WO2017041479A1 - 环保生物质材料的连续挤出式加工技术 - Google Patents

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张新昌
王礼银
冯建华
韩霖
肖文飞
章宇恒
谭明曦
孙昊
王利强
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江南大学
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    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B17/00—Recovery of plastics or other constituents of waste material containing plastics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/92—Measuring, controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L3/00—Compositions of starch, amylose or amylopectin or of their derivatives or degradation products
    • C08L3/02—Starch; Degradation products thereof, e.g. dextrin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L97/00—Compositions of lignin-containing materials
    • C08L97/02—Lignocellulosic material, e.g. wood, straw or bagasse
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/62—Plastics recycling; Rubber recycling

Definitions

  • the present invention relates to a formulation, process parameters and a production process for producing environmentally-friendly biomass materials and products by using continuous extrusion processing technology, and particularly relates to a continuous production of paper corners by using waste paper fiber raw material extrusion method,
  • the process technology of new green environmentally-friendly biomass profiles such as paper channel steel and biomass fiber slats belongs to degradable environmentally friendly biomass materials and related technical fields. Background technique
  • One of the objects of the present invention is to optimize the design of the formulation material, increase the waste material of the corrugated board, that is, the proportion of the substrate, and minimize the use of additives such as plasticizers and lubricants, and the use of the auxiliary agent. Contaminated, green safe, degradable, inexpensive and easily accessible biomass materials, saving production costs, truly achieving the recycling and recyclability of paper packaging materials.
  • the second object of the present invention is to optimize the design of the process, reduce the processing steps, and simplify the processing
  • the third object of the present invention is to propose the maximum influencing factor of the extruded product and its optimum level, and control the performance of the produced product by controlling factors and levels.
  • the fourth object of the present invention is to optimize the material properties and improve the compressive strength of the material to become a new type of lightweight biomass material.
  • the technical proposal of the present invention is that the main raw material is fully immersed, and then the pulp is made into a pulp by a pulper, and then the pulp is placed in a baking furnace for appropriate dehydration treatment to change the moisture content of the pulp.
  • the raw materials and the reagents were sequentially mixed according to the experimental formula, uniformly stirred into a non-fluid mixture by a stirrer, and the non-fluid mixture was heated in a water bath. Finally, the non-fluid mixture is put into a staged electric heating extruder for extrusion processing, and the material is prepared by extrusion molding of the extruder discharge die.
  • the main raw material includes waste materials such as discarded corrugated paper, cardboard paper, and the like, and the waste paper is discarded after being processed by each paper packaging factory, and waste paper that is recycled many times. , waste paper crates, etc.;
  • the starch is potato starch
  • the reagent is starch and glycerin, wherein the starch can be glued between the paper fibers, and the glycerin acts to soften the paper fiber molecules and increase the fluidity and plasticity;
  • the experimental formulation comprises, in parts by weight, a total of 78 parts of the main raw material, 11 parts of starch and 11 parts of glycerin;
  • the pulp has a water content of 80 ⁇ 3 ⁇ 4 ⁇ 85 ⁇ 3 ⁇ 4 ;
  • the extruder includes a screw extruder and a plunger or piston extrusion device having a similar function.
  • the process includes preliminary material processing, mixing of the substrate with other materials at room temperature, water bath heating, extrusion molding, and post-treatment of the product.
  • the process influencing factors include the temperature of the three sections of the extruder and the rotation of the screw extruder. Speed.
  • the process factor level includes a temperature of 50 ° C, 65 ° C, 80 ° C, and a rotational speed of 35 r / min, 40 r / min, and 45 r / min.
  • the single screw extruder is electrically heated in three stages in the entire extrusion process.
  • the heating section of the screw from the feed port to the discharge port is numbered as the first segment, the second segment and the third segment.
  • the temperature setting of the three sections is 50 °C,
  • the speed of the single screw extruder was set at 35r/min, 40r/min and 45r/min.
  • the maximum influencing factor on the density and compressive strength properties of the extruded product in the formulation is the ratio of glycerol, the maximum influence of mechanical parameters on the density and compressive strength properties of the extruded product, the product.
  • the factor is the temperature of the second stage of the single screw extruder;
  • the optimum level is that the three stages of the screw extruder are 65 ° C, 65 ° C, 80 ° C, and the rotational speed is 40 r / min;
  • the die of the screw machine discharge port comprises an "L"-shaped die, a "U”-shaped die, a square die, a rectangular die and a circular die, and the manufactured product is available.
  • the manufactured product is available.
  • paper corners paper channel steel, square paper poles and round paper poles.
  • the raw material in the present invention may be added with other crop orange stalk-like biomass powder materials in addition to pure waste paper fiber raw materials.
  • the object of the present invention is to overcome the problems of excessive addition of chemical materials, high cost, complicated process, long process and low strength of finished products as described in the background art.
  • the starch with a mass fraction of about 10% is sufficient for cross-linking between waste paper fibers, and the lubrication between the fibers, the molding of the materials and the continuous extrusion of the materials are relied on.
  • Non-toxic, harmless and cheap glycerin can be achieved without the need for other expensive chemical reagents to complete the continuous extrusion of the material, and the compressive strength is also greatly improved by the reduction of other chemical agents.
  • Waste paper fiber the corrugated cardboard after soaking for 5 hours is placed in a high-speed pulper, and after being slurried at a temperature of 25 ° C for 5 minutes, the slurry is then filtered to a water content of 85% for use;
  • step (4) the product obtained in step (4) is sent to a blast drying oven for drying, drying temperature is 50 ° C, dry daytime is 8h, until the finished product moisture content is below 10%, and Environmentally friendly biomass materials can be produced by leveling and strengthening.
  • Waste paper fiber white cardboard after soaking for at least 24 hours after repeated washing is placed in a high-speed pulper, and after being slurried for 5 minutes at a temperature of 23 ° C, the slurry is then filtered to a moisture content of 80%. ;
  • drying the product obtained in the step (4) is sent to a blast drying oven for drying, drying temperature is 50 ° C, dry daytime is 8h, until the finished product moisture content is below 9%, and Environmentally-friendly biomass materials and products can be produced by surface shaping and strengthening treatment.

