秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建

孙启新¹，陈书法¹，董玉平²

（1.淮海工学院机械工程学院，连云港222005；2.山东大学高效洁净机械制造教育部重点试验室，济南250061）

　　摘要：针对生物质颗粒生产能耗高、效率低的现状，该文从生物质组成角度，特别是木质素特性出发探讨其成型机理。秸秆成型过程由于内摩擦力的作用产生大量热量，温度的上升会造成木质素的软化，木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力。温度和木质素特性对生物质塑性成型性能产生巨大影响，是热黏塑变形过程。为研究生物质内部特性对塑性成型过程的影响，运用内时理论，以玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆为研究对象，构建了秸秆类生物质压缩成型内时本构方程。借助黏土流动理论，推导定义生物质黏塑性强化函数和核函数，运用数值分析和试验得出本构方程的系数。与试验数据相比较，基于内时理论的热黏塑性本构模型较好的模拟了生物质塑性流变过程。结果显示，向秸秆中添加20%的木质素，可有效提高其塑性流动性能，降低其在相同应变下的应力以及生产能耗；当成型温度在100～115℃之间，应变率在1×10²～1×10³s^-1之间，对于木质素质量分数分别为29%的玉米秸秆、33.5%的小麦秸秆和34.3%的水稻秸秆的固化成型性能最好。

　　0引言

　　生物质颗粒成型是解决其收集、运输和储藏这一难题的关键技术之一^[1-2]。目前生物质成型的主要方法有活塞冲压式、螺旋挤压式、环模挤压式和平模碾压式，这些方法各有自己的优点和缺点，得到了广泛的应用^[3]。

　　关于生物质成型机理的研究也取得了很大的进展^[4-5]。霍丽丽等^[6]采用经典黏弹性理论和伯格斯松弛模型，建立了生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型，分别描述了不同阶段的成型规律。并借助于试验确定了木屑、棉秆和玉米秸秆等不同种类原料的力学模型参数。陶嗣巍等[7]在单轴压缩试验的基础上，研究了玉米秸秆粉粒体模压弹塑性本构方程，采用有限元大变形理论，建立了欧拉描述的有限元模型，同时考虑了刚体转动对塑性压缩成型的影响。郑晓等[8]将经典线性黏弹性应变、线性黏塑性应变和非线性黏塑性应变理论叠加得到菜籽与菜籽仁的流变非线性黏弹塑性本构模型，并运用模拟退火算法对本构模型参数进行反演求解。李汝莘等[9]通过卷压试验和应力松弛试验，以线性黏弹性理论中的经典伯格斯模型为基础，建立了卷压过程中碎玉米秸秆的流变本构方程，并用残数法对模型参数进行拟合。

　　这些研究大都以经典弹塑性理论为基础构建模型，或依靠试验建立压力和变形数学模型。经典弹塑性理论是以金属材料为基础的研究成果，而生物质的组成主要是纤维素、半纤维素和木质素，是典型耗散材料。在压缩过程中纤维在摩擦力和挤压力作用下会破裂，木质素会软化而变成熔融状^[10-11]。此类模型没有反映生物质本身的特性和组织结构对成型性能的影响，特别是没有阐明颗粒间黏结力的产生的机理以及对成型流变过程的阻碍和促进作用。

　　生物质成型过程是挤压流和填隙流的混合过程，颗粒不断破裂，并将气体和水分挤出完成颗粒间间隙填充，同时木质素软化成熔融状，并黏附在颗粒上，在颗粒之间形成黏结力。整个变形过程是弹塑性体积应变和剪切应变的结合。本文以内时理论为基础，以单轴压缩试验为依据，通过内时度量的定义充分考虑生物质的构成，特别是木质素在高温和高压下的活化性能对生物质塑性流动性能的影响，建立热黏塑性本构模型。为进一步的有限元分析提供材料模型依据，进而提高成型设备的整体性能和生物质颗粒生产能力。

