目前，關于生物質壓縮成型顆粒機理
的研究主要集中在熱壓研究方面，對生物質成型顆粒機理的研究較少，特別涉及到顆粒壓縮成型前后微觀結構變化的研究還是空白，因此，本章將以秸稈原料為導入點，研究探索生物質顆粒壓縮成型的內部規律。
2.1.1成型過程中生物構造細胞是生物體結構和功能的基本單位，除病毒以外的所有生物均有細胞組成。細胞同樣是構成生物質的基本結構單位。要了解生物質及其成型產品的品質與性質，必然需要了解生物質細胞壁的壁層結構，這是由于各種物理力學性質在宏觀表現上的各向異性都與之有密切關系。
細胞壁的形成過程如下所述：由許多型d．葡萄糖基以苷鍵聯結而形成纖維素分子鏈，之后再由纖維素分子鏈聚集結成束，構成基本纖絲，這些基本纖絲再組成絲狀微團系統即微纖絲，之后再經過一系列的組合，也就是微纖絲組成纖絲，更多的纖絲組成粗纖絲，這些粗纖絲組成薄層，最后薄層形成細胞壁的初生壁和次生壁，進而形成了生物質的導管、管胞和纖維素等重要組成分子。
在圖2-1中，沿基本纖絲的長度方向，大分子鏈纖維素的排列狀態并不相同：在大分子鏈纖維素排列最密集的地方，分子鏈平行排列，并且定性良好，為纖維素的結晶區。在結晶區內部，分子鏈之間的結合力隨著分子鏈之間的間距的縮小而增大，在分子鏈排列比較稀疏、間隙比較大的地方，分子鏈排列的平行度下降，同時分子鏈之間的結合力也隨之降低，為纖維素非結晶區。對于生物質而言，在一個基本的纖絲的長度方向上可能包含幾個結晶區和非結晶區。
生物質細胞壁各部分常常由于化學成分的不同和纖絲排列方向的不同，在結構上分出層次。一般可將細胞壁分為以下三部分：初生壁P、次生壁S和兩細胞間的胞間層ML。
生物質纖維初生壁的微細纖維主要是凌亂的網狀結構，形成初期由纖維素構成，后期其中的木質素濃度較高，在不同生物質纖維素中其排列狀態基本沒有明顯的差異。次生壁的厚度在整個細胞壁中是最大的，次生壁的微細纖維排列形狀卻有較大差異，雖然各層微纖絲都為螺旋取向，但卻與纖維軸的夾角不同。次生壁外層S．的微細纖絲排列的平行度比較差，夾角約為50°～70°。次生壁中層S2的微細纖絲的排列的平行度最好，夾角約為10°～30°，次生壁內層S3的微細纖維排列的平行度最差，夾角約為60°～90°，呈現不規則的環狀排列。另外，夾角小于30°的微細纖絲不易帚化，隨著夾角變小，纖維強度越大。
在整個細胞壁中次生壁的厚度最大。在次生壁中，S，和S3兩層均較薄，S2層最厚，生物質的重要組成分子管胞、導管和木纖維都分布于S2層。胞間層是在細胞分裂以后最早形成的分割部分，主要是由一種無定形、膠體狀的果膠物質組成，呈現各向同性。
由于原料種類不同，所以他們的壓縮成型曲線也各有差異，這就是由于不同生物質的細胞壁壁層的結構不盡相同導致的。玉米秸稈、棉花秸稈、玉米芯、小麥秸稈和稻草六種不同生物質原料的不同壁層結構特點可以用圖2-3中兩種超微結構來表示。
第一種超微結構中，胞腔比較大，S1層比較厚，S2微細纖維角度較大，由ML、Si、S2、S3、P組成；微細纖維排列狀態各異，ML為網狀，S1和S2分別為近橫向交叉螺旋形和纏繞角為300-400的平螺旋形，S3則為近于橫向交叉的螺旋形。第二種結構的特點為細胞腔很小，細胞壁較厚，細胞壁的最主要部分是S2層，它的微細纖維纏繞角為300--400。由第一種纖維結構構成的是稻草和玉米芯，由第二種結構構成的是玉米秸稈、小麥秸稈和棉花秸稈。
了解生物質的生物構造，能夠有助于研究生物質壓縮成型的過程中的組織結構的變化。當對生物質原料施加壓力時，首先胞間層受到壓縮變小，空隙逐漸減少；當壓力逐漸不斷增大時，初生壁在壓力作用下開始慢慢變薄，因為初生壁比較薄，而且木質素的含量比較高，所以其壓潰程度比較大；當壓力再繼續增大時，這時次生壁開始受壓，因為次生壁厚度比較大，其主要成分為半纖維素和纖維素的混合物，因此抗拉壓強度較大，再加之內層為空洞的細胞腔，因此給微細纖絲提供的變形空間比較大，這時壓潰程度比較小；隨著壓力的不斷增大，細胞腔被壓縮，細胞腔不斷變小。對于屬于第一種結構的原料來說，胞腔比較大，當壓力不是很大的情況下，雖然胞腔會變小但是不至于壓潰合攏：對于屬于第二種結構的原料來說，因為胞腔很小，在受到較大的壓力下比較容易被壓潰合攏，因此在壓力相同的情況下，玉米芯和稻草在壓縮成顆粒成型燃料的致密性要好于玉米秸稈、棉花秸稈和小麥秸稈。