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Abstract

一种采用连续挤出式加工技术生产环保生物质材料的方法，属于可降解环保生物质材料及其相关技术领域。通过将废弃的生物质纤维原料进行分离打碎处理，辅助以少量的马铃薯淀粉及甘油，经充分搅拌混合后进行水浴加热，再有螺旋挤出机或柱塞及活塞挤出机以一定频率一定温度加热挤出，通过模头连续挤出成型，烘干整形后即可成为一种轻质高强度的环保材料。该方法能够实现环保生物质材料的连续挤出式加工生产，可以优化生产流程，加工制备各种截面的制品，并可以节约生产成本。

Description

发明名称：环保生物质材料的连续挤出式加工技术 技术领域
[0001] 本发明专利涉及一种采用连续挤出式加工技术生产环保生物质材料和制品的配 方、 工艺参数及生产流程， 特别涉及一种使用废纸纤维原料挤出法连续生产纸 护角、 纸槽钢和生物质纤维板条等新型绿色环保生物质型材的工艺方法， 属于 可降解环保生物质材料及其相关技术领域。 背景技术
[0002] 近年来， 大量包装废弃物给我国带来资源浪费和环境污染， 人们的环保意识不 断增强， 国际上的包装行业越来越关注提高环境指标， 并提倡研发和使用新型 的节能、 可降解包装材料。 植物纤维、 淀粉等生物质材料是容易获取的可再生 资源， 具有价格低廉、 无毒无害、 密度小、 比强度和比模量高、 加工能耗小、 生态环境相容性好等优点。 其中的主要成分一木质素和纤维素每年以约 1640 亿吨的速度再生， 目前已经有国内外学者采用植物纤维缓冲包装材料制作发泡 缓冲材料， 对淀粉与各类植物纤维混合制作发泡缓冲材料的工艺及配方进行了 研究， 但主要集中于木塑复合材料的复合工艺及界面改性等方面。 生物质纤维 材料与树脂共混， 不能实现制品的完全降解； 其次， 模压成型属于间歇式生产 工艺， 不能实现型材生产过程的连续化。
[0003] 已有部分学者对可连续生产的生物质包装材料配方与工艺进行了研究， 获得了 二次纤维塑化处理的方法。 为瓦楞纸板二次纤维为主的生物质材料的挤出式加 工工艺过程提供了技术支持， 但却存在增塑剂及其他化学材料添加过多、 成本 高昂、 工艺复杂、 流程冗长及强度性能低的问题， 不利于工业化推广应用。 技术问题
[0004] 本发明的目的之一是进行配方材料的优化设计， 增加瓦楞纸板的废材， 即基材 的比例， 最大程度地减少增塑剂、 润滑剂等添加剂、 助剂的使用， 使用无污染 ， 绿色安全， 可降解， 廉价且易获取的生物质材料， 节约生产成本， 真正实现 纸质包装材料废材的可回收， 可重复利用。 [0005] 本发明的目的之二是进行工艺流程的优化设计， 减少加工步骤， 简化加工工序
， 最大程度地减少连续挤出加工吋间， 提高生产效率， 为企业增加生产效益， 使本工艺的工厂化生产成为一种可能。
[0006] 本发明的目的之三是提出对挤出产品的最大影响因素及其最佳水平， 通过控制 因素及水平， 来控制生产制品的性能。
[0007] 本发明的目的之四是优化材料性能， 使材料的抗压强度提高， 成为一种新型的 轻质生物质材料。
问题的解决方案
技术解决方案
