CN102505577A - 利用纤维生物质制备器皿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用纤维生物质制备器皿的方法。该方法包括以下步骤：(1)原料预处理：(2)物理制粉：(3)制备混合粉：将纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶20～70∶10～40混合得混合粉；或者将纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶20～70∶10～40混合，再加入有机粘合剂、阻燃剂、防水剂中的一种或多种，混合均匀得混合粉；(4)成型：向步骤(3)所得的混合粉中加入水，均匀搅拌后得混合浆，将混合浆放入成型模具中热压成型，得器皿。本发明利用植物秸秆、外来物种大米草及其近缘生物种纤维制备环保器皿制品，方法工序简单、易于控制、成本低廉，产品用途广泛，工业化应用前景好。
Description
技术领域
本发明属于环保领域，涉及利用纤维生物质制备器皿的方法，特别是涉及一种利用稻杆、麦秆、芦苇杆和农林废弃植物秸秆纤维或大米草、加拿大一枝黄花等外来入侵植物的秸秆制作环保纤维器皿的方法。
背景技术
我国作为世界上的农业大国，农作物的种类和数量巨大。据统计，我国每年农作物秸秆产量达8亿吨之多，随着农业不断发展，我国的农作物秸秆产量也在逐年递增，平均年增长率为2.33％。在我国，农作物秸秆主要作为生活燃料，饲料、肥料和工业原料。据不完全统计每年有约上亿吨秸秆纤维资源被废弃在田间地头或在田间直接焚烧掉，不仅浪费了资源，也严重地污染了环境，增加了温室气体的排放；同时，焚烧秸秆的烟雾造成高速公路关闭，机场飞机难以降落，给国家和人民造成巨大的经济损失的主要原因是没有给秸秆纤维资源找到一条有效的利用途径。
大量的植物秸秆资源，成为世界各国大量使用的难题。但绿色植物通过光合作用将光和二氧化碳固定在植物体中，形成了巨大和优良的植物纤维原料库，每年形成各类植物秸秆资源上亿吨，每吨秸秆即可获得0.4-0.6吨秸秆粉，生产纤维器皿上万只，每亩形成经济效益3.0-5.0万元。在整个生产过程中绿色无污染，形成显著经济效益和社会效益。
目前我国年塑料制品产量大约在200万吨，如塑料花盆、塑料餐盘、塑料包装盒、医用塑料器皿和生活商用器皿等制品。大量使用聚烯烃类材料制作的一次性器皿和包装物，这些“白色污染”弃置在自然界中数百年不能降解，贻害大地；我国出口商品因为继续使用塑料包装，受到欧美“绿色壁垒”，在竞争中处于下风。农作物秸秆、林业和食品工业固体弃物及入侵有害植物资源、废弃塑料等的焚烧处理，会产生严重“二次污染”，集中填埋又永久地占有宝贵的土地资源。目前，人们对各种绿色产品和友好环境的需求日益增加，绿色器皿用作工艺品和日常生活用品已成为趋势和时尚。针对这种现状，人们剖切希望能将各类植物秸秆资源化，并用于能源产业和替代聚烯烃类材料制作的纤维器皿制品。若用可降解纤维材料生产器皿替代上述产品，不仅大大减少生产成本，节约资源，还将使其广泛用于普通大宗产品市场，实现规模经济效益和社会效益。
目前国内外对于利用秸秆进行各类产品生产的较多，而相关类似的研究目前也有报道：专利CN1412389A公开了一种模塑植物纤维生产工艺，以剩余农作物、秸秆等为研究对象制造各种形状的木塑植物纤维物件；专利CN1433936A公开了一种以废纸为研究对象生产纸浆模塑板材的方法；专利CN101148839公开了一种以工业加工后的玉米芯残渣或玉米秸秆为原料经成型烘干整形制成的模塑材料。本发明所需原材料来源广泛，并且是将闲置的或有害生物资源加以利用；整个生产加工过程能耗低，无“废水、废气、废渣”产生；所生产的产品绿色低碳环保、经济实用，用途广泛，是适合未来发展的低碳产品，是替代白色塑料产品的理想原材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用纤维生物质制备器皿的方法。
本发明的技术问题可通过如下技术方案解决：
一种利用纤维生物质制备器皿的方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：
将纤维生物质切割成0.05～40cm长的纤维生物质段；
(2)物理制粉：
纤维生物质段磨碎至粒径为20-100目粉末状，得纤维生物质粉；
(3)制备混合粉：
将纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶20～70∶10～40混合得混合粉；
或者
将纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶20～70∶10～40混合，再加入有机粘合剂、阻燃剂、防水剂中的一种或多种，混合均匀得混合粉；所述有机粘合剂占纤维生物质粉重量的1～30％，阻燃剂占纤维生物质粉重量的0.5-20％，防水剂占纤维生物质粉重量的0.5-10％；
(4)成型：
向步骤(3)所得的混合粉中加入水，均匀搅拌后得混合浆，将混合浆放入成型模具中热压成型，得器皿；所述混合粉与水的重量比为9～2.5∶1。
