一、生物質(zhì)壓縮成型機(jī)理
（1）成型過程中生物構(gòu)造
生物質(zhì)細(xì)胞壁的各部分常常由于化學(xué)組成的不同和微纖絲排列方向的不同，在結(jié)構(gòu)上分出層次。常用的六種生物質(zhì)原料（玉米秸稈、小麥秸稈、棉花秸稈、玉米芯、稻草）的不同壁層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以用兩種超微結(jié)構(gòu)模型來表示。第一種模型中胞腔較大，微纖維排列狀態(tài)各異，其代表有稻草和玉米芯。當(dāng)對(duì)生物質(zhì)施加壓力時(shí)，首先胞間層受壓縮小，空隙率逐漸減少；當(dāng)壓力逐漸增大時(shí)，初生壁在壓力作用下慢慢變薄，由于初生壁較薄，且木質(zhì)素含量較高，所以壓潰程度較大；當(dāng)壓力繼續(xù)增大時(shí)，次生壁開始受壓，由于次生壁厚度最大，主要成分為纖維素和半纖維素的混合物，所以抗拉壓強(qiáng)度較大，再加上內(nèi)層為中空的細(xì)胞腔，所以供微纖絲變形的空間較大，故壓潰程度較??；伴隨著壓力繼續(xù)增大，細(xì)胞腔被壓，胞腔逐漸變小。對(duì)于第一種模型結(jié)構(gòu)的原料來講，胞腔較大，當(dāng)壓力不是很大的情況下，胞腔會(huì)變小但不至于壓潰合攏；對(duì)于第二種模型結(jié)構(gòu)的原料來講，由于胞腔很小，在較大的壓力下易被壓潰合攏，所以在相同的壓力條件下，稻草和玉米芯顆粒成型燃料的致密性比玉米秸稈、小麥秸稈、棉花秸稈的致密性要好。
（2）成型過程中的物理性質(zhì)
生物質(zhì)是由實(shí)體、水分及空氣組成的多孔性材料，其主要物質(zhì)形態(tài)是不同粒徑的粒子。生物質(zhì)的粒子排列通常都比較疏松，粒子間空隙較大。由于生物質(zhì)生物構(gòu)造的特殊性，生物質(zhì)粒子的充填和流動(dòng)等特性對(duì)壓縮成型具有十分重要的影響，當(dāng)生物質(zhì)開始?jí)嚎s成型時(shí)，由于壓力較小，粒子在壓力作用下慢慢擠緊，首先排除粒子間的空氣和水分，當(dāng)空氣和水分被排除后，部分粒子占據(jù)此空隙。在壓力的繼續(xù)作用下，粒子發(fā)生位置不斷錯(cuò)位現(xiàn)象，由原來雜亂無章的排列逐漸變成有序的排列。隨著壓力的繼續(xù)增大，空隙越來越小，此時(shí)大粒徑的粒子在壓力作用下，發(fā)生破裂現(xiàn)象，變成細(xì)小的粒子，并產(chǎn)生變形，以填補(bǔ)粒子周圍較小的空隙。當(dāng)壓力再增加時(shí)，粒子發(fā)生塑性變形，在垂直于主應(yīng)力方向上，粒子被延展，相鄰的粒子靠嚙合的方式緊密結(jié)合，在平行于主應(yīng)力方向上，粒子變薄，相鄰的粒子靠貼合的方式緊密接觸。由于生物質(zhì)是彈塑性體，當(dāng)發(fā)生塑性變形后，不再恢復(fù)到原有結(jié)構(gòu)形狀，粒子間貯存部分殘余應(yīng)力，使粒子結(jié)合更加牢固，這也是生物質(zhì)成型燃料表現(xiàn)較好致密性的一個(gè)重要方面。對(duì)于玉米秸稈、小麥秸稈、棉花秸稈、稻草和玉米芯來講，由于小麥秸稈微纖絲排列的平行度最差，纖維強(qiáng)度最低，在壓力作用下，大粒徑的粒子較其它原料易發(fā)生破裂現(xiàn)象，變成細(xì)小的粒子，粒子間空隙被填補(bǔ)得更充分，故顆粒成型燃料最致密。
