CN105128180A - 环保生物质材料的连续挤出式加工技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用连续挤出式加工技术生产环保生物质材料的配方、工艺参数及生产流程，属于可降解环保生物质材料及其相关技术领域。通过将废弃的生物质纤维原料进行分离打碎处理，辅助以少量的马铃薯淀粉及甘油，经充分搅拌混合后进行水浴加热，再由螺旋挤出机或柱塞及活塞挤出机以一定频率一定温度加热加压挤出，通过模头连续挤出成型，烘干整形后即可成为一种轻质高强度的环保材料。本方法能够实现环保生物质材料的连续挤出式加工生产，可以优化生产流程,加工制备各种截面的制品,并可以节约生产成本。

Description

环保生物质材料的连续挤出式加工技术

技术领域

本发明专利涉及一种采用连续挤出式加工技术生产环保生物质材料和制品的配方、工艺参数及生产流程，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

近年来，大量包装废弃物给我国带来资源浪费和环境污染，人们的环保意识不断增强，国际上的包装行业越来越关注提高环境指标，并提倡研发和使用新型的节能、可降解包装材料。植物纤维、淀粉等生物质材料是容易获取的可再生资源，具有价格低廉、无毒无害、密度小、比强度和比模量高、加工能耗小、生态环境相容性好等优点。其中的主要成分——木质素和纤维素每年以约1640亿吨的速度再生，目前已经有国内外学者采用植物纤维缓冲包装材料制作发泡缓冲材料，对淀粉与各类植物纤维混合制作发泡缓冲材料的工艺及配方进行了研究，但主要集中于木塑复合材料的复合工艺及界面改性等方面。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。

已有部分学者对可连续生产的生物质包装材料配方与工艺进行了进一步的深入研究，获得了二次纤维塑化处理的方法。为瓦楞纸板二次纤维为主的生物质材料的挤出式加工工艺过程提供了技术支持，对该类生物质材料连续挤出加工具有一定实际意义。但却存在增塑剂及其他化学材料添加过多、成本高昂、工艺复杂、流程冗长及强度性能低的问题，不利于大面积生产推广。

发明内容

本发明的目的之一是在已有的生物质材料可连续挤出生产的配方方案基础上，进一步进行配方材料的优化设计，增加瓦楞纸板的废材，即基材的比例，最大程度地减少增塑剂、润滑剂等添加剂、助剂的使用，使用无污染，绿色安全，可降解，廉价且易获取的生物质材料，节约生产成本，真正实现纸质包装材料废材的可回收，可重复利用。

本发明的目的之二是在已有的生物质材料可连续挤出生产的工艺方案基础上，进一步进行工艺流程的优化设计，减少加工步骤，简化加工工序，最大程度地减少连续挤出加工时间，提高生产效率，为企业增加生产效益，使本工艺的工厂化生产成为一种可能。

本发明的目的之三是在已有的生物质材料可连续挤出生产的工艺方案基础上，提出对挤出产品的最大影响因素及其最佳水平，通过控制因素及水平，来控制生产制品的性能。

本发明的目的之四是优化材料性能，使材料的抗压强度提高，成为一种新型的轻质生物质材料。

本发明的技术方案是将主原料充分浸泡后用碎浆机制成纸浆，再将纸浆放入烘炉进行适当脱水处理，改变纸浆含水率。根据实验配方依次将原料与试剂混合，利用搅拌机均匀搅拌成非流态混合物，并对非流态混合物进行水浴加热。最后将非流态混合物投入分段电加热的挤出机内进行挤出加工，利用挤出机出料口口模挤出成型的方式制备材料。

