CN106245399A - 氢键法生产湿法植物改性原纤维的工艺方法 - Google Patents

Abstract

氢键法(湿法)生产植物改性原纤维的工艺方法，涉及用可再生植物资源(农林废弃物)为原料，在常温常压下用改性剂在水溶液中把植物体分子间网状氢键结构改变为管状氢键结构，分离植物体，生产植物改性原纤维的方法。本发明是专利201210080798.6的湿法改性的一个实施方案。内容包括植物材料氢键结构调整的方法，改性剂的制造、选择、应用，植物原料的预处理、改性后的物料的热溶处理，生成的植物改性原纤维的漂白及后处理，流程水的清洁回用技术。

Description

氢键法生产湿法植物改性原纤维的工艺方法

技术领域：一种用可再生植物资源(农林废弃物)为原料，用改性剂在水溶液中改变植物分子间氢键结构，分离植物体，生产改性植物原纤维的方法。

技术背景：矿藏、森林、土地、水源、石油等社会经济发展必须的资源日益短缺，生态环境恶化，大气二氧化碳上升，气候异常。而植物资源特别是农业秸秆未找到大规模资源化利用的高效办法，全球每年有数千亿吨变成了固体废弃物，被细菌腐烂放出数以千亿吨计的比人类经济活动多数百倍的二氧化碳。只要有清洁生产的高新技术把部分植物废弃物变成基础原材料固定下来，既能变废为宝，增加巨量基础原材料供给，部分代替棉、麻、钢材、木材、水泥，就可节省制造这些材料的能源，还有可能解决地球二氧化碳平衡问题。

现在的植物纤维制造理论认为：组成植物体的是纤维细胞。在纤维细胞间有胞间层，将纤维细胞粘结在一体，形成有一定强度的固体。人们利用植物体的办法是用高温高压和化学品，破坏胞间层的化学键结构，将其排除，分离出纤维。这样加工时不可避免地把一部分纤维变成废物除去，人们使用的植物纤维只是天然植物纤维中的纤维素成分的一部分，而并非植物原纤维。这种制造方法得率很低，成本很高，污染很重。所以传统的植物纤维制造业，在我国被列为“二高”(高能耗、高排放)产业。用这种技术生产植物纤维材料与其它可替代材料相比在成本、环境、能源消耗上不具有优势，植物纤维日益广泛地被其它材料替代了。这是与可持续发展的方向背道而弛的。

国家专利201210080798.6首先提出了一种全新的，未被人们认识和利用的基础原材料-改性植物原纤维。同时提出了通过氢键结构的调整，改变其聚集态的干法和湿法两类生产方法。本发明是实施该专利的湿法改性的更具体的方案。

发明内容：

1、改变植物体氢键结构的方法：

新工艺在理论上认为，天然植物材料中有大量的羟基，不同分子的羟基互相接近，就会生成分子间氢键，分子间氢键固定着植物体的大分子，使其软化点很高，纤维难以分离。因此把植物体分离成纤维并不都需要破坏植物体的化学键，只需调整分子间氢键结构即可。本发明在常温常压下加入体积小，负电性强，极性高的物质做成的改性剂。把质量相当于原料5-8％的改性剂溶于PH值在12以上的碱水中，生成水溶液。改性剂在水溶液中按需要的速度生成活性氧、活性氮等自由基。在固-液吸附作用下，自由基靠近羟基形成的分子间氢键，把其斩断，使其部分地转换为只与一个分子连接的分子内氢键，部分地变成由较少分子间氢键连接的小“分子团”，就可以改变植物大分子的聚集状态，使其变软，从而达到分离、分散、收集纤维的目的。由于活性氧、活性氮比原来与其生成分子间氢键的O-H电子少，活性强，因而能拆开它们间的分子间氢键，与之结合。改性剂消耗达到一定程度后，这种调整减弱或停止，软化的程度，可用改性液浓度来控制。活性氧、活性氮的生成速度由改性剂包覆的硅酸盐的厚度来调节。

用氢键结构调整法生产植物改性原纤维的流程是：植物原料的预处理，植物原料的改性，改性后的物料的热溶处理，对经改性分离的植物改性原纤维进行无氯漂白，对漂白后的植物改性原纤维进行后处理，对污水进行处理回用。

用qianw(O-H...)代表纤维的分子结构式。用qianw(O-H...O-H)代表改性植物原纤维的分子结构式。用·O-H表示活性氧(羟基自由基)，·N-H2表示活性氮(氨基自由基)，它们是由O-H、N-H2中的O、N失去一个电子形成的，有极强的得电子能力，可斩断分子间氢键的O...H连接。

