CN111335058A - 一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及秸秆造纸研究技术领域，公开了一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，通过小麦秸秆结构以及纸浆性能的研究，不仅解决现有工艺中，小麦秸秆在造纸生产中利用率较低，强度不足等问题；本发明首先对小麦秸秆进行预处理，显著提高对秸秆中纤维素和半纤维成分保护利用，得到预处理的改性秸秆粉与制备得到的增强剂共同制浆，能够保护秸秆细胞壁不会破坏，结构紧致且抗降解，经过增强剂处理后纸浆得率显著提高，能够有效增强纸张产品的综合性能，制备得到的纸张抗张强度、耐破强度以及耐候性能得到显著提高。

Description

一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法
技术领域
本发明属于秸秆造纸研究技术领域，具体涉及一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法。
背景技术
农作物秸秆，是指水稻、小麦、玉米等禾本科农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分。在工业化以前，农民对秸秆的利用五花八门，非常丰富。比如在中国南方，人们将稻秆晒干储藏，可用作柴火，编织座垫、床垫、扫帚等家用品，铺垫牲圈、喂养牲畜，堆沤肥还田，甚至用于制作简易房屋的屋顶等，很少被直接浪费掉。随着工业化的发展，对于秸秆的利用方式也越来越多。
为了缓解造纸行业对于木材需求日益升高的压力，资源丰富的农作物秸秆成为人们关注的对象。作为农业大国，我国秸秆产量非常高，作为一种可以用来制浆造纸的非木材原料，成为众人关注的焦点。
目前，关于利用农作物秸秆造纸的研究全面开花。其中，小麦秸秆由于纤维素含量较低，纸浆生产过程中，采用常规的蒸煮生产方法处理小麦秸秆，得浆率低，纸浆性能一般，需要添加的额外化学处理试剂较多。不利于资源的充分利用以及引起造纸带来的进一步环境污染。并且生产得到的纸张产品性能较低，机械强度小，并且受光照气候影响较大，性能衰弱较为严重。目前仍然没有好的方法解决这一问题，使得小麦秸秆在造纸领域未发挥至极致。也因目前存在的这些瓶颈问题，小麦秸秆原料在造纸产业开发上具有很大的应用前景，也是推动资源更大利用化技术发展的一种趋势。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，解决了小麦秸秆造纸利用率不高，采用传统加工工艺需要添加大量化学试剂，易产生造纸污染的问题，生产的纸张性能进一步得到提高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，其中主要技术手段为：对小麦秸秆进行预处理，显著提高对秸秆中纤维素和半纤维成分保护利用，得到预处理的改性秸秆粉与制备得到的增强剂共同制浆，能够保护秸秆细胞壁不会破坏，结构紧致且抗降解，经过增强剂处理后纸浆得率显著提高，能够有效增强纸张产品的综合性能；
具体的，小麦秸秆造纸制备包括以下工艺步骤：
小麦秸秆预处理：将小麦秸秆在正常日光下晾晒7-10天，然后使用粉碎机粉碎至过10-20目筛，向秸秆粉料中加入质量分数占0.002-0.004%的三乙醇胺，加入浓度为110-120ppm的聚乙二醇水溶液进行搅拌加热，料液比为1:1.40-1.50，升温至80-90℃，保温30-40分钟，然后使用质量浓度为0.35-0.40%的氢氧化钾溶液调节体系pH值在7.2-7.3之间，在压力60-80kPa下，温度98-100℃下经脱水浓缩，置于50-60℃烘箱中干燥6-10小时，得到预处理的改性秸秆粉；
