一、生物質壓縮成型機理（1）成型過程中生物構造    生物質細胞壁的各部分常常由于化學組成的不同和微纖絲排列方向的不同，在結構上分出層次。常用的六種生物質原料（玉米秸稈、小麥秸稈、棉花秸稈、玉米芯、稻草）的不同壁層結構特點，可以用兩種超微結構模型來表示。***種模型中胞腔較大，微纖維排列狀態各異，其代表有稻草和玉米芯。當對生物質施加壓力時，首先胞間層受壓縮小，空隙率逐漸減少；當壓力逐漸增大時，初生壁在壓力作用下慢慢變薄，由于初生壁較薄，且木質素含量較高，所以壓潰程度較大；當壓力繼續增大時，次生壁開始受壓，由于次生壁厚度***大，主要成分為纖維素和半纖維素的混合物，所以抗拉壓強度較大，再加上內層為中空的細胞腔，所以供微纖絲變形的空間較大，故壓潰程度較小；伴隨著壓力繼續增大，細胞腔被壓，胞腔逐漸變小。對于***種模型結構的原料來講，胞腔較大，當壓力不是很大的情況下，胞腔會變小但不至于壓潰合攏；對于第二種模型結構的原料來講，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    生物質是由實體、水分及空氣組成的多孔性材料，其主要物質形態是不同粒徑的粒子。生物質的粒子排列通常都比較疏松，粒子間空隙較大。由于生物質生物構造的特殊性，生物質粒子的充填和流動等特性對壓縮成型具有十分重要的影響，當生物質開始壓縮成型時，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，當空氣和水分被排除后，部分粒子占據此空隙。在壓力的繼續作用下，粒子發生位置不斷錯位現象，由原來雜亂無章的排列逐漸變成有序的排列。隨著壓力的繼續增大，空隙越來越小，此時大粒徑的粒子在壓力作用下，發生破裂現象，變成細小的粒子，并產生變形，以填補粒子周圍較小的空隙。當壓力再增加時，粒子發生塑性變形，在垂直于主應力方向上，粒子被延展，相鄰的粒子靠嚙合的方式緊密結合，在平行于主應力方向上，粒子變薄，相鄰的粒子靠貼合的方式緊密接觸。由于生物質是彈塑性體，當發生塑性變形后，不再恢復到原有結構形狀，粒子間貯存部分殘余應力，使粒子結合更加牢固，這也是生物質成型燃料表現較好致密性的一個重要方面。對于玉米秸稈、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***差，纖維強度***低，在壓力作用下，大粒徑的粒子較其它原料易發生破裂現象，變成細小的粒子，粒子間空隙被填補得更充分，故顆粒成型燃料***致密。      當生物質含水率在纖維飽和點以下時，生物質中只有結合水。在壓力作用下，粒子雖然發生了排列組合及變形，但在垂直于主應力方向上，由于摩擦力急劇增大，流動性極差，粒子不能很好地被延展，所以導致不能成型。當生物質含水率在纖維飽和點以上時，生物質中水分包括自由水和結合水兩部分。當自由水過低時，在壓力作用下，生物質細胞發生擠壓變形，細胞中的導管易壓緊變細，增加了水分傳輸的阻力，再加上水分過低時擴散能力減弱，導致水分不能很好的移動，粒子流動性較差，粒子也不能較好地延展，導致成型效果較差；當自由水過高時，雖然基于濃度差的水分擴散能力增強，粒子流動性較好，粒子也能很好地被延展，但在平行于主應力方向上，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，也導致成型不好。所以控制生物質含水率在適當范圍，是生物質壓縮成型的一個重要方面。（3）成型過程中化學性質      生物質的主要組分是構成生物質細胞壁和胞間層的物質，由纖維素、半纖維素和木質素三種高分子化合物組成，少量組分主要包括灰分和有機物等。生物質種類不同，其組成的比例也有所差異。對于纖維素而言，楊木含量***大，稻草***小；對于半纖維素而言，除棉花秸稈略低外，其他原料的成分基本相同。在生物質壓縮成型過程中。