目前，关于生物质压缩成型颗粒机理
的研究主要集中在热压研究方面，对生物质成型颗粒机理的研究较少，特别涉及到颗粒压缩成型前后微观结构变化的研究还是空白，因此，本章将以秸秆原料为导入点，研究探索生物质颗粒压缩成型的内部规律。
2.1.1成型过程中生物构造细胞是生物体结构和功能的基本单位，除病毒以外的所有生物均有细胞组成。细胞同样是构成生物质的基本结构单位。要了解生物质及其成型产品的品质与性质，必然需要了解生物质细胞壁的壁层结构，这是由于各种物理力学性质在宏观表现上的各向异性都与之有密切关系。
细胞壁的形成过程如下所述：由许多型d．葡萄糖基以苷键联结而形成纤维素分子链，之后再由纤维素分子链聚集结成束，构成基本纤丝，这些基本纤丝再组成丝状微团系统即微纤丝，之后再经过一系列的组合，也就是微纤丝组成纤丝，更多的纤丝组成粗纤丝，这些粗纤丝组成薄层，最后薄层形成细胞壁的初生壁和次生壁，进而形成了生物质的导管、管胞和纤维素等重要组成分子。
在图2-1中，沿基本纤丝的长度方向，大分子链纤维素的排列状态并不相同：在大分子链纤维素排列最密集的地方，分子链平行排列，并且定性良好，为纤维素的结晶区。在结晶区内部，分子链之间的结合力随着分子链之间的间距的缩小而增大，在分子链排列比较稀疏、间隙比较大的地方，分子链排列的平行度下降，同时分子链之间的结合力也随之降低，为纤维素非结晶区。对于生物质而言，在一个基本的纤丝的长度方向上可能包含几个结晶区和非结晶区。
生物质细胞壁各部分常常由于化学成分的不同和纤丝排列方向的不同，在结构上分出层次。一般可将细胞壁分为以下三部分：初生壁P、次生壁S和两细胞间的胞间层ML。
生物质纤维初生壁的微细纤维主要是凌乱的网状结构，形成初期由纤维素构成，后期其中的木质素浓度较高，在不同生物质纤维素中其排列状态基本没有明显的差异。次生壁的厚度在整个细胞壁中是最大的，次生壁的微细纤维排列形状却有较大差异，虽然各层微纤丝都为螺旋取向，但却与纤维轴的夹角不同。次生壁外层S．的微细纤丝排列的平行度比较差，夹角约为50°～70°。次生壁中层S2的微细纤丝的排列的平行度最好，夹角约为10°～30°，次生壁内层S3的微细纤维排列的平行度最差，夹角约为60°～90°，呈现不规则的环状排列。另外，夹角小于30°的微细纤丝不易帚化，随着夹角变小，纤维强度越大。
在整个细胞壁中次生壁的厚度最大。在次生壁中，S，和S3两层均较薄，S2层最厚，生物质的重要组成分子管胞、导管和木纤维都分布于S2层。胞间层是在细胞分裂以后最早形成的分割部分，主要是由一种无定形、胶体状的果胶物质组成，呈现各向同性。
由于原料种类不同，所以他们的压缩成型曲线也各有差异，这就是由于不同生物质的细胞壁壁层的结构不尽相同导致的。玉米秸秆、棉花秸秆、玉米芯、小麦秸秆和稻草六种不同生物质原料的不同壁层结构特点可以用图2-3中两种超微结构来表示。
第一种超微结构中，胞腔比较大，S1层比较厚，S2微细纤维角度较大，由ML、Si、S2、S3、P组成；微细纤维排列状态各异，ML为网状，S1和S2分别为近横向交叉螺旋形和缠绕角为300-400的平螺旋形，S3则为近于横向交叉的螺旋形。第二种结构的特点为细胞腔很小，细胞壁较厚，细胞壁的最主要部分是S2层，它的微细纤维缠绕角为300--400。由第一种纤维结构构成的是稻草和玉米芯，由第二种结构构成的是玉米秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆。
了解生物质的生物构造，能够有助于研究生物质压缩成型的过程中的组织结构的变化。当对生物质原料施加压力时，首先胞间层受到压缩变小，空隙逐渐减少；当压力逐渐不断增大时，初生壁在压力作用下开始慢慢变薄，因为初生壁比较薄，而且木质素的含量比较高，所以其压溃程度比较大；当压力再继续增大时，这时次生壁开始受压，因为次生壁厚度比较大，其主要成分为半纤维素和纤维素的混合物，因此抗拉压强度较大，再加之内层为空洞的细胞腔，因此给微细纤丝提供的变形空间比较大，这时压溃程度比较小；随着压力的不断增大，细胞腔被压缩，细胞腔不断变小。对于属于第一种结构的原料来说，胞腔比较大，当压力不是很大的情况下，虽然胞腔会变小但是不至于压溃合拢：对于属于第二种结构的原料来说，因为胞腔很小，在受到较大的压力下比较容易被压溃合拢，因此在压力相同的情况下，玉米芯和稻草在压缩成颗粒成型燃料的致密性要好于玉米秸秆、棉花秸秆和小麦秸秆。