當(dāng)生物質(zhì)含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，生物質(zhì)中只有結(jié)合水。在壓力作用下，粒子雖然發(fā)生了排列組合及變形，但在垂直于主應(yīng)力方向上，由于摩擦力急劇增大，流動(dòng)性極差，粒子不能很好地被延展，所以導(dǎo)致不能成型。當(dāng)生物質(zhì)含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，生物質(zhì)中水分包括自由水和結(jié)合水兩部分。當(dāng)自由水過低時(shí)，在壓力作用下，生物質(zhì)細(xì)胞發(fā)生擠壓變形，細(xì)胞中的導(dǎo)管易壓緊變細(xì)，增加了水分傳輸?shù)淖枇?，再加上水分過低時(shí)擴(kuò)散能力減弱，導(dǎo)致水分不能很好的移動(dòng)，粒子流動(dòng)性較差，粒子也不能較好地延展，導(dǎo)致成型效果較差；當(dāng)自由水過高時(shí)，雖然基于濃度差的水分?jǐn)U散能力增強(qiáng)，粒子流動(dòng)性較好，粒子也能很好地被延展，但在平行于主應(yīng)力方向上，由于過多的水分被排擠在粒子層之間，使粒子層間貼合不緊，也導(dǎo)致成型不好。所以控制生物質(zhì)含水率在適當(dāng)范圍，是生物質(zhì)壓縮成型的一個(gè)重要方面。
（3）成型過程中化學(xué)性質(zhì)
生物質(zhì)的主要組分是構(gòu)成生物質(zhì)細(xì)胞壁和胞間層的物質(zhì)，由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種高分子化合物組成，少量組分主要包括灰分和有機(jī)物等。生物質(zhì)種類不同，其組成的比例也有所差異。對(duì)于纖維素而言，楊木含量最大，稻草最??；對(duì)于半纖維素而言，除棉花秸稈略低外，其他原料的成分基本相同。
在生物質(zhì)壓縮成型過程中。木質(zhì)素被認(rèn)為是生物質(zhì)中最好的內(nèi)在粘合劑。半纖維素由多聚糖組成，是生物質(zhì)中吸濕性較強(qiáng)的成分，在壓力和水解共同作用下可轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素，也可起到粘合劑的功能。纖維素是由大量葡萄糖基組成的鏈狀高分子化合物構(gòu)成，在壓縮成型過程中，由氫鍵連接成的纖絲在粘聚體內(nèi)發(fā)揮了類似混凝土的“鋼筋”加強(qiáng)作用，成為提高成型燃料強(qiáng)度的“骨架”。
（4）成型過程中力學(xué)性質(zhì)
當(dāng)生物質(zhì)原料開始受壓時(shí)，粒子發(fā)生了位置重新排序，以填補(bǔ)空氣及水分被擠出留下的空隙，即發(fā)生彈性變形；在壓力增大時(shí)，生物質(zhì)粒子發(fā)生變形，堅(jiān)固的韌性纖維對(duì)鄰近的導(dǎo)管施加壓力，導(dǎo)管的強(qiáng)度降低，因而導(dǎo)管壁被迫向腔內(nèi)潰陷產(chǎn)生塑性變形，其空隙被堅(jiān)固的韌性纖維占據(jù)；隨著壓力繼續(xù)增大，一些非結(jié)晶區(qū)的鏈分子在變形中被撕裂或彼此之間發(fā)生滑移，不斷伸開并逐漸相互平行，導(dǎo)致臨近的鏈分子卷曲或損傷，產(chǎn)生額外結(jié)晶體，增加了內(nèi)部的粘滯度，并使生物質(zhì)內(nèi)部積累越來越大的勢(shì)能，一旦壓力達(dá)到某一程度，平行的鏈分子彼此間發(fā)生滑動(dòng)，產(chǎn)生蠕變。
生物質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的性能指標(biāo)受生物質(zhì)含水率的影響較大。當(dāng)含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，結(jié)合水吸附在生物質(zhì)內(nèi)部表面，當(dāng)含水率下降時(shí)，生物質(zhì)發(fā)生干縮現(xiàn)象，膠束之間的內(nèi)聚力增高，內(nèi)摩擦系數(shù)變大，密度增大，因而生物質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度急劇增加。當(dāng)含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，自由水雖然充滿導(dǎo)管、管胞和生物質(zhì)組織其它分子的大毛細(xì)血管，但只是浸入到生物質(zhì)細(xì)胞腔內(nèi)部和細(xì)胞間隙，與生物質(zhì)的實(shí)體物質(zhì)沒有直接結(jié)合，所以對(duì)生物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)影響不大，生物質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度基本上為定值。
