CN104403111A - 一种改善木质纤维原料塑性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善木质纤维原料塑性的方法，具体步骤为：（a）将木质纤维原料干燥至含水率低于20%，再粉碎至颗粒粒径≤5mm；（b）向步骤a粉碎后的木质纤维原料中加入接种剂和调理剂，调节碳氮比、含水率以及pH值；（c）将经过步骤b调节后的木质纤维原料堆成堆垛状或堆放于发酵容器中发酵，不定期对物料进行翻堆，当物料的积温达到500-1000℃时，结束发酵，即获得塑性改善后的木质纤维原料；本发明中为微生物处理法，对环境无污染且不需要加热或加压等物理过程，能耗低，处理工艺简单，一次性处理量大，无二次污染，适合大规模推广使用。

Description

一种改善木质纤维原料塑性的方法

技术领域

   本发明涉及材料领域，特别是一种改善木质纤维原料塑性的方法。 

背景技术

   天然木质纤维原料是一种宝贵的可再生资源，不仅来源丰富、价格低廉，还具有完全的降解性，是一种天然、环保的高分子材料，其兼备弹性固体和粘性流体的双重特性，但因高聚合度，强氢键作用，导致木质纤维原料在压缩成型或挤塑成型过程中表现出加工性差、流动性差，因此，改善天然木质纤维原料的塑性对其材料化加工利用具有重要的意义。 

   目前木质纤维的改性处理集中在化学改性和物理改性方面，化学改性方法是通过在改性过程中添加塑化剂、增塑剂或塑料等化学试剂，通过接枝聚合或者共混的方式实现木质纤维原料的塑化过程，如公开号为CN200946128Y的中国专利即提供了一种生产率高、能耗低的植物纤维塑化改性装置，其通过在放有纤维物料和塑化剂的塑化改性筒中进行蒸气加温，达到改善秸秆塑性的目的；公开号为CN103013150A的发明专利则介绍了一种生产秸秆塑料的方法，通过将秸秆粉、滑石粉、硅藻土、高分子聚合物、塑料助剂等混合，经双螺杆挤塑造粒，在140-160℃左右即可完成热塑成型；而公开号为CN102153801A的发明专利则提供了一种秸秆塑料及其生产方法,将一定碎度的秸秆干燥后与塑料,以及塑料助剂混合,经双螺杆挤出机挤出造粒,生产的木塑材料可用于吹塑、拉片或者注塑等工艺；公开号为CN101376252A的发明专利提供了一种塑化竹子和木单板贴面的方法，其通过低温碱处理、苄基化处理和热压定性处理后即可得到具有一定塑性的材料；公开号为CN88105469A的发明专利介绍了一种塑化天然纤维的工艺，用大量的木屑和天然纤维为填料，采用少量的树脂渗透到纤维内部，经过热压加工成型后即可以得到具有模压塑料的特性的塑化纤维；公开号为CN1850474A的发明专利介绍了利用农作物秸秆制备木塑复合材料专用活性塑化颗粒的工艺方法，通过将切断后的秸秆碾磨，加入一定量的氢氧化钠、尿素和增塑剂进行搅拌，然后放入造纸纤维蒸煮设备，在90-105℃温度下蒸煮塑化3-4小时，即可得到蓬松活性塑化物料；公开号为CN102643557A的发明专利介绍了一种新型木粉、稻壳粉混合型热塑性复合材料的制备方法，将木粉、稻壳粉和HDPE树脂配以一定比例的表面处理剂、加工助剂，在高速混合机中混合后即可得具有一定塑性复合材料；公开号为CN1397596A的发明专利介绍了一种热塑性木粉的制作方法，首先将适宜接枝的高分子塑料与能和羟基反应的功能性单体进行化学接枝达到改性塑料，然后将干燥后的木质材料与改性塑料按一定的比例混合粉碎，在一定的温度、时间处理后即可得到塑化木粉。 

从上述发明专利来看，目前改善纤维原料塑性的方法主要依赖化学试剂的处理，或者经过高温蒸煮等物理手段，利用纤维原料表面的活性基团与化学原料间形成的共价键，或者是纤维原料与化学原料间简单的共混，依靠温度或者压力达到天然纤维塑化的目的。但目前处理技术均涉及到了增塑剂或者塑料品的添加，不仅限制了木质纤维的规模化生产，还会造成二次污染，不能实现环保节能生产。 