2.1.2成型过程中的物理性质
生物质主要有实体、水分和空气组成的多孔性材料。生物质的主要物质形态是不同粒径的粒子，生物质生理方面的原因决定了它的粒子排列通常都比较稀疏，粒子间的空隙相对较大，因此生物质的密度比较小。生物质原料粒子的流动和充填的特性对于压缩成型具有非常重要的影响。生物质原料在压缩成型中所表现出来的粒子特性可以用图2-4来表示。
当生物质原料开始压缩成型时，因为压力比较小，粒子在压力作用下被慢慢挤紧，粒子间的空气和水分首先被排除，在空气和水分被排除后，一部分粒子卣据空隙。当压力的作用继续时，粒子的位置不断出现错位，由原来杂乱的排列逐渐变成比较有序的排列。随着压力的不断继续增大，粒子间空隙越来越小，这时直径比较大的粒子在压力作用下，发生破裂现象，成为直径比较小的小粒子，并产生变形，填补了粒子周围较小的空隙。当压力再不断增大时，粒子会发生塑性变形，在垂直于主应力的方向上，粒子发生延展，相邻的粒子以啮合的方式紧密结合，在平行于主应力的方向上，粒子变薄，并且相邻的粒子靠贴合的方式紧密接触。因为生物质原料是弹塑性体，在发生塑性变形后，不能再恢复到原来的结构形态，粒子间储存的部分残余应力，使得粒子结合的更加牢固，这同样是生物质原料成型燃料表现出良好致密性的一个重要方面。相对于小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、稻草和玉米芯来讲，因为小麦秸秆微细纤丝排列的平行度比较差，纤维的强度最低，在压力的作用下，直径较大的粒子较其他原料更易发生破裂现象，从而变成细小的粒子，粒子间的空隙被填充的更充分，所以颗粒成型燃料最致密。
在生物质物理性质中，生物质原料含水率的高低对生物质的压缩成型影响比较大，所以对生物质原料中水分的存在状态进行研究就非常必要。生物质原料中的水分有自由水和结合水两大类，自由水主要存在生物质的细胞腔中，而结合水主要存在于细胞壁中结合水在生物质原料细胞壁中的状态和位置如图2-5，图2-6则为生物质中水分的存在方式和存在状态。
生物质中水分发生移动的动因很多，主要是：基于压力差的在毛细管中的移动，基于浓度差的扩散作用，在细胞腔表面自由水发生蒸发和凝结，以及结合水在细胞壁中的吸着和解吸。生物质原料中水分的移动路径是通过导管上的穿孔，水分可以在纤维方向上通过穿孔从一个导管到相邻界上的纹孔移动。
研究生物质原料中水分的存在状态和其移动路径，有助于分析生物质含水率对于生物质压缩成型的内在影响。当生物质的含水率低于纤维饱和点时，生物质中仅有结合水，这时结合水与细胞壁无定形区中的羟基形成氢键结合。在压力的作用下，虽然粒子发生了排列组合和变形，但是在垂直于主应力的方向上，因为摩擦力急剧变大，流动性极差，粒子不能很好地延展，因此导致不能成型。当生物质的含水率高于饱和点时，这时生物质原料中的水分就包括两部分：自由水和结合水。在自由水比较低时，生物质细胞在压力作用下发生挤压变形，此时细胞中的导管易压紧变细，这就阻碍了水分在导管中的传输，加之水分过低时其扩散作用减弱，这样水分就不能很好地移动，粒子流动行较差，同时粒子也不能很好地延展，所以成型效果比较差；在自由水比较高时，此时尽管基于浓度差的水分的扩散作用增强，粒子流动性好，粒子能很好地延展，但是在平行于主应力的方向上，因为过多的水分被排挤在粒子层之间，这样会使粒子层间贴合不紧，导致成型也不好。因此把生物质的含水率控制在适当的范围，是生物质压缩成型的一个重要方面。
2.1.3成型过程中的化学性质
生物质原料能够压缩成型，其化学性质的利用是一个非常重要的方面。研究生物质的化学组成和其各个组成成分在成型过程中的作用，对于研究生物质成型颗粒机理极其重要。
生物质原料的主要组分有纤维素、半纤维素及木质素三种化合物组成，细胞壁和胞间层主要有它们构成，生物质的少量组分主要有灰分和有机物组成，生物质的化学组分的组成如图2-7。