小麦秸秆造纸过程中，经过预处理后的小麦秸秆，不仅可以除去有色物质和脂类成分，有利于后续阶段的加工，还达到了降低秸秆中纤维素和半纤维成分损失的目的。
将预处理的改性秸秆粉置于粉碎机中，加入制备得到的增强剂，添加量为粉碎改性秸秆粉质量的0.007-0.008%，混合处理24-30分钟后，过30-40目筛，按照固液比为1:3-4的比例加入自来水，混合后送入磨浆机中磨浆，转速为3000-3200转/分钟，设定温度为65-70℃，进行磨浆，磨浆30-35分钟即可，得到粗浆置于筛浆机筛浆，筛缝为0.3毫米，得到精浆首先使用次氯酸钠进行漂白，有效氯用量为7.2-7.6%，漂白温度为20-25℃，漂白时间为35-40分钟，然后使用质量浓度为3.5-4.0%的双氧水漂白2次，漂白温度为40-50℃，漂白时间为25-30分钟/次。
所述增强剂制备方法为：称取15-18克硅灰石粉与10-12克沸石粉混合，置于研钵中研磨20-30分钟，混合粉末置于烧杯中，向烧杯中加入100-120毫升摩尔浓度为0.8-1.0摩尔/升的盐酸-乙醇溶液，水浴加热升温至55-60℃，保温静置2-3小时，冷却搅拌后进行过滤，将过滤物加入到130-140毫升质量浓度为0.4-0.5%的碳酸氢钠水溶液中，持续搅拌10-20分钟，加入15-20毫升摩尔浓度为0.35-0.40摩尔/升的新制备的二氧化钛溶胶，以800-900转/分钟的速度搅拌30-40分钟，然后转移至坩埚中，置于70-80℃烘箱中静置干燥2-3小时，再放入200-230℃预热的马弗炉中，继续升温至550-580℃，煅烧1-2小时，自然冷却后研磨成粉即可。
制备得到的增强剂颗粒范围在50-150纳米之间，表面积大，且润滑，向预处理的改性秸秆粉中添加增强剂，能够保护秸秆细胞壁不会破坏，结构紧致且抗降解，经过增强剂处理后纸浆得率显著提高，还有利于废液的回收和综合利用，与纤维之间发生化学和物理结合，使得浆液中纤维发生物理缠结，促进纤维间的氢链结合，加强了纤维层与层之间的结合，静电吸附性提高，从而生成高强度的纸张。提高小麦秸秆的利用率。
最后，将制备得到的漂白浆料进行调浆、除臭、灭菌、抄纸、揭纸、烘干、剪裁、包装即可使用。
本发明制备得到的纸张较普通加工工艺制备得到的产品抗张指数提高了28-33%，耐破指数提高了30-35%，韧性和耐破度得到提高。
本发明充分发挥了小麦秸秆的经济价值，提高了小麦秸秆造纸产出率，改善了小麦秸秆造纸的性能。通过研究影响制浆得率以及保障纸张性能的方法，制备得到的纸张抗张强度、耐破强度以及耐候性能得到显著提高。克服了小麦秸秆纤维含量低、纤维长度短等缺陷问题。解决了小麦秸秆造纸利用率不高，采用传统加工工艺需要添加大量化学试剂，易产生造纸污染的问题，生产的纸张性能进一步得到提高，满足现代造纸行业的需求。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决小麦秸秆自身缺陷导致的造纸产出率不佳等问题，本发明提供了一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，通过小麦秸秆结构以及纸浆性能的研究，不仅解决现有工艺中，小麦秸秆在造纸生产中利用率较低，强度不足等问题；本发明充分发挥了小麦秸秆的经济价值，提高了小麦秸秆造纸产出率，改善了小麦秸秆造纸的性能。