其中，步骤(3)中纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉的质量比优选100∶20～50∶10～25。
所述纤维生物质选自稻杆、麦秆、芦苇、加拿大一枝黄花、黄豆杆、大米草或互花米草秸秆中的一种或多种。
所述步骤(1)优选将纤维生物质切割成4～8cm长的纤维生物质段；
所述步骤(2)优选纤维生物质段磨碎至粒径为60-80目粉末状。
步骤(3)中所述淀粉选自玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉中的任意一种或多种。
步骤(3)中所述有机粘合剂为白芨胶或两性淀粉，所述阻燃剂为硼砂、硼酸、硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁、磷酸铵、硫酸铵或硫酸盐类，所述防水剂为AKD防水剂或石蜡粉。
步骤(4)中所述混合粉与水的重量比为5～2.5∶1。
步骤(4)中的热压成型为：将浆料放入钢制模具中在150℃-220℃，250-350MPa，重力压力为40-100T/mm2的条件下一次成型制成器皿。
所述的方法还包括将步骤(4)成型器皿进行覆膜、贴标和包装，得成品化的器皿。
所述覆膜材料为低温硼碱玻璃釉层或者其它环保薄膜。
本发明的利用纤维生物质制备器皿的方法，具有如下有益效果：本发明的利用纤维生物质制备器皿的方法，利用植物秸秆、外来物种大米草及其近缘生物种纤维制备环保器皿制品，方法工序简单、易于控制、成本低廉，产品用途广泛，工业化应用前景好；且该方法还可同时解决目前农作物秸秆不能规模化使用以及外来入侵生物质如大米草、加拿大一枝黄花等带来的环境和生态问题。
根据本发明的方法，可根据实际需求设计选择不同模具，从而制得各种不同形状和尺寸和大小的器皿，如花盆、餐具、笔筒、医用器皿、日常生活用其它器皿。
本发明的方法能直接利用各类秸秆原材料进行生产(即无需对各类秸秆原材料进行浸泡等有污染环境的加工处理)各类日常生活和工业所需器皿；本发明具有原材料来源广、绿色环保等特点。
选择以植物秸秆如稻杆、麦秆和大米草及其近缘生物种富含的高纤维特点来作为纤维器皿生产加工，这些秸秆资源作为放错地方的资源以及外来入侵植物资源已对我国生态环境造成了较大迫害，本发明“变废为宝，化害为利”，找到了利用该类资源的途径，有效解决了这些资源对环境不造成二次污染的同时有显著增加经济效益和社会效益；同时本发明工艺相对简单，原材料成本低廉，产品用途广泛，工业化应用前景好。
具体实施方式
下面例举实施例对本发明进一步说明，但并不因此而限制本发明的内容。
实施例1、一种餐用容器的制作方法，依次进行以下步骤：
(1)原料预处理：
将大米草切割成4～8cm长的大米草段；
(2)物理制粉：
将大米草段先利用粉粹机粗粉、再经磨粉机细粉，从而得能过60-80目的筛的纤维生物质粉；
(3)制备混合粉：
将大米草纤维生物质粉与玉米淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶50∶20混合，再向其中添加作为有机粘合剂的白芨胶混合均匀得混合粉，白芨胶的添加量为大米草纤维生物质粉重量的5.0％；
(4)成型：
将混合粉与水按照3∶1的重量比混合，均匀搅拌后得混合浆。将浆料放入餐用容器型的钢制模具中，在150℃和250MPa，重力压力为50T/mm2的条件下一次成型制成餐用容器，此时水份已全部蒸发；
(5)按照常规技术，采用粉刷或喷涂工艺在餐用容器的外表面进行覆膜，覆膜材料选用低温硼碱玻璃釉层或无毒树脂层作为材料，保护层的厚度为0.2mm；然后贴标和包装，得成品化的餐用容器。
经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测(参考方法参见章琳，“一种新型纤维装饰墙板的开发与阻燃性能研究”的硕士论文，浙江理工大学，下同)，其所得性能参数依次为：312.65N、32.65N和869.54N。
对比例1、
采用大米草粉与玉米淀粉按照100∶50添加，不添加其它粘合剂及相关助剂，按照实施例1的成型方法直接做成的产品，经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数为：135.74N、10.78N和289.39N。
实施例2、一种花盆的制作方法，依次进行以下步骤：
(1)原料预处理：
将大米草切割成4～8cm长的纤维生物质段；
(2)物理制粉：
将大米草段先利用粉粹机粗粉、再经磨粉机细粉，从而得能过60-80目的筛的纤维生物质粉；
(3)制备混合粉：
将大米草纤维生物质粉与马铃薯淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶35∶25混合，再向其中添加AKD防水剂得混合粉，AKD防水剂的添加量为大米草纤维生物质粉重量的3.0％；
(4)成型：
将混合粉与水按照4∶1的重量比混合，均匀搅拌后得混合浆，
将浆料放入花盆型的钢制模具中，在180℃和300MPa，重力压力为60T/mm2的条件下一次成型制成花盆，此时水份已全部蒸发；
