高含量甜菜浆刨花板的结构、力学与化学特性对比研究及其在可持续材料中的应用

为应对木材资源短缺和农业废弃物利用问题，研究人员以甜菜浆(SBP)替代云杉木颗粒制备刨花板，采用pMDI树脂粘合，系统评估了25%-100% SBP掺量下板材的力学性能、微观结构及化学相互作用。研究发现高比例SBP板材(750 kg/m3)内结合强度(IB)提升25%，FTIR证实SBP羟基与pMDI异氰酸酯形成聚氨酯键，为农业废弃物高值化利用提供新途径。

　　

随着全球木材需求激增和环境法规趋严，如何高效利用农业废弃物替代传统木质材料成为迫切课题。甜菜浆(SBP)作为制糖业副产品，年产量巨大但利用率低，其高纤维素(30%)和果胶(24%)含量显示出作为生物基材料的潜力。然而现有研究多聚焦低比例SBP应用，且采用甲醛系胶粘剂存在环保隐患。

捷克布尔诺孟德尔大学林业与木材技术学院(Department of Wood Science and Technology, Mendel University in Brno)的Pavlo Bekhta团队在《Industrial Crops and Products》发表研究，首次系统评估pMDI树脂粘合的高比例SBP(25%-100%)刨花板性能。通过紫外荧光显微术追踪SBP分布，结合FTIR光谱解析化学键合机制，并建立SBP含量与板材密度的定量关系。研究采用振动筛分分析颗粒级配，X射线密度仪测定剖面分布，三轴力学测试评估MOR/MOE/IB性能，同步开展24-168小时厚度膨胀(TS)测试。

3.1 颗粒特性

SBP颗粒绝对密度(1183 kg/m³)是云杉(540 kg/m³)的2.2倍，但堆积效率仅21%导致更高孔隙率。接触角测试显示二者亲水性相似，而SBP在365 nm紫外光下呈现强蓝色荧光(峰值455 nm)，该特性被创新性用于板材微观结构示踪。

3.2 物理性能

100% SBP板材密度达641-726 kg/m³，但厚度膨胀率(TS_24h达39.5%)显著高于木质板材。密度剖面显示SBP导致核心密度反超表层，与传统三明治结构相反。

3.3 力学性能

SBP含量与MOR呈负相关(R2=0.95)，但pMDI粘合的100% SBP板材IB强度达0.80 MPa，较600 kg/m³密度组提升25%。值得注意的是，25-50% SBP掺量下IB强度(0.71 MPa)优于文献报道的UF树脂体系。

3.4 微观结构

荧光显微揭示SBP不规则形状导致更多界面空隙，解释其弯曲性能劣势。但紧密的SBP-pMDI界面证实化学键合主导而非机械互锁。

3.5 化学机制

FTIR证实SBP羟基(3335 cm^-1)与pMDI异氰酸酯(2274 cm^-1)反应形成聚氨酯键(1509 cm^-1酰胺II峰)，果胶组分可能增强界面粘结。

该研究突破性地证明高比例SBP可替代木材制备结构用刨花板，pMDI树脂的优异粘结性能弥补了SBP形态缺陷。通过密度优化(750 kg/m³)和三层结构设计，未来有望实现农业废弃物在建材领域的规模化应用。研究为乌克兰等战乱地区木材短缺问题提供解决方案，同时推动循环经济发展，具有显著环境与经济双重效益。