CN100436663C

CN100436663C - 一种秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法

Info

Publication number: CN100436663C
Application number: CNB2005101145865A
Authority: CN
Inventors: 陈洪章; 翟蔚
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: CN1955347A

Abstract

本发明涉及的秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法，包括：将汽爆农作物秸秆用水逆流循环抽提除去其中大部分可溶性半纤维素；在120～200℃下，用乙醇水溶液萃取残渣中的木质素，过滤分离得到滤液—木质素醇溶液和滤渣—粗纤维素；再经磨浆、去除短纤维和漂白处理得秸秆浆；将秸秆浆与尿素按质量比1∶5～10的比例加至惰性溶剂中，在120～160℃下反应2～6小时，得到纤维素氨基甲酸酯，再将纤维素氨基甲酸酯溶解于NaOH溶液中，制得秸秆类纤维质纺丝原液；该纺丝原液可替代以木浆为原料的再生纤维原液，其生产成本大幅降低，一定程度上解决了农林废弃物存在的利用难、污染严重的难题。

Description

一种秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法

技术领域

本发明属于秸秆加工技术领域，特别涉及一种秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法。

背景技术

目前纺丝用纤维原料一般是从棉短绒或木材中提取，主要采用稀盐酸预处理除去脂类、糖及蛋白质后，再用碱或亚硫酸盐蒸煮除去木质素的方法生产；该法存在着原料及生产成本较高、设备易腐蚀、污染严重等问题。我国是一个森林资源匮乏的国家，森林覆盖率仅有18.21％，人均占有森林面积居世界第121位。因此，寻找纺丝用纤维原料的替代品和更加清洁、高效的生产工艺十分重要。

秸秆类生物质原料中含有大量的纤维组分，与棉花和木材相比，秸秆中纤维细胞含量较低，而薄壁细胞、导管及表皮细胞等杂细胞含量相对较高，用秸秆制得的纸浆因含有较多的非纤维细胞成分而影响质量，一般被认为不适于制造人造丝浆。我国是一个农业大国，每年产生的近7亿吨秸秆类生物质农林废弃物主要以焚烧还田或制造低级浆为主，不仅污染环境，而且利用率低下，造成浪费。实际上，若能在分离秸秆中纤维素的同时将其中不适于纺丝的短纤维类杂细胞去除掉，而只保留适于纺丝的长纤维，就可以达到与棉花或木材纤维同样的效果。

秸秆类纤维质原料是由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组分紧密结合的有机体，依据波尔屯克模型，在秸秆类纤维素的微小构成单位周围被半纤维素，其次是木质素层的鞘所包围。木质素虽然对纤维素分解物质(如酶等)反应没有阻碍作用，但它阻止纤维素分解物对纤维素的作用，因此人们不得不借助化学的、物理的方法进行预处理，使纤维素、半纤维素、木质素等组分分离开，再分别进行利用。目前，秸秆的预处理方法总的来说可分为三类：物理法、化学法和生物法。物理法包括研磨、粉碎、高温、高压蒸煮、爆破、微波、辐射处理等；化学法包括酸、碱、有机溶剂法；生物法主要是微生物法和酶法。这几种方法各有利弊。机械法可提高所处理原料的糖化率，但能耗多，费用较高；酸、碱、有机溶剂处理法分离效果较好，但副产物相对较多，且条件大都苛刻，处理不当会造成环境污染；生物法条件温和，反应条件易于控制，但周期长、效率低，距产业化应用尚有一定距离。若能将其中的几种方法结合起来，取长补短，就可以达到较理想的效果，蒸汽爆破是其中较有前途的方法之一。蒸汽爆破是一种先将原料在高温、高压介质下汽相蒸煮一段时间，使半纤维素降解成可溶性糖，同时木质素软化和部分降解，降低纤维连结强度，再突然释压，使物料从胞间层解离成单个纤维细胞，大大增加原料的可及性。乙醇萃取技术同样是一种无污染的环保预处理方法。通过乙醇自催化，不仅能得到较高得率的纤维素，还能分离到高活性木质素，乙醇可通过减压蒸馏回收重复利用，被认为是最有希望的纤维素分离法之一。将清洁高效的蒸汽爆破与可回收的乙醇萃取相结合，不仅可得到半纤维素，而且能分离到高得率的纤维素和高活性木质素，不失为秸秆生物质全利用好方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法，针对目前纺织用纤维素原料生产成本较高，污染情况严重的现状，提出一种以低成本的农林废弃物——秸秆作原料，将一系列清洁高效的预处理方式有机结合，使秸秆中适于纺丝的长纤维得到有效分离，并通过新型环保的纺丝工艺制成再生纺织纤维的方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法，其步骤包括：

