CN105019287A - 一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，包括以下步骤：S1.软化：将竹类植物原料、蒸煮液加入预浸器中，蒸汽加热；S2.搓揉：软化后的竹类纤维进行挤压、搓揉<b>；</b>S3.混合：将预热的蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；S4.蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，在0.3～0.8MPa压力下喷放，分散成浆。本发明以竹类植物为原料，通过预浸软化、搓揉分丝后低温快速蒸煮，使蒸煮液浓度梯度一致，本发明方法降低了蒸煮液的用量、蒸汽用量、缩短了蒸煮时间，具有工艺简单、制备方便、绿色环保、成本低的优点，采用该方法制备的浆得率可达50%～60%，在保持化学浆高品质的同时提高了浆的物理性能。

Description

一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法
技术领域
本发明属于造纸制浆技术领域，具体涉及一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法。
背景技术
纤维素的最重要用途是造纸，在其它的领域也可能广泛应用。纸是国民生产生活中的必需品。统计数据显示，我国纸与纸板的消费量已近九千万吨，每年仍呈增长势头。
烧碱法或硫酸盐法是目前造纸工业普遍采用的纤维素提取方法，碱作为纤维提取过程中的一种不可缺少的化工原料，在木材（或非木材）原料蒸煮过程中是蒸煮药液的重要组成成分。在传统蒸煮过程中，为了保证原料的成浆质量和成浆收率，烧碱和硫化碱的用量常为原料的25%左右，特别是硫酸盐法中不但大量耗碱，而且使用了相当量的硫化物，蒽醌等助剂，导致纤维素得率低、质量差、“三废”严重，致使后处理难度大、投资大、成本高、能耗高。通常要用2-3吨的折百植物原料和0.67-0.9吨折百碱量才能得到1吨纤维素浆，现有非木材原料造纸工艺，例如竹子纤维素提取工艺是采取用10%左右浓度的碱与硫化物的混合液，在液比为1:2.4条件下，升压至0.700MPa（温度约170℃）蒸煮4小时左右再进行喷放得到粗浆。以木材、竹子为原料的造纸工艺中，化工原料一般占其原料成本的20-30%烧碱是主要成本构成；而以植物秸秆等非木材为原料的造纸工艺中碱占其成本的40-50%。大量碱的使用不但增加了造纸的成本，而且导致大量的造纸黑液难以资源化利用。
机械浆主要通过机械碾磨成浆，含有较高的木质素，具有生产过程较简单、成本低、得率高、污染小、成纸印刷性能好、平滑度好，不透明度高等优点，但成纸不能长期保存，特别是机械浆主要依靠物理的方法处理木材类原料，能耗高，一顿浆需要1000多度电，在碾磨过程中纤维折断严重，成分复杂，粉丝帚化效果差，导致纸浆的性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，该方法通过对竹类植物原料进行预浸软化、搓揉分丝、低温快速蒸煮后制备出高性能纤维浆，具有工艺简单、制备方便、绿色环保、成本低的优点，采用该方法制备的浆得率高、在保持化学浆高品质的同时提高了浆的物理性能。
    本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，它包括以下步骤：
S1. 软化：将竹类植物原料、蒸煮液加入预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至70～100℃，保温60～200min；其中，竹类植物原料和蒸煮液的重量比为1:3～5；
S2. 搓揉：将软化后的竹类纤维通过单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，所述挤压、搓揉的时间为1～5min，压缩比为1:2～3.5；
S3. 混合：将预热至70～100℃的蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合30～90s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，所述蒸煮的温度为100～170℃，蒸煮时间为30～120min，蒸煮结束后，在0.3～0.8MPa压力下喷放，分散成浆。
 进一步地，所述的竹类植物原料为毛竹、黄竹、慈竹、水竹、白夹竹、西风竹中的一种或多种的组合。
    进一步地，所述的蒸煮液为氢氧化钠、硫酸盐溶液或氢氧化钾中的任意一种。
进一步地，所述的预浸器为横管式预浸器、塔式预浸器或仓式预浸器。
进一步地，步骤S2将竹类纤维进行挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中。
    进一步地，步骤S4中所述的揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:2～4。
进一步地，所述的单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管。
