孫啟新¹，陳書法¹，董玉平²

（1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，連云港222005；2.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，濟(jì)南250061）

　　摘要：針對(duì)生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)能耗高、效率低的現(xiàn)狀，該文從生物質(zhì)組成角度，特別是木質(zhì)素特性出發(fā)探討其成型機(jī)理。秸稈成型過(guò)程由于內(nèi)摩擦力的作用產(chǎn)生大量熱量，溫度的上升會(huì)造成木質(zhì)素的軟化，木質(zhì)素的這一變化為纖維顆粒的團(tuán)聚提供了黏結(jié)力。溫度和木質(zhì)素特性對(duì)生物質(zhì)塑性成型性能產(chǎn)生巨大影響，是熱黏塑變形過(guò)程。為研究生物質(zhì)內(nèi)部特性對(duì)塑性成型過(guò)程的影響，運(yùn)用內(nèi)時(shí)理論，以玉米秸稈、小麥秸稈和水稻秸稈為研究對(duì)象，構(gòu)建了秸稈類生物質(zhì)壓縮成型內(nèi)時(shí)本構(gòu)方程。借助黏土流動(dòng)理論，推導(dǎo)定義生物質(zhì)黏塑性強(qiáng)化函數(shù)和核函數(shù)，運(yùn)用數(shù)值分析和試驗(yàn)得出本構(gòu)方程的系數(shù)。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，基于內(nèi)時(shí)理論的熱黏塑性本構(gòu)模型較好的模擬了生物質(zhì)塑性流變過(guò)程。結(jié)果顯示，向秸稈中添加20%的木質(zhì)素，可有效提高其塑性流動(dòng)性能，降低其在相同應(yīng)變下的應(yīng)力以及生產(chǎn)能耗；當(dāng)成型溫度在100～115℃之間，應(yīng)變率在1×10²～1×10³s^-1之間，對(duì)于木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29%的玉米秸稈、33.5%的小麥秸稈和34.3%的水稻秸稈的固化成型性能最好。

　　0引言

　　生物質(zhì)顆粒成型是解決其收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏這一難題的關(guān)鍵技術(shù)之一^[1-2]。目前生物質(zhì)成型的主要方法有活塞沖壓式、螺旋擠壓式、環(huán)模擠壓式和平模碾壓式，這些方法各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用^[3]。

　　關(guān)于生物質(zhì)成型機(jī)理的研究也取得了很大的進(jìn)展^[4-5]。霍麗麗等^[6]采用經(jīng)典黏彈性理論和伯格斯松弛模型，建立了生物質(zhì)顆粒燃料成型的黏彈性本構(gòu)模型，分別描述了不同階段的成型規(guī)律。并借助于試驗(yàn)確定了木屑、棉稈和玉米秸稈等不同種類原料的力學(xué)模型參數(shù)。陶嗣巍等[7]在單軸壓縮試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了玉米秸稈粉粒體模壓彈塑性本構(gòu)方程，采用有限元大變形理論，建立了歐拉描述的有限元模型，同時(shí)考慮了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)塑性壓縮成型的影響。鄭曉等[8]將經(jīng)典線性黏彈性應(yīng)變、線性黏塑性應(yīng)變和非線性黏塑性應(yīng)變理論疊加得到菜籽與菜籽仁的流變非線性黏彈塑性本構(gòu)模型，并運(yùn)用模擬退火算法對(duì)本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行反演求解。李汝莘等[9]通過(guò)卷壓試驗(yàn)和應(yīng)力松弛試驗(yàn)，以線性黏彈性理論中的經(jīng)典伯格斯模型為基礎(chǔ)，建立了卷壓過(guò)程中碎玉米秸稈的流變本構(gòu)方程，并用殘數(shù)法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行擬合。

　　這些研究大都以經(jīng)典彈塑性理論為基礎(chǔ)構(gòu)建模型，或依靠試驗(yàn)建立壓力和變形數(shù)學(xué)模型。經(jīng)典彈塑性理論是以金屬材料為基礎(chǔ)的研究成果，而生物質(zhì)的組成主要是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，是典型耗散材料。在壓縮過(guò)程中纖維在摩擦力和擠壓力作用下會(huì)破裂，木質(zhì)素會(huì)軟化而變成熔融狀^[10-11]。此類模型沒(méi)有反映生物質(zhì)本身的特性和組織結(jié)構(gòu)對(duì)成型性能的影響，特別是沒(méi)有闡明顆粒間黏結(jié)力的產(chǎn)生的機(jī)理以及對(duì)成型流變過(guò)程的阻礙和促進(jìn)作用。

