CN108729276B - 麻纤维生物覆土膜及其制备方法 - Google Patents

麻纤维生物覆土膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种麻纤维生物覆土膜及其制备方法，具体地，本发明的麻纤维生物覆土膜制备方法包括麻类作物的预处理和成膜步骤。所述预处理方法包括粉碎、浸润、磨浆、去水、第一次开松、干燥、第二次开松等工序；经预处理的物料与所述助剂混合，并将混合物置于气流式非织造成网设备中进行成膜处理，从而形成麻纤维生物覆土膜。本发明的麻纤维生物覆土膜具有透气性好、可降解，对环境无污染等优良性能，并且适于工业化生产。因此，本发明的麻纤维生物覆土膜及其制备方法值得推广应用。

Description

麻纤维生物覆土膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及天然高分子材料领域，具体涉及一种由麻纤维制造的可降解的农用生物覆土膜及其制造方法。
背景技术
覆土膜指在农业、生态等领域中，铺设时直接与土壤接触的布膜材料，主要类型按照其用途分，有农地膜、植草毡、土工布、护坡布等，我国此类产品的总产量超过了200万吨。传统覆土膜主要由聚乙烯等石油基产品吹塑、编织或以非织造工艺制成。由于该类产品通常为非永久性材料，使用周期仅为一年或半年，在作物收获、绿植铺覆、土工作业等结束后，大量使用过的覆土膜残留在土地中，难以回收，越积越多，导致土壤失去活性、透气性，阻碍土壤水肥的运移，影响土壤微生物活动和正常土壤结构形成，造成土壤次生盐碱化、板结化，极大降低了土地的使用价值，并造成了长期的不利影响。而在我国，土壤问题和生态问题已成为我国在发展过程中面临的最大危机，土地资源的不可再生性、荒漠化盐碱化的日益扩张，绿植恢复在建筑、交通、矿山等领域的大量需求，使得覆土膜的环保应用与材料革新成为我国经济转型、农业发展和生态保护中亟待解决的、紧迫而必须的任务，甚至上升到战略高度。新型生物覆土膜不仅可以降解，对环境无污染，更可根据应用需求，给植物营造适宜的生态环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种麻类作物的预处理方法以及利用处理后的麻纤维物料制备生物覆土膜的方法。利用本发明预处理方法得到的麻纤维物料纤细均一，易成膜，制备得到的覆土膜厚度均匀。
本发明的第一方面提供了一种麻类作物的预处理方法，所述预处理方法包括以下步骤：
(a)粉碎：将所述麻类作物的麻皮粉碎成长度10-200mm的麻皮段；
(b)浸润：提供一蓬松剂，将所述麻皮段与蓬松剂混合并置于20-50℃的水中浸泡1-5h；
(c)磨浆：将经浸润处理后的麻皮段置于磨浆机中进行磨浆，从而得到麻皮浆；
(d)去水：将所述麻皮浆置于挤压装置中进行挤压去水，使含水量降至 20-50％；
(e)第一次开松：将经去水处理后的麻皮浆置于开松机中进行第一次开松处理，从而得到开松料；
(f)干燥：对所述开松料进行干燥处理，使含水量降至10-30％；和
(g)第二次开松：将经干燥处理后的开松料置于开松机中进行第二次开松处理，从而获得经预处理的物料。
在另一优选例中，所述步骤(g)之后还包括：将所述经预处理的物料与助剂混合，从而得到麻纤维复合原材料。
在另一优选例中，所述助剂包括生物可降解聚酯类化合物。
在另一优选例中，所述的生物可降解聚酯类化合物选自下组：聚乳酸 (PLA)、聚已内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)、或其组合。
在另一优选例中，所述助剂还包括加工助剂、稳定剂、拒水剂、填充剂。
在另一优选例中，所述步骤(a)中还包括将所述麻皮段进行旋风分离去除杂质的步骤。