本发明在蒸煮的步骤可以采用烧碱法、烧碱+活性剂、KOH、KOH+活性剂、亚硫酸氨法、蒽醌-烧碱法、硫酸盐和亚硫酸钾法，蒸煮的温度为100～170℃，蒸煮时间为30～120min，蒸煮器为蒸球、立式蒸煮锅或连续蒸煮器。
对常用的竹类植物原料的化学组成进行分析，发现总纤维素重量百分含量为：74.52%，总木素重量百分含量为25.08%，聚戊糖重量百分含量为20.67%，笨-醇抽出物重量百分含量为27.25%。
本发明在对原料进行浸渍之前，可以采用现有技术对原料进行初步处理，即采用常规的干法+湿法备料，以除去沙、石等杂质，这样可以减轻后续工艺的压力，并提高竹纤维材料的质量。湿法备料可以采用现有常规设备，如切竹机、筛选机、除尘机等。经过备料后的竹类植物原料的长度在20～80mm，原料的备料工艺为本领域技术人员公知技术。经过备料后的去除水分的竹子原料为精料，扣除竹子的水分为绝干原料。
本发明对原料进行浸渍处理后，利用了作为废料的黑液通过过滤去除杂质，使黑液得到了循环利用，减少了环境对黑液处理的压力，由于对原料浸渍预处理，使得在加热处理时所脱出的杂细胞、半纤维素、木素为主的黑液分离排除，为下一步的蒸煮过程作准备。
本发明对浸渍后的竹类原料纤维进行了搓揉处理，软化后的竹纤维材料通过单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机在挤压压缩区受轴向挤压力和揉搓作用，“压缩-膨胀-搓揉”混合作用可使竹材料细胞层间移动，并在纤维壁产生裂纹，实现压溃，形成均匀竹丝团。同时将水溶物和碱抽出物由壳体上的滤蓖挤出，去除竹材预浸中的树脂、果胶等杂质，80%以上的机械能转化为热能，提高竹材分丝后的温度，同时提高液体吸收性能。
蒸煮过程是制浆的关键步骤，由于木材与竹材原料的组织结构、微观结构、化学组成以及木素分子结构等均有差异，因此，在蒸煮过程中脱木素反应历程也有很大的差别。对于竹类原料亚硫酸氨法、蒽醌-烧碱法、硫酸盐和亚硫酸钾法蒸煮脱木素反应历程，包括升温药液浸透和保温两段。
传统蒸煮的过程一般包括三个过程：1、蒸煮液向原料内部渗透的过程。2、碱液与原料起化学反应的过程；3、反应物从原料中溶出的过程。此三过程除去原料中的木素和杂质，使纤维之间的结合力下降，促使纤维离解成浆。因此，蒸煮的目的在于利用蒸煮液的作用，适当地除去原料中的木素，尽可能保留纤维素和半纤维素以利于造纸。在蒸煮过程中，由于高温蒸煮以及化学蒸煮药液的作用，原料中的木素、纤维素和半纤维素以及其他成分均会发生一定的化学变化，受到不同程度的降解和损伤。
现有竹材料蒸煮技术制浆具有以下缺点：竹子致密、皮厚，常规机械、化学法蒸煮药液浸透困难、蒸煮时间较长，因料片内外蒸煮液浓度梯度不一致，造成外层蒸煮液与纤维原料化学降解而内层未分离，因此浆料得率低、轻度差，一般四川慈竹硫酸盐法蒸煮生产漂白浆，当喷放浆硬度高锰酸钾值为17-20时，粗浆得率为48%左右。
针对竹类植物纤维这种特殊的制浆原料，本发明的方法中，对化学蒸煮药液进行了严格的控制，将其浓度降低，减少对制浆所需要成分如纤维素、半纤维素、木素的降解和损伤。同时，预浸软化、搓揉分丝后在低温蒸煮的过程中，药液与分丝后竹丝基本是瞬间完全混合，消除了药液反应梯度问题。因此，本发明的方法中由于反应时间短、反应迅速均匀、温度低最大限度的保护了竹类植物原料制浆所需的纤维素和半纤维素，同时大大缩短了保温时间，大大降低了能耗，降低生产成本。
本发明具有以下优点：本发明以竹类植物为原料，通过预浸软化、搓揉分丝后低温快速蒸煮，使蒸煮液浓度梯度一致，本发明制备方法降低了蒸煮液的用量、蒸汽用量、缩短了蒸煮时间，具有工艺简单、制备方便、绿色环保、成本低的优点，采用该方法制备的浆得率可达50%～60%、在保持化学浆高品质的同时提高了浆的物理性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
实施例1：一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，它包括以下步骤：
S1. 软化：将经湿法备料后的毛竹竹片、5%的氢氧化钠蒸煮液加入横管式预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至70℃，保温60min；其中，竹毛竹和蒸煮液的重量比为1:3；
S2. 搓揉：将软化后的竹毛竹纤维通过单螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，单螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管，所述挤压、搓揉的时间为1min，压缩比为1:2；挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中；
S3. 混合：将预热至70℃的5%的氢氧化钠蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合30s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:2，所述蒸煮的温度为100℃，蒸煮时间为30min，在蒸煮管尾喷放管加入60℃洗涤黑液，蒸煮结束后，在0.3MPa压力下喷放，分散成浆。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为26，竹浆得率为55%。