　　生物質(zhì)成型過(guò)程是擠壓流和填隙流的混合過(guò)程，顆粒不斷破裂，并將氣體和水分?jǐn)D出完成顆粒間間隙填充，同時(shí)木質(zhì)素軟化成熔融狀，并黏附在顆粒上，在顆粒之間形成黏結(jié)力。整個(gè)變形過(guò)程是彈塑性體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變的結(jié)合。本文以內(nèi)時(shí)理論為基礎(chǔ)，以單軸壓縮試驗(yàn)為依據(jù)，通過(guò)內(nèi)時(shí)度量的定義充分考慮生物質(zhì)的構(gòu)成，特別是木質(zhì)素在高溫和高壓下的活化性能對(duì)生物質(zhì)塑性流動(dòng)性能的影響，建立熱黏塑性本構(gòu)模型。為進(jìn)一步的有限元分析提供材料模型依據(jù)，進(jìn)而提高成型設(shè)備的整體性能和生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)能力。

　　1熱黏塑性本構(gòu)模型

　　傳統(tǒng)經(jīng)典塑性理論是以屈服面為前體提出的，在建立本構(gòu)方程必須確定屈服面是否存在。內(nèi)時(shí)理論^[12]是描述耗散材料的黏塑性過(guò)程即熱力學(xué)不可逆過(guò)程的材料本構(gòu)理論，它不以屈服面的存在與否為前提，但也并不排斥屈服面的存在。它用內(nèi)時(shí)度量代替牛頓時(shí)間，在內(nèi)時(shí)空間中對(duì)物體的的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行描述。內(nèi)時(shí)度量與材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)變量有關(guān)系，而內(nèi)變量在材料變形過(guò)程中都有自己的演化方程，運(yùn)用內(nèi)時(shí)理論可以將本構(gòu)模型與材料的變形機(jī)理有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。通過(guò)恰當(dāng)合理的定義核函數(shù)和內(nèi)時(shí)度量就可獲得耗散材料本構(gòu)關(guān)系^[13]。

　　生物質(zhì)是一種典型的耗散材料，它在成型過(guò)程中產(chǎn)生的黏塑性流變是不可逆熱力學(xué)過(guò)程，至今對(duì)其屈服面的存在和屈服規(guī)則的定義沒(méi)有得到一致認(rèn)可。內(nèi)時(shí)理論在建模過(guò)程中不需要對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行回答，所以可充分考慮生物質(zhì)本身的特性對(duì)成型性能的影響。生物質(zhì)的主要組成成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中秸稈類生物質(zhì)中纖維素和半纖維素占70%左右，木質(zhì)素占17%～25%^[14-15]。生物質(zhì)壓縮成型過(guò)程是被粉碎過(guò)的纖維素顆粒相互擠壓、破裂和剪切填充的過(guò)程。顆粒的剪切和填充運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量和填充壓力給了木質(zhì)素活化的能量，促使木質(zhì)素軟化和塑化，木質(zhì)素的這一變化為纖維顆粒的團(tuán)聚提供了黏結(jié)力，隨著材料的硬化小顆粒永久的黏結(jié)在一起。因此生物質(zhì)成型過(guò)程要充分考慮木質(zhì)素的特性和溫度的影響，是一個(gè)典型的熱黏塑體。對(duì)于熱黏塑體，應(yīng)力可看作應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的歷史泛函數(shù)。本構(gòu)模型要反映溫度、黏度、應(yīng)變率對(duì)成型過(guò)程的影響。

　　1.1內(nèi)時(shí)理論定義

　　秸稈成型是在有固定實(shí)形的模具里面完成的，主要發(fā)生體積應(yīng)變，而塑性體積應(yīng)變是由于孔隙體積變化、顆粒的破裂后形態(tài)重新排列和粉體顆粒體積變化引起的。形態(tài)重新排列會(huì)引起剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力造成顆粒新的破裂和重排，并進(jìn)一步引起體積應(yīng)變，所以整個(gè)過(guò)程可看做是體積響應(yīng)過(guò)程，而沒(méi)有形狀變化，可忽略偏斜應(yīng)變。