（5）成型過程的粘接機(jī)制
就不同材料的壓縮成型而言，成型物內(nèi)部的粘合力類型和粘合方式可分成5類：①固體顆粒橋接或架橋(Solid bridge)；②非自由移動(dòng)粘合劑作用的粘合力；③自由移動(dòng)液體的表面張力和毛細(xì)壓力；④粒子間的分子吸引力(范德華力)或靜電引力；⑤固體粒子間的充填或嵌合。
對(duì)于生物質(zhì)原料來說，由于原料粒度大小不一，纖維素分子鏈排序也不盡相同，當(dāng)處于同一壓力時(shí)，結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的纖維素分子鏈斷裂程度也各不一樣，所以會(huì)形成不同形狀和大小不一的顆粒，在壓縮成型過程中易產(chǎn)生固體顆粒橋接或架橋現(xiàn)象，進(jìn)而影響成型燃料的松弛密度和耐久性。生物質(zhì)原料不同，出現(xiàn)固體顆粒橋接或架橋現(xiàn)象的程度也有差異，對(duì)于玉米芯來講，由于原料粒度較玉米秸稈小得多，在相同壓力作用下，產(chǎn)生的細(xì)小顆粒均勻度較玉米秸稈強(qiáng)，顆粒之間容易發(fā)生緊密充填，所以玉米芯成型燃料的物理品質(zhì)較玉米秸稈好。
此外，粒子相互充填和嵌合是生物質(zhì)壓縮成型過程的重要途徑。在垂直于主應(yīng)力方向上，粒子被延展，相鄰的粒子靠嚙合的方式緊密結(jié)合，在平行于主應(yīng)力方向上，粒子變薄，相鄰的粒子靠貼合的方式緊密接觸。由于生物質(zhì)是彈塑性體，當(dāng)發(fā)生塑性變形后，不再恢復(fù)到原有結(jié)構(gòu)形狀，粒子間貯存部分殘余應(yīng)力，使粒子結(jié)合更加牢固。
二、成型設(shè)備模具的設(shè)計(jì)
成型設(shè)備的核心部件為成型模具，模具設(shè)計(jì)的成敗就決定了成型設(shè)備的好壞。模具的設(shè)計(jì)要從生物質(zhì)的成型過程開始研究。
在生物質(zhì)成型過程中，物料在壓制區(qū)內(nèi)所在的位置不同，其受壓輥的壓緊力也不同，可分為四個(gè)區(qū)間，即供料區(qū)、擠壓區(qū)、壓緊區(qū)和成形區(qū)。
在供料區(qū)內(nèi)，物料基本不受機(jī)械外力，處于自然松散狀態(tài)。在擠壓區(qū)內(nèi)，隨著模輥的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，物料受模輥的擠壓作用，物料之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，孔隙逐漸減小，隨著物料向前移動(dòng)速度的加快，擠壓力逐漸增加，孔隙更小，但物料基本上還未變形。在壓緊區(qū)內(nèi)，模輥間隙變小，擠壓力急劇增大，物料進(jìn)一步靠緊和相嵌，顆粒間的接觸面增大和聯(lián)結(jié)增強(qiáng)，物料發(fā)生變形，并產(chǎn)生了較好的聯(lián)結(jié)，同時(shí)向?？讛D去，這一區(qū)間物料將產(chǎn)生彈塑性變形。在成形區(qū)內(nèi)，?？變?nèi)已充滿了被壓實(shí)成形的顆粒燃料，在不斷新擠入的物料作用下，生物質(zhì)成型燃料向出口移動(dòng)，該區(qū)間發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。
產(chǎn)品介紹