植物体改性式，可写成：

qianw(O-H...)n+n·N-H2＝qianw(O-H...N-H2)n

qianw(O-H...)n+n·O-H＝qianw(O-H...O-H)n

现在的分子内氢键是指同一个分子内二个不同基团之间形成的氢键。我们这里是指只与一个分子连接的氢键。

2、改性剂的制造、选择和应用：加入改性剂的目的是要使用其溶入水中产生的活性氧、活性氮。活性氧、氮是指含有氧、氮元素，又比氧、氮活泼的物质或基团。但是活性氧活性氮只能在短时间内存在。改性剂必须是含有氧、氮元素的稳定的化合物，它在水溶液中能临时通过一定的反应生产活性氧、活性氮。这样的化合物要通过制造、选择才能得到，例如活性氧可用Na2O2在H2O中电离生成的：

Na2O2+H2O-→ NaOH+·O-H+O2

活性氮可用含铵的化合物(比如氯化铵)与碱反应生成。方程式可是：

NH4CL+NaOH→NaCL+NH3+H2O

NH3进一步反应生成·NH2就是所需要的活性氮。为了增加·NH2与植物材料的亲和力，可不用一般的NH4CL，而是有机氯化铵，如四丁基氯化铵C16H36C1N等。为了延长活性氧、活性氮存在的时间，还要用硅酸盐对改性剂进行包覆，包覆物的厚度决定改性剂生成活性氧、活性氮和改性的反应速度。

3、植物原料预处理方法：预处理就是对原材料进行筛选、

梳理、破解、除杂、除尘。采用了自行设计，独家制造的用开料机、分离机、除尘器组成的多次开料，多次除尘的预处理系统。在这个系统中通过原料之间的摩擦可以产生静电脉冲，使包在植物原料表面的物质发生一定的破裂、脱落，为改性段的改性剂水溶进入植物体，发生改性创造条件。

4、物料的热溶处理方法：

向热溶池中输入蒸汽，使浓度为10％左右的改性过的原料升温至80～90℃，使其中的热水溶出物分离，溶入水中。经过30-60分钟热处理的物料，经斜筛、浓缩机、双螺旋挤压机除水，物料送入漂白系统，热溶水流入处理回用设施，处理后全部回用。

5、被分离的植物改性原纤维的无氯漂白方法：

对经过改性和去除冷水溶出物、热水溶出物的半成品用泵管或螺旋推进器放入漂白器中，浓度10％左右，通入蒸汽升温至90-95℃，加入双氧水，漂白60-90分钟。经漂白的纤维用输送泵管(或螺旋推进器)、传送进入气动压水机去水后进入疏解机初步梳理，进入后处理系统。分离出的漂白水进入储存回用设施，处理回用。

6、污水的就近处理和回用：本发明采取污水分散快速化学处理法，改性段的水经天然高分子提取剂提取，微滤处理后回流到改性池中进行回用。热溶段的流程水经过加入天然高分子提取剂、在汽浮机的作用下，提取热水溶出物后，经过沸石、活性炭处理进行过滤、吸附、静压回到热溶段使用。漂白段的流程水加入天然高分子提取剂，经过高频振动筛的过滤。提取溶解物后进入储水池回到了漂白池，继续漂白。设施很小很少，投资很小，运营成本很低，处理效率很高。再生水可全部回用。采用就地分散、快速化学处理法可以以免造成多种多样的污染物互相交叉、重叠、复合，再生水不能回用的问题。用天然植物高分子提取剂提取的污水提取物干燥后作为绿色建材的加强剂、润滑剂。

具体实施方式：

以玉米秸秆为原料，湿法改性，生产植物改性原纤维的实施方式为例。

按改性植物原纤维产量与原料比1∶1.5-1.7的比例准备好秸秆，按以下方法和程序生产出产品：

1、原料的预处理：

将玉米秸秆逐步送入料机，送料机带着原料通过金属检测吸收器，把混在其中的铁和其它金属检测出来并留下，原料进入开料梳理机，被开松，开松中扬起的灰尘被吸入单体组合螺旋分离机，进行一次开松并初步除尘的原料进入辊筒六角梳松机，进一步开松，分离出的灰尘被轴流式旋风分离除尘器吹进旋流风压集尘室。原料进入预浸机。