通过研究影响制浆得率以及保障纸张性能的方法，制备得到的纸张抗张强度、耐破强度以及耐候性能得到显著提高。克服了小麦秸秆纤维含量低、纤维长度短等缺陷问题。解决了小麦秸秆造纸利用率不高，采用传统加工工艺需要添加大量化学试剂，易产生造纸污染的问题，生产的纸张性能进一步得到提高，满足现代造纸行业的需求。提高了小麦秸秆的综合利用率，减少了其它辅助添加剂材料的使用，降低了成本，本发明有效解决了小麦秸秆资源量充分，而纸浆制备中，综合利用率低，纸浆得率和纸张强度得不到提升的问题，以保证纸张性能的情况下大幅利用小麦秸秆，具有低成本、低能耗、高产出的特点，大大缩减了资源的浪费，制备得到的纸张完全符合国家的规定，能够实现提高以小麦秸秆为代表的农作物废弃物在造纸行业的整体利用率以及提高市场竞争力的现实意义，对于小麦秸秆造纸的高效利用以及秸秆造纸生产工艺方法研究具有较高价值，显著促进秸秆生物质的工业转化发展以及资源可持续发展，是一种极为值得推广使用的技术方案。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明所提供的技术方案。
实施例1
一种小麦秸秆造纸制备包括以下工艺步骤：
S1：小麦秸秆预处理：将小麦秸秆在正常日光下晾晒7天，然后使用粉碎机粉碎至过10目筛，向秸秆粉料中加入质量分数占0.002%的三乙醇胺，加入浓度为110ppm的聚乙二醇水溶液进行搅拌加热，料液比为1:1.40，升温至80℃，保温30分钟，然后使用质量浓度为0.35%的氢氧化钾溶液调节体系pH值在7.2-7.3之间，在压力60kPa下，温度98℃下经脱水浓缩，置于50℃烘箱中干燥6小时，得到预处理的改性秸秆粉；
S2：将预处理的改性秸秆粉置于粉碎机中，加入制备得到的增强剂，添加量为粉碎改性秸秆粉质量的0.007%，混合处理24分钟后，过30目筛，按照固液比为1:3的比例加入自来水，混合后送入磨浆机中磨浆，转速为3000转/分钟，设定温度为65℃，进行磨浆，磨浆30分钟即可，得到粗浆置于筛浆机筛浆，筛缝为0.3毫米，得到精浆首先使用次氯酸钠进行漂白，有效氯用量为7.2%，漂白温度为20℃，漂白时间为35分钟，然后使用质量浓度为3.5%的双氧水漂白2次，漂白温度为40℃，漂白时间为25分钟/次。
进一步的，所述增强剂制备方法为：称取15克硅灰石粉与10克沸石粉混合，置于研钵中研磨20分钟，混合粉末置于烧杯中，向烧杯中加入100毫升摩尔浓度为0.8摩尔/升的盐酸-乙醇溶液，水浴加热升温至55℃，保温静置2小时，冷却搅拌后进行过滤，将过滤物加入到130毫升质量浓度为0.4%的碳酸氢钠水溶液中，持续搅拌10分钟，加入15毫升摩尔浓度为0.35摩尔/升的新制备的二氧化钛溶胶，以800转/分钟的速度搅拌30分钟，然后转移至坩埚中，置于70℃烘箱中静置干燥2小时，再放入200℃预热的马弗炉中，继续升温至550℃，煅烧1小时，自然冷却后研磨成粉即可。
实施例2
一种小麦秸秆造纸制备包括以下工艺步骤：
S1：小麦秸秆预处理：将小麦秸秆在正常日光下晾晒8天，然后使用粉碎机粉碎至过15目筛，向秸秆粉料中加入质量分数占0.003%的三乙醇胺，加入浓度为115ppm的聚乙二醇水溶液进行搅拌加热，料液比为1:1.43，升温至85℃，保温35分钟，然后使用质量浓度为0.38%的氢氧化钾溶液调节体系pH值在7.2-7.3之间，在压力70kPa下，温度99℃下经脱水浓缩，置于55℃烘箱中干燥8小时，得到预处理的改性秸秆粉；