[0008] 本发明的技术方案是将主原料充分浸泡后用碎浆机制成纸浆， 再将纸浆放入烘 炉进行适当脱水处理， 改变纸浆含水率。 根据实验配方依次将原料与试剂混合 ， 利用搅拌机均匀搅拌成非流态混合物， 并对非流态混合物进行水浴加热。 最 后将非流态混合物投入分段电加热的挤出机内进行挤出加工， 利用挤出机出料 口口模挤出成型的方式制备材料。
[0009] 本发明中， 所述主原料包括废弃瓦楞纸材， 纸板纸材等含纸纤维的废材， 废纸 的来源为各纸包装工厂加工后丢弃的废料， 以及多次回收利用的废纸、 废纸包 装箱等；
[0010] 本发明中， 所述淀粉为马铃薯淀粉；
[0011] 本发明中， 所述试剂为淀粉及丙三醇， 其中淀粉可在纸纤维间起胶黏作用， 丙 三醇则起到使纸纤维分子变柔软， 增加流动性、 可塑性的作用；
[0012] 本发明中， 所述实验配方按重量份计， 共 78份主原料， 11份的淀粉以及 11份的 丙三醇；
[0013] 本发明中， 所述纸浆含水率为 80<¾〜85<¾;
[0014] 本发明中， 所述的挤出机包括螺杆挤出机以及具备类似功能的柱塞或活塞式挤 出设备。
[0015] 本发明中， 所述工艺流程包括材料初步处理、 基材与其他材料在常温搅拌下混 合、 水浴加热、 挤出成型、 制品后期处理。
[0016] 本发明中， 所述工艺影响因素包括挤出机三个分段的温度以及螺杆挤出机的转 速。
[0017] 本发明中， 所述工艺因素水平包括 50°C， 65°C， 80°C的温度， 以及 35r/min、 40 r/min以及 45r/min的转速。
[0018] 单螺杆挤出机在挤出全过程中分三段进行电加热。 将螺杆由进料口至出料口方 向的加热段， 依次编号为第一段、 第二段以及第三段。 三段的温度设定有 50°C、
65°C、 80°C。 单螺杆挤出机的转速设定有 35r/min、 40r/min以及 45r/min。
[0019] 本发明中， 配方中对挤出产品的密度和抗压强度性能的最大影响因素是丙三醇 的比例， 机械参数中对挤出产品、 品的密度和抗压强度性能的最大影响因素是 单螺杆挤出机第二段温度；
[0020] 本发明中， 所述最佳水平是螺杆挤出机的三段温度分别为 65°C， 65°C， 80°C， 转速为 40r/min;
[0021] 本发明中， 所述螺旋机出料口的口模包括" L"形口模、 "U"形口模、 方形口模、 矩形口模和圆形口模， 制出的产品可用于生产纸护角、 纸槽钢、 方纸杆和圆纸 杆等。
发明的有益效果
有益效果
[0022] 本发明的有益效果： 以最优化的配方和工艺参数， 生产出制作纸护角、 纸槽钢 和纸板条的成型产品， 配方中无增塑剂、 硅烷偶联剂、 润滑剂等污染性高的添 加剂， 体现生物质材料无害无污染环保优势。 确定对挤出产品的最大影响因素 及其最佳水平， 达到控制生产制品的性能的目的。 以最优化的工艺流程设计， 减少加工步骤， 简化加工工序， 最大程度地减少连续挤出加工吋间， 提高生产 效率， 节约生产成本， 对自动化工业生产具有重大实际意义。
[0023] 本发明中的原材料除了纯粹的废纸纤维原料， 还可以添加其他农作物桔秆类生 物质粉末材料。
对附图的简要说明
附图说明
