CN108411689A - 一种用农业秸秆制备废纸增强剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用农业秸秆制备废纸增强剂的方法，采用一种不添加任何化学药品的、环境友好的方法将农业秸秆中的薄壁细胞分离出来，然后通过机械改性的方法改变其形态，使之纤丝化。在以废纸为原料抄造瓦楞原纸、箱纸板等产品的过程中添加改性后的薄壁细胞，可以提高产品强度性能。这将有力促进秸秆工业化利用的良性发展，不仅减少了环境污染还能创造经济价值，具有较高的经济效益和社会效益。本发明解决了现有技术中薄壁细胞较难加以转化利用，造成资源浪费的问题，为农业秸秆充分、高值化利用提供了一种新途径。

Description

一种用农业秸秆制备废纸增强剂的方法
技术领域
本发明涉及制浆造纸工业领域，特别是涉及一种自农业秸秆中分离薄壁细胞的方法和薄壁细胞改性作为废纸造纸增强剂方法。
背景技术
作为全球最大的纸张消费国和生产国，2016年中国纸浆消耗总量达9797万吨，其中废纸浆6329万吨，占纸浆消耗总量65％(其中进口废纸浆占24％、国内废纸浆占41％)。废纸浆一般用于生产瓦楞原纸、箱纸板、白纸板和纱管纸等。随着废纸循环次数的增加，纤维性能随之不断衰变，抄造的纸页紧度变小，抗张强度、耐破强度和抗压强度等不断下降。纸页的强度主要是由单根纤维及纤维之间氢键结合力所决定的。磨浆是增强纸页常用的方法，但废纸浆不宜再磨浆，因为磨浆时的机械作用将导致二次纤维更大程度的破坏。目前，主要使用化学增强剂来提高废纸浆强度，常用的化学增强剂有变性淀粉、聚丙烯酰胺等，它们均是通过化学合成或化学改性而得，开发一种天然的、绿色无污染废纸浆增强剂对废纸回用技术的可持续发展具有重要意义。
我国是农业大国，农作物秸秆资源十分丰富，每年主要秸秆产量约7亿吨，该资源除用作动物饲料、秸秆还田外，在工业上没有得到大量使用，还常常因为无序焚烧造成空气污染给政府和农民带来烦恼。秸秆的生物结构具有高度的不均匀性，组成细胞种类多，包括纤维细胞、薄壁细胞、导管、表皮细胞等，各种细胞的形态、化学组成及分布差异很大。相对于纤维细胞，薄壁细胞、导管和表皮细胞等一般统称为杂细胞，其中薄壁细胞是主要成分，在稻草、麦草、芦苇、蔗渣、毛竹和玉米秸秆中，薄壁细胞含量分别是54％、37.9％、35.5％、35.7％、31.2％和63.6％。薄壁细胞形态短粗，比表面积比纤维大，柔顺易碎，是禾草类造纸纤维原料的重要组成部分，会对纸页的生产过程和产品质量有不良影响，不但影响纸机的运行，如留着、滤水、白水回收、干燥速度等，也会影响纸页性能，包括物理性能、光学性能和印刷性能等。如此丰富的薄壁细胞资源，目前还没有得到有效的利用，是一种巨大的资源浪费。
发明内容
旨在解决上述现有技术存在的问题，发明人通过研究发现，采用一种不添加任何化学药品的、环境友好的方法将农业秸秆中的薄壁细胞分离出来，然后通过机械改性的方法改变其形态，使之纤丝化。将改性后的薄壁细胞用于废纸浆造纸过程，以提高废纸产品强度，延长废纸使用寿命。这将有力促进秸秆资源化利用的良性发展，不仅减少了环境污染还能创造经济价值，具有较高的经济效益和社会效益。
为此，本发明提供以下技术方案：
一种用农业秸秆制备废纸增强剂的方法，步骤如下：
⑴原料：将农业秸秆使用前切成1～4cm草段，筛选除杂；
⑵原料处理：将处理后的草段与水混合后加热，固液比为1:2～10，保温温度140～180℃，保温时间为10～120min，处理后的原料固液分离并洗涤干净；然后用圆盘磨浆机对处理后草段进行机械处理，磨浆时采用低浓、中浓或高浓任一方式，调整磨盘间隙以使原料组织充分解离为宜；