S2：将预处理的改性秸秆粉置于粉碎机中，加入制备得到的增强剂，添加量为粉碎改性秸秆粉质量的0.0075%，混合处理26分钟后，过35目筛，按照固液比为1:3.5的比例加入自来水，混合后送入磨浆机中磨浆，转速为3100转/分钟，设定温度为68℃，进行磨浆，磨浆33分钟即可，得到粗浆置于筛浆机筛浆，筛缝为0.3毫米，得到精浆首先使用次氯酸钠进行漂白，有效氯用量为7.4%，漂白温度为22℃，漂白时间为38分钟，然后使用质量浓度为3.8%的双氧水漂白2次，漂白温度为45℃，漂白时间为28分钟/次。
进一步的，所述增强剂制备方法为：称取16克硅灰石粉与11克沸石粉混合，置于研钵中研磨25分钟，混合粉末置于烧杯中，向烧杯中加入110毫升摩尔浓度为0.9摩尔/升的盐酸-乙醇溶液，水浴加热升温至58℃，保温静置2.5小时，冷却搅拌后进行过滤，将过滤物加入到135毫升质量浓度为0.45%的碳酸氢钠水溶液中，持续搅拌15分钟，加入18毫升摩尔浓度为0.38摩尔/升的新制备的二氧化钛溶胶，以850转/分钟的速度搅拌35分钟，然后转移至坩埚中，置于75℃烘箱中静置干燥2.5小时，再放入215℃预热的马弗炉中，继续升温至560℃，煅烧1.5小时，自然冷却后研磨成粉即可。
实施例3
一种小麦秸秆造纸制备包括以下工艺步骤：
S1：小麦秸秆预处理：将小麦秸秆在正常日光下晾晒10天，然后使用粉碎机粉碎至过20目筛，向秸秆粉料中加入质量分数占0.004%的三乙醇胺，加入浓度为120ppm的聚乙二醇水溶液进行搅拌加热，料液比为1:1.50，升温至90℃，保温40分钟，然后使用质量浓度为0.40%的氢氧化钾溶液调节体系pH值在7.2-7.3之间，在压力80kPa下，温度100℃下经脱水浓缩，置于60℃烘箱中干燥10小时，得到预处理的改性秸秆粉；
S2：将预处理的改性秸秆粉置于粉碎机中，加入制备得到的增强剂，添加量为粉碎改性秸秆粉质量的0.008%，混合处理30分钟后，过40目筛，按照固液比为1:4的比例加入自来水，混合后送入磨浆机中磨浆，转速为3200转/分钟，设定温度为70℃，进行磨浆，磨浆35分钟即可，得到粗浆置于筛浆机筛浆，筛缝为0.3毫米，得到精浆首先使用次氯酸钠进行漂白，有效氯用量为7.6%，漂白温度为25℃，漂白时间为40分钟，然后使用质量浓度为4.0%的双氧水漂白2次，漂白温度为50℃，漂白时间为30分钟/次。
进一步的，所述增强剂制备方法为：称取18克硅灰石粉与12克沸石粉混合，置于研钵中研磨30分钟，混合粉末置于烧杯中，向烧杯中加入120毫升摩尔浓度为1.0摩尔/升的盐酸-乙醇溶液，水浴加热升温至60℃，保温静置3小时，冷却搅拌后进行过滤，将过滤物加入到140毫升质量浓度为0.5%的碳酸氢钠水溶液中，持续搅拌20分钟，加入20毫升摩尔浓度为0.40摩尔/升的新制备的二氧化钛溶胶，以900转/分钟的速度搅拌40分钟，然后转移至坩埚中，置于80℃烘箱中静置干燥3小时，再放入230℃预热的马弗炉中，继续升温至580℃，煅烧2小时，自然冷却后研磨成粉即可。
实施例4
与实施例3的区别仅在于，增强剂制备中：称取18克硅灰石粉，置于研钵中研磨30分钟，混合粉末置于烧杯中，向烧杯中加入120毫升摩尔浓度为1.0摩尔/升的盐酸-乙醇溶液，水浴加热升温至60℃，保温静置3小时，冷却搅拌后进行过滤，将过滤物加入到140毫升质量浓度为0.5%的碳酸氢钠水溶液中，持续搅拌20分钟，加入20毫升摩尔浓度为0.40摩尔/升的新制备的二氧化钛溶胶，以900转/分钟的速度搅拌40分钟，然后转移至坩埚中，置于80℃烘箱中静置干燥3小时，再放入230℃预热的马弗炉中，继续升温至580℃，煅烧2小时，自然冷却后研磨成粉即可；其余保持不变。