2.1.2成型過程中的物理性質
生物質主要有實體、水分和空氣組成的多孔性材料。生物質的主要物質形態是不同粒徑的粒子，生物質生理方面的原因決定了它的粒子排列通常都比較稀疏，粒子間的空隙相對較大，因此生物質的密度比較小。生物質原料粒子的流動和充填的特性對于壓縮成型具有非常重要的影響。生物質原料在壓縮成型中所表現出來的粒子特性可以用圖2-4來表示。
當生物質原料開始壓縮成型時，因為壓力比較小，粒子在壓力作用下被慢慢擠緊，粒子間的空氣和水分首先被排除，在空氣和水分被排除后，一部分粒子卣據空隙。當壓力的作用繼續時，粒子的位置不斷出現錯位，由原來雜亂的排列逐漸變成比較有序的排列。隨著壓力的不斷繼續增大，粒子間空隙越來越小，這時直徑比較大的粒子在壓力作用下，發生破裂現象，成為直徑比較小的小粒子，并產生變形，填補了粒子周圍較小的空隙。當壓力再不斷增大時，粒子會發生塑性變形，在垂直于主應力的方向上，粒子發生延展，相鄰的粒子以嚙合的方式緊密結合，在平行于主應力的方向上，粒子變薄，并且相鄰的粒子靠貼合的方式緊密接觸。因為生物質原料是彈塑性體，在發生塑性變形后，不能再恢復到原來的結構形態，粒子間儲存的部分殘余應力，使得粒子結合的更加牢固，這同樣是生物質原料成型燃料表現出良好致密性的一個重要方面。相對于小麥秸稈、玉米秸稈、棉花秸稈、稻草和玉米芯來講，因為小麥秸稈微細纖絲排列的平行度比較差，纖維的強度最低，在壓力的作用下，直徑較大的粒子較其他原料更易發生破裂現象，從而變成細小的粒子，粒子間的空隙被填充的更充分，所以顆粒成型燃料最致密。
在生物質物理性質中，生物質原料含水率的高低對生物質的壓縮成型影響比較大，所以對生物質原料中水分的存在狀態進行研究就非常必要。生物質原料中的水分有自由水和結合水兩大類，自由水主要存在生物質的細胞腔中，而結合水主要存在于細胞壁中結合水在生物質原料細胞壁中的狀態和位置如圖2-5，圖2-6則為生物質中水分的存在方式和存在狀態。
生物質中水分發生移動的動因很多，主要是：基于壓力差的在毛細管中的移動，基于濃度差的擴散作用，在細胞腔表面自由水發生蒸發和凝結，以及結合水在細胞壁中的吸著和解吸。生物質原料中水分的移動路徑是通過導管上的穿孔，水分可以在纖維方向上通過穿孔從一個導管到相鄰界上的紋孔移動。
研究生物質原料中水分的存在狀態和其移動路徑，有助于分析生物質含水率對于生物質壓縮成型的內在影響。當生物質的含水率低于纖維飽和點時，生物質中僅有結合水，這時結合水與細胞壁無定形區中的羥基形成氫鍵結合。在壓力的作用下，雖然粒子發生了排列組合和變形，但是在垂直于主應力的方向上，因為摩擦力急劇變大，流動性極差，粒子不能很好地延展，因此導致不能成型。當生物質的含水率高于飽和點時，這時生物質原料中的水分就包括兩部分：自由水和結合水。在自由水比較低時，生物質細胞在壓力作用下發生擠壓變形，此時細胞中的導管易壓緊變細，這就阻礙了水分在導管中的傳輸，加之水分過低時其擴散作用減弱，這樣水分就不能很好地移動，粒子流動行較差，同時粒子也不能很好地延展，所以成型效果比較差；在自由水比較高時，此時盡管基于濃度差的水分的擴散作用增強，粒子流動性好，粒子能很好地延展，但是在平行于主應力的方向上，因為過多的水分被排擠在粒子層之間，這樣會使粒子層間貼合不緊，導致成型也不好。因此把生物質的含水率控制在適當的范圍，是生物質壓縮成型的一個重要方面。
2.1.3成型過程中的化學性質
生物質原料能夠壓縮成型，其化學性質的利用是一個非常重要的方面。研究生物質的化學組成和其各個組成成分在成型過程中的作用，對于研究生物質成型顆粒機理極其重要。
生物質原料的主要組分有纖維素、半纖維素及木質素三種化合物組成，細胞壁和胞間層主要有它們構成，生物質的少量組分主要有灰分和有機物組成，生物質的化學組分的組成如圖2-7。