⑶薄壁细胞的分离：将离解后的浆料用80～200目筛网进行筛分，筛分时浆浓度大小0.1～3wt％，将通过筛网的浆料收集，收集物质即以薄壁细胞为主；
⑷薄壁细胞的机械改性：采用高剪切分散乳化机、高压均质机或胶体磨机对薄壁细胞悬浮液进行均质分散，获得废纸增强剂。
而且，农业秸秆包括玉米秸秆、麦草和稻草。
而且，高压均质机对悬浮液进行机械分散处理，处理时的压力优选10～150MPa，处理时间1～60min。
而且，改性薄壁细胞的添加：在浆料流送系统将改性后的薄壁细胞和废纸浆混合，薄壁细胞的添加量为0.1～10wt％(相对于绝干纸浆)。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明解决了现有技术中薄壁细胞较难加以转化利用，造成资源浪费的问题，为农业秸秆充分、高值化利用提供了一种新途径；
2、克服了现有技术中造纸增强剂过多依赖于化学合成或化学改性的化学品的问题；
3、薄壁细胞的提取和改性过程无任何化学品添加，整个过程环境友好；
4、在薄壁细胞的提取过程中，剩余的纤维组分可以作为纤维原料直接进行造纸，而溶解于水中的物质可用于发酵乙醇、沼气，或提取木糖、低聚木糖等功能糖，实现了秸秆的全组分利用。
具体实施方式
本发明提供一种用农业秸秆制备废纸增强剂的方法，步骤如下：
⑴原料：本发明所使用原料为农业秸秆，尤其是玉米秸秆、麦草和稻草等，使用前切成1～4cm草段，并通过筛选除尘等手段除去杂质。
⑵原料处理：将处理后的原料与水混合后加热，固液比为1:2～10，保温温度140～180℃，保温时间为10～120min，处理后的原料固液分离并洗涤干净。然后用圆盘磨浆机对处理后原料进行机械处理，磨浆时可以采用低浓、中浓和高浓任一方式，调整磨盘间隙以使原料组织充分解离。
⑶薄壁细胞的分离：将离解后的浆料用80～200目筛网进行筛分，筛分时浆浓度大小0.1～3％，将通过筛网的浆料收集，其中主要物质即为薄壁细胞。
⑷薄壁细胞的机械改性：采用高剪切分散乳化机、高压均质机以及胶体磨机等设备所产生的高剪切力或摩擦力等机械能对薄壁细胞悬浮液进行均质分散。本发明技术方案优选高压均质机对悬浮液进行机械分散处理，处理时的压力优选10～150MPa，处理时间以1～60min为宜，该处理条件能够充分保证处理后悬浮液中的薄壁细胞具有更符合要求的粒径分布和分散性。
⑸改性薄壁细胞的添加：在浆料流送系统将改性后的薄壁细胞和废纸浆混合，薄壁细胞的用量为0.1～10％(质量比，相对于绝干废纸浆)，其它和普通抄纸过程相同。
本发明所制备的增强剂，可用于以废纸为原料生产瓦楞原纸、箱纸板、白板纸或纱管纸等纸或纸板，以提高纸页的抗张强度、环压强度、耐破度等。还可以和阳离子聚丙烯酰胺等助留剂配合使用，以进一步提高其使用效果。
具体制备方法及使用效果如下：
实施例1：
将已风干玉米秸秆切成2～3cm的碎块，利用旋转蒸煮器进行处理，固液比为1:5，最高温度175℃，保温时间为30min，处理后的原料固液分离并洗涤干净。然后用圆盘磨浆机对处理后原料进行机械处理，磨浆浓度25％，得到玉米秸秆高得率纸浆。以1％浓度用100目筛网筛分，通过筛网的部分即为薄壁细胞组分。用高压均质机在30MPa压力下处理浓度1％的薄壁细胞悬浮液30min，得到高压均质改性薄壁细胞。废纸浆原料为国内旧瓦楞纸箱(OCC)，将改性后的薄壁细胞和废纸浆混合，薄壁细胞的用量为5％(质量比，相对于绝干废纸浆)，用实验室纸页快速成型器抄造定量100g/m2的纸页。纸页物理强度数据如表1。
表1
实施例2：
