CN113957736A - 一种高滤水性麦草化机浆及其基于酸催化的制备方法和应用 - Google Patents

一种高滤水性麦草化机浆及其基于酸催化的制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于造纸技术领域，公开了一种高滤水性麦草化机浆及其基于酸催化的制备方法和应用。制备方法包括对高压容器中的麦草与含有表面活性剂的酸性水溶液，进行加热反应；反应结束后，将麦草与液体分离、用水将麦草洗涤干净；将洗涤完成的麦草与含有表面活性剂的碱性溶液混合，在高压容器中升温反应后，进行高浓盘磨、解离纤维，经洗涤、筛选、净化得到高滤水性麦草化机浆。本发明方法制得的麦草化机浆具有纸浆得率高，高滤水性和高强度等特点，其打浆度为小于等于40°SR，动态滤水时间小于75s，湿重小于2.5g，可广泛应用于滤纸等产品。

Description

一种高滤水性麦草化机浆及其基于酸催化的制备方法和应用
技术领域
本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种高滤水性麦草化机浆及其基于酸催化的制备方法和应用。
背景技术
造纸行业中纸浆的来源主要有机械法制浆、化学法制浆还有化学机械法制浆。机械法得制浆得率虽然很高，但由于生产过程中纤维受到的摩擦撕裂作用的损伤较大，机械浆的物理强度低于其他浆种，浆中保留了大量木质素，因而比较难于漂白并易在光、热作用下变黄及发脆。化学法制浆中的化学药剂能和木质素发生作用，而且也和纤维素和半纤维素发生化学反应，使纤维素大分子的聚合度降低，半纤维素严重降解或溶解，所得纸浆比较柔软，强度高。但是纸浆得率下降，一般在40-50％，容易造成原材料的浪费。化学机械法制浆保留了机械法和化学法的优点，能制备得到高得率与强度高且柔软的纸张，但是现有技术中仍有诸多问题需要得到优化。
现有稻麦草原料制浆工艺存在的诸多问题，如成浆收获率低、强度差、质量低、纸浆滤水性差、不易于抄纸制造、制浆废液、废水难以回收、污染环境等。通常认为是麦草浆的纤维短，导致成浆强度低；其杂细胞含量高，导致其滤水性差；因其硅含量高、灰份大，是造成制浆废液、废水回收困难、难以污染治理的主要原因之一。
现有技术CN112048933A公开了一种在酸性条件下处理木材或农业秸秆植物原料生产化机浆或半化学浆的方法，公开了在常压条件下用甲酸和/或甲酸盐混合液润涨软化原料后，进行水力疏解和机械磨浆制得化机浆或半化学浆，着重于原材料的利用率与化学品的回收。其公开了基于绝干麦草的甲酸用量为2-8kg甲酸/kg麦草且在80～100℃下处理后磨浆，获得打浆度19°SR的麦草秸秆浆料；然而，大量甲酸的应用对生产设备的抗腐蚀性能提出了高要求，而且甲酸的溶剂回收问题将显著提高麦草浆的生产成本。
现有技术CN101100819A公开了一种稻麦草活性剂制浆方法，本方法以稻麦草为原料，加入蒸煮用水，加入稻麦草绝干总重量的0.5-1％表面活性剂，各按稻麦草绝干总重量的7-8％分别加入苛性碱和纯碱在115-160℃下蒸煮30分钟至90分钟，制得易漂纸浆；其中的表面活性剂选用二甲苯磺酸盐。该技术方案具有纸浆收获率高、质量高、制浆废液、废水可全部回收利用的技术优点，然而该方法对稻麦草半纤维素的破坏性较差、纸浆的干燥脱水性能较差，而且高碱用量也对废液的处理提出了很高的要求、大幅度地提高了企业的后处理成本。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供了一种基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法；进一步地，本发明提供了一种高滤水性麦草化机浆及其应用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，包含以下步骤：