　　1热黏塑性本构模型

　　传统经典塑性理论是以屈服面为前体提出的，在建立本构方程必须确定屈服面是否存在。内时理论^[12]是描述耗散材料的黏塑性过程即热力学不可逆过程的材料本构理论，它不以屈服面的存在与否为前提，但也并不排斥屈服面的存在。它用内时度量代替牛顿时间，在内时空间中对物体的的应力应变进行描述。内时度量与材料的内部结构和内变量有关系，而内变量在材料变形过程中都有自己的演化方程，运用内时理论可以将本构模型与材料的变形机理有机的结合起来。通过恰当合理的定义核函数和内时度量就可获得耗散材料本构关系^[13]。

　　生物质是一种典型的耗散材料，它在成型过程中产生的黏塑性流变是不可逆热力学过程，至今对其屈服面的存在和屈服规则的定义没有得到一致认可。内时理论在建模过程中不需要对此问题进行回答，所以可充分考虑生物质本身的特性对成型性能的影响。生物质的主要组成成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中秸秆类生物质中纤维素和半纤维素占70%左右，木质素占17%～25%^[14-15]。生物质压缩成型过程是被粉碎过的纤维素颗粒相互挤压、破裂和剪切填充的过程。颗粒的剪切和填充运动，会产生大量的热量，这些热量和填充压力给了木质素活化的能量，促使木质素软化和塑化，木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力，随着材料的硬化小颗粒永久的黏结在一起。因此生物质成型过程要充分考虑木质素的特性和温度的影响，是一个典型的热黏塑体。对于热黏塑体，应力可看作应变、应变率和温度的历史泛函数。本构模型要反映温度、黏度、应变率对成型过程的影响。

　　1.1内时理论定义

　　秸秆成型是在有固定实形的模具里面完成的，主要发生体积应变，而塑性体积应变是由于孔隙体积变化、颗粒的破裂后形态重新排列和粉体颗粒体积变化引起的。形态重新排列会引起剪切应力，剪切应力造成颗粒新的破裂和重排，并进一步引起体积应变，所以整个过程可看做是体积响应过程，而没有形状变化，可忽略偏斜应变。

　　2木质素对塑性流动性能影响

　　木质素是聚酚类三维网状高分子化合物,属于非晶体，没有固定的熔点，在110℃左右会软化，160℃左右出现熔融态，超过200℃木质素开始热解气化^[20]。木质素具有良好的力学强度、流变性及较高的化学兼容性，是天然优良的添加剂和黏合剂。纤维素和半纤维素被粉碎后形成颗粒状，在成形过程中颗粒进一步破裂微小颗粒，可将这些微小颗粒看作较大的晶粒，而木质素的黏结作用可看做晶粒之间的作用力。

　　采用硫酸法在室温下测定玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸杆的木质素质量分数分别为14.81%、20.16%和21.33%。运用101-0BS型电热鼓风恒温干燥箱对秸秆进行水分去除。然后采用电子称称一定质量的秸秆，再按照质量比分别向3种粉碎过的秸秆中添加水分和木质素。

　　本文以碱性木质素为试验样品，碱性木质素为造纸业产生的工业副品，具有较好的热塑性。将木质素与秸秆粉粒进行混合。分别取未添加木质素的秸秆、分别添加10%、20%和30%木质素的秸秆进行成型试验，借助单轴压缩试验规范，测得不同种类秸秆固化成型应力应变值，如图1所示。

　　从图1可看出，在成型前期应力并没有发生很大变化，主要是此阶段成型以空气排出和颗粒重新排列为主，颗粒没有发生大的变形。当应变超过50%，随着木质素含量的增加，应力出现了明显下降，此阶段木质素开始软化增加了秸秆颗粒的流动性能。但对于添加30%木质素的秸秆在应变74%～81%间出现应力上升，随后又下降。其原因是木质素的增加提高了颗粒间的黏结力，又阻碍了成型过程。随着成型进行由于温度的升高木质素出现塑化并伴随进一步脆化，进而丧失了部分承载能力，应力出现下降。这与文献[20]描述的木质素基热塑性材料的力学性能相同。从图1得出，按质量比添加20%木质素的秸秆成型性能最好，在相同应变的情况下，其最大应力相比原材料的减小10MPa左右。