(5)按照常规技术，采用粉刷在花盆的外表面进行覆膜，覆膜材料选用低温硼碱玻璃釉层或无毒树脂层作为材料，保护层的厚度为0.3mm；然后贴标和包装，得成品化的花盆。
经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数为：289.43N、28.25N和820.12N。
对比例2、
材料中不添加阳离子淀粉，其他步骤和参数同实施例2做成的产品，经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数为：205.56N、8.78N和268.95N。
实施例3、一种蛋盒的制作方法，依次进行以下步骤：
(1)原料预处理：
将大米草切割成4～8cm长的纤维生物质段；
(2)物理制粉：
将大米草段先利用粉粹机粗粉、再经磨粉机细粉，从而得能过70目的筛的纤维生物质粉；
(3)制备混合粉：
将大米草纤维生物质粉与马铃薯淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶20∶10混合得混合粉；
(4)成型：
将混合粉与水按照5∶1的重量比混合，均匀搅拌后得混合浆，
将浆料放入蛋盒型的钢制模具中，在160℃和270MPa，重力压力为60T/mm2的条件下，一次成型制成蛋盒；此时水份已全部蒸发；
(5)按照常规技术，采用粉刷在蛋盒的外表面进行覆膜，覆膜材料选用低温硼碱玻璃釉层或无毒树脂层作为材料，保护层的厚度为0.5mm；然后贴标和包装，得成品化的蛋盒。
经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数依次为：298.78N、29.36N和828.23N。
对比例3：
材料中不添加阳离子淀粉，其他步骤和参数同实施例3做成的产品，经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数依次为：205.56N、8.78N和268.95N。
实施例4、一种餐盘的制作方法，依次进行以下步骤：
步骤(1)和步骤(2)同实施例1。
(3)制备混合粉：
将大米草纤维生物质粉与玉米淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶40∶10混合，再向其中添加作为有机粘合剂的白芨胶混合均匀得混合粉，白芨胶的添加量为大米草纤维生物质粉重量的2.0％；
(4)成型：
将混合粉与水按照2.5∶1的重量比混合，均匀搅拌后得混合浆，
将浆料放入蛋盒型的钢制模具中，在170℃和270MPa，重力压力为80T/mm2的条件下，一次成型制成蛋盒；此时水份已全部蒸发；
(5)、按照常规技术，采用粉刷在蛋盒的外表面行覆膜，覆膜材料选用低温硼碱玻璃釉层或无毒树脂层作为材料，保护层的厚度为0.3mm；然后贴标和包装，得成品化的蛋盒。
经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数依次为：289.43N、28.25N和820.12N。
对比例4：
材料中不添加白芨胶粘合剂，其他步骤和参数同实施例4做成的产品，经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数为：189.65N、8.53N和257.80N。
实施例5、一种烟灰缸的制作方法，依次进行以下步骤：
步骤(1)和步骤(2)同实施例1。
(3)制备混合粉I：
将大米草纤维生物质粉与木薯淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶50∶20混合，再向其中加入作为有机粘合剂的玉米淀粉和由氢氧化铝、硼酸锌、氢氧化镁组成的阻燃剂，混合得混合粉，其中，玉米淀粉的重量占大米草纤维生物质粉重量的2％，助燃剂的重量占大米草纤维生物质粉重量的1％，氢氧化铝∶硼酸锌∶氢氧化镁的质量比为2∶1∶2：
(4)成型：
将混合粉与水按照5∶1的重量比混合，均匀搅拌后得混合浆，
将浆料放入烟灰缸型的钢制模具中，在180℃和250Mpa，重力压力为80T/mm2的条件下，一次成型制成烟灰缸；此时水份已全部蒸发；
(5)、按照常规技术，采用粉刷在烟灰缸的外表面进行覆膜，覆膜材料选用低温硼碱玻璃釉层或无毒树脂层作为材料，保护层的厚度为0.1-0.5mm；然后贴标和包装，得成品化的烟灰缸。
经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数依次为：292.40N、29.65N和807.62N。
对比例5：
材料中不添加阳离子淀粉，其他步骤和参数同实施例5做成的产品，经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数依次为：193.25N、9.23N和248.90N。
实施例6
(1)原料预处理：
将大米草切割成4～8cm长的大米草段；
(2)物理制粉：
将大米草段先利用粉粹机粗粉、再经磨粉机细粉，从而得能过80目的筛的纤维生物质粉；