步骤一，对高压容器中的麦草与含有表面活性剂的酸性水溶液，进行加热反应；反应结束后，将麦草与液体分离、用水将麦草洗涤干净；
步骤二，将步骤一中洗涤完成的麦草与含有表面活性剂的碱性溶液混合，在高压容器中升温反应后，进行高浓盘磨、解离纤维，经洗涤、筛选、净化得到高滤水性麦草化机浆。
常规的麦草浆存在如纤维短、杂细胞多、含硅量高等问题，纸浆滤水性差等不足。本发明不同于传统化机浆工艺中使用大量碱性溶液，本发明创新制浆工艺先用含有表面活性剂的酸性水溶液对原材料进行预处理，在酸性溶液中加入的表面活性剂、起协同效应，酸性溶液可大幅度破坏麦草中的半纤维素和杂细胞、提高纸浆的滤水性能。
本发明使用表面活性剂对麦草原料细胞具有良好的渗透性、扩散性和表面活性，促使制浆药液直接作用于麦草原料的半纤维素与木质素成份，促使制浆药液更直接、有效的作用于稻麦草原料的木质素与半纤维素成份，加入的表面活性剂可避免木质素与碳水化合物降解产物的缩合物沉积在纸浆表面，将它们溶于制浆废液、洗浆废水当中。
在制浆过程中，反应温度、反应时间以及原材料与酸性溶液、碱性溶液的比例都会影响制浆得率、木质素的降解率及后续纸浆的质量等参数。
优选地，步骤一中麦草与酸性水溶液的质量比为1:2～1:7；高压容器中的反应温度是130～180℃，反应时间为0.5～15h。
进一步优选的，步骤一中麦草与酸性水溶液的质量比为1:4～1:6；高压容器中的反应温度是140～170℃，反应时间为1～8h。
优选地，步骤一的酸性水溶液由有机酸制备得到；基于绝干麦草的有机酸、表面活性剂用量分别为小于等于1.0mol/kg与小于等于0.25％。
进一步优选地，基于绝干麦草的有机酸、表面活性剂用量分别为0～0.5mol/kg与0～0.15％，不包含端点值0。
优选地，步骤二中反应温度是70～120℃，反应时间为0.5～6h；且反应终点的碱性溶液pH＞9.5。
进一步优选地，步骤二中反应温度是85～100℃，反应时间为1～3h；且反应终点的碱性溶液pH＞10.5。
优选地，步骤二中基于绝干麦草的表面活性剂用量为小于等于0.25％。进一步优选地，步骤二中基于绝干麦草的表面活性剂用量为0～0.1％，不包含端点值0。
优选地，步骤二中麦草与含有表面活性剂的碱性溶液混合后的浆浓为8％～12％。优选地，所述有机酸包括甲酸、乙酸、草酸中的一种或几种；所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化镁溶液、氢氧化钾溶液中的一种或几种；
优选地，所述表面活性剂包括烷基磺酸盐、芳基磺酸盐、甜菜碱、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。
优选地，所述高浓盘磨的工艺条件为：浆浓10-25％、盘磨间隙0.1-0.5mm、盘磨次数1-3道。
一种所述方法制备得到的高滤水性麦草化机浆。
优选地，所述高滤水性麦草化机浆的打浆度为小于等于40°SR，动态滤水时间小于75s，湿重小于2.5g。
一种所述高滤水性麦草化机浆可应用于生产箱板纸、瓦楞原纸、包装纸等纸种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
根据本发明工艺，禾本植物先被酸性溶液浸润软化，木质素大量降解后，再与碱性溶液反应时能够与药液充分接触反应。另外在酸性水溶液添加了表面活性剂，可以进一步防止木质素缩合，在碱性溶液中添加表面活性剂则提高了碱溶液的渗透率，加快溶出物的扩散，使禾本植物得到充分的溶解，利于制备均匀、性能优良的纸浆。
先跟酸性溶液反应，再跟碱性溶液反应，可以显著提高半纤维素与杂细胞的破坏程度、提高纸浆的滤水性能与干燥性能，减少碱用量、降低生产的污水处理负荷，而且后续反应的碱性溶液可以中和掉禾本植物与酸性溶液反应后残留的有机酸、防止对设备的腐蚀，溶出纤维表面的憎水性缩合产物、软化纤维，提高纸张的强度。