1)将农作物秸秆加水浸泡，使其含水量为30-35％；将浸泡后的农作物秸秆装入汽爆装置中，在1.0～2.0MPa的压力下，维持1～15min后，快速释压，使秸秆从汽爆罐中喷出，得到汽爆秸秆；

2)用60～90℃热水逆流循环抽提汽爆秸秆以除去其中大部分可溶性半纤维素；随后在120～200℃条件下，用40～80％(v/v)乙醇水溶液萃取残渣中的木质素，过滤分离得到含木质素醇溶液的滤液和粗纤维素滤渣，再将粗纤维素滤渣经磨浆、去除短纤维和漂白处理，得到农作物秸秆浆；

3)将得到的秸秆浆与尿素按质量比1∶5～10的比例加至惰性溶剂中，在120～160℃下反应2～6小时，得到纤维素氨基甲酸酯，再将得到的纤维素氨基甲酸酯溶解于NaOH溶液中，制得秸秆类纤维质纺丝原液。最后通过纺丝装置喷丝得到纤维长丝。

所述的农作物秸秆为玉米秸、麦秸、皇竹草或/和稻草秸秆。所述去除短纤维的处理是指磨浆后，浆液在搅拌状态下通过40目筛筛去短纤维。所述的惰性溶剂是指N，N-二甲基乙酰胺、二甲苯、二甲基亚砜或二甲基甲酰胺。所述的步骤2)中的乙醇经减压蒸馏回收重新利用。

本发明以农作物秸秆废弃物为原料，成本低廉，突破了纺丝纤维只能用棉短绒及木材生产的传统观念束缚；采用清洁蒸汽爆破和乙醇萃取处理相结合，效率高，无污染，完全可替代传统酸、碱法生产工艺，不仅降低能耗，而且可以实现秸秆半纤维素、木质素和纤维素全部分离，通过对三组分的进一步开发，可实现秸秆生物质的高附加值全利用；独特的长短纤维分离工艺使得秸秆丝浆质量得到显著提高，合成氨基甲酸酯完全改变传统粘胶法复杂工艺，实现生产过程的全程无污染，具有极大的工业化应用价值。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1麦草纤维素纺丝原液的制备：

将麦草加水浸泡，使其含水量至35％，然后装入汽爆装置中，通饱和蒸汽达到1.5MPa压力后，维压10min，突然释放压力，取出后用85℃热水连续逆流洗脱半纤维素；在140℃下，用60％乙醇水溶液萃取残渣中的木质素(萃取3小时)，过滤分离得到含取木质素醇溶液的滤液和纤维素滤渣；再将纤维素滤渣残渣磨浆，过40目筛去除短纤维，最后通过两段H₂O₂漂白(75℃，2h)得到麦草浆。经分析，麦草浆纤维素含量95％，α-纤维素91％，聚合度510，灰分0.8％。经碱活化麦草浆与尿素(质量比1∶6)于二甲苯中140℃反应4小时，得到纤维素氨基甲酸酯；将氨基甲酸酯按质量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中搅拌溶解24～36小时，过滤不溶部分，得到5％纤维素氨基甲酸酯溶液。

将纺丝原液通过纺丝装置喷入含5％H₂SO₄与15％NaSO₄组成的凝固浴及水洗浴中，得到干强达3.0cN/dtex的纤维长丝。

实施例2皇竹草纤维素纺丝原液的制备：

首先对皇竹草进行皮瓤分离，将分离到的皮部分用水浸泡12小时后取出调节含水量至30％，装入汽爆装置中，通饱和蒸汽达到2.0MPa压力后，维压1min，突然释放压力，取出75℃连续逆流水洗脱糖；残渣用50％乙醇水溶液于180℃萃取2小时，取出洗脱木质素后再将剩余残渣磨浆，过40目筛去除短纤维，最后通过两段H₂O₂漂白(75℃，2h)得到皇竹草浆。经分析，皇竹草浆纤维素含量96％，α-纤维素93％，聚合度640，灰分0.7％左右。经碱活化皇竹草浆与尿素(质量比1∶5)于二甲基亚砜中120℃反应6小时，得到纤维素氨基甲酸酯；将氨基甲酸酯按质量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中搅拌溶解24小时，过滤不溶部分，得到5％纤维素氨基甲酸酯溶液。

