专利名称:由纤维木素原料制取合成物的生产过程的制作方法
本發明論述了一種由甘蔗渣、高梁捍、玉米桿、向日葵、亞麻桿等，及其它含糖的非木本繊維木素原料製取合成物(Composite Products)的生産過程。
更明確地，本發明有闗利用含糖的繊維木素原料如甘蔗渣、玉米桿、高梁、向日葵、亞麻桿等，不必加添膠合劑製造合成物，此一製造方法是利用繊維木素中的游离糖份当作膠合劑(Bonding agent)和填充劑(Bulking agent)而成的。
本發明的獨到之处在於不必另加添任何膠合劑就能以上述原料製取合成物。
在傅統的甘蔗渣板生産過程中，我們要加入一些熱固性樹脂，如酚醛膠、尿醛膠，倘若生産室外級人造板或塑合板(Particleboard)，則要用較昂贵的酚醛膠。在人造板的成本中，膠料的费用占很大的比例。因此，不添加膠料的人造板在經劑上是很有吸引力的。此外，不加膠的生産工艺簡化了生産流程，省掉了拌膠工序和拌膠設備降低了生産成本。由於經濟上和技術上的原因，人們非常欣赏不加膠的合成物生産工艺。
在傅統的甘蔗渣板(Bagasseboard)製造過程中，我们要除去蔗渣中的蔗髓和殘留的糖份這是得到的優質板的基本條件，蔗髓與真繊維比較起来，它很短，是一種薄壁細胞，含糖量高，因為它呈絨毛状，所以它不能增加板的强度，尤其是在使用液體膠時蔗髓將吸收過量的膠料，它像海棉一樣吸水，如果不將甘蔗板中之蔗髓除去，板子的膨脹率就特别高。蔗渣一般含有2-6%殘留糖份，其数量取决於甘蔗的品種，生长期，收割方式以及製糖廠的榨糖收率。在加工以前，若不除去蔗渣里的残留糖份，则在造板過程中或者在使用板材時就會出现一些不良後果。在化学性質上糖類也許與熱固性樹脂的膠合劑不相融洽。可能會干擾膠合作用，導致人造板的性能劣化。如果不對殘留糖份進行化學處理或者在热壓過程中把它轉化為其他物質那末在潮濕條件下，甘蔗板裡殘留糖分就會發酵，散發出一種惡嗅的氣味，進行化學和生物降解，因而縮短了甘蔗渣板的使用寿命。
所以，如果想以甘蔗渣生産優質的人造板，除掉蔗髓和脱糖過程是必需的，這些操作不但增加了生産成本，而且使生産过程繁琐化了。
本人的发明不必添加膠合劑，也無需去除蔗髓和殘留的糖份，也能生産甘蔗渣板，例如建築用板、家具板，膠合木和合成物。糖份可以作為膠合劑和填充劑。這個發現恰恰與現行的傅統製造蔗渣板的過程相反。
根據本發明，生産過程只需将甘蔗渣或其它含糖的繊維木素原料加以乾燥和體解處理，而經處理后的原料能够全部或部份地与它的繊維木素原料相混合成型，不必添加膠合劑，但可添加小部份酸性的催化劑在一定的壓力下，温度180℃度左右，經過一段時間，熱壓成型為合成物。
將含糖的繊維木素原料經體解處理的主要作用是能得到成胚與热壓成型的方便，其次是减低繊維木素角質(Cutin)表皮在膠合作用中的不良影響，無膠的製板方法與傳統工藝相反，因傳统的蔗渣板製造工藝需要多量的膠合劑，如果繊維木素原料，經體解處理變成微小的顆粒，则顆粒愈小，需膠量愈多，但是無膠製板法並不受此一限制，粉碎顆粒愈小，製板效果反而愈好。因成胚易，均匀，緊密度高，且流送性質好，製成品表面光滑细緻堅强。
本人能把甘蔗渣和其它繊維木素原料中的由離糖份當作内在的天然膠合劑和填充劑。在熱壓成型時，它將融溶，並將這些原料膠結在一起。因此成型後的合成物具有理想的强度和抗水性。繊維木素原料含糖量愈高，则合成物的性能就愈好。
本發明的膠結反應，尚未完全了解清楚。但是我們知道，在酸和碱两者的作用下糖類分子被降解失水，形成低分子量的化合物，如果在130-170℃温度下，並且加压弱酸或水份，能與糖起反應形成大约20%，甲基糠醛(Hydroxymethyl-furural)那麽在類似的條件下糖類也能産生其它的糠醛衍生物，這些衍生物是很活潑的。在高温下，它們能進一步轉化為不溶解也不熔融的聚合物。