木質素被認為是生物質中***好的內在粘合劑。半纖維素由多聚糖組成，是生物質中吸濕性較強的成分，在壓力和水解共同作用下可轉化為木質素，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成，在壓縮成型過程中，由氫鍵連接成的纖絲在粘聚體內發揮了類似混凝土的“鋼筋”加強作用，成為提高成型燃料強度的“骨架”。（4）成型過程中力學性質      當生物質原料開始受壓時，粒子發生了位置重新排序，以填補空氣及水分被擠出留下的空隙，即發生彈性變形；在壓力增大時，生物質粒子發生變形，堅固的韌性纖維對鄰近的導管施加壓力，導管的強度降低，因而導管壁被迫向腔內潰陷產生塑性變形，其空隙被堅固的韌性纖維占據；隨著壓力繼續增大，一些非結晶區的鏈分子在變形中被撕裂或彼此之間發生滑移，不斷伸開并逐漸相互平行，導致臨近的鏈分子卷曲或損傷，產生額外結晶體，增加了內部的粘滯度，并使生物質內部積累越來越大的勢能，一旦壓力達到某一程度，平行的鏈分子彼此間發生滑動，產生蠕變。生物質力學性質的性能指標受生物質含水率的影響較大。當含水率在纖維飽和點以下時，結合水吸附在生物質內部表面，當含水率下降時，生物質發生干縮現象，膠束之間的內聚力增高，內摩擦系數變大，密度增大，因而生物質力學強度急劇增加。當含水率在纖維飽和點以上時，自由水雖然充滿導管、管胞和生物質組織其它分子的大毛細血管，但只是浸入到生物質細胞腔內部和細胞間隙，與生物質的實體物質沒有直接結合，所以對生物質的力學性質影響不大，生物質力學強度基本上為定值。（5）成型過程的粘接機制       就不同材料的壓縮成型而言，成型物內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非自由移動粘合劑作用的粘合力；③自由移動液體的表面張力和毛細壓力；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。對于生物質原料來說，由于原料粒度大小不一，纖維素分子鏈排序也不盡相同，當處于同一壓力時，結晶區和非結晶區的纖維素分子鏈斷裂程度也各不一樣，所以會形成不同形狀和大小不一的顆粒，在壓縮成型過程中易產生固體顆粒橋接或架橋現象，進而影響成型燃料的松弛密度和耐久性。生物質原料不同，出現固體顆粒橋接或架橋現象的程度也有差異，對于玉米芯來講，由于原料粒度較玉米秸稈小得多，在相同壓力作用下，產生的細小顆粒均勻度較玉米秸稈強，顆粒之間容易發生緊密充填，所以玉米芯成型燃料的物理品質較玉米秸稈好。此外，粒子相互充填和嵌合是生物質壓縮成型過程的重要途徑。在垂直于主應力方向上，粒子被延展，相鄰的粒子靠嚙合的方式緊密結合，在平行于主應力方向上，粒子變薄，相鄰的粒子靠貼合的方式緊密接觸。由于生物質是彈塑性體，當發生塑性變形后，不再恢復到原有結構形狀，粒子間貯存部分殘余應力，使粒子結合更加牢固。 二、成型設備模具的設計    成型設備的核心部件為成型模具，模具設計的成敗就決定了成型設備的好壞。模具的設計要從生物質的成型過程開始研究。    在生物質成型過程中，物料在壓制區內所在的位置不同，其受壓輥的壓緊力也不同，可分為四個區間，即供料區、擠壓區、壓緊區和成形區。在供料區內，物料基本不受機械外力，處于自然松散狀態。在擠壓區內，隨著模輥的相對旋轉，物料受模輥的擠壓作用，物料之間產生相對移動，孔隙逐漸減小，隨著物料向前移動速度的加快，擠壓力逐漸增加，孔隙更小，但物料基本上還未變形。在壓緊區內，模輥間隙變小，擠壓力急劇增大，物料進一步靠緊和相嵌，顆粒間的接觸面增大和聯結增強，物料發生變形，并產生了較好的聯結，同時向模孔擠去，這一區間物料將產生彈塑性變形。在成形區內，模孔內已充滿了被壓實成形的顆粒燃料，在不斷新擠入的物料作用下，生物質成型燃料向出口移動，該區間發生應力松弛現象。