将纺丝原液通过纺丝装置喷入含5％H₂SO₄、15％NaSO₄组成的凝固浴及水洗浴中，得到纤维长丝，强度达3.9cN/dtex。

实施例3玉米秸纤维素纺丝原液的制备：

首先对玉米进行皮瓤分离，将分离到的皮部分用水浸泡6小时后取出调节含水量至33％，装入汽爆装置中，通饱和蒸汽达到1.8MPa压力后，维压4min，突然释放压力，取出后用60℃热水连续逆流洗脱半纤维素；残渣用40％乙醇水溶液于200℃萃取2小时，取出洗脱木质素后再将剩余残渣磨浆，过40目筛去除短纤维，最后通过两段H₂O₂漂白(75℃，2h)得到玉米皮纤维。经分析，玉米皮纤维的纤维素含量94％，α-纤维素90％，聚合度550，灰分0.9％左右。经碱活化玉米纤维素与尿素(质量比1∶10)于N，N-二甲基甲酰胺中150℃反应3小时，得到纤维素氨基甲酸酯；将氨基甲酸酯按质量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中搅拌溶解24小时，过滤不溶部分，得到5％纤维素氨基甲酸酯溶液。

将纺丝原液通过纺丝装置喷入含5％H₂SO₄、15％NaSO₄组成的凝固浴及水洗浴中，得到强度为2.9cN/dtex的纤维长丝。

实施例4稻草纤维素纺丝原液的制备：

将调节含水量至32％的稻草装入汽爆装置中，通饱和蒸汽达到1.0MPa压力后，维压15min，突然释放压力，取出后用90℃热水连续逆流洗脱半纤维素；残渣用70％乙醇水溶液于120℃萃取4小时，取出洗脱木质素后再将剩余残渣磨浆，过40目筛去除短纤维，最后通过两段H₂O₂漂白(75℃，2h)得到稻草浆。经分析，稻草浆纤维素含量93％，α-纤维素90％，聚合度530，灰分1.2％。经碱活化稻草浆与尿素(质量比1∶8)于N，N-二甲基乙酰胺中160℃反应2小时，得到纤维素氨基甲酸酯；将氨基甲酸酯按质量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中搅拌溶解24～36小时，过滤不溶部分，得到5％纤维素氨基甲酸酯溶液。

将纺丝原液通过纺丝装置喷入含5％H₂SO₄与15％NaSO₄组成的凝固浴及水洗浴中，制成干强2.7cN/dtex纤维长丝。

实施例5皇竹草和稻草混合纤维素纺丝原液的制备：

首先对皇竹草进行皮瓤分离，将分离到的皮部分与稻草按质量比1∶1混合后用水浸泡12小时使其含水量至31％，装入汽爆装置中，通饱和蒸汽达到1.7MPa压力后，维压6min，突然释放压力，取出后用80℃热水连续逆流水洗脱半纤维素；残渣用80％乙醇水溶液于160℃萃取2小时，取出洗脱木质素后再将剩余残渣磨浆，过40目筛去除短纤维，最后通过两段H₂O₂漂白(75℃，2h)得到皇竹草浆。经分析，混合浆中纤维素含量93％，α-纤维素90％，聚合度570，灰分1.0％左右。经碱活化皇竹草浆与尿素(质量比1∶5)于二甲苯中130℃反应5小时，得到纤维素氨基甲酸酯；将氨基甲酸酯按质量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中搅拌溶解24小时，过滤不溶部分，得到5％纤维素氨基甲酸酯溶液。

将纺丝原液通过纺丝装置喷入含5％H₂SO₄、15％NaSO₄组成的凝固浴及水洗浴中，得到纤维长丝，强度达3.4cN/dtex。

Claims

1、一种秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法，其步骤包括：

2)用60～90℃热水逆流循环抽提汽爆秸秆以除去其中大部分可溶性半纤维素；随后在120～200℃条件下，用乙醇水溶液萃取残渣中的木质素，过滤分离得到含木质素醇溶液的滤液和粗纤维素滤渣，再将粗纤维素滤渣经磨浆、去除短纤维和漂白处理，得到农作物秸秆浆；

3)将得到的秸秆浆与尿素按质量比1∶5～10的比例加至惰性溶剂中，在120～160℃下反应2～6小时，得到纤维素氨基甲酸酯，再将得到的纤维素氨基甲酸酯溶解于NaOH溶液中，制得秸秆类纤维质纺丝原液；

所述的农作物秸秆为玉米秸、麦秸、皇竹草或/和稻草秸秆。

2、按照权利要求1所述的秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法，其特征在于，去除短纤维的处理是指磨浆后，浆液在搅拌状态下通过40目筛筛去短纤维。

3、按照权利要求1所述的秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法，其特征在于所说的惰性溶剂是指N，N-二甲基乙酰胺、二甲苯、二甲基亚砜或二甲基甲酰胺。

4、按照权利要求1所述秸秆类纤维质纺丝原液的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中的乙醇经减压蒸馏回收重新利用。