自粘板材的制备
图1a展示了通过热压小麦秸秆制备高强度自粘板材的工艺流程。小麦秸秆经过粉碎和筛分后成为原料WS。经过NaOH和Na?SO?预处理后，通过磺化反应去除大部分木质素，得到原料WS-A。在常温和常压下，将预处理后的小麦秸秆完全浸入熔融的ZnCl?中，生成WS-A-Zn。最后，将三种材料结合在一起。
结论
本研究提出了一种高效的生产WS-A-Zn的方法，这是一种通过热压小麦秸秆制备的高性能、可持续的自粘板材。该方法包括碱性预处理以去除小麦秸秆纤维中的大部分木质素，随后用ZnCl?处理使纤维素充分膨胀，最后通过湿压工艺制备高强度板材。这一工艺为将农业废弃物转化为自粘生物质板材开辟了新途径。
作者声明
L. Y.、M. R. 和 L. Z. 指导并监督了整个项目；J. W.、S. G.、Q. Z.、J. Z. 和 L.C. 进行了实验并分析了数据；L. Y.、M. R. 和 L. Z. 对手稿进行了评审；L. Y.、M. R. 和 L. Z. 讨论了结果并对手稿进行了修改。所有作者均已批准手稿的最终版本。
作者贡献声明
王建英：撰写 – 审稿与编辑。姚玲华：撰写 – 审稿与编辑。葛胜波：撰写 – 审稿与编辑。张启宇：撰写 – 审稿与编辑。马沙拉·雷扎卡泽米：撰写 – 审稿与编辑。左家晨：撰写 – 审稿与编辑。程丽华：撰写 – 审稿与编辑。张丽波：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（22368051）、广东省高校重点研究平台与项目（2025ZDZX4043）、广东石油化工大学人才引进项目（2023rcyj2005）以及中国科协青年精英科学家资助计划（2023QNRC001）的支持。