(3)制备混合粉I：
将大米草纤维生物质粉与玉米淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶40∶10混合，再向其中添加作为有机粘合剂的两性淀粉混合均匀得混合粉，两性淀粉的添加量为大米草纤维生物质粉重量的1.0％；
(4)成型：
将混合粉与水按照5∶1的重量比混合，均匀搅拌后得混合浆。将浆料放入果托钢制模具中，在160℃和270MPa，重力压力为60T/mm2的条件下一次成型制成果托半成品，此时水份已全部蒸发；
(5)采用喷涂工艺在果托外表面涂上品蓝，烘干得到成品。
经抗张强度、戳穿强度和层间结合能力检测，其所得性能参数依次为：282.67N、28.85N和802.12N。
实施例7
将实施例1中的大米草原料用加拿大一枝黄花秸秆代替。或者将大米草原料用稻杆、麦秆、芦苇、黄豆杆或互花米草秸秆代替，其他步骤和条件均相同制备餐用容器。
实施例8
将实施例2中的大米草原料用加拿大一枝黄花秸秆代替。或者将大米草原料用稻杆、麦秆、芦苇、黄豆杆或互花米草秸秆代替，其他步骤和条件均相同制备花盆。
实施例9
将实施例3中的大米草原料用加拿大一枝黄花秸秆代替。或者将大米草原料用稻杆、麦秆、芦苇、黄豆杆或互花米草秸秆代替，其他步骤和条件均相同制备蛋盒。
实施例10
将实施例5中的大米草原料用加拿大一枝黄花秸秆代替。或者将大米草原料用稻杆、麦秆、芦苇、黄豆杆或互花米草秸秆代替，其他步骤和条件均相同制备烟灰缸。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是包括以下步骤：
(1)原料预处理：
将纤维生物质切割成0.05～40cm长的纤维生物质段；
(2)物理制粉：
纤维生物质段磨碎至粒径为20-100目粉末状，得纤维生物质粉；
(3)制备混合粉：
将纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶20～70∶10～40混合得混合粉；
或者
将纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉按照质量比为100∶20～70∶10～40混合，再加入有机粘合剂、阻燃剂、防水剂中的一种或多种，混合均匀得混合粉；所述有机粘合剂占纤维生物质粉重量的1～30％，阻燃剂占纤维生物质粉重量的0.5-20％，防水剂占纤维生物质粉重量的0.5-10％；
(4)成型：
向步骤(3)所得的混合粉中加入水，均匀搅拌后得混合浆，将混合浆放入成型模具中热压成型，得器皿；所述混合粉与水的重量比为9～2.5∶1。
2.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是：步骤(3)中纤维生物质粉与淀粉及阳离子淀粉的质量比为100∶20～50∶10～25。
3.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是：所述纤维生物质选自稻杆、麦秆、芦苇、加拿大一枝黄花、黄豆杆、大米草或互花米草秸秆中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是：
所述步骤(1)将纤维生物质切割成4～8cm长的纤维生物质段；
所述步骤(2)中纤维生物质段磨碎至粒径为60-80目粉末状。
5.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是：步骤(3)中所述淀粉选自玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是：步骤(3)中所述有机粘合剂为白芨胶或两性淀粉，所述阻燃剂为硼砂、硼酸、硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁、磷酸铵、硫酸铵或硫酸盐类，所述防水剂为AKD防水剂或石蜡粉。
7.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是步骤(4)中所述混合粉与水的重量比为5～2.5∶1。
8.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是步骤(4)中的热压成型为：将浆料放入钢制模具中在150℃-220℃，250-350MPa，重力压力为40-100T/mm2的条件下一次成型制成器皿。
9.根据权利要求1所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是：所述的方法还包括将步骤(4)成型器皿进行覆膜、贴标和包装，得成品化的器皿。
10.根据权利要求9所述的利用纤维生物质制备器皿的方法，其特征是：所述覆膜材料为低温硼碱玻璃釉层或者其它环保薄膜。
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2011
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