CN103865284A - 环保生物质材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用挤出法连续生产环保生物质材料的工艺方法，属于可降解环保生物质材料及其相关技术领域。它是以生物质纤维材料为主，淀粉为辅，添加少量的环保型助剂，经充分搅拌混合后进行水浴加热，利用淀粉糊化后的助流作用实现生物质纤维原料的半流体形态，然后通过螺杆挤出机连续挤出，并经与口模相同形状的模具塑造成型，以实现生物质材料的连续生产，挤出后经干燥、压缩或发泡工艺加工后可以制备出密度、尺寸和力学性能不同的材料和制品。采用本发明的工艺方法可完成生物质材料连续式自动化生产过程，可作为生物质材料或制品的前道工序，也可作为最终工序。可以节约成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用挤出法连续生产环保生物质材料和制品的工艺方法，特别涉及一种使用废纸纤维原料挤出法连续生产纸护角、纸槽钢和纸板条等新型绿色环保生物质型材的工艺方法，属于可降解环保生物质材料及其相关技术领域。
背景技术
随着自然资源日益减少，环境日趋恶化，人们的环保意识也日渐增强，来源广泛、绿色环保、可循环再生的生物质纤维材料的利用已越来越被关注。据估计，每年地球上的植物可产生2000亿吨纤维素、1500亿吨木质素、1000多亿吨半纤维素，这是地球上最大的可再生资源。植物纤维极性很强，具有较强的吸水性，分散效果差，流动性差，常以聚集状态存在。目前，美国、日本、韩国、德国等开展的相关研究，主要集中于木塑复合材料复合工艺及界面改性等方面。
在现有的生物质包装材料专利中，很大一部分为生物质纤维材料与聚乙烯、聚丙烯等树脂共混通过模压成型或挤出成型制备木塑复合材料。这种应用有很大的局限性。首先，生物质纤维材料与树脂共混，不能实现制品的完全降解；其次，模压成型属于间歇式生产工艺，不能实现型材生产过程的连续化。虽然挤出成型工艺可以实现制品生产过程的连续化，但挤出成型多适用于塑料或木塑复合材料等流动性能或粘弹性较好的材料。而由于植物纤维常以聚集状态存在，且其浆料属于水基浆料，易发生固液分离的现象，一般不适于挤出成型。
发明内容
本发明的目的之一在于针对目前生物质型材加工工艺过程中存在的不足，提供一种可连续生产的工艺方法，即挤出法生产工艺，实现生物质材料和制品的连续生产工艺过程，克服间歇式生产工艺过程的不足，提高生产效率。
本发明的目的之二是针对生物质材料和制品降解过程中存在的问题，提供一种可自然降解的新型绿色环保生物质材料，实现生物质材料的完全降解。
按照本发明提供的技术方案，一种环保生物质材料，按重量份计，包括基体材料50~60份、淀粉15~20份、增塑剂15~25份、硅烷偶联剂2.5~5份、润滑剂2.5~5份；
将上述原料充分搅拌混合均匀后进行水浴加热，然后通过螺杆挤出机挤出，并经与口模相同形状的模具塑造成型，即制得环保生物质材料。
所述基体材料为废纸纤维，或者废纸纤维与农作物秸秆、木粉或水生植物茎叶中的一种或几种生物质材料的混合物，形成混合生物质原料；采用混合生物质原料时，废纸纤维占基体材料的比例按质量计不小于60%。
所述淀粉为原淀粉，具体为玉米淀粉、马铃薯淀粉或麦类淀粉中的一种或几种的混合物。
所述增塑剂为复合增塑剂，复合增塑剂为尿素和甘油的混合物；其中尿素和甘油的质量比值范围为1/3~3。
所述润滑剂为石蜡类润滑剂，具体为液体石蜡和/或固体石蜡。
所述环保生物质材料的制备方法，按重量份计步骤如下：
（1）基体材料的初步处理：
废纸纤维：将废弃瓦楞纸板浸泡脱胶后用水力碎浆机碎浆，至浆料中絮团状成分占总浆料的质量比例不大于30%，且纤维絮团的平均尺寸不大于5.0mm；然后把浆料滤水至含水率70~90%备用；
采用混合生物质原料时，用质量比例不小于60%的废纸纤维与以下一种或几种生物质材料混合：
a、农作物秸秆：将农作物秸秆用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡6~8h，把浆料滤水至含水率70%~90%备用；
b、木粉：将木材加工剩余物木粉用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡6~8h，把浆料滤水至含水率70%~90%备用；
c、水生植物茎叶：将水生植物茎叶用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm ，浸泡6~8h，把浆料滤水至含水率70%~90%备用。