在另一优选例中，所述磨浆机具有两个磨盘，所述两个磨盘之间的间隙为 0.03-3mm，磨盘的转速为500-5000rpm。
在另一优选例中，所述步骤(e)中的开松机为边角料开松机或者麻纤维开松机。
在另一优选例中，所述步骤(e)中的开松机为麻纤维开松机或者棉纤维开松机。
在另一优选例中，所述的蓬松剂为有机硅蓬松剂。
本发明的第二方面提供了一种麻类作物的预处理系统，所述系统包括：
(a)粉碎机，所述粉碎机用于将麻类作物的麻皮粉碎成麻皮段，并且粉碎机还包括将麻皮段输送至磨浆机的第一输送装置；
(b)磨浆机，所述磨浆机用于对所述麻皮段进行磨浆，从而形成麻皮浆；并且所述磨浆机还包括将麻皮浆输送至挤压装置的第二输送装置；
(c)挤压装置，所述挤压装置用于挤压所述麻皮浆，使其去水，并且所述挤压装置还包括将去水后的麻皮浆输送至第一开松机的第三输送装置；
(d)第一开松机，所述第一开松机用于开松去水后的麻皮浆，形成第一开松料，并且所述第一开松机还包括将第一开松料输送至第二开松机的第四输送装置；
(d)干燥设备，所述干燥机用于干燥所述第一开松料，并且所述干燥设备还包括将干燥后的第一开松料输送至第二开松机的第五输送装置；和
(d)第二开松机，所述第二开松机用于再次开松干燥后的第一开松料，从而得到经预处理的物料。
在另一优选例中，所述系统还包括混合器。
在另一优选例中，所述混合器为粉末混合器或纤维混合器。
本发明的第三方面提供了一种制备麻纤维生物覆土膜的制备方法，包括步骤：
(i)提供一助剂，将如本发明第一方面所述方法获得的经预处理的物料与所述助剂混合，从而形成成膜混合物；
(ii)将步骤(i)中形成的所述成膜混合物置于气流式非织造成网设备中进行成膜处理，从而形成麻纤维生物覆土膜。
在另一优选例中，所述步骤(i)中的助剂选自下组：聚乳酸(PLA)、聚已内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)、或其组合。
在另一优选例中，所述助剂占成膜混合物总质量的10-40％。
本发明的第四方面提供了一种麻纤维复合原材料，所述麻纤维复合原材料由如本发明第二方面所述的预处理方法制备得到。
本发明的第五方面提供了一种麻纤维生物覆土膜，所述麻纤维生物覆土膜由如本发明第三方面所述制备方法制备得到。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
具体实施方式
本申请的发明人经过广泛而深入地研究，首次发现一种麻类作物的预处理工艺，麻皮经粉碎、与蓬松剂一并浸润、磨浆、去水、二次开松等步骤后，得到的麻纤维物料纤细均一，且具有良好的成膜性，从而大大提高后续利用经处理后的麻纤维物料制备生物覆土膜的效率和产品质量。在此基础上，完成了本发明。
麻类作物
麻类作物主要有苎麻、亚麻、黄麻、红麻等。
如本文所用，“红麻”(学名Hibiscus cannabinus)，又名洋麻、野麻、槿麻等，属双子叶植物纲锦葵科木槿植物。通常，红麻茎杆高约1.5-3.5米，直径约1-3厘米。红麻是一种适应性很强的速生高产作物，5-7个月就可以收获，产量为16-20t/hm2。
如本文所用，“黄麻”(学名Corchorus capsularis L)，又名火麻、绿麻、络麻、水络麻等，属椴树科黄麻属，一年生直立木质草本，高1～4m，全株无毛。
预处理步骤
本发明的预处理一般包括步骤：粉碎、浸润、磨浆、去水、第一次开松、干燥和第二次开松。
在本发明中，可以采用粉碎机对原料麻皮进行粗碎，麻皮经粉碎后成为 10-200mm长度的麻皮段。经过粉碎机敲打分切后，麻皮已疏松分离为细长条，且残余粘连在麻皮上的少数麻骨碎屑也与麻皮分离。本发明中使用的粗碎机没有特别的限制，使用本领域已知的能够将麻皮破碎成麻皮段的粉碎机即可。
