CN111492986A - 一种亲水改性植物纤维猫砂材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种亲水改性植物纤维猫砂材料及其制备方法，包括如下步骤：(1)预处理：将植物纤维基材粉碎，对粉碎得到的植物纤维基材进行挤压膨化，通过喷洒碱液或浸泡碱液方式进行碱化处理；(2)亲水改性：在加热和搅拌条件下，向预处理得到的植物纤维基材中依次顺序加入水、引发剂、丙烯酸、交联剂，继续加热并搅拌，进行反应，得到反应产物；(3)后处理：将反应产物挤压过滤除去多余水分，然后烘干、粉碎，得到亲水改性植物纤维。本发明通过物理和化学方法，对选取的植物纤维基材进行亲水改性，提高此类材料的吸水性能，从而制备吸水性能优于豌豆渣及大豆渣的新型植物纤维猫砂材料。
Description
技术领域
本发明属于宠物领域，尤其是涉及一种亲水改性植物纤维猫砂材料及其制备方法。
背景技术
猫砂是在1948年由美国人发明的，经历50年研究和发展，其品质及要求不断提高。早期的猫砂主要是以不凝结的猫砂为主，大家主要是为了收纳猫便，但是随着猫砂技术的不断进步，人们不仅限于收纳这样简单，所以又不断的出现了现在的膨润土猫砂、木屑纸屑猫砂和水晶猫砂等等。其中膨润土猫砂的吸水性和结团性都很不错，除臭能力也比其他猫砂好一些，再加上膨润土猫砂的质感很像原始的沙土，猫更容易接受，所以膨润土猫砂占到了国际市场的80％之多。不过膨润土猫砂具有以下缺点：一是很重，囤货时估计要非常费力的搬运；二是膨润土的粉尘比较多，可能会对猫的呼吸道造成影响；三是颗粒小易带出需要经常打扫；四是属于无机不可再生产品，不可降解不环保。
近几年，豆腐猫砂由于其具备良好吸水性能，容易清理，粉尘少，不容易被渗透，使用寿命长等特点，逐渐被市场接受，市场份额逐年增加。目前市场上的腐猫砂均采用豌豆渣或大豆渣粉末作为主要原料，而豌豆和大豆种植因占地大、产量低，种植成本并不经济，加之国内需求巨大，大部分需要从国外进口，因此，对其他的植物原料较高。
而豆渣及大豆渣为豌豆和大豆深加工副产物，产能受主产物销量影响，随豆腐猫砂销量增加，现有豌豆及大豆渣产能无法满足需求。豌豆渣及大豆渣中含有易腐败成分，如蛋白质/脂肪等，此类成分再制作成猫砂后，在使用过程遇到高湿环境易产生腐败臭味，不但无法满足除臭效果，反而成为臭味来源。由于豌豆渣及大豆渣具有极易腐败特性，需经过及时烘干处理后，才能被用做猫砂制作原材料，而快速高效的烘干工艺会导致成本增加。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种亲水改性植物纤维猫砂材料及其制备方法，以解决现有的膨润土猫砂及豆腐猫砂存在的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将植物纤维基材粉碎；
(2)亲水改性：在加热和搅拌条件下，向预处理得到的植物纤维基材中依次顺序加入水、引发剂、丙烯酸、交联剂，继续加热并搅拌，进行反应，得到反应产物；
(3)后处理：将亲水改性得到的反应产物挤压过滤除去多余水分，然后烘干、粉碎，得到亲水改性植物纤维。
进一步的，所述步骤(1)中，粉碎得到的植物纤维基材粒径为0.5～2mm，植物纤维基材为植物秸秆、果实壳、果实芯中的一种或几种的组合，优选地，所述植物纤维基材为木粉、水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳、玉米芯、稻壳、核桃壳、椰壳中的一种或几种的组合。
进一步的，所述步骤(1)中，还包括以下步骤：对粉碎得到的植物纤维基材进行挤压膨化，挤压膨化条件为：植物纤维基材含水量为5％～30％，温度为105～135℃，然后通过喷洒碱液或浸泡碱液方式对膨化后植物纤维基材进行碱化处理，碱化处理时间为2-12h，碱化处理所用碱液的质量百分比浓度为1％～20％，采用喷洒碱液方式进行碱化处理时，碱液的喷洒量为植物纤维基材质量的20％～50％。
进一步的，碱化处理所用碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或几种的组合。
进一步的，所述步骤(2)中，加热温度为50℃～90℃，反应时间为2～8h，每100份预处理得到的植物纤维基材中加入的各物质的重量份数为：水50～500份、引发剂为0.1～1份、丙烯酸1～30份、交联剂0.01～0.1份。
