木质颗粒材料常温致密成型微观机制与力学模型研究

Biomass energy is a new-style, clean and reproducible energy which is importantly developed in China. The micro mechanism of densification of wood particle has not been clarified so far. It is lack of parameters relating to particle shape in mechanical description model of densification of wood particle, thus densification force is not accurate in practical application. For solving the scientific problem, this research will try to reveal the micro mechanism of densification of flake, spherical and powdery wood particle material. The influence of wood material with different granularity, moisture and mixing proportion on the forming force in ambient temperature densification of wood particle will be investigated. A multi-parameter mechanical model for densification will be established. According to the theory proposed by Rumpf, lignin and liquid distribution, and mechanical interlocking on molding surface will be observed from micro perspective. Combining with macroscopical stretching and cutting mechanical experiments, the micro influence factors such as bridge force and Van der Waals force will be researched and the basic reason of densification of wood particle will be revealed. Research on micro mechanism and mechanical model in densification of wood particle are expected to be scientific significant to the development of biomass energy. The research results will build a theoretical foundation for design and process improvement of densification devices.

生物质能源是我国重点发展的新型能源，具有清洁、可再生、二氧化碳零排放的特点。目前存在木质颗粒材料致密成型的微观机制尚未明确，致密成型过程力学模型描述缺少与颗粒形状相关的参数，因此实际应用的成型力描述不准确。针对该科学问题，本申请尝试从木质颗粒材料致密成型微观成因研究入手，采用片状、球状、末状木材材料，在常温下研究不同粒度（厚度）、不同含水率、不同比例混合的木质颗粒材料成型时对成型力的影响，建立致密成型的多因素力学模型；根据Rumpf提出的理论，从微观角度观察成型界面的木质素分布、液体分布、机械嵌合等现象，结合宏观拉伸和剪切力学试验研究架桥力和范德华力等微观影响因素，得出致密成型的根本原因。木质颗粒材料致密成型微观机制的研究和致密成型力学模型的建立对生物质能源发展具有重要的科学意义，为成型设备设计和致密成型工艺改进奠定理论基础。

生物质能源是我国重点发展的新型能源，具有清洁、可再生、二氧化碳零排放的特点。目前存在木质颗粒材料致密成型的微观机制尚未明确，致密成型过程力学模型描述缺少与颗粒形状相关的参数，因此实际应用的成型力描述不准确。针对该科学问题，本项目主要研究内容如下：尝试从木质颗粒材料致密成型微观成因研究入手，在常温下研究不同粒度（厚度）、不同含水率、不同比例混合的木质颗粒材料成型时对成型力的影响，建立致密成型的多因素力学模型；1）提出了一种柱塞式平模生物质致密成型方法，并设计了成型机样机；2）探究成型套筒加热方法在锯屑成型过程中，对成型燃料松弛密度，耐久度，成型压力的影响；优化成型套筒加热方法中加热温度和含水率的选择，寻找合理的工艺参数，为生产实际提供参考；3）研究添加纤维百分含量和加热温度对成型块松弛密度、抗变形性、抗渗水性的影响，并结合显微结.构探究杨树纤维作为Solid bridge促进致密成型的微观机理。.重要结果：1）提出的柱塞式平模生物质致密成型方法为生物质致密成型技术的发展提供参考；2）成型套筒外加热可以有效的降低成型压力，从而降低成型能耗；松弛密度达到中密度成型燃料标准（>0.7g/cm3），耐久度达到90%以上，成型压力最小的参数水平为：温度200℃，含水率12%；3）添加蒸汽爆破杨树纤维对锯屑、竹粉成型有显著影响，随着纤维的含量增加，锯屑、竹粉成型燃料松弛密度、抗变形性、抗渗水性均显著改善。.木质颗粒材料致密成型微观机制的研究和致密成型力学模型的建立对生物质能源发展具有重要的科学意义，为成型设备设计和致密成型工艺改进奠定理论基础。.基于上述研究内容，本课题组总计发表3篇论文（1篇SCI，2篇EI），授权1项发明专利，培养3名研究生，较好的完成了课题既定任务。