发明人意外发现，使用有机硅蓬松剂与麻皮段一并浸泡于20-50摄氏度的温水中浸泡1-5h，可以更大程度上软化麻纤维。
采用磨浆机对浸泡后的麻皮段进行磨浆。磨浆机上配制有两磨盘，两磨盘之间的间隙为0.03-3mm，磨盘转速500-5000rpm。浸泡软化后的纤维在磨盘的作用下，被揉搓分散成为更纤细的纤维束。由于自然生长的关系，麻皮纤维束粗细不一，而较粗的纤维束，在两磨盘距离固定的情况下，使较粗的纤维束受到更多次作用及更大作用力，揉搓效果更为明显，粗纤维束相较于细纤维束状态改变更为明显，提高了物料的均一性。
麻皮段经过磨浆后成浆状(麻皮浆)，水分含量在50-80％。磨浆后送入挤压装置，通过挤压去水，使得物料的含水量降至20-50％。发明人发现经过一次开松，物料中有大量短纤维，无法作为成网原料。将物料干燥后再次送入麻纤维开松机进行开松，开松后物料纤细不黏连，鲜有纠结，且呈现轻微扭曲，有利于后续成网工艺。
预处理系统
本发明的麻类作物的预处理系统包括：
(a)粉碎机，所述粉碎机用于将麻类作物的麻皮粉碎成麻皮段，并且粉碎机还包括将麻皮段输送至磨浆机的第一输送装置；
(b)磨浆机，所述磨浆机用于对所述麻皮段进行磨浆，从而形成麻皮浆；并且所述磨浆机还包括将麻皮浆输送至挤压装置的第二输送装置；
(c)挤压装置，所述挤压装置用于挤压所述麻皮浆，使其去水，并且所述挤压装置还包括将去水后的麻皮浆输送至第一开松机的第三输送装置；
(d)第一开松机，所述第一开松机用于开松去水后的麻皮浆，形成第一开松料，并且所述第一开松机还包括将第一开松料输送至第二开松机的第四输送装置；
(d)干燥设备，所述干燥机用于干燥所述第一开松料，并且所述干燥设备还包括将干燥后的第一开松料输送至第二开松机的第五输送装置；和
(d)第二开松机，所述第二开松机用于再次开松干燥后的第一开松料，从而得到经预处理的物料。
在另一优选例中，所述系统还包括旋风分离装置，用于将粉碎的麻皮段进行旋风分离去除杂质。
在另一优选例中，所述系统还包括混合器。
在另一优选例中，所述混合器为粉末混合器或纤维混合器。
本发明的麻纤维生物覆土膜制备方法
在本发明的一个优选例中，所述方法包括：粉碎、浸润、磨浆、去水、开松1、干燥、开松2、混合和成膜等工序：
粉碎：使用粗碎机将物料——麻类作物的韧皮部分，如红麻皮、黄麻皮等，粉碎成10-200mm长度后进行旋风分离。
浸润：使用20-50摄氏度的温水浸泡，浸泡时间1-5h，浸泡时加入有机硅蓬松剂。将物料脱水后输入磨浆机磨浆。
磨浆：两磨盘之间的间隙为0.03-3mm，磨盘转速500-5000rpm，磨浆含水量50-80％。
去水：磨浆后送入挤压装置，通过挤压去水，使得物料的含水量降至20-50％。
开松1：去水后的物料立即送入开松机中进行开松，所选开松机最好为边角料开松机或者麻纤维开松机。
干燥：使用气流干燥设备或流化床干燥设备对物料进行干燥，干燥后的物料含水量降至10-30％。
开松2：物料立即送入开松机中进行开松，所选开松机最好为麻纤维开松机或者棉纤维开松机。开松后，物料呈现轻微扭曲，有利于后续成网工艺。
混合：将原料与助剂纤维混合，助剂占物料总比例为10-40％，使用粉末混合器或纤维混合器混合均匀。所述的助剂为生物可降解聚酯类化合物，如聚乳酸(PLA)、聚已内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚丁二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)等。
成膜：将所得物料送入气流式非织造成网设备中采用气流成网，成网密度为30-60g/㎡，然后经热轧模压成膜。如有需要，可在成膜后涂覆拒水剂等辅剂。
最终成品重量为30-60g/㎡，厚度≤0.05mm，在自然暴露环境下可在12个月内完全降解。