进一步的，所述步骤(2)中，引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的一种或几种的组合，交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酸胺、二乙烯基苯、二异氰酸酯中的一种或几种的组合。
进一步的，所述步骤(3)中，亲水改性植物纤维的含水量为4％～10％，亲水改性植物纤维的粒径为0.1-0.5mm。
本发明还提供了一种亲水改性植物纤维猫砂材料，由上述的方法制备而成。
本发明还提供了一种亲水改性植物纤维猫砂，包括如下重量份数的组分：亲水改性植物纤维30～50份、玉米淀粉10～20份、红薯淀粉10～20份、硅藻土5～10份、沸石粉1～10份、柠檬酸1～2份、瓜尔豆胶1～5份、魔芋胶1～5份、水10～30份。
本发明还提供了一种亲水改性植物纤维猫砂的制备方法，包括如下步骤：按重量份数计，将亲水改性植物纤维与玉米淀粉、红薯淀粉、硅藻土、沸石粉、柠檬酸、瓜尔豆胶、魔芋胶以及水搅拌均匀后得到混合浆料，将混合浆料送入制粒机进行制粒，烘干，分筛除去直径小于1cm的碎屑，得到亲水改性植物纤维猫砂。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
市场急需可以替代豌豆渣以及大豆渣的新型植物纤维材料，本发明选取天然植物秸秆、果实壳以及果实芯等作为植物纤维基材，此类植物部分中以纤维素和木质素为主要成分，蛋白质及脂肪等易腐败成分含量极低，因此避免腐败产生异味；同时本发明所选用的材料多数为农作物收获后废弃物，每年产量巨大，如果不能正确处理还会造成环境污染及其他风险，该类材料成本低，存有量大，本发明合理利用该类材料，不但可以产生客观的经济价值，而且还能为环境治理提供良好社会价值，但是此类材料木质素含量高，吸水性差，硬度高不易成型等缺点，无法直接用于猫砂生产的主要原料，本发明通过物理和化学方法，对选取的植物纤维基材进行亲水改性，提高此类材料的吸水性能，从而制备吸水性能优于豌豆渣及大豆渣的新型植物纤维猫砂材料。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
选取白杨木为基材，将白杨木机械粉碎到40～60目，按基材：水质量比为1：2加水浸湿12小时，利用秸秆膨化机(生产厂家为辽宁省能源研究所，型号为LNSNYS-P01，下同)膨化处理；配置10％浓度的氢氧化钠溶液，按质量比原料：氢氧化钠溶液4：1喷洒润渍，进行碱化处理8小时；取1kg碱化处理的样品，加入2kg去离子水，加热至温度50℃恒温搅拌均匀后，加入5g引发剂过硫酸钠，搅拌均匀后再加入丙烯酸100g，再次搅拌5分钟，再次加入1g交联剂N，N-亚甲基双丙烯酸胺，搅拌反应2小时后，挤压过滤除去多余水分，90℃烘干处理，使样品含水量为8％，再次机械粉碎，筛分获得粒径在100目～60目亲水改性白杨木植物纤维。测试未经处理白杨木粉吸水倍率为4g/g，亲水改性白杨木植物纤维吸水倍率为16g/g，亲水改性后吸水倍率有明显提高。
将亲水改性白杨木纤维40份、玉米淀粉20份、红薯淀粉10份、硅藻土5份、沸石粉5份、柠檬酸1份、瓜尔豆胶5份、魔芋胶3份，加水11份搅拌均匀后得到混合浆料，直接进入制粒机进行制粒，烘干后，筛除小于1厘米碎屑，获得亲水改性白杨木猫砂。
实施例2
选取小麦秸秆为基材，将小麦秸秆机械粉碎到40～60目，按基材：水质量比为2：1加水浸湿12小时，利用秸秆膨化机膨化处理；配置15％浓度的氢氧化钠溶液，按质量比原料：氢氧化钠溶液1：1喷洒润渍，进行碱化处理8小时；取1kg碱化处理的样品，加入2kg去离子水，加热至温度50℃恒温搅拌均匀后，加入5g引发剂过硫酸钾，搅拌均匀后再加入丙烯酸150g，再次搅拌5分钟，再次加入1g交联剂N-N、-亚甲基双丙烯酸胺，搅拌反应2小时后，挤压过滤除去多余水分，90℃烘干处理，使样品含水量为8％，再次机械粉碎，筛分获得粒径在100目～60目亲水改性小麦秸秆。测试未经处理小麦秸秆吸水倍率为2.3g/g，亲水改性小麦秸秆吸水倍率为11g/g，亲水改性后吸水倍率有明显提高。
将亲水改性小麦秸秆纤维30份、玉米淀粉20份、红薯淀粉20份、硅藻土5份、沸石粉5份、柠檬酸1份、瓜尔豆胶5份、魔芋胶3份，加水11份搅拌均匀后得到混合浆料，直接进入制粒机进行制粒，烘干后，筛除小于1厘米碎屑，获得亲水改性小麦秸秆纤维猫砂。