在图2-7中，三种主要化学组分对细胞壁所起的物理作用是不同的。纤维素在细胞壁中以分子链聚集成排列有序的微细纤丝束的形态存在，它给予生物质抗拉强度，能够起到骨架的作用，所以将其称为细胞壁的骨架物质：而半纤维素建以无定形态渗透在骨架物质中，能够增加细胞壁的刚性，因此称之为基体物质；木质素在细胞分化的最后阶段才形成，它则渗透在细胞壁的骨架物质中，能够使细胞壁更加坚硬，因此称之为结壳物质或者硬固物质。根据生物质细胞壁的主要组分所起到的物理作用特征，将生物质的细胞壁形象地称之为“钢筋混凝土建筑”。
从表中可以看出，生物质三种主要化学组分中，由于原料不同，其各种组分的组成比例也有所差异。杨木的纤维素含量最大，稻草的纤维素含量最小；而半纤维素方面，棉花秸秆的含量最低，其他原料的半纤维素含量基本相同。
在生物质原料压缩成型过程中，木质素、纤维素和半纤维素他们所起的作用各不相同。木质素是生物质体内最好的粘合剂，它主要是由苯丙烷结构单元组成，具有三度空间的天然高分子化合物。在常温条件下，木质素本身与水和其他有机溶剂不溶解，100℃开始软化，160℃就开始熔融形成胶状物质。由于在生物质原料压缩成型过程中，在压力和水分的作用下，木质素的大分子容易碎片化，从而发生缩合和降解，其溶解性质发生显著变化，生成具有可溶性的木质素和不可溶的木质素。此外，由于酚羟基和醇羟基的存在，能够促使碱性木质素溶解，木质素磺酸盐与水溶解可以形成胶体溶液，起到粘合剂的作用，再通过粘附和聚合生物质颗粒，从而提高成型燃料的耐久性和结合强度。半纤维素主要有多聚糖构成，具有分枝度，在主链和侧链上都含有比较多的羟基、羧基等一系列亲水性基团，它们是生物质中吸湿性比较强的成分，在压力和水解作用下能够转化为木质素，也起到了黏合剂的功能。纤维素主要有大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物组成，不溶于水，其主要功能是羟基，它可以结成氢键，其能量强于范德华力。压缩成型过程中，氢键连接成的纤丝能够在黏聚体内产生类似于混凝土当中的钢筋的加强作用，因此它是提高成型燃料的骨架。蠕变指的是在恒定不变的应力下，生物质的应变随着时间的延长逐渐增大的现象；松弛指的是在恒定不变的应变条件下，应力随着时间的延长逐渐减少的现象。
对于出现的上述两种现象，可以用下面的理论进行解释。当生物质开始受压时，粒子之间发生了位置重新排序，用来填充空气和水分被挤出留下来的空隙，即在发生了弹性变形；压力增大时，生物质粒子会发生变形，坚固的韧性的纤维对周边的导管施加压力，使得导管的强度降低，所以导管壁被迫向腔内溃压产生塑性变形，其空隙就被韧性纤维所占据；随着压力不断增大，一些非结晶区的链分子就会在变形中被撕裂，有的彼此之间发生滑移，不断伸开并且逐渐增大，导致周边的链分子卷曲或损伤，就会产生额外结晶体，从而增加了内部的黏滞度，并且使生物质原料内部积累越来越大的势能，如果一旦压力达到某一程度，就会使平行的链分子之间彼此发生滑动，产生蠕变。
生物质力学性质性能指标受生物质原料含水率的影响较大，当含水率低于纤维饱和点时，结合水就会吸附在生物质内部表面，当含水率不断下降时，生物质就发生干缩现象，胶束间的内聚力增高，随之内摩擦系数变大，密度增大，所以生物质力学强度急剧增加。当含水率高于纤维饱和点时，虽然此时自由水充满导管、管胞及生物质组织的其他大毛细血管，但只是浸入到生物质的细胞腔的内部和细胞间隙，这与生物质的实体物质没有直接的结合，因此对生物质的力学性能影响不大，生物质的力学强度基本保持不变为定值。那么出现固体颗粒桥接架桥现象的程度也有差异，拿玉米芯来讲，因为其原料粒度比玉米秸秆小得多，在承受相同压力作用下，产生的细小颗粒的均匀度比玉米秸秆好，颗粒之间容易发生紧密填充，因此玉米芯的成型燃料的物理品质要比玉米秸秆好。
(3)粒子相互充填和嵌合也是生物质原料压缩成型过程的重要途径。在垂直于主应力方向上，粒子发生延展，相邻的粒子通过啮合的方式紧密结合，在平行于主应力的方向，粒子变薄，相邻的粒子通过贴合的方式紧密接触。因为生物质原料是弹塑性体，当发生塑性变形后，不能再恢复回原有结构形状，粒子间储存的部分残余应力，使得粒子结合更加牢固。
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