CN1067399A - 纤维木素原料制造无胶人造板的工业方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由纤维木素原料制造无胶人造 板的工业方法及设备。按照本发明的方法纤维木素 原料用压力低于2.5MPa的高压饱和蒸汽蒸煮处理 后，经干燥、成型预压，最后在热压机中热压制得强度 和耐水性能优良的板材。本发明的设备包括原料预 处理设备、干燥设备、板坯成型预压设备、板坯运输机 和热压机。

Description

本发明涉及一种用纤维木素原料制造无胶人造板的工业方法，以及实施该方法所采用的设备。

随着世界范围内的森林资源的日益紧张，以及环境保护的需要，人们迫切希望能用其他原料代替木材来制造人造板材。另一方面，传统的木材加工方法中，都是采用合成树脂，例如酚醛树脂、尿醛树脂作为胶粘剂来制造各种板材。传统方法中胶粘剂的成本往往占很大一部分比重，而且胶粘剂会污染环境。因此多年来，许多国家的科学研究工作者都在寻找一种无胶人造板的制造方法。

40年代，美国的马松奈脱发明了一种湿法制造硬质纤维板的马松奈脱法（Masonite-Process），该方法是将木材原料经4.0MPa的蒸汽蒸煮处理后喷放。采用该方法，一方面疏解了纤维，另一方面，也使得部分半纤维分解和降解，制成品的强度和耐水性好。但该方法的缺点是：由于蒸煮压力较高，因此对设备的要求以及成本都比较高。

近年来，关于用纤维木素原料制造无胶人造板的研究报道比较多，但至今为止还只是停留在实验室阶段，还未在工业上正式应用。

CN  1008282B中披露了一种“由纤维木素原料制取合成物的方法”。该方法是采用高压蒸汽蒸煮法处理纤维木素原料制造塑合板。从该发明提供的实施例来看，蒸煮温度大多高于223℃（对应的饱和蒸汽压力为2.5MPa），在试验室条件下制板（尺寸450×450毫米）。2.5MPa以上的蒸汽压力在我国属于中压锅炉的范围，大多数人造板厂不装备中压锅炉，中压锅炉的投资和运行费用也较昂贵。从该发明提供的实例中还看到，坯料含水率均在5%以下，热压温度210℃以上，这个条件在工业化生产过程中对干燥工艺的控制要求十分严格，潜藏着的着火可能较大。且因坯料过干，板坯强度低，在运输和装板过程中，板坯极易松散损坏。而热压温度过高，在工业生产中因板材辐面大，散热条件不同于实验室，制品出现板面碳化现象。在热压过程中，游离糖等碳水化合物易粘结在热压垫板上，在工业生产过程必须对热压垫板表面进行防粘技术处理。在工业化连续生产中，经过蒸煮处理的原料是不可能有滞留而发生发酵现象的。

制造无胶人造板的过程中，一方面要利用以半纤维素降解生成物和木质素作为胶粘剂和填充物，另一方面要以纤维素和另一部分木质素作为骨架，以取得静曲强度，平面抗拉和耐水性等多方面的综合性能。蒸煮处理和热压温度较高，纤维素将受到损伤，部分木质素失去可塑性，制成品的强度达不到应有的指标。而且在蒸煮压力过高时，物料呈深褐色，散发出强烈的焦糖味，对制成品的外观和利用范围有不利的影响。

本发明的目的是为了克服现有技术中的上述缺点而提供一种制造无胶人造板的工业方法，该方法通过控制纤维木素原料中半纤维素降解和水解最合适的条件，达到较高的还原糖转化率，尽可能保持其他成分的强度和热可塑性，生产出合格的无胶人造板产品。

本发明的另一目的是提供一种制造无胶人造板的工业方法，该方法能利用一般的低压锅炉进行原料蒸煮和热压，在工业生产线上压制具有一定强度和耐水性的无胶人造板。

本发明的再一目的是提供一种实施本发明所述的工业方法的设备。

本发明的工业方法是将粉碎的干或湿的纤维木素原料，在温度低于223℃的条件下，在本发明设备的原料预处理设备内进行蒸煮处理3～10分钟，使纤维木素原料中的半纤维素分解和/或水解生成游离糖类、糖类聚合物、脱水碳水化合物、糠醛和其他半纤维素的分解物，而其中的纤维素不发生降解和水解，也不发生碳化现象;然后在180℃以下的温度下干燥所述的经蒸煮处理后的纤维木素原料，使其中的低分子量的分解和/或水解产物不会挥发，也不会发生火灾;将经上述处理后的纤维木素原料制成板坯，在温度低于210℃下热压处理，使水解和/或分解生成物与木质素产生自身胶粘作用，经热固化形成聚合物，制得人造板产品。