实施例3
选取花生壳为基材，将花生壳机械粉碎到40～60目，按基材：水质量比为1：2加水浸湿12小时，利用秸秆膨化机膨化处理；配置10％浓度的氨水溶液，按质量比原料：氨水溶液3：1喷洒润渍，进行碱化处理8小时；取1kg碱化处理的样品，加入2kg去离子水，加热至温度50℃恒温搅拌均匀后，加入3g引发剂过硫酸铵，搅拌均匀后再加入丙烯酸80g，再次搅拌5分钟，再次加入0.5g交联剂二异氰酸酯，搅拌反应2小时后，挤压过滤除去多余水分，90℃烘干处理，使样品含水量为8％，再次机械粉碎，筛分获得粒径在100目～60目亲水改性花生壳纤维。测试未经处理花生壳吸水倍率为3.8g/g，亲水改性花生壳纤维吸水倍率为18g/g，亲水改性后吸水倍率有明显提高。
将亲水改性花生壳纤维50份、玉米淀粉10份、红薯淀粉20份、硅藻土3份、沸石粉2份、柠檬酸1份、瓜尔豆胶5份、魔芋胶3份，加水6份搅拌均匀后得到混合浆料，直接进入制粒机进行制粒，烘干后，筛除小于1厘米碎屑，获得亲水改性花生壳纤维猫砂。
实施例4
选取花生壳为基材，将花生壳机械粉碎到60～100目，取1kg粉碎处理的样品，加入2kg去离子水，加热至温度50℃恒温搅拌均匀后，加入3g引发剂过硫酸铵，搅拌均匀后再加入丙烯酸80g，再次搅拌5分钟，再次加入0.5g交联剂二异氰酸酯，搅拌反应2小时后，挤压过滤除去多余水分，90℃烘干处理，使样品含水量为8％，再次机械粉碎，筛分获得粒径在100目～60目亲水改性花生壳纤维。测试未经处理花生壳吸水倍率为3.8g/g，亲水改性花生壳纤维吸水倍率为10g/g，亲水改性后吸水倍率有明显提高，但与经过预处理的实施例相比，吸水倍率有所降低。
将未经挤压膨化和碱化处理的亲水改性花生壳纤维50份、玉米淀粉10份、红薯淀粉20份、硅藻土3份、沸石粉2份、柠檬酸1份、瓜尔豆胶5份、魔芋胶3份，加水6份搅拌均匀后得到混合浆料，直接进入制粒机进行制粒，烘干后，筛除小于1厘米碎屑，获得未经挤压膨化和碱化处理的亲水改性花生壳纤维猫砂。
对比例1
与实施例1区别在于未进行亲水改性白杨木代替亲水改性白杨木纤维，其他与实施例2相同。
对比例2
与实施例2区别在于用未进行亲水改性的小麦秸秆代替亲水改性小麦秸秆纤维，其他与实施例2相同。制粒时未成型。
对比例3
与实施例3区别在于用未进行亲水改性的花生壳代替亲水改性小麦秸秆纤维，其他与实施例3相同。
对比例4
市售豌豆纤维的豆腐猫砂。
对上述实施例1-4及对比例1-4的猫砂进行性能测试，测试方法如下：
吸水倍率测试：利用天平(精度0.01g)取样品5g±0.05g，放入200ml烧杯中，加入去离子水100g，搅匀静置30min，将混合溶液倒入无纺布滤袋中悬挂30min，滤掉多余水分，称量吸水后样品质量M1，吸水倍率＝(M1-5)/5。
吸水性测试：取100g猫砂放入500ml烧杯中，将20ml水在猫砂上方以2ml/s速度注入，观察烧杯底部是否有水渗出。
用量比测试：将20ml水，在猫砂上方以2ml/s速度注入后，称量结团的猫砂总质量M2，如果猫砂底部存在水渗出现象，则增加猫砂厚度，直至无渗漏现象出现，用量比＝(M2-20)/20。
除臭测试：把250g猫砂放置在平面上或者容器内，将五毫升0.1％浓度的氨溶液倒在猫砂上，当工程师发现气味变淡时，他需要靠近猫砂，重新评估气味，猫砂距离工程师的鼻子距离为10cm，每隔5分钟评估一次气味，直到氨味不再被检测到为止。
测试结果如下表所示：
表1实施例1-4及对比例1-4的猫砂进行性能测试
从表中数据可以看出，本发明的猫砂性能明显优于未亲水改性的植物纤维制备的猫砂和现有的豆腐猫砂。
本发明制备猫砂材料选材时，选取天然植物秸秆、果实壳以及果实芯等为主要原材料，此类植物部分中以纤维素和木质素为主要成分，蛋白质及脂肪等易腐败成分含量极低，因此避免腐败产生异味；同时本发明所选用的材料多数为农作物收获后废弃物，每年产量巨大，如果不能正确处理还会造成环境污染及其他风险，该类材料成本低，存有量大，本发明合理利用该类材料，不但可以产生客观的经济价值，而且还能为环境治理提供良好社会价值。
但是此类植物纤维木质素含量高，吸水性差，硬度高不易成型，无法直接用于猫砂生产的主要原料，为解决上述问题：
本发明制备猫砂材料预处理时，通过挤压膨化，破坏基材中的木质素对纤维素和半纤维素的包裹保护作用，降低基材结晶度，利于后期亲水改性反应进行；通过碱化处理破坏纤维大分子内部及分子间氢键，使其润胀，提高亲水性能。