实施例2：一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，它包括以下步骤：
S1. 软化：将经湿法备料后的竹类植物原料竹片、12%的氢氧化钠蒸煮液加入塔式预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至100℃，保温200min；其中，竹类植物原料和蒸煮液的重量比为1:5；竹类植物原料为水竹、白夹竹、西风竹的组合；
S2. 搓揉：将软化后的竹类纤维通过双螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，双螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管，所述挤压、搓揉的时间为5min，压缩比为1:3.5；将竹类纤维进行挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中；
S3. 混合：将预热至100℃的12%的氢氧化钠蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合90s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:4，所述蒸煮的温度为170℃，蒸煮时间为120min，在蒸煮管尾喷放管加入60℃洗涤黑液，蒸煮结束后，在0.8MPa压力下喷放，分散成浆。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为22，竹浆得率为60%。
实施例3：一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，它包括以下步骤：
S1. 软化：将经湿法备料后的竹类植物原料竹片、6%的硫酸盐蒸煮液加入仓式预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至80℃，保温70min；其中，竹类植物原料和蒸煮液的重量比为1:4；竹类植物原料为黄竹和慈竹；
S2. 搓揉：将软化后的竹类纤维通过单螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，单螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管，所述挤压、搓揉的时间为2min，压缩比为1:2.5；将竹类纤维进行挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中；
S3. 混合：将预热至80℃的10%的硫酸盐蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合50s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:3，所述蒸煮的温度为110℃，蒸煮时间为40min，在蒸煮管尾喷放管加入60℃洗涤黑液，蒸煮结束后，在0.5MPa压力下喷放，分散成浆。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为18，竹浆得率为50%。
实施例4：一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，它包括以下步骤：
S1. 软化：将经湿法备料后的竹类植物原料竹片、8%的氢氧化钾蒸煮液加入预浸器为横管式预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至90℃，保温100min；其中，竹类植物原料和蒸煮液的重量比为1:3.8；竹类植物原料为西风竹；
S2. 搓揉：将软化后的竹类纤维通过双螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管，所述挤压、搓揉的时间为4min，压缩比为1:3，将竹类纤维进行挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中；
S3. 混合：将预热至90℃的8%的氢氧化钾蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合70s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:2.5，所述蒸煮的温度为145℃，蒸煮时间为80min，在蒸煮管尾喷放管加入60℃洗涤黑液，蒸煮结束后，在0.6MPa压力下喷放，分散成浆。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为16，竹浆得率为57%。
实施例5：一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，它包括以下步骤：
S1. 软化：将经湿法备料后的竹类植物原料竹片、6%的氢氧化钾蒸煮液加入塔式预浸器或仓式预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至95℃，保温180min；其中，竹类植物原料和蒸煮液的重量比为1:5；竹类植物原料为黄竹、慈竹和水竹；