本发明的无胶人造板工业方法中所使用的设备包括原料预处理设备、干燥设备、板坯成型设备、板坯运输机以及热压机。其中所述的原料预处理设备包括中间料仓、螺旋加料器、蒸煮器、喷放料仓、搅拌器、星形下料器、送料装置、旋风分离器以及料仓;所述的热压机中，热压垫板为经过防粘处理的垫板。

附图简要说明

图1为本发明方法的工艺流程框图;

图2为本发明设备示意图;

图3为图2中的原料预处理设备示意图;

图4为图3中的蒸煮器的示意图。

图5为图4中的蒸煮器的蒸汽进汽阀及其监控装置示意图。

下面结合附图对本发明的工艺过程和设备进行详细说明。

纤维木素原料的组成包括纤维素（Cellulose）、半纤维素（Hemicellulose）及木质素（Lignin），半纤维素大约占纤维原料重量的20-30%，其最主要的形式为五碳糖和六碳糖。

按照本发明的方法，如图1所示，先将纤维木素原料粉碎，然后按如图1所示的工艺流程框图进行处理制得无胶人造板。

按照本发明的方法，分散状态的纤维木素原料先经原料预处理设备用高压饱和水蒸汽进行蒸煮处理，蒸煮处理的温度为223℃以下，压力为1.8-2.5MPa，时间为3-10分钟，使所述的纤维木素原料中的半纤维素分解和/或水解生成游离糖类、糖类聚合物、脱水碳水化合物、糠醛和其他半纤维素的分解物，而其中的纤维素不发生降解和水解，也不会发生碳化现象;经蒸煮处理后的物料或是在带压下快速喷放得到疏松的湿原料，或是常压下排放使物料保持其原有的形状;然后在低于180℃的温度下干燥所述的经蒸煮分解和/或水解后的纤维木素原料，在该温度下，低分子量的纤维木素原料的水解和/或分解物不会挥发，也避免了干燥过程中火灾的发生;将经上述处理后的纤维木素原料制成板坯，在温度低于210℃下热压处理，使水解和/或降解生成物与木质素产生自身胶粘作用，经热固化形成聚合物，将纤维木素材料胶结成人造板产品。

本发明由纤维木素原料制造无胶人造板的工业方法包括以下步骤：

a、将干或湿的纤维木素原料处理成分散状态;然后用螺旋加料器周期定量地加入到一耐压蒸煮器内，然后向其中通入高压饱和水蒸汽，进行蒸煮处理，蒸煮后，纤维木素原料中的半纤维素降解和/或水解生成水溶性的游离糖类、糠醛和其他水解产物;

b、打开蒸煮器的排料阀，排出其中经蒸煮处理后的湿物料;

c、将由步骤b得到的湿物料用星形下料器送到干燥机中干燥，使其水份含量降低到10%（重量）以下;

d、将干燥后的纤维木素原料在成型箱内经沉降和真空抽吸作用形成板坯，然后经预压机预压;预压后的板坯经运输机送入到热压装置内热压;

e、板坯热压后，纤维木素原料中的游离糖类、糠醛和其他生成物、部分木质素产生聚合作用，在热压垫板上制成人造板制品。

按照本发明的工业方法，纤维木素原料在蒸煮过程中，占纤维木素原料的20-30%（重量）的半纤维素（其主要成分为五碳糖和六碳糖）发生降解和/或水解，而转化成为游离的单糖类，糠醛和其他碳水化合物;纤维木素原料中的木质素也因降解和/或水解而生成了低分子量的化合物。

本发明方法的蒸煮过程中，蒸煮温度比较低，低于223℃，蒸煮时间为3-10分钟之间，蒸煮后的物料颜色较浅，而且因降解和/或水解产生的游离单糖类、糠醛和其他碳水化合物不会发焦，因此能获得较高比例的还原糖，从而可以提高无胶人造板的产品质量。