　　根据文献[21]的研究，在生物质固化成型过程由于摩擦力的存在伴随着温度的变化，当成型进行60min后，秸秆物料温度达到70℃；240min后，温度可稳定在110～125℃之间，此时成型性较好。由于温度对木质素的特性影响非常明显，为进一步考察木质素对秸秆成型性能的影响，对不同木质素含量的秸秆成型过程产生的温度进行测试，结果如图2所示。由图可知，木质素的添加降低了成型过程温度，220min后成型温度可相对稳定。木质素质量分数为29%玉米秸秆的稳定成型温度为105～115℃，质量分数为33.5%的小麦秸秆的稳定成型温度为100～110℃。水稻秸秆成型温度变化与小麦秸秆相同。其原因是木质素软化提高了颗粒的流动性能，内部摩擦减小了。进一步验证了热量不仅来自于生物质与成型模具的摩擦，还来自于生物质微小颗粒之间的错位和剪切摩擦，适量添加木质素可降低秸秆成型过程的能耗。而对于添加30%木质素的生物质，在240min后出现了温度上升，其原因是大量木质素软化增加了颗粒间的黏结力，阻碍颗粒的流动性，这与图1应力应变图的变化是相吻合的。对于木质素含量超过40%的小麦和水稻秸秆，在较高温度下会出现塑化而导致成型失败。

　　通过试验得出木质素的含量和性能特别是软化后产生的黏性，对生物质的成型有显著的影响。生物质成型过程会产生大量的热量，是一个热黏塑成型过程。对于耗散材料，经典热力学第二定律可写为^[13]：

　　3参数确定

　　材料常数按照文献[18]、[23]中提出的数值分析方法确定，并结合试验进行拟合校正。试验仪器为GDS固结试验系统。如图3所示，通过对试验装置和试验原理的改进，在此系统上分别进行一维蠕变试验和等应变率压缩试验。金属制成的成型筒作为侧限，限制生物质整体偏斜应变。通过收集气体和水份，作为计算体积应变的依据。最终所得本构模型材料常数如表1所示。

　　4试验验证

　　从表1不同种类秸秆的本构模型常数值得出，小麦秸秆和水稻秸秆的常数值基本相同，证实了木质素含量对成型性能的影响。

　　为验证热黏塑性本构模型的可行性，按照图3的试验方法，分别对添加20%木质素的玉米秸秆和小麦秸秆在40和110℃、应变率为1×10²和1×10³s^-1的条件下的进行压缩试验。将试验数据和本构模型绘制成塑性变形真应力-应变响应曲线，得到图4。在温度40和110℃条件下，玉米秸秆的应力模拟值与试验值的相对误差分别为2.11%、2.46%；小麦秸秆的相对误差分别为1.81%、2.29%。考虑到秸秆固化成型的复杂性，该误差在许可范围内。从图中也可直接比较得出，在较大的应变范围内，本构模型的模拟结果与试验数据有较好的吻合，模型能够反映材料的软化-强化特性，同时也很好地模拟了材料的率相关性和温度相关性。

　　5结论

　　1）运用内时理论构建了生物质成型致密压缩阶段的热黏塑性模型，该模型考虑了生物质内部特征，木质素含量及其温度特性对塑性流动性能的影响。与原材料相比，向玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆中添加20%的木质素，其成型过程中的最大应力可降低10MPa左右；当成型温度在100～115℃之间，应变率在1×10²～1×10³s^-1之间，可有效地提高木质素的活化性能。

　　2）运用数值分析和试验确定了玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆本构模型的参数。

　　3）通过试验验证，本构方程与试验数据绘制的应力应变曲线吻合。在温度40和110℃条件下，玉米秸秆的应力模拟值与试验值的相对误差分别为2.11%、2.46%；小麦秸秆的相对误差分别为1.81%、2.29%，该误差在许可范围内。

　　4）通过研究木质素活化性能，得出对木质素含量对秸秆颗粒成型起关键作用，木质素添加量的精确化计算及其改性是下一步的研究重点。

　　[参 考 文 献]

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