[0024] 图 1为本发明专利工艺流程图。 本发明的实施方式
[0025] 本发明的目的在于克服背景技术中所说的化学材料添加过多、 成本高昂、 工艺 复杂、 流程冗长及成品强度性能低的问题。 针对这些问题我们通过实验发现， 质量分数 10%左右的淀粉对废纸纤维之间的交联就足以起到极佳的作用， 而纤维 间的润滑、 物料的成型及保证物料的连续挤出依靠无毒无害且便宜的甘油即可 实现， 并不需要其他昂贵的化学试剂即可完成物料的连续性挤出， 同吋抗压强 度也因其他化学试剂的减少而得到了极大地提升。
[0026] 下面将结合具体附图和实施例对本发明作进一步详述。
[0027] 所述环保生物质材料的制备方法， 按重量份计步骤如下：
[0028] 实施例 1
[0029] (1)基体材料的初步处理：
[0030] 废纸纤维:浸泡 5小吋后的瓦楞纸板放入高速碎浆机， 在温度为 25°C下进行碎浆 5 分钟后， 然后把浆料滤水至含水率 85%备用；
[0031] (2)物料混合:取步骤 (1)制备的基体材料中的废纸纤维 78份、 马铃薯淀粉 11份、 甘油 11份常温下用固体搅拌机充分混合搅拌 15min， 搅拌速度为 20r/min ;
[0032] (3)水浴加热： 在温度 25°C、 相对湿度 50%环境条件下， 将混合后的物料在水 浴锅中进行水浴加热， 水浴温度为 85°C， 水浴吋间 30min;
[0033] (4)挤出成型:将步骤 (3)所得的混合物料通过螺杆挤出机及口模挤出型坯;螺杆挤 出机的三段温度分别为 65°C， 65°C， 80°C， 转速为 40r/min;
[0034] (5)干燥:把步骤 (4)制得的制品送入鼓风干燥箱中进行干燥， 干燥温度为 50°C， 干燥吋间为 8h， 直到成品含水率在 10%以下， 并进行平整以及强化处理， 即可制 得环保生物质材料。
[0035] 实施例 2
[0036] (1)基体材料的初步处理：
[0037] 废纸纤维:反复冲洗后浸泡至少 24h后的白纸板放入高速碎浆机， 在温度为 23°C 下进行碎浆 5分钟后， 然后把浆料滤水至含水率 80%备用；
[0038] (2)物料混合:取步骤 (1)制备的基体材料中的废纸纤维 78份、 马铃薯淀粉 11份、 甘油 11份常温下用固体搅拌机充分混合搅拌 15min， 搅拌速度为 15r/min ;
[0039] (3)水浴加热： 在温度 23°C、 相对湿度 55%环境条件下， 将混合后的物料在水 浴锅中进行水浴加热， 水浴温度为 85°C， 水浴吋间 30min;
[0040] (4)挤出成型:将步骤 (3)所得的混合物料通过螺杆挤出机及口模挤出型坯;螺杆挤 出机的三段温度分别为 65°C， 65°C， 80°C， 转速为 40r/min;
[0041] 使用" L"形口模、 "U"形口模、 方形口模、 矩形口模和圆形口模， 可挤出用于生 产纸护角、 纸槽钢、 方纸杆和圆纸杆等的材料。
[0042] (5)干燥:把步骤 (4)制得的制品送入鼓风干燥箱中进行干燥， 干燥温度为 50°C， 干燥吋间为 8h， 直到成品含水率在 9%以下， 并进行表面整形以及强化处理， 即 可制得环保生物质材料及制品。