纤维木素原料经本发明的方法蒸煮后，排料时，可以先将蒸煮器的压力缓慢降至环境压力时再打开排料阀，此时排出的物料能保持物料原来的形状和尺寸大小;或是带压喷放（0∶1～0.5MPa），此时喷放出的物料为帚状、束状或纤维状。

如果需要的话，上述得到的湿物料干燥前可进一步进行磨浆处理。用螺旋运输机将上述湿物料送到磨浆机内进行磨浆，磨浆过程中，也可根据需要，在磨浆机入口处加入一定量的水以改善浆料的质量。

将蒸煮处理后或磨浆后的浆料用星形下料器输送至空气干燥设备中进行干燥。星形下料器下方还设有打散棍以将成团纤维打散。所述的干燥设备为负压抽吸式干燥机。为确保干燥系统安全生产，在干燥设备中设有火花探测和灭火装置。

本发明所采用的纤维木素原料可以是草木植物原料，也可以是木本植物原料。例如可以是农作物剩余料，如甘蔗渣、玉米杆、高粱杆、麦秸、亚麻杆及稻草稻壳等等，或者是木材加工过程中的边角废料，阔叶材及混合阔叶材等等。

按照本发明的方法，原料成型预压后制得的板坯强度比有胶板板坯的强度要低，因此在将板坯送到热压机热压时，要采用同步运输机、过渡运输机、加速运输机、翻板运输机、快速运输机以及装板运输机来运输，以尽量避免板坯在运输过程中的损坏，翻板运输机的作用是将运输过程中损坏的和质量不合要求的板坯送回到原料仓中。

按照本发明的方法，热压机垫板要进行防粘处理，以防止制板过程中成品板与垫板之间发生粘连而影响成品质量。

干燥过程中，干燥温度控制在180℃以下，在此温度范围内，所述的纤维木素原料不易着火，而且干燥系统中设有探测火花的装置以及灭火装置，因此增加了操作安全性。

热压过程中，热压温度控制在210℃以下，这样避免了板面出现碳化的现象，制得的成品板具有较高的质量。

本发明方法中，原料蒸煮压力以及热压成型压力均低于2.5MPa，因此可采用2.5MPa的低压锅炉提供蒸煮和热压所需要的压力以及温度，因此可以大幅度地降低设备成本。

本发明的由纤维木素原料制备无胶人造板的设备包括原料预处理设备Ⅰ、干燥设备Ⅱ、板坯成型机Ⅲ、预压机Ⅳ、板坯运输机Ⅴ以及热压机Ⅵ，如图2所示。

所述的原料预处理设备如图3所示，该设备包括：中间料仓1、螺旋加料器2、蒸煮器3、喷放料仓6、搅拌送料器7、星形下料器8、风机10、风管9、送料管11、旋风分离器4以及湿料仓5。

原料经粉碎后加到中间料仓1中，料仓1为上小下大的梯形料仓，原料在此料仓1中不会产生搭桥现象，因而保证了整套装置的连续运转。料仓1中的原料经螺旋加料器2定时定量分批加到蒸煮器3中，在加料器2中设有速度可调的螺旋进料器以控制加料速度。蒸煮器3为一压力容器，如图4所示，蒸煮器3的顶部为一上封头体17，并与螺旋加料器2相连，上封头体17内设有进料阀26;蒸煮器3的底部为一下封头体25，并设有排料阀27，排料阀27与排料管相连。蒸煮器3的蒸汽进汽阀34及其监控装置如图5所示，蒸汽进汽阀34设于蒸煮器3的下侧部，该进汽阀上设有压力表33、压力变送装置31以及安全阀32，压力表33用来指示蒸煮器3内的压力，压力变送装置33则起调节蒸煮器3内的压力的作用。所述的进料阀26和出料阀27为锥形阀、电动阀、汽动阀或泥浆阀。进料阀26通过连杆装置28与阀门控制气缸21相连，而所述的阀的控制气缸21又与蒸煮器3的本体相连。

当蒸煮器3内加满原料后，通过其上的蒸汽进汽阀34向其中通入高压饱和蒸汽，使其中的温度达到160-223℃，压力在1.6-2.5MPa之间，然后蒸煮3-10分钟。随后通过蒸汽出口阀13将蒸汽排出。