实施例5
与实施例3的区别仅在于，增强剂制备中：称取18克硅灰石粉与12克沸石粉混合，置于研钵中研磨30分钟，混合粉末置于烧杯中，向烧杯中加入120毫升摩尔浓度为1.0摩尔/升的盐酸-乙醇溶液，水浴加热升温至60℃，保温静置3小时，冷却搅拌后进行过滤，将过滤物加入到140毫升质量浓度为0.5%的碳酸氢钠水溶液中，持续搅拌20分钟，然后转移至坩埚中，置于80℃烘箱中静置干燥3小时，再放入230℃预热的马弗炉中，继续升温至580℃，煅烧2小时，自然冷却后研磨成粉即可；其余保持不变。
最后，将制备得到的漂白浆料进行调浆、除臭、灭菌、抄纸、揭纸、烘干、剪裁、包装即可使用。
对比例1
使用粒径在10-15微米范围的碳酸钙粉末代替实施例3中一半量的增强剂，其余保持不变。
对比例2
使用粒径在10-15微米范围的碳酸钙粉末代替实施例3中全部量的增强剂，其余保持不变。
一、性能实验
使用实施例1-5和对比例1-2的方法进行小麦秸秆造纸，设置对照组；对各组制备的优选试样，进行性能测试。试验中保持无关变量一致，进行结果统计分析（实验前利用统计学方法进行试验设计，然后进行试验并记录试验数据，分析得到试验结果，过程中充分利用统计学工具对结果加以最大程度的解释）
（注：对照组的秸秆造纸生产工艺为：将小麦秸秆晒干后粉碎至20-30毫米范围的碎片，采用烧碱-蒽醌法进行蒸煮制浆，料液比为1:7，蒽醌用量为0.05%，用碱量为16%，蒸煮时间为2.0小时，蒸煮温度为130℃，采用传统的三段漂白方式对浆液进行漂白，得到纸浆）。
（浆卡伯值的测定按照GB/T1546-1989标准执行；抗张强度的测定按照GB/T453-1989标准执行；撕裂度按照GB/T455.1-1989标准执行；耐破度参照GB/T454-1989标准执行；耐折度参照GB/T457-1989标准执行；）
二、实验结果为：实施例1-5，粗浆得率依次达到49.2%、49.3%、49.2%，粗浆卡伯值为11.60、11.50、11.60，精浆得率依次达到47.1%、47.2%、47.1%，抗张指数依次为26.68N·m2/g、26.69N·m2/g、26.67N·m2/g，耐破指数依次达到1.94KPa·m2/g、1.96KPa·m2/g、1.94KPa·m2/g，撕裂指数依次达到5.02mN·m2/g、5.03mN·m2/g、5.02mN·m2/g；对比例1粗浆得率为44.7%，粗浆卡伯值为12.50，精浆得率为41.3%，抗张指数为23.07N·m2/g，耐破指数为1.52KPa·m2/g，撕裂指数为4.69mN·m2/g；对比例2粗浆得率为43.7%，粗浆卡伯值为12.30，精浆得率为40.8%，抗张指数为22.54N·m2/g，耐破指数为1.48KPa·m2/g，撕裂指数为4.51mN·m2/g；对照组粗浆得率为42.5%，粗浆卡伯值为12.90，精浆得率为40.0%，抗张指数为21.24N·m2/g，耐破指数为1.37KPa·m2/g，撕裂指数为4.16mN·m2/g；由此可见，本发明的方法能够显著提高小麦秸秆造纸产出率，并且其它性能都要好于现有技术，尤其是强度性能方面，极大的满足了高性能用纸需求。