Claims

权利要求书
一种采用连续挤出式加工技术生产环保生物质材料的技术方法， 其特 征是最佳配方按重量份计包括： 78份主原料、 11份的淀粉、 11份的丙 三醇； 最佳工艺参数水平包括： 螺杆挤出机的三段温度分别为 65°C， 65。C， 80。C， 转速为 40r/min; 配方中的丙三醇以及机械参数中的单螺 杆挤出机第二段温度对挤出产品、 产品的密度和抗压强度性能影响最 大。
生产流程为将主原料充分浸泡后用碎浆机制成纸浆， 再将纸浆进行适 当脱水处理， 使纸浆含水率符合试验要求。
根据实验配方依次将原料与试剂混合， 利用搅拌机均匀搅拌成非流态 混合物， 并对非流态混合物进行水浴加热。
最后将非流态混合物投入分段电加热的单螺旋挤出机内进行挤出加工 利用挤出机出料口口模挤出成型的方式制备生物质材料。
如权利要求 1所述主原料包括废弃瓦楞纸材、 纸板纸材等含纸纤维的 废材。
废材的来源为各纸包装工厂加工后丢弃的废料， 以及多次回收利用的 废纸、 废纸包装箱。
其比例按重量份计为 78份。
根据需要， 主原料中还可以添加其他农作物桔秆类生物质粉末材料。 如权利要求 1所述纸浆含水率为 80<¾〜85<¾；
如权利要求 1所述试剂为淀粉及丙三醇， 其比例按重量份计都为 11份
[权利要求 5] 如权利要求 1所述淀粉采用马铃薯淀粉， 马铃薯淀粉粘结性能好， 可 在纸纤维间的起胶黏作用；
[权利要求 6] 如权利要求 1所述的螺杆挤出机， 也可以使用类似的柱塞式或活塞式 挤出设备代替。
[权利要求 7] 如权利要求 1所述工艺流程包括材料初步处理、 基材与其他材料在常 温搅拌下混合、 水浴加热、 挤出成型、 制品后期处理。
(1) 材料初步处理： 将瓦楞废纸浸泡 5h后的废纸纤维放入高速碎浆 机中， 然后在温度为 （23±2) °C进行碎浆 5分钟后， 取出废纸纤维， 并把废纸纤维滤水至含水率 80<¾〜85<¾备用；
(2) 基材与其他材料在常温搅拌下混合： 取步骤 （1) 制备的基材 78 份、 淀粉 11份、 丙三醇 11份， 常温下充分混合搅拌 lOmin;
(3) 水浴加热： 在温度 （23±2) °C、 相对湿度 （50±5) <¾环境条件 下， 将步骤 （2) 所得的物料放入电热恒温水浴锅， 使其温度稳定在 8 5摄氏度， 持续水浴加热 30min， 即可制备混合物料；
(4) 挤出成型： 将步骤 （3) 所得的混合物料送入挤出机的进料口， 设定挤出机的三段温度为 65°C， 65°C， 80°C， 转速为 40r/min， 通过挤 出机出料口的口模挤出制品。
(5) 制品后期处理： 将挤出后的制品通过压制干燥， 进行平整以及 强化处理， 制成产品。
[权利要求 8] 如权利要求 1所述配方中对挤出产品、 产品的密度和抗压强度性能的 最大影响因素是丙三醇的比例， 机械参数中对挤出产品、 产品的密度 和抗压强度性能的最大影响因素是单螺杆挤出机第二段温度的大小；
[权利要求 9] 如权利要求 1所述最佳水平是螺杆挤出机的三段温度分别为 65°C， 65
°C， 80°C， 转速为 40r/min;
[权利要求 10] 如权利要求 1所述螺旋机出料口的口模包括" L"形口模、 "U"形口模、 方形口模、 矩形口模和圆形口模， 制出的产品可用于生产纸护角、 纸 槽钢、 方纸杆和圆纸杆等。
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