在圖2-7中，三種主要化學組分對細胞壁所起的物理作用是不同的。纖維素在細胞壁中以分子鏈聚集成排列有序的微細纖絲束的形態存在，它給予生物質抗拉強度，能夠起到骨架的作用，所以將其稱為細胞壁的骨架物質：而半纖維素建以無定形態滲透在骨架物質中，能夠增加細胞壁的剛性，因此稱之為基體物質；木質素在細胞分化的最后階段才形成，它則滲透在細胞壁的骨架物質中，能夠使細胞壁更加堅硬，因此稱之為結殼物質或者硬固物質。根據生物質細胞壁的主要組分所起到的物理作用特征，將生物質的細胞壁形象地稱之為“鋼筋混凝土建筑”。
從表中可以看出，生物質三種主要化學組分中，由于原料不同，其各種組分的組成比例也有所差異。楊木的纖維素含量最大，稻草的纖維素含量最小；而半纖維素方面，棉花秸稈的含量最低，其他原料的半纖維素含量基本相同。
在生物質原料壓縮成型過程中，木質素、纖維素和半纖維素他們所起的作用各不相同。木質素是生物質體內最好的粘合劑，它主要是由苯丙烷結構單元組成，具有三度空間的天然高分子化合物。在常溫條件下，木質素本身與水和其他有機溶劑不溶解，100℃開始軟化，160℃就開始熔融形成膠狀物質。由于在生物質原料壓縮成型過程中，在壓力和水分的作用下，木質素的大分子容易碎片化，從而發生縮合和降解，其溶解性質發生顯著變化，生成具有可溶性的木質素和不可溶的木質素。此外，由于酚羥基和醇羥基的存在，能夠促使堿性木質素溶解，木質素磺酸鹽與水溶解可以形成膠體溶液，起到粘合劑的作用，再通過粘附和聚合生物質顆粒，從而提高成型燃料的耐久性和結合強度。半纖維素主要有多聚糖構成，具有分枝度，在主鏈和側鏈上都含有比較多的羥基、羧基等一系列親水性基團，它們是生物質中吸濕性比較強的成分，在壓力和水解作用下能夠轉化為木質素，也起到了黏合劑的功能。纖維素主要有大量葡萄糖基構成的鏈狀高分子化合物組成，不溶于水，其主要功能是羥基，它可以結成氫鍵，其能量強于范德華力。壓縮成型過程中，氫鍵連接成的纖絲能夠在黏聚體內產生類似于混凝土當中的鋼筋的加強作用，因此它是提高成型燃料的骨架。蠕變指的是在恒定不變的應力下，生物質的應變隨著時間的延長逐漸增大的現象；松弛指的是在恒定不變的應變條件下，應力隨著時間的延長逐漸減少的現象。
對于出現的上述兩種現象，可以用下面的理論進行解釋。當生物質開始受壓時，粒子之間發生了位置重新排序，用來填充空氣和水分被擠出留下來的空隙，即在發生了彈性變形；壓力增大時，生物質粒子會發生變形，堅固的韌性的纖維對周邊的導管施加壓力，使得導管的強度降低，所以導管壁被迫向腔內潰壓產生塑性變形，其空隙就被韌性纖維所占據；隨著壓力不斷增大，一些非結晶區的鏈分子就會在變形中被撕裂，有的彼此之間發生滑移，不斷伸開并且逐漸增大，導致周邊的鏈分子卷曲或損傷，就會產生額外結晶體，從而增加了內部的黏滯度，并且使生物質原料內部積累越來越大的勢能，如果一旦壓力達到某一程度，就會使平行的鏈分子之間彼此發生滑動，產生蠕變。
生物質力學性質性能指標受生物質原料含水率的影響較大，當含水率低于纖維飽和點時，結合水就會吸附在生物質內部表面，當含水率不斷下降時，生物質就發生干縮現象，膠束間的內聚力增高，隨之內摩擦系數變大，密度增大，所以生物質力學強度急劇增加。當含水率高于纖維飽和點時，雖然此時自由水充滿導管、管胞及生物質組織的其他大毛細血管，但只是浸入到生物質的細胞腔的內部和細胞間隙，這與生物質的實體物質沒有直接的結合，因此對生物質的力學性能影響不大，生物質的力學強度基本保持不變為定值。那么出現固體顆粒橋接架橋現象的程度也有差異，拿玉米芯來講，因為其原料粒度比玉米秸稈小得多，在承受相同壓力作用下，產生的細小顆粒的均勻度比玉米秸稈好，顆粒之間容易發生緊密填充，因此玉米芯的成型燃料的物理品質要比玉米秸稈好。
(3)粒子相互充填和嵌合也是生物質原料壓縮成型過程的重要途徑。在垂直于主應力方向上，粒子發生延展，相鄰的粒子通過嚙合的方式緊密結合，在平行于主應力的方向，粒子變薄，相鄰的粒子通過貼合的方式緊密接觸。因為生物質原料是彈塑性體，當發生塑性變形后，不能再恢復回原有結構形狀，粒子間儲存的部分殘余應力，使得粒子結合更加牢固。
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