亲水改性时，反应方程式为：
引发剂形成自由基：S2O8 2-→SO4 -·
链引发：SO4 -·+多糖-CH2-OH→多糖-C·H-OH+ROH
链增长：多糖-C·H-OH+CH2＝CH-COOH→多糖-CH(OH)-CH2-CH·-COOH
链终止：自由基+自由基→化合物
引发剂的作用为激发产生自由基，丙烯酸为聚合单体，交联剂的作用为增强聚合，使低分子量的化合物聚合生成高分子量的聚合物。
上述反应实现预处理得到的植物纤维的丙烯酸接枝化，从而实现植物纤维的亲水改性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)预处理：将植物纤维基材粉碎；
(2)亲水改性：在加热和搅拌条件下，向预处理得到的植物纤维基材中依次顺序加入水、引发剂、丙烯酸、交联剂，继续加热并搅拌，进行反应，得到反应产物；
(3)后处理：将亲水改性得到的反应产物挤压过滤除去多余水分，然后烘干、粉碎，得到亲水改性植物纤维。
2.根据权利要求1所述的亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，粉碎得到的植物纤维基材粒径为0.5～2mm，植物纤维基材为植物秸秆、果实壳、果实芯中的一种或几种的组合，优选地，所述植物纤维基材为木粉、水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳、玉米芯、稻壳、核桃壳、椰壳中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，还包括以下步骤：对粉碎得到的植物纤维基材进行挤压膨化，挤压膨化条件为：植物纤维基材含水量为5％～30％，温度为105～135℃，然后通过喷洒碱液或浸泡碱液方式对膨化后植物纤维基材进行碱化处理，碱化处理时间为2-12h，碱化处理所用碱液的质量百分比浓度为1％～20％，采用喷洒碱液方式进行碱化处理时，碱液的喷洒量为植物纤维基材质量的20％～50％。
4.根据权利要求3所述的亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，其特征在于：碱化处理所用碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，加热温度为50℃～90℃，反应时间为2～8h，每100份预处理得到的植物纤维基材中加入的各物质的重量份数为：水50～500份、引发剂为0.1～1份、丙烯酸1～30份、交联剂0.01～0.1份。
6.根据权利要求1所述的亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的一种或几种的组合，交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酸胺、二乙烯基苯、二异氰酸酯中的一种或几种的组合。
7.根据权利要求1所述的亲水改性植物纤维猫砂材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，亲水改性植物纤维的含水量为4％～10％，亲水改性植物纤维的粒径为0.1-0.5mm。
8.一种亲水改性植物纤维猫砂材料，其特征在于：由权利要求1-7任意一项所述的方法制备而成。
9.一种亲水改性植物纤维猫砂，其特征在于：包括如下重量份数的组分：亲水改性植物纤维30～50份、玉米淀粉10～20份、红薯淀粉10～20份、硅藻土5～10份、沸石粉1～10份、柠檬酸1～2份、瓜尔豆胶1～5份、魔芋胶1～5份、水10～30份。
10.一种亲水改性植物纤维猫砂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按重量份数计，将亲水改性植物纤维与玉米淀粉、红薯淀粉、硅藻土、沸石粉、柠檬酸、瓜尔豆胶、魔芋胶以及水搅拌均匀后得到混合浆料，将混合浆料送入制粒机进行制粒，烘干，分筛除去直径小于1cm的碎屑，得到亲水改性植物纤维猫砂。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200807 |
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