本发明中，所述主原料包括废弃瓦楞纸材，纸板纸材等含纸纤维的废材，废纸的来源为各纸包装工厂加工后丢弃的废料，以及多次回收利用的废纸、废纸包装箱等；

本发明中，所述淀粉为马铃薯淀粉；

本发明中，所述试剂为淀粉及丙三醇，其中淀粉可在纸纤维间起胶黏作用，丙三醇则起到使纸纤维分子变柔软，增加流动性、可塑性的作用；

本发明中，所述实验配方按重量份计，共78份主原料，11份的淀粉以及11份的丙三醇；

本发明中，所述纸浆含水率为80％～85％；

本发明中，所述的挤出机包括螺杆挤出机以及具备类似功能的柱塞或活塞式挤出设备。

本发明中，所述工艺流程包括材料初步处理、基材与其他材料在常温搅拌下混合、水浴加热、挤出成型、制品后期处理。

本发明中，所述工艺影响因素包括挤出机三个分段的温度以及螺杆挤出机的转速。

本发明中，所述工艺因素水平包括50℃，65℃，80℃的温度，以及35r/min、40r/min以及45r/min的转速。

单螺杆挤出机在挤出全过程中分三段进行电加热。将螺杆由进料口至出料口方向的加热段，依次编号为第一段、第二段以及第三段。三段的温度设定有50℃、65℃、80℃。单螺杆挤出机的转速设定有35r/min、40r/min以及45r/min。

本发明中，配方中对挤出产品的密度和抗压强度性能的最大影响因素是丙三醇的比例，机械参数中对挤出产品、品的密度和抗压强度性能的最大影响因素是单螺杆挤出机第二段温度；

本发明中，所述最佳水平是螺杆挤出机的三段温度分别为65℃，65℃，80℃，转速为40r/min；

本发明中，所述螺旋机出料口的口模包括“L”形口模、“U”形口模、方形口模、矩形口模和圆形口模，制出的产品可用于生产纸护角、纸槽钢、方纸杆和圆纸杆等。

本发明的有益效果：以最优化的配方和工艺参数，生产出制作纸护角、纸槽钢和纸板条的成型产品，配方中无增塑剂、硅烷偶联剂、润滑剂等污染性高的添加剂，体现生物质材料无害无污染环保优势。确定对挤出产品的最大影响因素及其最佳水平，达到控制生产制品的性能的目的。以最优化的工艺流程设计，减少加工步骤，简化加工工序，最大程度地减少连续挤出加工时间，提高生产效率，节约生产成本，对自动化工业生产具有重大实际意义。

本发明中的原材料除了纯粹的废纸纤维原料，还可以添加其他农作物秸秆类生物质粉末材料。

附图说明

图1为本发明专利工艺流程图

具体实施方式

本发明的目的在于克服背景技术中所说的化学材料添加过多、成本高昂、工艺复杂、流程冗长及成品强度性能低的问题。针对这些问题我们通过实验发现，质量分数10％左右的淀粉对废纸纤维之间的交联就足以起到极佳的作用，而纤维间的润滑、物料的成型及保证物料的连续挤出依靠无毒无害且便宜的甘油即可实现，并不需要其他昂贵的化学试剂即可完成物料的连续性挤出，同时抗压强度也因其他化学试剂的减少而得到了极大地提升。

下面将结合具体附图和实施例对本发明作进一步详述。

所述环保生物质材料的制备方法，按重量份计步骤如下：

实施例1

(1)基体材料的初步处理:

废纸纤维:浸泡5小时后的瓦楞纸板放入高速碎浆机，在温度为25℃下进行碎浆5分钟后，然后把浆料滤水至含水率85％备用；

(2)物料混合:取步骤(1)制备的基体材料中的废纸纤维78份、马铃薯淀粉11份、甘油11份常温下用固体搅拌机充分混合搅拌15min，搅拌速度为20r/min；

(3)水浴加热：在温度25℃、相对湿度50％环境条件下，将混合后的物料在水浴锅中进行水浴加热，水浴温度为85℃，水浴时间30min；

(4)挤出成型:将步骤(3)所得的混合物料通过螺杆挤出机及口模挤出型坯；螺杆挤出机的三段温度分别为65℃，65℃，80℃，转速为40r/min；

(5)干燥:把步骤(4)制得的制品送入鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为8h，直到成品含水率在10％以下，并进行平整以及强化处理，即可制得环保生物质材料。

实施例2

(1)基体材料的初步处理:

废纸纤维:反复冲洗后浸泡至少24h后的白纸板放入高速碎浆机，在温度为23℃下进行碎浆5分钟后，然后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78份、马铃薯淀粉11份、甘油11份常温下用固体搅拌机充分混合搅拌15min，搅拌速度为15r/min；