（2）物料混合：取步骤（1）制备的基体材料中的废纸纤维或废纸纤维与一种或几种生物质材料的混合物50~60份、淀粉15~20份、增塑剂15~25份、硅烷偶联剂2.5~5份、润滑剂2.5~5份常温下充分混合搅拌20~40min，搅拌速度为10~20r/min；然后进行水浴加热，同时不断地均匀搅拌；
其中水浴温度为80~90℃，水浴时间为10~20min，搅拌速度为10~20r/min；最后，在常温下混合搅拌10~20min，搅拌速度为10~20r/min，即可制备混合物料；
（3）挤出成型：将步骤（2）所得的混合物料通过螺杆挤出机及模具挤出型坯；挤出机螺杆转速范围为30~40r/min，挤出时挤出机内的加工温度范围为80~90℃，挤出压力范围为16~20MPa；
（4）预干燥：将步骤（3）得到的型坯首先在微波炉或鼓风干燥箱中进行预干燥，其中微波炉功率为400~800W，时间为5~10min；鼓风干燥箱温度为100~110℃，时间为1~2h；
（5）模压整形：将步骤（4）得到的型坯置入模压整形设备中模压，压力为1~3MPa，温度为60~85℃，时间为3~5min，直至制成与模具形状相同、表面光洁、尺寸均匀的制品；
（6）干燥：把步骤（5）制得的制品送入鼓风干燥箱中进行二次干燥，干燥温度为100~110℃，干燥时间为30~60min，直到成品含水率在8%~10%，即可制得环保生物质材料。
步骤（2）所得混合物经流变性测试，其流变参数为：温度为80~90℃、剪切速率为20~40s-1的粘度范围为20~60Pa·s。
本发明的有益效果：本发明不仅可以用来使用废纸纤维实现连续生产，也可以用于使用废纸纤维和玉米等农作物秸秆、木粉或水生植物茎叶等中的一种或几种生物质原料的混合物连续生产环保生物质材料和制品，以提高生产效率，提高原材料利用率，提高物理机械性能。
本发明提供的工艺方法实现了生物质材料和制品生产工艺过程的连续性，且制备的生物质材料具有较好的强度，表面光滑，密度紧致及能够完全降解。其特点是以生物质纤维材料为主，淀粉为辅，并添加少量的环保型天然无危害助剂，利用淀粉糊化后的助流作用制备流变特性较好的组分配方，将其经螺杆挤出机挤出，并经与口模相同形状的模具塑造成型，以制备表面光滑，密度紧致，力学性能较好的生物质材料。制备得到的生物质材料不仅具有完全降解性能，且制备过程连续、环保、安全无危害。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合具体附图和实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
如图所示：
所述环保生物质材料的制备方法，按重量份计步骤如下：
（1）基体材料的初步处理：
废纸纤维：将废弃瓦楞纸板浸泡脱胶后用水力碎浆机碎浆，至浆料中絮团状成分占总浆料的质量比例不大于30%，且纤维絮团的平均尺寸不大于5.0mm；然后把浆料滤水至含水率70~90%备用；
（2）物料混合：取步骤（1）制备的基体材料中的废纸纤维60份、玉米淀粉20份、增塑剂15份、硅烷偶联剂2.5份、润滑剂2.5份常温下充分混合搅拌20min，搅拌速度为20r/min；然后进行水浴加热，同时不断地均匀搅拌；
所述增塑剂为尿素和甘油的混合物；其中尿素和甘油的质量比值为3。所述润滑剂为液体石蜡。
其中水浴温度为90℃，水浴时间为10min，搅拌速度为20r/min；最后，在常温下混合搅拌10min，搅拌速度为20r/min，即可制备混合物料；
（3）挤出成型：将步骤（2）所得的混合物料通过螺杆挤出机及模具挤出型坯；挤出机螺杆转速范围为40r/min，挤出时挤出机内的加工温度范围为80~90℃，挤出压力范围为16MPa；
（4）预干燥：将步骤（3）得到的型坯首先在微波炉或鼓风干燥箱中进行预干燥，其中微波炉功率为800W，时间为5min；鼓风干燥箱温度为100℃，时间为2h；
（5）模压整形：将步骤（4）得到的型坯置入模压整形设备中模压，压力为3MPa，温度为60℃，时间为5min，直至制成与模具形状相同、表面光洁、尺寸均匀的制品；
（6）干燥：把步骤（5）制得的制品送入鼓风干燥箱中进行二次干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为60min，直到成品含水率在10%，即可制得环保生物质材料。