发明内容

    针对上述问题，提供一种无须添加化学塑化剂的改善木质纤维原料塑性的方法，该方法操作简单，不会对环境造成污染，本发明是这样实现的： 

一种改善木质纤维原料塑性的方法，具体步骤如下：（a）将木质纤维原料干燥至含水率低于20% ，再粉碎至颗粒粒径≤5mm；（b）向步骤a粉碎后的木质纤维原料中加入占木质纤维原料干重5%～30%的接种剂，并加入调理剂，调节碳氮比为20～40:1，含水率至65～75%，pH值为7.0～8.0；（c）将经过步骤b调节后的木质纤维原料堆成堆垛状或堆放于发酵容器中发酵，不定期对物料进行翻堆，当物料的积温达到500-1000℃时，结束发酵，即获得塑性改善后的木质纤维原料。

    本发明中，步骤a所述木质纤维原料为：农作物秸秆、稻壳、木粉、刨花，以及园林废弃物中的一种或多种。 

    本发明中，步骤b所述接种剂为秸秆腐熟剂、腐熟堆肥、活性污泥、草食性动物粪便中的一种或者多种。 

    本发明中，步骤b所述调理剂包括碳氮比调理剂和pH调理剂，所述碳氮比调理剂为氮肥、淀粉、豆粕、菜籽饼粉、棉籽饼粉中的一种或多种；所述pH调理剂为生石灰。 

    本发明中，步骤c所述堆成堆垛状是指将物料堆积成条形堆垛状或圆台形堆垛状；所述发酵容器是指封闭或半封闭的发酵槽，或发酵池，或发酵仓，或发酵塔，发酵容器配备翻堆设备或/和通风装置。 

    本发明中，步骤c发酵中，木质纤维原料内部含氧量不低于15%。 

本发明通过向粉碎后的木质纤维原料中添加微生物接种剂，在调节好物料的碳氮比、含水率和pH值条件下，对物料进行生物发酵，利用微生物作用分解木质纤维中生物大分子如纤维素、半纤维素和木质素，降低这些大分子分子量，削减其分子间的作用力，同时，微生物发酵过程产生大量菌体蛋白，具有一定的润滑作用，促进了木质纤维间的相对移动，降低木质纤维分子之间的摩擦力，从而达到改善木质纤维塑性的效果，使得木质纤维材料在一定温度下能够挤塑或压塑成型，以便制备各种形状的产品。 

本发明的有益效果体现在：发明中所涉及的方法为微生物处理法，不会对环境造成污染，而且不需要加热或加压等物理过程，实现了低能耗环保型木质纤维塑化过程；其次，本发明利用微生物发酵过程中消耗的能源，完成了对木质纤维的降解过程，同时产生了菌体蛋白，两方面促进了木质纤维的塑化过程，塑化效果好；此外，发酵过程无需强酸、强碱及高压等苛刻工艺条件，处理工艺简单，一次性处理量大，无二次污染，适合大规模推广使用。 

附图说明

图1是实施例经塑化处理后的稻壳颗粒制作的花盆图片； 

图2是由未经塑化处理的稻壳颗粒制作的花盆图片。

具体实施方式

   实施例1 

采集收获后的小麦秸秆1000kg，经过自然风干后（含水率12%），用粉碎机粉碎成粒径为3mm左右的颗粒，添加100kg的秸秆腐熟剂（约占秸秆干重的11.4%），加入2kg的淀粉和适量尿素，使得混合物料的碳氮比为30:1，加入生石灰调节pH为7.5，最后加水至混合物料的含水率为65%，搅拌均匀后将混合后物料堆成圆锥状放在裸露地面，并用塑料薄膜覆盖，每小时监测一次并记录混合物料的温度，当物料温度不变化或降低时，需要对物料进行充分翻堆保持木质纤维原料内部含氧量为20%左右，发酵时间为20天，物料的积温为900℃,结束发酵，即获得塑化后的木质纤维。

   具体实施过程中，也可以使用硝酸铵、硝酸钠等氮肥代替尿素作为碳氮调理剂。 

实施例2 

   将采集的稻壳与水稻秸秆按照1:1混合，取1000kg混合物自然干燥至含水率为8%，用粉碎机粉碎混合物成粒径为2mm左右的颗粒，再添加150kg的腐熟堆肥（相当于木质纤维原料的16.3%），加入3kg的豆粕和适量的尿素，使得混合物料的碳氮比为40:1，加入生石灰调节pH为7.6，最后加水至混合物料的含水率为75%，搅拌均匀，将混合后物料放入发酵池中，并用塑料薄膜覆盖，每小时监测并记录一次混合物料的温度，期间根据发酵物料温度的变化，需要对物料进行充分翻堆（木质纤维原料内部含氧量为30%），塑化时间为15天，物料的积温为900℃,即可得到塑化后的木质纤维。

