用香蕉茎秆制作可降解材料的制备方法
技术领域
本发明涉及可降解材料的制作领域,尤其是一种用香蕉茎秆为原料制作的可降解材料,以及这种可降解材料的制备方法。
背景技术
在我国北回归线25度以南的地区,适于种植大量的香蕉,香蕉属于一年一砍植物,香蕉茎秆含有丰富的纤维素,纤维素是构成香蕉假茎纤维的主要成分,占总量的55.591%;胶质总含量41.948%,其中脂蜡质含量1.438%,果胶含量6.975%,木质素含量8.742%,半纤维素含量17.378%。与其它植物纤维相比,虽然香蕉茎纤维含纤维素量中等,含木质素较高,但仍然有很好的开发价值。
每年香蕉果实采收后,会产生大量的香蕉茎秆,其数量可观,体积庞大,据统计每年放弃的香蕉茎秆资源达6400万吨。目前对香蕉茎秆资源的利用还较初始和原始,收果后的香蕉茎秆已成为堆在田间地头和路边的废弃物,日晒雨淋,腐烂变质,不仅占用土地还导致植物病虫害,既浪费资源又污染环境,采用香蕉茎秆作为原料制造可降解的材料是典型的绿色产品,其不但价廉而且可自然降解,能减少对环境的污染,增加农民的收入,将其制成包装材料又是消灭“白色污染”的最理想换代材料,对实现可持续发展战略,具有重要的环保意义和良好的社会经济效益。
近年来也有一些的人在利用香蕉茎秆造纸,但都离不开传统的制浆方法,仍然存在严重的污染问题。在中国专利ZL02115525.9,专利名称为“香蕉树制造纸浆及其工艺”,该发明的工艺过程为:(1)原料;(2)切碎制浆去杂;(3)滤水浓缩;(4)加热漂白;(5)脱胶;(6)磨浆。该方法在加热漂白过程中需要加热蒸煮,因此排出的水为强碱性,污染环境:其二、原料切碎后直接打浆,成浆慢,原料利用率不高;其三、制造成本高、工艺流程时间长。
发明内容
本发明的发明目的在于解决香蕉茎秆纤维制造可降解材料纸浆中的工艺难题。本发明提供一种用香蕉茎秆做原料制作的可降解材料及其制备方法。本发明的制备方法免加热、蒸煮、泡碱,制作工艺简便、纤维软化快、成本低、无污染。
本发明采用的技术方案如下:
用香蕉茎秆制作可降解材料的制备方法,包括以下工艺步骤:
(1)备料除杂、削段、分丝压棉:选取干的香蕉树茎秆,将其用鼓式削片机削成长度为30-50cm的小段,然后送入分丝机进行分丝压棉处理。
(2)挤压纤维:采用先进挤压机对香蕉茎秆进行高效挤压,分离出纤维和原液,纤维送到高浓搓磨机磨纤维,原液回收提取单宁利用。通过挤压来进行物理改性,能够改变了天然植物纤维的结构和表面性能,但不改变天然植物纤维的化学组成。
(3)高浓度磨纤维:将挤压所得纤维用水调配至质量分数为25%,将纤维软化剂添加到高浓搓磨机与挤压所得纤维混合,纤维软化剂与香蕉树茎秆的质量比为0.01-0.03:1,通过在纤维质量分数为25%的高浓状况下搓磨,改变香蕉植物纤维的结构和表面性能。
上述纤维软化剂是由以下原料按重量份制作而成:
活性硅酸钠1%~3%;阳离子淀粉2%~3%;纤维素1.5~2%;碱0.5%~1%;磨纤维助剂:5%~8%,余量是水。其中磨纤维助剂包括:镁盐0.5%~4.9%;浓度为30%的盐酸0.1%~0.5%;Ca(0H)295%-99%;
上述纤维软化剂的制作方法为:先将磨纤维助剂镁盐、盐酸、Ca(0H)2按比例混合制成3%~6%的白乳状液,再将其他原料与磨纤维助剂按配比在加热容器中混合,在40-50℃经2小时反应即可制得。
(4)浆池消潜:进行高浓度搓磨处理后的纤维和纤维软化剂混合物直接进入纤维池消潜,通过常温搅拌消潜60~120分钟,使纤维软化分解成纤维浆;
(5)纤维浆洗选:先后利用洗选纤维箱、中浓除渣器、外流式压力筛、一段除渣、二段除尘器对软化分解后的纤维进行清洗,最后通过浓缩斜网后得到浓缩后的纤维浆;
(6)改性处理:用水将洗选后的纤维浆的质量浓度调整为1.5%,将其通过双盘磨浆机进一步研磨,再通过细料压力筛和除砂器筛选浆料,然后到混合箱,在混合箱内按照纤维浆占50-55%、浓度为1%薯类多糖天然高分子聚合物占20%-30%,浓度为1.5%植物废料占20%-30%,浓度为1‰的聚丙烯酰胺占0.8%-1.2%的比例混合进行交联改性。在20~50℃温度范围内反应,反应时间15-30分钟,过滤后得到可降解材料纸浆。
其中,上述交联反应的目的是减少淀粉中羟基的含量,即降低了亲水基团的浓度,从而起到耐水的效果。