可以看出，本发明的主要优点在于：
(a)本发明提供了一种麻类作物的预处理工艺，有效降低了麻皮纤维素的聚合度，使之成为易于后续加工的原材料。
(b)本发明方法操作简便，经本发明方法处理的物料用于制备生物覆土膜，具有良好的透气性和降解性能，绿色环保，是适应产业化发展的工艺。
(c)本发明方法整体效率高，成本低，能耗低。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
实施例1：
红麻原料：自然干燥的鲜麻皮，长1-2米左右，含水量15％左右。
将红麻送入粉碎机，调节筛网至1.5cm，高速粉碎。将粉碎后的物料丢入水池中，非离子有机硅蓬松剂(N608)，保温在42℃，浸泡3个小时。将物料捞出挤干，含水量约70％，送入磨浆机。两磨盘之间的间隙为0.2mm，磨盘转速 1800rpm。磨浆后，物料送入液压挤压装置，挤压去水后物料含水量为46％，疏松不黏连。将物料送入边角料开松机进行开松，然后将其送入流化床干燥器中进行干燥，干燥出风温度60℃，干燥后物料含水量为21％，略有粘连纠结。将物料马上送入麻纤维开松机进行开松，开松后物料纤细不黏连，鲜有纠结。将物料与聚乳酸(NatureWorks/4032D，吹膜级)按照3:1配比采用螺杆式纤维混合器混合后，用小型气流成网实验机械进行气流成网，然后采用4.5MPa、115 ℃、25s模压成型，得到最终成品。最终成品重量为41g/㎡，厚度0.015mm。
对比例1(不使用蓬松剂)
红麻原料：自然干燥的鲜麻皮，长1-2米左右，含水量15％左右。将红麻送入粉碎机，调节筛网至1.5cm，高速粉碎。将粉碎后的物料丢入水池中，不加助剂，浸泡3个小时。将物料捞出挤干，含水量约70％，送入磨浆机。两磨盘之间的间隙为0.2mm，磨盘转速1800rpm。磨浆后，物料送入液压挤压装置，挤压去水后物料含水量为46％，疏松不黏连，但麻纤维较硬。将物料送入边角料开松机进行开松，然后将其送入流化床干燥器中进行干燥，干燥出风温度60℃，干燥后物料含水量为21％，略有粘连纠结。将物料马上送入麻纤维开松机进行开松，开松后物料不纠结，但有大量粗短纤维存在其中，且纤维较硬。将物料与聚乳酸(NatureWorks/4032D，吹膜级)按照3:1配比采用螺杆式纤维混合器混合后，用小型气流成网实验机械进行气流成网，设置成网密度55g/㎡，运作中发现成网时有较多物料落地，物料卷曲度不够，难以成网，即使部分成网也出现了不均匀、漏洞等现象，成网失败。
对比例2(直接干燥一次开松)
红麻原料：自然干燥的鲜麻皮，长1-2米左右，含水量15％左右。将红麻送入粉碎机，调节筛网至1.5cm，高速粉碎。将粉碎后的物料丢入水池中，加入非离子有机硅蓬松剂(N608)，保温在42℃，浸泡3个小时。将物料捞出挤干，含水量约70％，两磨盘之间的间隙为0.2mm，磨盘转速1800rpm。磨浆后，物料送入液压挤压装置，挤压去水后物料含水量为46％，然后将其送入流化床干燥器中进行干燥，干燥出风温度60℃，干燥后物料含水量为25％，部分物料粘连纠结成团。将物料送入麻纤维开松机进行开松，因物料粘连纠结，开松后仍有大量点团状物料，且因部分粘连，开松时产生了纤维撕扯拉断的现象，开松后物料中有大量短纤维，无法作为成网原料，实验失败。
对比例3(不经过磨浆)