　　2木質(zhì)素對(duì)塑性流動(dòng)性能影響

　　木質(zhì)素是聚酚類三維網(wǎng)狀高分子化合物,屬于非晶體，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，在110℃左右會(huì)軟化，160℃左右出現(xiàn)熔融態(tài)，超過(guò)200℃木質(zhì)素開(kāi)始熱解氣化^[20]。木質(zhì)素具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、流變性及較高的化學(xué)兼容性，是天然優(yōu)良的添加劑和黏合劑。纖維素和半纖維素被粉碎后形成顆粒狀，在成形過(guò)程中顆粒進(jìn)一步破裂微小顆粒，可將這些微小顆?？醋鬏^大的晶粒，而木質(zhì)素的黏結(jié)作用可看做晶粒之間的作用力。

　　采用硫酸法在室溫下測(cè)定玉米秸稈、小麥秸稈和水稻秸桿的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14.81%、20.16%和21.33%。運(yùn)用101-0BS型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱對(duì)秸稈進(jìn)行水分去除。然后采用電子稱稱一定質(zhì)量的秸稈，再按照質(zhì)量比分別向3種粉碎過(guò)的秸稈中添加水分和木質(zhì)素。

　　本文以堿性木質(zhì)素為試驗(yàn)樣品，堿性木質(zhì)素為造紙業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)副品，具有較好的熱塑性。將木質(zhì)素與秸稈粉粒進(jìn)行混合。分別取未添加木質(zhì)素的秸稈、分別添加10%、20%和30%木質(zhì)素的秸稈進(jìn)行成型試驗(yàn)，借助單軸壓縮試驗(yàn)規(guī)范，測(cè)得不同種類秸稈固化成型應(yīng)力應(yīng)變值，如圖1所示。

　　從圖1可看出，在成型前期應(yīng)力并沒(méi)有發(fā)生很大變化，主要是此階段成型以空氣排出和顆粒重新排列為主，顆粒沒(méi)有發(fā)生大的變形。當(dāng)應(yīng)變超過(guò)50%，隨著木質(zhì)素含量的增加，應(yīng)力出現(xiàn)了明顯下降，此階段木質(zhì)素開(kāi)始軟化增加了秸稈顆粒的流動(dòng)性能。但對(duì)于添加30%木質(zhì)素的秸稈在應(yīng)變74%～81%間出現(xiàn)應(yīng)力上升，隨后又下降。其原因是木質(zhì)素的增加提高了顆粒間的黏結(jié)力，又阻礙了成型過(guò)程。隨著成型進(jìn)行由于溫度的升高木質(zhì)素出現(xiàn)塑化并伴隨進(jìn)一步脆化，進(jìn)而喪失了部分承載能力，應(yīng)力出現(xiàn)下降。這與文獻(xiàn)[20]描述的木質(zhì)素基熱塑性材料的力學(xué)性能相同。從圖1得出，按質(zhì)量比添加20%木質(zhì)素的秸稈成型性能最好，在相同應(yīng)變的情況下，其最大應(yīng)力相比原材料的減小10MPa左右。

　　根據(jù)文獻(xiàn)[21]的研究，在生物質(zhì)固化成型過(guò)程由于摩擦力的存在伴隨著溫度的變化，當(dāng)成型進(jìn)行60min后，秸稈物料溫度達(dá)到70℃；240min后，溫度可穩(wěn)定在110～125℃之間，此時(shí)成型性較好。由于溫度對(duì)木質(zhì)素的特性影響非常明顯，為進(jìn)一步考察木質(zhì)素對(duì)秸稈成型性能的影響，對(duì)不同木質(zhì)素含量的秸稈成型過(guò)程產(chǎn)生的溫度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，木質(zhì)素的添加降低了成型過(guò)程溫度，220min后成型溫度可相對(duì)穩(wěn)定。木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29%玉米秸稈的穩(wěn)定成型溫度為105～115℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.5%的小麥秸稈的穩(wěn)定成型溫度為100～110℃。水稻秸稈成型溫度變化與小麥秸稈相同。其原因是木質(zhì)素軟化提高了顆粒的流動(dòng)性能，內(nèi)部摩擦減小了。進(jìn)一步驗(yàn)證了熱量不僅來(lái)自于生物質(zhì)與成型模具的摩擦，還來(lái)自于生物質(zhì)微小顆粒之間的錯(cuò)位和剪切摩擦，適量添加木質(zhì)素可降低秸稈成型過(guò)程的能耗。而對(duì)于添加30%木質(zhì)素的生物質(zhì)，在240min后出現(xiàn)了溫度上升，其原因是大量木質(zhì)素軟化增加了顆粒間的黏結(jié)力，阻礙顆粒的流動(dòng)性，這與圖1應(yīng)力應(yīng)變圖的變化是相吻合的。對(duì)于木質(zhì)素含量超過(guò)40%的小麥和水稻秸稈，在較高溫度下會(huì)出現(xiàn)塑化而導(dǎo)致成型失敗。