本发明具有高纸浆得率，高滤水性、纸张强度好等优点，其打浆度为小于等于40°SR，动态滤水时间小于75s，湿重小于2.5g。可以广泛应用于箱板纸、瓦楞原纸、包装纸等产品。
具体实施方法
下面给出实施例和对比例以对本发明进行具体的描述，但不限于此。现对实施例及对比例所用的原材料做如下说明，均来源于市购。
实施例1
一种基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，包含以下步骤：
步骤一，对高压容器中的麦草与含有表面活性剂的酸性水溶液，进行加热反应；反应结束后，将麦草与液体分离、用水将麦草洗涤干净；
具体的，将经备料后的麦草与含有表面活性剂的酸性水溶液混合均匀，麦草与水的比例为1:5；然后，将该固液混合物置入高压反应器内，反应器的温度提高至150℃，反应时间为1.5h；反应结束后，将麦草与处理液分离、用水将麦草洗涤干净；
其中，酸性水解液中应含有特定量的有机酸及表面活性剂，基于绝干麦草的有机酸、表面活性剂用量分别控制在1.0mol/kg与0.05％；
有机酸为甲酸，表面活性剂为烷基磺酸盐等。
步骤二，将步骤一中洗涤完成的麦草与含有表面活性剂的碱性溶液混合，在高压容器中升温反应后，进行高浓盘磨、解离纤维，经洗涤、筛选、净化得到高滤水性麦草化机浆。
具体的，将上述预处理、洗涤后的麦草与碱溶液混合，浆浓为10％，在100℃的温度下反应2h后，直接将混合物进行高浓盘磨、解离纤维成浆，磨制的麦草化机浆经洗涤、筛选、净化后制成浆板或直接进入造纸生产线生产纸张；
高浓盘磨的工艺条件为：浆浓15％、盘磨间隙0.15mm、盘磨1次。
碱处理采用的碱为氢氧化钠溶液，碱用量需满足终点pH>10.5的条件，碱溶液中含有烷基磺酸盐表面活性剂，表面活性剂用量控制在0.1％。
实施例2～5
实施例2～5的制备方法和工艺条件等与实施例1相似，不同之处在于如表1所示：
Figure BDA0003322444540000041
Figure BDA0003322444540000051
对比例1
一种制备高滤水性麦草化机浆的方法，包含以下步骤：
将经备料后的麦草与含有表面活性剂的碱性溶液混合，在高压容器中升温反应后，进行高浓盘磨、解离纤维，经洗涤、筛选、净化得到高滤水性麦草化机浆。
具体的，将上述预处理、洗涤后的麦草与碱溶液混合，浆浓为10％，在120℃的温度下反应6h后，直接将混合物进行高浓盘磨、解离纤维成浆，磨制的麦草化机浆经洗涤、筛选、净化后制成浆板或直接进入造纸生产线生产纸张；
高浓盘磨的工艺条件为：浆浓10％、盘磨间隙0.1mm、盘磨3次。
碱处理采用的碱为氢氧化钠溶液，碱用量需满足终点pH>10.5的条件。
对比例2
一种基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，包含以下步骤：
步骤一，对高压容器中的麦草与含有表面活性剂的酸性水溶液，进行加热反应；反应结束后，将麦草与液体分离、用水将麦草洗涤干净；
具体的，将经备料后的麦草与含有表面活性剂的酸性水溶液混合均匀，麦草与水的比例为1:5；然后，将该固液混合物置入高压反应器内，反应器的温度提高至150℃，反应时间为1.5h；反应结束后，将麦草与处理液分离、用水将麦草洗涤干净；
其中，酸性水解液中应含有特定量的有机酸及表面活性剂，基于绝干麦草的有机酸、表面活性剂用量分别控制在1.0mol/kg与0.05％；
有机酸为甲酸，表面活性剂为烷基/芳基磺酸盐等。
步骤二，将步骤一中洗涤完成的麦草进行高浓盘磨、解离纤维，经洗涤、筛选、净化得到高滤水性麦草化机浆。
高浓盘磨的工艺条件为：浆浓15％、盘磨间隙0.2mm、盘磨3次。
对比例3～7
对比例3～7的制备方法和工艺条件等与实施例1相似，不同之处在于如表2所示：
表2对比例3～7的制备方法和工艺条件
Figure BDA0003322444540000061
实验检测结果：
将实施例1～5以及对比例1～7制得的纸浆，按相应的国家标准进行理化性能检测，检测结果如表3所示。