步骤（2）所得混合物经流变性测试，其流变参数为：温度为80~90℃、剪切速率为20~40s-1的粘度范围为20~60Pa·s。
实施例2
所述环保生物质材料的制备方法，按重量份计步骤如下：
（1）基体材料的初步处理：
废纸纤维：将废弃瓦楞纸板浸泡脱胶后用水力碎浆机碎浆，至浆料中絮团状成分占总浆料的质量比例不大于30%，且纤维絮团的平均尺寸不大于5.0mm；然后把浆料滤水至含水率70%备用；
采用混合生物质原料时，用质量比例为60%的废纸纤维与20%的a和20%的b混合：
a、农作物秸秆：将农作物秸秆用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡8h，把浆料滤水至含水率70%备用；
b、木粉：将木材加工剩余物木粉用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡6h，把浆料滤水至含水率80%备用；
（2）物料混合：取步骤（1）制备的基体材料中的废纸纤维或废纸纤维与一种或几种生物质材料的混合物60份、马铃薯淀粉20份、增塑剂25份、硅烷偶联剂5份、润滑剂2.5份常温下充分混合搅拌20min，搅拌速度为20r/min；然后进行水浴加热，同时不断地均匀搅拌；
所述增塑剂为尿素和甘油的混合物；其中尿素和甘油的质量比值为1/3。所述润滑剂为固体石蜡。
其中水浴温度为90℃，水浴时间为10min，搅拌速度为10r/min；最后，在常温下混合搅拌10min，搅拌速度为20r/min，即可制备混合物料；
（3）挤出成型：将步骤（2）所得的混合物料通过螺杆挤出机及模具挤出型坯；挤出机螺杆转速范围为30r/min，挤出时挤出机内的加工温度范围为90℃，挤出压力范围为16MPa；
（4）预干燥：将步骤（3）得到的型坯首先在微波炉或鼓风干燥箱中进行预干燥，其中微波炉功率为800W，时间为5min；鼓风干燥箱温度为110℃，时间为1h；
（5）模压整形：将步骤（4）得到的型坯置入模压整形设备中模压，压力为3MPa，温度为60℃，时间为5min，直至制成与模具形状相同、表面光洁、尺寸均匀的制品；
（6）干燥：把步骤（5）制得的制品送入鼓风干燥箱中进行二次干燥，干燥温度为110℃，干燥时间为30min，直到成品含水率在9%，即可制得环保生物质材料。
步骤（2）所得混合物经流变性测试，其流变参数为：温度为80~90℃、剪切速率为20~40s-1的粘度范围为20~60Pa·s。
实施例3
所述环保生物质材料的制备方法，按重量份计步骤如下：
（1）基体材料的初步处理：
废纸纤维：将废弃瓦楞纸板浸泡脱胶后用水力碎浆机碎浆，至浆料中絮团状成分占总浆料的质量比例不大于30%，且纤维絮团的平均尺寸不大于5.0mm；然后把浆料滤水至含水率80%备用；
采用混合生物质原料时，用质量比例70%的废纸纤维与5%的a、15%的b和10%的c混合：
a、农作物秸秆：将农作物秸秆用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡7h，把浆料滤水至含水率80%备用；
b、木粉：将木材加工剩余物木粉用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡7h，把浆料滤水至含水率80%备用；
c、水生植物茎叶：将水生植物茎叶用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm ，浸泡7h，把浆料滤水至含水率80%备用。
（2）物料混合：取步骤（1）制备的基体材料中的废纸纤维或废纸纤维与一种或几种生物质材料的混合物55份、麦类淀粉10份、马铃薯淀粉8份、增塑剂20份、硅烷偶联剂3份、润滑剂3.5份常温下充分混合搅拌30min，搅拌速度为15r/min；然后进行水浴加热，同时不断地均匀搅拌；
所述增塑剂为尿素和甘油的混合物；其中尿素和甘油的质量比值为2.5。所述润滑剂为液体石蜡和固体石蜡的混合物。
其中水浴温度为85℃，水浴时间为15min，搅拌速度为15r/min；最后，在常温下混合搅拌15min，搅拌速度为15r/min，即可制备混合物料；
（3）挤出成型：将步骤（2）所得的混合物料通过螺杆挤出机及模具挤出型坯；挤出机螺杆转速范围为35r/min，挤出时挤出机内的加工温度范围为85℃，挤出压力范围为18MPa；