(7)烘干:添加叔十二烷基硫醇液体到改性后的纤维浆中,其添加量占纤维浆质量的0.5%,在烘机上成型即得生物可降解材料产品。
本发明添加的纤维软化剂有催化分离木质素、软化纤维的作用,通过添加纤维软化剂到香蕉茎秆纤维中并经高浓度搓磨,能起到使纤维软化、疏解和分离的作用,软化后的纤维经过磨浆后容易制成纤维浆,从而使得本发明不需要高温蒸煮,不需要添加碱剂,即达到制浆的目的,所制得的可降解材料制成包装袋或者其他纸制品物理性能好,具有较高的强度性能、抗张性能、耐折度好、耐破和撕裂指数均较好;本发明还对纤维浆进行交联改性,使得纸制品具有良好的耐水性能。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1、本发明不需蒸煮、漂白,不再使用传统制浆蒸煮剂,且免去了蒸汽的使用实现了节能减排;本发明由于使用了纤维软化剂,只需要在常温状态下消潜、搅拌就可制浆,大大减少企业的的制造成本,增加企业经济效益,是一种全新的植物纤维制浆工艺技术,刷新了造纸工业污染环境的传统工艺,对造纸行业的资源整合起到积极的推进作用,对我国亚热带地区的香蕉种植业发挥应有的作用。
2、本发明采用的香蕉茎秆和阳离子淀粉均为可完全生物降解的材料,其他加入的辅料均为无机化学产品,本发明制得的产品为可完全降解的环保产品,且其各项指标如耐破指数、撕裂指数、抗张强度等均符合国家标准。
3、本发明用无毒、无害、无腐蚀性纤维软化剂替代了强酸、强碱,生产中没有黑液产生,制浆过程没有总还原硫产生,因此杜绝了传统制浆法的恶臭气味,且排出的废水PH约为5-7,可以回收利用,具有很好的环保效应。
4、本发明用水量和废水排放量少,传统制浆工艺用水量为每吨浆耗水150-200m3/吨,而本发明每吨浆耗水仅8m3左右,吨浆排水仅2-3.5m3左右,减排废水量约94%。
5、本发明的制纤维浆法无高温蒸煮系统、碱回收系统、洗浆系统,设备投资远低于传统制浆法,同规模浆厂可节约投资2/3;制浆的成本大大低于传统制浆法,生产成本是传统制浆的2/5,并大幅度降低了污染治理费用。同时,本发明可充分利用香蕉茎秆废弃物资源,增加农民收入,也防止了香蕉茎秆在田地造成病虫害的污染和资源浪费。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
用香蕉茎秆制作可降解材料的制备方法,其工艺流程图如图1所示,包括以下工艺步骤:
(1)备料除杂、削段、分丝压棉:将果农收果后砍下的香蕉树选取干的香蕉树茎秆1000kg,将其用鼓式削片机削成长度为30-50cm的小段,然后送入分丝机进行分丝压棉处理。
(2)挤压纤维:采用先进挤压机对香蕉茎秆进行高效挤压,分离出纤维和原液,纤维送到高浓搓磨机磨纤维,原液回收提取单宁利用。
(3)高浓度磨纤维:将挤压所得纤维用水调配至质量分数为25%,将纤维软化剂添加到高浓搓磨机与挤压所得纤维混合,纤维软化剂与香蕉树茎秆的质量比为0.01:1,通过在纤维质量分数为25%的高浓状况下搓磨,改变香蕉植物纤维的结构和表面性能。
上述纤维软化剂总质量为10kg,是由以下原料按配比制作而成:
活性硅酸钠0.1kg;阳离子淀粉0.2kg;纤维素0.15kg;碱0.05kg;磨纤维助剂:0.5kg,水9kg。其中磨纤维助剂包括:镁盐0.0025g;浓度为30%的盐酸0.0025g;Ca(0H)20.495kg;
上述纤维软化剂的制作方法为:先将磨纤维助剂镁盐、盐酸、Ca(0H)2按比例混合加水制成3%的白乳状液,再将其他原料与磨纤维助剂按配比在加热容器中混合,在40-50℃经2小时反应即可制得。
(4)浆池消潜:进行高浓度搓磨处理后的纤维和纤维软化剂混合物直接进入纤维池消潜,通过常温搅拌消潜120分钟,使纤维软化分解成纤维浆;
(5)纤维浆洗选:先后利用洗选纤维箱、中浓除渣器、外流式压力筛、一段除渣、二段除尘器对软化分解后的纤维进行清洗,最后通过浓缩斜网后得到浓缩后的纤维浆;
(6)改性处理:用水将洗选后的纤维浆的质量浓度调整为1.5%,将其通过双盘磨浆机进一步研磨,再通过细料压力筛和除砂器筛选浆料,然后到混合箱,在混合箱内按照质量浓度为1.5%的纤维浆占50%、浓度为1%薯类多糖天然高分子聚合物占20%,浓度为1.5%植物废料占29.2%,浓度为1‰的聚丙烯酰胺占0.8%的比例混合进行交联改性。在20~50℃温度范围内反应,反应时间15分钟,过滤后得到可降解材料纸浆。