    具体实施过程中，也可以使用木粉、刨花，以及园林废弃物中的一种或多种作为木质纤维原料进行发酵。 

实施例3 

  将经过自然干燥后含水率为15%的稻壳，粉碎为粒径为2.5mm左右的稻壳颗粒，利用转矩流变仪测量其流变性能，再取1000kg稻壳颗粒，向其中添加100kg的腐熟堆肥（相当于稻壳颗粒干重的11.8%），加入2kg的淀粉和适量的尿素，使得混合物料的碳氮比为35:1，加入生石灰调节pH为7.5，最后加水至混合物料的含水率为65%，搅拌均匀，将混合后物料堆成圆锥状放在裸露地面，并用塑料薄膜覆盖，每小时监测一次并记录混合物料的温度，当物料温度不变化或降低时，需要对物料进行充分翻堆，使得木质纤维原料内部含氧量为25%，本实施例物料的积温为800℃，发酵15天左右后获得塑化后的稻壳颗粒，以转矩流变仪测量其流变性能，所得结果如表1所示：

表1稻壳塑化处理前后流变性能

样品	时间 s	塑化扭矩 N·m	平衡扭矩N·m
				未塑化稻壳颗粒	44	7.8	0.2
塑化后稻壳颗粒	86	8.6	0.9

  由表1可见，与未塑化稻壳颗粒相比，塑化后稻壳颗粒具有较高的塑化扭矩和平衡扭矩，说明塑化处理后稻壳颗粒的塑性得以提高。

  将含水率为15%的稻壳颗粒与本实施例获得的塑化稻壳颗粒分别与淀粉胶按照质量比1:1混合,混合后的物料分别利用双螺杆注塑机生产花盆,生产工艺参数如表2所示： 

表2 稻壳塑化处理前后加工性能比较

样品	预混温度 ℃	混合后温度℃	凹模具温度 ℃	凸模具温度 ℃	料腔压力 MPa	送料频率Hz	预塑时间s	注塑时间s	保压时间s	花盆成型情况
											未处理稻壳	86-93	82-89	128-130	122-131	19-22	16	95	15	40	不成型
处理后稻壳	77	73	102	119	15-17	16	95	15	40	完全成型

   由表2可以看出，本实施例获得的塑化木质纤维与淀粉胶黏剂混合物的预混温度、混合后温度和模具温度均有所降低，料腔内压力降低，这说明稻壳处理后塑性得以改善。

图1、图2为通过表2工艺生产的花盆，其中图1为由本实施例获得的塑化木质纤维生产的花盆，其加工成为完整的花盆，图2为含水率为15%的稻壳颗粒生产的花盆，该花盆基本不成型。 

以上实施例仅为本发明的优选实施方式，并非是对本发明保护范围的限制，在具体实施过程中，本发明中的具体技术参数，如木质纤维原料含水率、接种剂的加入量、发酵物碳氮比和含水率，以及发酵物料的积温等，可以按照权利要求限定的区间内由操作者确定，凡遵循本申请文件的教导实现本发明目的，均属于本发明权利要求的保护范围。 

Claims (6)

1.一种改善木质纤维原料塑性的方法，其特征在于，具体步骤如下：

将木质纤维原料干燥至含水率低于20% ，再粉碎至颗粒粒径≤5mm；

向步骤a粉碎后的木质纤维原料中加入占木质纤维原料干重5%～30%的接种剂，并加入调理剂，调节碳氮比为20～40:1，含水率至65～75%，pH值为7.0～8.0；

将经过步骤b调节后的木质纤维原料堆成堆垛状或堆放于发酵容器中发酵，不定期对物料进行翻堆，当物料的积温达到500-1000℃时，结束发酵，即获得塑性改善后的木质纤维原料。

2.根据权利要求1所述改善木质纤维原料塑性的方法，其特征在于，步骤a所述木质纤维原料为：农作物秸秆、稻壳、木粉、刨花，以及园林废弃物中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述改善木质纤维原料塑性的方法，其特征在于，步骤b所述接种剂为秸秆腐熟剂、腐熟堆肥、活性污泥、草食性动物粪便中的一种或者多种。

4.根据权利要求2所述改善木质纤维原料塑性的方法，其特征在于，步骤b所述调理剂包括碳氮比调理剂和pH调理剂，所述碳氮比调理剂为氮肥、淀粉、豆粕、菜籽饼粉、棉籽饼粉中的一种或多种；所述pH调理剂为生石灰。

5.根据权利要求1-4之一所述改善木质纤维原料塑性的方法，其特征在于，步骤c所述堆成堆垛状是指将物料堆积成条形堆垛状或圆台形堆垛状；所述发酵容器是指封闭或半封闭的发酵槽，或发酵池，或发酵仓，或发酵塔，发酵容器配备翻堆设备或/和通风装置。

6.根据权利要求5所述改善木质纤维原料塑性的方法，其特征在于，步骤c发酵中，木质纤维原料内部含氧量不低于15%。