将已风干玉米秸秆切成2～3cm的碎块，利用旋转蒸煮器进行处理，固液比为1:8，最高温度160℃，保温时间为50min，处理后的原料固液分离并洗涤干净。然后用圆盘磨浆机对处理后原料进行机械处理，磨浆浓度5％，得到玉米秸秆高得率纸浆。以1％浓度用200目筛网筛分，通过筛网的部分即为薄壁细胞组分。用高剪切乳化机将浓度1％的细小组份悬浮液在10000rpm转速下处理10min，得到高剪切乳化法改性薄壁细胞。废纸浆原料为国内旧瓦楞纸箱(OCC)，将改性薄壁细胞和废纸浆混合，薄壁细胞的用量为10％(质量比，相对于绝干废纸浆)，用实验室纸页快速成型器抄造定量100g/m2的纸页。纸页物理强度数据如表2。
表2
实施例3：
将已风干麦草切成2～4cm的草段，利用旋转蒸煮器进行处理，固液比为1:4，最高温度170℃，保温时间为40min，处理后的原料固液分离并洗涤干净。然后用圆盘磨浆机对处理后原料进行机械处理，磨浆浓度25％，得到高得率纸浆。以1％浓度用100目筛网筛分，通过筛网的部分即为薄壁细胞组分。用高压均质机在80MPa压力下处理浓度1％的薄壁细胞悬浮液20min，得到高压均质改性薄壁细胞。废纸浆原料为国内旧瓦楞纸箱(OCC)，将改性后的薄壁细胞和废纸浆混合，薄壁细胞的用量为4％(质量比，相对于绝干废纸浆)，用实验室纸页快速成型器抄造定量100g/m2的纸页。纸页物理强度数据如表3。
表3
实施例4：
将已风干稻草切成2～3cm的草段，利用旋转蒸煮器进行处理，固液比为1:5，最高温度170℃，保温时间为30min，处理后的原料固液分离并洗涤干净。然后用圆盘磨浆机对处理后原料进行机械处理，磨浆浓度25％，得到高得率纸浆。以1％浓度用100目筛网筛分，通过筛网的部分即为薄壁细胞组分。用高压均质机在100MPa压力下处理浓度1％的薄壁细胞悬浮液20min，得到高压均质改性薄壁细胞。废纸浆原料为国内旧瓦楞纸箱(OCC)，将改性后的薄壁细胞和废纸浆混合，薄壁细胞的用量为2％(质量比，相对于绝干废纸浆)，在抄纸时添加0.04％用量的高分子量聚丙烯酰胺作为助留助滤剂，用实验室纸页快速成型器抄造定量100g/m2的纸页。纸页物理强度数据如表4。
表4
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种用农业秸秆制备废纸增强剂的方法，其特征在于：步骤如下：
⑴原料：将农业秸秆使用前切成1～4cm草段，筛选除杂；
⑵原料处理：将处理后的草段与水混合后加热，固液比为1:2～10，保温温度140～180℃，保温时间为10～120min，处理后的原料固液分离并洗涤干净；然后用圆盘磨浆机对处理后草段进行机械处理，磨浆时采用低浓、中浓或高浓任一方式，调整磨盘间隙以使原料组织充分解离为宜；
⑶薄壁细胞的分离：将离解后的浆料用80～200目筛网进行筛分，筛分时浆浓度大小0.1～3wt％，将通过筛网的浆料收集，收集物质即以薄壁细胞为主；
⑷薄壁细胞的机械改性：采用高剪切分散乳化机、高压均质机或胶体磨机对薄壁细胞悬浮液进行均质分散，获得废纸增强剂。
2.根据权利要求1所述的用农业秸秆制备废纸增强剂的方法，其特征在于：农业秸秆包括玉米秸秆、麦草和稻草。
3.根据权利要求1所述的用农业秸秆制备废纸增强剂的方法，其特征在于：高压均质机对薄壁细胞悬浮液进行机械分散处理，处理时的压力优选10～150MPa，处理时间以1～60min。
4.根据权利要求1所述的用农业秸秆制备废纸增强剂的方法，其特征在于：改性薄壁细胞的添加：在浆料流送系统将改性后的薄壁细胞和废纸浆混合，薄壁细胞的添加量为0.1～10wt％相对于绝干纸浆。
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