S2. 搓揉：将软化后的竹类纤维通过双螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，双螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管，所述挤压、搓揉的时间为5min，压缩比为1:3.2，将竹类纤维进行挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中；
S3. 混合：将预热至95℃的6%的氢氧化钾蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合70s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:3，所述蒸煮的温度为160℃，蒸煮时间为110min，在蒸煮管尾喷放管加入60℃洗涤黑液，蒸煮结束后，在0.6MPa压力下喷放，分散成浆。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为26，竹浆得率为58%。
实施例6：一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，它包括以下步骤：
S1. 软化：将经湿法备料后的竹类植物原料竹片、12%的氢氧化钠蒸煮液加入仓式预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至100℃，保温150min；其中，竹类植物原料和蒸煮液的重量比为1:3；竹类植物原料为毛竹、水竹、白夹竹、西风竹；
S2. 搓揉：将软化后的竹类纤维通过单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管，所述挤压、搓揉的时间为2min，压缩比为1:2.3，将竹类纤维进行挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中；
S3. 混合：将预热至100℃的12%的氢氧化钠蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合50s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:4，所述蒸煮的温度为145℃，蒸煮时间为100min，在蒸煮管尾喷放管加入60℃洗涤黑液迅速终止反应，蒸煮结束后，在0.8MPa压力下喷放，分散成浆。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为30，竹浆得率为52%。

Claims (7)

1.一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1. 软化：将竹类植物原料、蒸煮液加入预浸器中，预浸器内通入蒸汽进行加热，蒸汽加热至70～100℃，保温60～200min；其中，竹类植物原料和蒸煮液的重量比为1:3～5；
S2. 搓揉：将软化后的竹类纤维通过单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机进行挤压、搓揉，所述挤压、搓揉的时间为1～5min，压缩比为1:2～3.5；
S3. 混合：将预热至70～100℃的蒸煮液打入浸渍搓揉机的物料药液混合区，通过螺旋强制混合30～90s，将混合后的蒸煮液送入蒸煮管；
S4. 蒸煮：将揉搓后的竹丝在蒸煮管内进行蒸煮，所述蒸煮的温度为100～170℃，蒸煮时间为30～120min，蒸煮结束后，在0.3～0.8MPa压力下喷放，分散成浆。
2.根据权利要求1所述的一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，其特征在于：所述的竹类植物原料为毛竹、黄竹、慈竹、水竹、白夹竹、西风竹中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，其特征在于：所述的蒸煮液为氢氧化钠、硫酸盐溶液或氢氧化钾中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，其特征在于：所述的预浸器为横管式预浸器、塔式预浸器或仓式预浸器。
5.根据权利要求1所述的一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，其特征在于：步骤S2将竹类纤维进行挤压、搓揉后的滤液通过过滤机去除杂质后循环使用至步骤S1中。
6.根据权利要求1所述的一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，其特征在于：步骤S4中所述的揉搓后的竹丝和蒸煮液的重量比为1:2～4。
7.根据权利要求1所述的一种以竹类植物为原料获得高性能纤维的制浆方法，其特征在于：所述的单螺杆或双螺杆浸渍搓揉机包括预浸器、挤压搓揉区、物料药液混合区和蒸煮管。
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