2、植物原料的氢键结构调整：

经过预处理的原料进入预浸机用含有改性剂的回用水进行预浸，时间不限，预浸后由输料机送进装有改性剂溶液的改性反应器，在有搅拌条件下，反应半小时后，初步改性的原料放进改性反应储料池，在静止条件下继续改性。储料池的容积应数倍于改性池。改性剂浓度和改性时间影响纤维长度。

3、物料的热溶处理：

泵管或螺旋推进器将经过改性的物料投入热溶池，输入蒸汽，使改性过的原料升温至80℃，经过30分钟热处理的物料经斜筛、浓缩机、双螺旋挤压机除水，物料送入漂白系统，热溶水流入处理回用设施，处理后全部回用。

4、植物改性原纤维的无氯漂白：

泵管或螺旋推进器将经过改性和去除冷水溶出物、热水溶出物的玉米秸秆植物改性原纤维半成品送入漂白器，通入蒸汽升温至90℃，分三次加入30％，含量为27.5％的双氧水，漂白60分钟。漂白的玉米秸秆改性原纤维用输送泵管(或螺旋推进器)、传送带进入气动压水机去水后进入疏解机初步梳理，进入后处理系统。分离出的漂白水进入储存回用设施，处理回用。

5、植物改性原纤维的后处理：秸秆改性原纤维的后处理要根据用途和客户需要分别进行，如做纸浆，漂白后压水即可。如做纺织纤维，漂白压水后，要用阻燃剂进行阻燃处理，然后要用气流烘干，打包。

Claims (8)

1.本发明是CN201210080798.6提出的对植物原料进行湿法改性的一个更具体的方案。

改变植物体氢键结构的方法：把改性剂溶于PH值大于12的水溶液中，改性剂自动生成活性氧、活性氮。活性氧、活.性氮与分子间氢键反应，斩断植物体中原有分子间氢键，使其一部分生成分子内氢键，一部分生成连接较少分子的“分子团”，降低植物大分子间作用力，使植物体变软，使纤维容易分离，起到传统蒸煮的作用。

2.改性剂的制造、选择、应用方法：制造或选择符合CN201210080798.6要求的，体积小、负电性强，极性高的含有氧、氮元素，易生成活性氧、活性氮的物质，用硅酸盐进行包覆，调整包覆物厚度，使其能按工艺需要的速度生成活性氧、活性氮，改性剂必需是稳定、安全的物质，如过氧化钠、四丁基氯化胺等。

3.氢键转换法生成植物改性原纤维的标准化流程是：对原料进行预处理，进行调整氢键结构的改性，对改性后的物料进行热溶处理，对改性并分离了的植物改性原纤维进行无氯漂白，植物改性原纤维产品的后处理和流程水处理。

4.权利要求3所述的原料预处理：在预处理系统中通过原料之间的摩擦，产生较高的静电脉冲，在静电和机械力的作用下，植物原料发生一定的破裂，使包在植物体表面的物质一部分成为灰尘、杂物脱落除掉，为改性剂、漂剂水溶液进入植物体，发生改性、漂白创造条件。

5.权利要求3中所述对改性后的物料进行热溶处理：是在原料经预处理，进行了改性，并除去冷水溶出物后，让其进入热溶处理系统，升温至80-90度，溶出热水溶出物，为漂白创造条件。

6.权利要求书3所述的对植物改性原纤维进行无氯漂白：泵管或螺旋推进器将经过改性，去除冷水、热水溶出物的待漂物料送入漂白器，通入蒸汽，升温至90-95℃，按原料的种类加入20-30％的双氧水(含量为27.5％)，漂白60-90分钟，经漂白的纤维用输送泵管(或螺旋推进器)、输入气动压水机去水后进入疏解机初步梳理，进入后处理系统，分离出的漂白水进入储存回用设施，处理回用。

7.权利要求3所述流程水处理：采取先进的污水分散快速化学处理法，改性段的水经天然高分子提取剂提取溶入物，微滤处理后回流到改性池中进行回用；热溶段的流程水经过天然高分子提取剂、在汽浮机的作用下，提取热溶出物后，经过沸石、活性炭处理进行过滤、吸附沉淀、静压回到热溶段使用；漂白段的流程水加入天然高分子提取剂，经过高频振动筛的过滤，提取溶解物后进入储水池回到了漂白池，继续漂白。

8.权利要求3所述植物改性原纤维后处理：要根据用途和客户的需要分别进行，如浆漂白后压水即可。如做纺织纤维，漂白压水后，要用阻燃剂进行阻燃处理，再用气流烘干机烘干，然后打包。