当其中的压力降低至低于0.5MPa时，排料阀27自动打开，将蒸煮后的原料喷放到喷放料仓6中。在蒸煮器3的下部设有斗状隔板29，斗状隔板29的作用是防止排料时处理后的残留物料残留于蒸煮器3中。在蒸煮器3的上封头体17和下封头体25与容器3中的本体的连接处还分别设有补强圈24，蒸煮器3的中下部设有悬挂支架19，悬挂支架19与蒸煮器3的本体之间设有加强板20，悬挂支架19通过螺栓与支柱31相连。

经蒸煮器3蒸煮后的物料在压力小于0.5MPa的条件下从蒸煮器3中迅速喷放到喷放料仓6中，或是降至常压时缓慢排放。在该料仓6中，物料和高压蒸汽进行分离，分离后的物料经搅拌送料器7一边拨散成松散状态，同时均匀地送到星形下料器8中，从星形下料器8出来的物料，通过风机10和风管9将其经送料管道11送到旋风分离器4中，经分离后的物料进入料仓5中。

本发明设备的干燥设备为负压轴吸式干燥机，其内设有火花探测装置和灭火装置，以增加操作的安全性。

本发明设备的板坯运输设备包括同步运输机、过渡运输机、加速运输机、翻板运输机、快速运输机以及装板运输机。

本发明设备的热压机内装有防粘垫板。

按照本发方法和设备制得的无胶人造板产品与用于建筑包装、交通设施等室外用途，制得的产品经表面处理后也可用于家俱工业。

下面结合实施例，对本发明进行理一步的详细说明，但并不限制本发明。

实施例1

本实施例采用木材为原料。将木材废料先粉碎成碎木片，然后将其用螺旋加料器加到蒸煮器内，此时其含水量为25%（重量）。然后向蒸煮器内通入2.0MPa的高压饱和水蒸汽，蒸煮处理5分钟。蒸煮后，先经排汽阀排出蒸煮器中的水蒸汽，当蒸煮器内的压力为0.4MPa时，打开排料阀排料，此时其中的物料部分成束状喷放排出，排出的湿物料其含水量为50-60%（重量）。将蒸煮后的湿物料送入磨浆机内磨浆，然后将得到的浆料在气流干燥机中170℃下干燥处理。将干燥后的物料成型预压，再用板坯运输机将板坯输送到热压机中热压，热压温度为190℃，制得2440×1220×14mm的无胶中密度纤维板。其产品性能如表1所示。

表1.无胶中密度纤维板的性能

密度 0.82g/cm³

含水率  37%

静曲曲度  19MPa

平面抗拉强度  0.44MPa

弹性模量  3700MPa

冷水浸24小时厚度膨胀  9%

沸水煮2小时后静曲强度  7.7MPa

实施例2无胶蔗渣刨花板

本实施例采用蔗渣为原料，粉碎后，在本发明的原料蒸煮器中，用压力为2.0MPa的高压饱和水蒸汽蒸煮处理6分钟。蒸煮处理后的原料含水量为60%（重量）。然后将得到的湿原料在170℃干燥，使其含水量降至8%（重量）。将干燥后的物料经预成型机制成板坯后，经板坯运输机将合格的板坯送入热压机内热压，不合格的板坯送回到预成型机内重新成型。热压温度为180℃，制得2440×1220×8mm的无胶蔗渣刨花板。其产品性能如表2所示。

表2无胶蔗渣刨花板的性能

密度 0.71g/cm³

静曲强度  26.57MPa

平面抗拉强度  324MPa

冷水浸24小时后厚度膨胀  9%

沸水煮2小时不散

Claims (21)

1、由纤维木素原料制造无胶人造板的工业方法，其特征在于：用温度低于223℃的饱和水蒸汽在原料预处理装置内蒸煮处理纤维木素原料3～10分钟，使所述的纤维木素原料中的半纤维素分解和/或水解生成游离糖类、糖类聚合物、脱水碳水化合物、糠醛和其他半纤维素的分解物，而其中的纤维素不发生降解和水解，也不发生碳化现象，然后在低于180℃温度下干燥所述的经分解和/或水解后的纤维木素原料，使其中有用的物质不会发生挥发，也不会在干燥过程中发生火灾；将经上述处理后的纤维木素原料制成板坯，在温度低于210℃下经热压处理，使水解和/或降解生成物与木质素产生自身胶粘作用，经热固化形成聚合物，将纤维木素材料胶结成人造板产品。