(3)水浴加热：在温度23℃、相对湿度55％环境条件下，将混合后的物料在水浴锅中进行水浴加热，水浴温度为85℃，水浴时间30min；

(4)挤出成型:将步骤(3)所得的混合物料通过螺杆挤出机及口模挤出型坯；螺杆挤出机的三段温度分别为65℃，65℃，80℃，转速为40r/min；

使用“L”形口模、“U”形口模、方形口模、矩形口模和圆形口模，可挤出用于生产纸护角、纸槽钢、方纸杆和圆纸杆等的材料。

(5)干燥:把步骤(4)制得的制品送入鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为8h，直到成品含水率在9％以下，并进行表面整形以及强化处理，即可制得环保生物质材料及制品。

Claims (10)

1.一种采用连续挤出式加工技术生产环保生物质材料的技术方法，其特征是最佳配方按重量份计包括：78份主原料、11份的淀粉、11份的丙三醇；最佳工艺参数水平包括：螺杆挤出机的三段温度分别为65℃，65℃，80℃，转速为40r/min；配方中的丙三醇以及机械参数中的单螺杆挤出机第二段温度对挤出产品、产品的密度和抗压强度性能影响最大。

生产流程为将主原料充分浸泡后用碎浆机制成纸浆，再将纸浆进行适当脱水处理，使纸浆含水率符合试验要求。根据实验配方依次将原料与试剂混合，利用搅拌机均匀搅拌成非流态混合物，并对非流态混合物进行水浴加热。最后将非流态混合物投入分段电加热的单螺旋挤出机内进行挤出加工。利用挤出机出料口口模挤出成型的方式制备生物质材料。

2.如权利要求1所述主原料包括废弃瓦楞纸材、纸板纸材等含纸纤维的废材。废材的来源为各纸包装工厂加工后丢弃的废料，以及多次回收利用的废纸、废纸包装箱。其比例按重量份计为78份。

根据需要，主原料中还可以添加其他农作物秸秆类生物质粉末材料。

3.如权利要求1所述纸浆含水率为80％～85％。

4.如权利要求1所述试剂为淀粉及丙三醇，其比例按重量份计都为11份。

5.如权利要求1所述淀粉采用马铃薯淀粉，马铃薯淀粉粘结性能好，可在纸纤维间的起胶黏作用。

6.如权利要求1所述的螺杆挤出机，也可以使用类似的柱塞式或活塞式挤出设备代替。

7.如权利要求1所述工艺流程包括材料初步处理、基材与其他材料在常温搅拌下混合、水浴加热、挤出成型、制品后期处理。

(1)材料初步处理：将瓦楞废纸浸泡5h后的废纸纤维放入高速碎浆机中，然后在温度为(23±2)℃进行碎浆5分钟后，取出废纸纤维，并把废纸纤维滤水至含水率80％～85％备用；

(2)基材与其他材料在常温搅拌下混合：取步骤(1)制备的基材78份、淀粉11份、丙三醇11份，常温下充分混合搅拌10min；

(3)水浴加热：在温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)％环境条件下，将步骤(2)所得的物料放入电热恒温水浴锅，使其温度稳定在85摄氏度，持续水浴加热30min，即可制备混合物料；

(4)挤出成型：将步骤(3)所得的混合物料送入挤出机的进料口，设定挤出机的三段温度为65℃，65℃，80℃，转速为40r/min，通过挤出机出料口的口模挤出制品。

(5)制品后期处理：将挤出后的制品通过压制干燥，进行平整以及强化处理，制成产品。

8.如权利要求1所述配方中对挤出产品、产品的密度和抗压强度性能的最大影响因素是丙三醇的比例，机械参数中对挤出产品、产品的密度和抗压强度性能的最大影响因素是单螺杆挤出机第二段温度的大小。

9.如权利要求1所述最佳水平是螺杆挤出机的三段温度分别为65℃，65℃，80℃，转速为40r/min。

10.如权利要求1所述螺旋机出料口的口模包括“L”形口模、“U”形口模、方形口模、矩形口模和圆形口模，制出的产品可用于生产纸护角、纸槽钢、方纸杆和圆纸杆等。