本发明有效解决了小麦秸秆资源量充分，而纸浆制备中，综合利用率低，纸浆得率和纸张强度得不到提升的问题，以保证纸张性能的情况下大幅利用小麦秸秆，具有低成本、低能耗、高产出的特点，大大缩减了资源的浪费，制备得到的纸张完全符合国家的规定，能够实现提高以小麦秸秆为代表的农作物废弃物在造纸行业的整体利用率以及提高市场竞争力的现实意义，对于小麦秸秆造纸的高效利用以及秸秆造纸生产工艺方法研究具有较高价值，显著促进秸秆生物质的工业转化发展以及资源可持续发展，是一种极为值得推广使用的技术方案。

Claims (6)

1.一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）小麦秸秆预处理：将小麦秸秆在正常日光下晾晒7-10天，然后使用粉碎机粉碎至过10-20目筛，向秸秆粉料中加入质量分数占0.002-0.004%的三乙醇胺，加入聚乙二醇水溶液进行搅拌加热，料液比为1:1.40-1.50，升温至80-90℃，保温30-40分钟，然后使用质量浓度为0.35-0.40%的氢氧化钾溶液调节体系pH值在7.2-7.3之间，在压力60-80kPa下，温度98-100℃下经脱水浓缩，置于50-60℃烘箱中干燥6-10小时，得到预处理的改性秸秆粉；
（2）将预处理的改性秸秆粉置于粉碎机中，加入制备得到的增强剂，混合处理24-30分钟后，过30-40目筛，按照固液比为1:3-4的比例加入自来水，混合后送入磨浆机中磨浆，转速为3000-3200转/分钟，设定温度为65-70℃，进行磨浆，磨浆30-35分钟即可，得到粗浆置于筛浆机筛浆，筛缝为0.3毫米，得到精浆首先使用次氯酸钠进行漂白，有效氯用量为7.2-7.6%，漂白温度为20-25℃，漂白时间为35-40分钟，然后使用质量浓度为3.5-4.0%的双氧水漂白2次，漂白温度为40-50℃，漂白时间为25-30分钟/次。
2.如权利要求1所述一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，其特征在于，步骤（1）聚乙二醇水溶液浓度为110-120ppm。
3.如权利要求1所述一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，其特征在于，步骤（1）所述氢氧化钾质量浓度为0.35-0.40%。
4.如权利要求1所述一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，其特征在于，步骤（2）所述增强剂添加量为粉碎改性秸秆粉质量的0.007-0.008%。
5.如权利要求1所述一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，其特征在于，步骤（2）所述增强剂制备方法为：称取15-18克硅灰石粉与10-12克沸石粉混合，置于研钵中研磨20-30分钟，混合粉末置于烧杯中，向烧杯中加入100-120毫升摩尔浓度为0.8-1.0摩尔/升的盐酸-乙醇溶液，水浴加热升温至55-60℃，保温静置2-3小时，冷却搅拌后进行过滤，将过滤物加入到130-140毫升质量浓度为0.4-0.5%的碳酸氢钠水溶液中，持续搅拌10-20分钟，加入15-20毫升新制备的二氧化钛溶胶，以800-900转/分钟的速度搅拌30-40分钟，然后转移至坩埚中，置于70-80℃烘箱中静置干燥2-3小时，再放入200-230℃预热的马弗炉中，继续升温至550-580℃，煅烧1-2小时，自然冷却后研磨成粉即可。
6.如权利要求5所述一种提高小麦秸秆造纸产出率的方法，其特征在于，所述新制备的二氧化钛溶胶摩尔浓度为0.35-0.40摩尔/升。
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