红麻原料：自然干燥的鲜麻皮，长1-2米左右，含水量15％左右。将红麻送入粉碎机，调节筛网至1.5cm，高速粉碎。将粉碎后的物料丢入水池中，加入非离子有机硅蓬松剂(N608)，保温在42℃，浸泡3个小时。物料送入液压挤压装置，挤压去水后物料含水量为46％，疏松不黏连，但纤维较粗。将物料送入边角料开松机进行开松，然后将其送入流化床干燥器中进行干燥，干燥出风温度60℃，干燥后物料含水量为21％，略有粘连纠结。将物料马上送入麻纤维开松机进行开松，开松后物料纤细不黏连，鲜有纠结，但纤维束很粗。将物料与聚乳酸(NatureWorks/4032D，吹膜级)按照3:1配比采用螺杆式纤维混合器混合后，用小型气流成网实验机械进行薄型气流成网，然后采用4.5MPa、115℃、 25s模压成型，得到最终成品。最终成品重量平均为73g/㎡，平均厚度约为 0.03mm，厚度极不均匀，产品无法使用。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种麻类作物的预处理方法，其特征在于，所述预处理方法包括以下步骤：
(a)粉碎：将所述麻类作物的麻皮粉碎成长度10-200mm的麻皮段；所述麻类作物的麻皮为自然干燥的鲜麻皮；
(b)浸润：提供一蓬松剂，将所述麻皮段与蓬松剂混合并置于20-50℃的水中浸泡1-5h；所述的蓬松剂为有机硅蓬松剂；
(c)磨浆：将经浸润处理后的麻皮段置于磨浆机中进行磨浆，从而得到麻皮浆；
(d)去水：将所述麻皮浆置于挤压装置中进行挤压去水，使含水量降至20-50％；
(e)第一次开松：将经去水处理后的麻皮浆置于开松机中进行第一次开松处理，从而得到开松料；
(f)干燥：对所述开松料进行干燥处理，使含水量降至10-30％；和
(g)第二次开松：将经干燥处理后的开松料置于开松机中进行第二次开松处理，从而获得经预处理的物料。
2.如权利要求1所述预处理方法，其特征在于，所述步骤(g)之后还包括：将所述经预处理的物料与助剂混合，从而得到麻纤维复合原材料。
3.如权利要求1所述预处理方法，其特征在于，所述步骤(a)中还包括将所述麻皮段进行旋风分离去除杂质的步骤。
4.如权利要求1所述预处理方法，其特征在于，所述磨浆机具有两个磨盘，所述两个磨盘之间的间隙为0.03-3mm，磨盘的转速为500-5000rpm。
5.如权利要求1所述预处理方法，其特征在于，所述的蓬松剂为有机硅蓬松剂N608。
6.一种用于权利要求1所述预处理方法的麻类作物的预处理系统，其特征在于，所述系统包括：
(a)粉碎机，所述粉碎机用于将麻类作物的麻皮粉碎成麻皮段，并且粉碎机还包括将麻皮段输送至磨浆机的第一输送装置；
(b)磨浆机，所述磨浆机用于对所述麻皮段进行磨浆，从而形成麻皮浆；并且所述磨浆机还包括将麻皮浆输送至挤压装置的第二输送装置；
(c)挤压装置，所述挤压装置用于挤压所述麻皮浆，使其去水，并且所述挤压装置还包括将去水后的麻皮浆输送至第一开松机的第三输送装置；
(d)第一开松机，所述第一开松机用于开松去水后的麻皮浆，形成第一开松料，并且所述第一开松机还包括将第一开松料输送至干燥设备的第四输送装置；
(d)干燥设备，所述干燥机用于干燥所述第一开松料，并且所述干燥设备还包括将干燥后的第一开松料输送至第二开松机的第五输送装置；和
(d)第二开松机，所述第二开松机用于再次开松干燥后的第一开松料，从而得到经预处理的物料。
7.如权利要求6中所述预处理系统，其特征在于，所述系统还包括混合器。
8.一种制备麻纤维生物覆土膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(i)提供一助剂，将如权利要求1所述方法获得的经预处理的物料与所述的助剂混合，从而形成成膜混合物；和
(ii)将步骤(i)中形成的所述成膜混合物置于气流式非织造成网设备中进行成膜处理，从而形成麻纤维生物覆土膜。
9.一种麻纤维复合原材料，其特征在于，所述麻纤维复合原材料由如权利要求2中所述预处理方法制备得到。
10.一种麻纤维生物覆土膜，其特征在于，所述麻纤维生物覆土膜由如权利要求8中所述制备方法制备得到。
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