（4）预干燥：将步骤（3）得到的型坯首先在微波炉或鼓风干燥箱中进行预干燥，其中微波炉功率为600W，时间为8min；鼓风干燥箱温度为105℃，时间为2h；
（5）模压整形：将步骤（4）得到的型坯置入模压整形设备中模压，压力为2MPa，温度为75℃，时间为4min，直至制成与模具形状相同、表面光洁、尺寸均匀的制品；
（6）干燥：把步骤（5）制得的制品送入鼓风干燥箱中进行二次干燥，干燥温度为105℃，干燥时间为45min，直到成品含水率在9%，即可制得环保生物质材料。
步骤（2）所得混合物经流变性测试，其流变参数为：温度为80~90℃、剪切速率为20~40s-1的粘度范围为20~60Pa·s。
Claims (7)
1.一种环保生物质材料，其特征是按重量份计：包括基体材料50~60份、淀粉15~20份、增塑剂15~25份、硅烷偶联剂2.5~5份、润滑剂2.5~5份；
将上述原料充分搅拌混合均匀后进行水浴加热，然后通过螺杆挤出机挤出，并经与口模相同形状的模具塑造成型，制得环保生物质材料。
2.如权利要求1所述环保生物质材料，其特征是：所述基体材料为废纸纤维，或者废纸纤维与农作物秸秆、木粉或水生植物茎叶中的一种或几种生物质材料混合形成的混合生物质原料；
采用混合生物质原料时，废纸纤维占基体材料的比例按质量计不小于60%。
3.如权利要求1所述环保生物质材料，其特征是：所述淀粉为原淀粉，具体为玉米淀粉、马铃薯淀粉或麦类淀粉中的一种或几种的混合物。
4.如权利要求1所述环保生物质材料，其特征是：所述增塑剂为复合增塑剂，具体为尿素和甘油的混合物，其中尿素和甘油的质量比值范围为1/3~3。
5.如权利要求1所述环保生物质材料，其特征是：所述润滑剂为石蜡类润滑剂，具体为液体石蜡和/或固体石蜡。
6.权利要求1所述环保生物质材料的制备方法，其特征是按重量份计步骤如下：
（1）基体材料的初步处理：
废纸纤维：将废弃瓦楞纸板浸泡脱胶后用水力碎浆机碎浆，至浆料中絮团状成分占总浆料的质量比例不大于30%，且纤维絮团的平均尺寸不大于5.0mm；然后把浆料滤水至含水率70~90%备用；
采用混合生物质原料时，用质量比例不小于60%的废纸纤维与以下一种或几种生物质材料混合：
a、农作物秸秆：将农作物秸秆用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡6~8h，把浆料滤水至含水率70%~90%备用；
b、木粉：将木材加工剩余物木粉用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡6~8h，把浆料滤水至含水率70%~90%备用；
c、水生植物茎叶：将水生植物茎叶用粉碎机粉碎至颗粒尺寸不大于3mm，浸泡6~8h，把浆料滤水至含水率70%~90%备用；
（2）物料混合：取步骤（1）制备的基体材料50~60份、淀粉15~20份、增塑剂15~25份、硅烷偶联剂2.5~5份、润滑剂2.5~5份，常温下充分混合搅拌20~40min，搅拌速度为10~20r/min；然后进行水浴加热，同时不断地均匀搅拌；
其中水浴温度为80~90℃，水浴时间为10~20min，搅拌速度为10~20r/min；最后，在常温下混合搅拌10~20min，搅拌速度为10~20r/min，即可制备混合物料；
（3）挤出成型：将步骤（2）所得的混合物料通过螺杆挤出机及模具挤出型坯；挤出机螺杆转速范围为30~40r/min，挤出时挤出机内的加工温度范围为80~90℃，挤出压力范围为16~20MPa；
（4）预干燥：将步骤（3）得到的型坯首先在微波炉或鼓风干燥箱中进行预干燥，其中微波炉功率为400~800W，时间为5~10min；鼓风干燥箱温度为100~110℃，时间为1~2h；
（5）模压整形：将步骤（4）得到的型坯置入模压整形设备中模压，压力为1~3MPa，温度为60~85℃，时间为3~5min，直至制成与模具形状相同、表面光洁、尺寸均匀的制品；
（6）干燥：把步骤（5）制得的制品送入鼓风干燥箱中进行二次干燥，干燥温度为100~110℃，干燥时间为30~60min，直到成品含水率在8%~10%，即可制得环保生物质材料。
7.如权利要求6所述环保生物质材料的制备方法，其特征是：步骤（2）所得混合物经流变性测试，其流变参数为：温度为80~90℃、剪切速率为20~40s-1的粘度范围为20~60Pa·s。
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