表3实施例1～5和对比例1～7性能测试数据
Figure BDA0003322444540000062
Figure BDA0003322444540000071
从表3可知，本发明的制浆方法所生产的麦草浆不仅具有较高的纸浆得率，而且滤水性能很高、打浆度低于40°SR、纤维湿重低于2.5g、抄造纸页的干燥时间明显低于对比例1至对比例7，更短的纸页干燥时间有助于提高纸张产品的生产车速；更为重要的是，依据本专利所生产的麦草浆具有很高的抄造与成纸性能，其抗张、撕裂与耐破强度，可满足箱板纸、瓦楞纸、包装纸等纸种的生产要求。
从对比例1可知，麦草浆没经过步骤一的酸处理，制备的麦草浆虽然得率较高，但也导致了纸浆打浆度、湿重和纸页干燥时间等显著提高，滤水性能显著变差。同样，对比例2-7也分别因各工艺条件的变化，造成了打浆度、湿重和纸页干燥时间等显著变化，滤水性能显著变差。

Claims (10)

1.一种基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，对高压容器中的麦草与含有表面活性剂的酸性水溶液，进行加热反应；反应结束后，将麦草与液体分离、用水将麦草洗涤干净；
步骤二，将步骤一中洗涤完成的麦草与含有表面活性剂的碱性溶液混合，在高压容器中升温反应后，进行高浓盘磨、解离纤维，经洗涤、筛选、净化得到高滤水性麦草化机浆。
2.根据权利要求1所述基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，其特征在于，步骤一中麦草与酸性水溶液的质量比为1:2～1:7；高压容器中的反应温度是130～180℃，反应时间为0.5～15h。
3.根据权利要求1所述基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，其特征在于，步骤一的酸性水溶液由有机酸制备得到；基于绝干麦草的有机酸、表面活性剂用量分别为小于等于1.0mol/kg与小于等于0.25％，酸性水溶液的有机酸浓度小于等于4.0％。
4.根据权利要求1所述基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，其特征在于，步骤二中反应温度是70～120℃，反应时间为0.5～6h；且反应终点的碱性溶液pH＞9.5。
5.根据权利要求4所述基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，其特征在于，步骤二中基于绝干麦草的表面活性剂用量为小于等于0.25％。
6.根据权利要求1～5任意一项所述基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，其特征在于，所述有机酸包括甲酸、乙酸、草酸中的一种或几种；所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化镁溶液、氢氧化钾溶液中的一种或几种；
所述表面活性剂包括烷基磺酸盐、芳基磺酸盐、甜菜碱、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。
7.根据权利要求1～5任意一项所述基于酸催化制备高滤水性麦草化机浆的方法，其特征在于，所述高浓盘磨的工艺条件为：浆浓10-25％、盘磨间隙0.1-0.5mm、盘磨次数1-3道。
8.根据权利要求1～5任意一项所述方法制备得到的高滤水性麦草化机浆。
9.根据权利要求8所述高滤水性麦草化机浆，其特征在于，所述高滤水性麦草化机浆的打浆度小于等于40°SR，动态滤水时间小于75s，湿重小于2.5g。
10.根据权利要求8所述高滤水性麦草化机浆在生产箱板纸、瓦楞原纸、包装纸的应用。
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