其中,上述交联反应的目的是减少淀粉中羟基的含量,即降低了亲水基团的浓度,从而起到耐水的效果。
(7)烘干:添加叔十二烷基硫醇液体到改性后的纤维浆中,其添加量占纤维浆质量的0.5%,在烘机上成型即得生物可降解材料产品。
实施例2
用香蕉茎秆制作可降解材料的制备方法,其工艺流程图如图1所示,包括以下工艺步骤:
(1)备料除杂、削段、分丝压棉:将果农收果后砍下的香蕉树选取干的香蕉树茎秆1000kg,将其用鼓式削片机削成长度为30-50cm的小段,然后送入分丝机进行分丝压棉处理。
(2)挤压纤维:采用先进挤压机对香蕉茎秆进行高效挤压,分离出纤维和原液,纤维送到高浓搓磨机磨纤维,原液回收提取单宁利用。
(3)高浓度磨纤维:将挤压所得纤维用水调配至质量分数为30%,将纤维软化剂添加到高浓搓磨机与挤压所得纤维混合,纤维软化剂与香蕉树茎秆的质量比为0.03:1,通过在纤维质量分数为30%的高浓状况下搓磨,改变香蕉植物纤维的结构和表面性能。
上述纤维软化剂总质量为30kg,是由以下原料按配比制作而成:
活性硅酸钠0.9kg;阳离子淀粉(淀粉基生物降解树脂CP-300)0.9kg;纤维素0.6kg;碱3kg;磨纤维助剂:2.4kg,水25.2kg。其中磨纤维助剂包括:镁盐0.12kg;浓度为30%的盐酸0.0024g;Ca(0H)22.28kg;
上述纤维软化剂的制作方法为:先将磨纤维助剂镁盐、盐酸、Ca(0H)2按比例混合加水制成6%的白乳状液,再将其他原料与磨纤维助剂按配比在加热容器中混合,在40-50℃经2小时反应即可制得。
(4)浆池消潜:进行高浓度搓磨处理后的纤维和纤维软化剂混合物直接进入纤维池消潜,通过常温搅拌消潜60分钟,使纤维软化分解成纤维浆;
(5)纤维浆洗选:先后利用洗选纤维箱、中浓除渣器、外流式压力筛、一段除渣、二段除尘器对软化分解后的纤维进行清洗,最后通过浓缩斜网后得到浓缩后的纤维浆;
(6)改性处理:用水将洗选后的纤维浆的质量浓度调整为3%,将其通过双盘磨浆机进一步研磨,再通过细料压力筛和除砂器筛选浆料,然后到混合箱,在混合箱内按照浓度为3%的纤维浆占55%、浓度为1%薯类多糖天然高分子聚合物占20%,浓度为1.5%植物废料占23.8%,浓度为1‰的聚丙烯酰胺占1.2%的比例混合进行交联改性。在20~50℃温度范围内反应,反应时间30分钟,过滤后得到可降解材料纸浆。
其中,上述交联反应的目的是减少淀粉中羟基的含量,即降低了亲水基团的浓度,从而起到耐水的效果。
(7)烘干:添加叔十二烷基硫醇液体到改性后的纤维浆中,其添加量占纤维浆质量的0.5%,在烘机上成型即得生物可降解材料产品。
实施例3性能指标
1、对实施例1和实施2产生的废水测试pH值,所得结果分别为5.6和6.1,呈弱酸性。实施例的工艺用水量约为8m3,废水排放量仅为2-3.5m3,而传统制浆工艺用水量为每吨浆耗水150-200m3/吨,排水量为30-35m3,减排废水量约94%,有效实现了节能环保。
2、利用国家标准方法测试实施例制得的可降解材料的相关指标,所得结果如表1.
表1 可降解材料的性能指标
项目 |
实施例1 |
实施例2 |
执行标准 |
厚度(μm) |
135.7 |
135.9 |
GB451·3-2002 |
紧度(g/cm2) |
0.46 |
0.48 |
GB451·3-2002 |
耐破指数(KPam2/g) |
2.86 |
2.89 |
GB/T454-2002 |
耐破度(KPa) |
171 |
173 |
GB/T454-2002 |
撕裂指数(mNm2/g) |
6.5 |
6.8 |
GB/T455-2002 |
抗张指数(Nm2/g) |
2.5 |
2.5 |
GB/T453-2002 |
抗张度(N) |
35.3-35.9 |
35.3-35.9 |
GB/T453-2002 |
耐折度(次) |
16-20 |
16-20 |
GB/T457-2008 |
从表1的数据可以看出本发明制得的可降解材料的耐破指数、撕裂指数、抗张指数、耐折度等都符合国家行业标准,可以在制作纸张、包装材料等领域广泛使用。