2、按照权利要求1所述的工业方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a、将干或湿的纤维木素原料处理成分散状态;然后用螺旋加料器将其周期定量地加入到一耐压蒸煮器内，向其中通入高压饱和水蒸汽，对所述的原料进行蒸煮;蒸煮后，纤维木素原料中的半纤维素降解和/或水解，生成水溶性的游离糖类，糠醛和其他水解产物;

b、打开蒸煮器的排料阀，排出其中经蒸煮处理后的湿物料;

c、将由步骤b得到的湿物料用星形下料器送到干燥机中干燥，使其水份降低到10%以下（重量）;

d、将干燥后的纤维木素原料在成型箱内经沉降和真空抽吸作用形成板坯，然后经预压机预压;预压后的板坯经运输机送入到热压机内热压;

e、板坯热压后，纤维木素中的游离糖类、糠醛和其他生成物、部分木质素产生聚合作用，在热压机中制成无胶人造板。

3、按照权利要求1所述的工业方法，其特征在于所述的纤维木素原料用223℃以下饱和蒸汽进行处理，处理时间为3-10分钟，处理后，纤维木素原料中的半纤维素水解产生游离糖类，糠醛和其他生成物。

4、按照权利要求1所述的工业方法，其特征在于所述的纤维木素原料中的纤维素没有被饱和蒸汽降解和/或水解。

5、按照权要求1所述的工业方法，其特征在于所述的纤维木素原料经饱和蒸汽处理后，其中的木质素经降解、水解后产生了一部分低分子量的木素和其他木素产物。

6、按照权利要求1所述的工业方法，其特征在于蒸汽从所述的蒸煮器内迅速排出减压，处理过的纤维木素原料从其中喷出，使原料分散成帚状，纤维状或束状。

7、按照权利要求1所述的工业方法，其特征在于蒸煮器内的蒸汽缓慢排出，然后依靠余压将处理过的原料排出，使其保持原有形态和尺寸。

8、按照权利要求2所述的工业方法，其特征在于将蒸煮处理后的纤维木素原料在低于180℃的温度下干燥处理，防止水解生成物在干燥过程中的大量挥发并使干燥后物料的含水率小于10%（重量）。

9、按照权利要求2所述的工业方法，其特征在于将处理过的干燥纤维木素原料制成板坯，并在210℃以下的温度热压一定的时间，使由半纤维素与木质素经水解和/或降降解生成的游离糖类、糠醛、低分子量木质素和其他生成物发生热聚合，起胶粘剂和填充剂的作用，制得无胶人造板。

10、按照权利要求1或2所述的工业方法，其特征在于所述的纤维木素原料包括草本植物和木本植物原料。

11、按照权利要求2所述的工业方法，其特征在于所述的热压机内的热压垫板采取防粘处理以避免制品与热压垫板之间的粘结。

12、按照权利要求2所述的工业方法，其特征在于经蒸煮后的原料在干燥之前可以进一步进行磨浆处理。

13、按照权利要求1-13中任一项权利要求中所述的方法得到的无胶人造板。

14、权利要求14所述的无胶人造板可用作建筑板材、交通运输设施和模塑制品。

15、由纤维木素原料制造无胶人造板的设备，包括原料预处理设备，干燥设备、板坯成型预压设备、板坯运输设备和热压设备。

16、按照权利要求16所述的设备，其特征在于所述的原料预处理设备包括中间料仓、螺旋加料器、蒸煮器、喷放料仓、搅拌送料器、星形下料器、旋风分离器以及料仓。

17、按照权利要求17所述的设备，其特征在于所述的中间料仓为上小下大的梯形料仓。

18、按照权利要求17所述的设备，其特征在于所述的螺旋加料器为速度可调的螺旋加料器。

19、按照权利要求17所述的设备，其特征在于所述的蒸煮器为一压力容器，该容器的顶部设有加料阀，容器的底部设有排料阀，下侧部和上侧部分别设有进汽阀和排汽阀，所述的加料阀和排料阀可为锥形阀、电动阀、气动阀、或泥浆阀。

20、按照权利要求20所述的设备，其特征在于所述的加料阀、排料阀、进汽阀和排汽阀上分别设有阀门启闭控制装置。

21、按照权利要求17所述的设备，其特征在于所述的热压机中设有经过防粘处理的热压垫板。

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