　　通過(guò)試驗(yàn)得出木質(zhì)素的含量和性能特別是軟化后產(chǎn)生的黏性，對(duì)生物質(zhì)的成型有顯著的影響。生物質(zhì)成型過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，是一個(gè)熱黏塑成型過(guò)程。對(duì)于耗散材料，經(jīng)典熱力學(xué)第二定律可寫為^[13]：

　　3參數(shù)確定

　　材料常數(shù)按照文獻(xiàn)[18]、[23]中提出的數(shù)值分析方法確定，并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行擬合校正。試驗(yàn)儀器為GDS固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)。如圖3所示，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)原理的改進(jìn)，在此系統(tǒng)上分別進(jìn)行一維蠕變?cè)囼?yàn)和等應(yīng)變率壓縮試驗(yàn)。金屬制成的成型筒作為側(cè)限，限制生物質(zhì)整體偏斜應(yīng)變。通過(guò)收集氣體和水份，作為計(jì)算體積應(yīng)變的依據(jù)。最終所得本構(gòu)模型材料常數(shù)如表1所示。

　　4試驗(yàn)驗(yàn)證

　　從表1不同種類秸稈的本構(gòu)模型常數(shù)值得出，小麥秸稈和水稻秸稈的常數(shù)值基本相同，證實(shí)了木質(zhì)素含量對(duì)成型性能的影響。

　　為驗(yàn)證熱黏塑性本構(gòu)模型的可行性，按照?qǐng)D3的試驗(yàn)方法，分別對(duì)添加20%木質(zhì)素的玉米秸稈和小麥秸稈在40和110℃、應(yīng)變率為1×10²和1×10³s^-1的條件下的進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和本構(gòu)模型繪制成塑性變形真應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線，得到圖4。在溫度40和110℃條件下，玉米秸稈的應(yīng)力模擬值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為2.11%、2.46%；小麥秸稈的相對(duì)誤差分別為1.81%、2.29%?？紤]到秸稈固化成型的復(fù)雜性，該誤差在許可范圍內(nèi)。從圖中也可直接比較得出，在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)，本構(gòu)模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合，模型能夠反映材料的軟化-強(qiáng)化特性，同時(shí)也很好地模擬了材料的率相關(guān)性和溫度相關(guān)性。

　　5結(jié)論

　　1）運(yùn)用內(nèi)時(shí)理論構(gòu)建了生物質(zhì)成型致密壓縮階段的熱黏塑性模型，該模型考慮了生物質(zhì)內(nèi)部特征，木質(zhì)素含量及其溫度特性對(duì)塑性流動(dòng)性能的影響。與原材料相比，向玉米秸稈、小麥秸稈和水稻秸稈中添加20%的木質(zhì)素，其成型過(guò)程中的最大應(yīng)力可降低10MPa左右；當(dāng)成型溫度在100～115℃之間，應(yīng)變率在1×10²～1×10³s^-1之間，可有效地提高木質(zhì)素的活化性能。

　　2）運(yùn)用數(shù)值分析和試驗(yàn)確定了玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈本構(gòu)模型的參數(shù)。

　　3）通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本構(gòu)方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的應(yīng)力應(yīng)變曲線吻合。在溫度40和110℃條件下，玉米秸稈的應(yīng)力模擬值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為2.11%、2.46%；小麥秸稈的相對(duì)誤差分別為1.81%、2.29%，該誤差在許可范圍內(nèi)。

　　4）通過(guò)研究木質(zhì)素活化性能，得出對(duì)木質(zhì)素含量對(duì)秸稈顆粒成型起關(guān)鍵作用，木質(zhì)素添加量的精確化計(jì)算及其改性是下一步的研究重點(diǎn)。

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