這可以認為本發明的膠結反應包括上述所有的或者部份的反應，也可以推测本發明聚合的膠合劑和填充劑是含有呋喃(Furane)的碳水化合物之脱水産物，而該化合物必然含有羟甲基糠醛。
本人已經發現利用本發明生産之甘蔗渣板、玉米桿板、高梁桿板等其物理機械性能起碼比得上甚至優於目前使用合成树脂膠所膠結成的甘蔗渣板。
在下列實例中將詳細阐述本發明的具體内容實例1以製糖廠得到乾燥的甘蔗渣，它含有7.2%(重量)水溶性物質，其中4.6是還原糖(如葡萄糖)，進一步的分析表明甘蔗渣含有70%(重量)真繊維和30%蔗髓。
甘蔗渣被錘式粉碎机粉碎後，得到兩種大小的顆粒，通過16.目泰勒篩的顆粒用作人造板的面層，大於16.目的颗粒用作芯層。将此二種顆粒铺成三層板胚，面層和芯層占板胚絕乾重量比為1∶1，在温度235℃，压力为2.8MPa热压12分钟，由此板胚得到比重为0.72尺寸500×500×11.1毫米的人造板，板子的乾抗彎强度为19.3MPa，濕抗彎强度8.6MPa濕抗彎强度是用試样在沸水中浸泡兩小时，然后在冷水中冷却在潤湿的狀態下測定温膠結强度，此項沸水浸泡試驗是加拿大室外級酚醛膠，楊木華孚板(Waferboard)CAN 3-0188-2M78(Phenolic poplar Waferboard)標準所需要的試驗項目，此乾濕抗彎强度的最低標準分别為14MPa，及7MPa。
在熱壓過程中，曾觀察到水份蒸發和其他物質的揮發而使板材重量减低，板材重量损失高達8.4%，比板胚原含水量3.8%為高，此額外重量損失是由於在高温下進行之化學反應，最後分析此蔗渣板僅含0.7%還原糖，此含量較商業品的蔗渣板要低。
實例2以甘蔗分離機得到甘蔗的外皮(Rind)，此分離機是將包含在鬆軟多糖的内部蔗髓(Pith)與外部硬甘蔗皮(Rind)分离開來的機械，這種甘蔗皮含有28.6%水溶性物質和17.3%的還原糖，因為這些糖通常是不從蔗皮裡面浸提出來的。
甘蔗皮含有80%的真繊維和未被榨取糖份及未被破碎，其機械强度比傳統的蔗渣好，將其切成寛度和厚度均為1.5至3.2毫米的細條，長度為15至300毫米，含水率為5%，定向排列熱壓成型為比重0.65，尺寸為38×50×2650毫米的合成木材，熱壓温度為225℃，压力为3.4MPa，时间为30分钟，合成木材的干湿抗弯强度分别为31.6MPa，及18.6MPa。
實例3由甘蔗分離機得到的新鲜甘蔗外皮，在沸水中浸泡不同的時間，以便除去糖份，三組甘蔗外皮分别經受5、10、30分鐘的沸水浸泡處理，第四組甘蔗外皮不經過沸水處理，作為對比試驗，沸水浸泡以後將此甘蔗外皮乾燥到含水率為8%，然後經過錘式粉碎機成為±20.目的顆粒，化學分析的結果表明殘留的糖量是與沸水浸泡時間成反比的，同時也得到了水溶性的物質與還原糖之間的綫性关係。表1列出了蔗皮經沸水浸泡處理的結果。
表1 沸水浸泡處理後的四組甘蔗皮的糖含量
＊此含量是按甘蔗外皮繊維的絕乾量計。
利用每一组甘蔗外皮碎粒，在不同的温度下(180、210、240℃)不同的熱壓時間(10分、20.分鐘)下壓力為3.4MPa，制成六塊比重大約為0.7尺寸為500×500×11.1毫米的人造板。熱壓前板胚面層的含水率約為8%，芯層約為3%，48塊板的試驗测定結果列於表2表2列出的這些試驗結果，表明甘蔗外皮含糖量的增加，板子的性能則得到改進，熱壓温度越高，熱壓时间愈長，也會提高板的性能。甘蔗皮板具有緻密，表面光滑，深棕色的特點，板型稳定性好，特别是那些含糖量高的甘蔗外皮在较高温度下制成的板子，它们的板型稳定性要比一般條件下制成的板子好得多。
實例4這個例子敍述了甘蔗渣與其他繊維木素原料混合製成人造板的情况。
含有大约19.0%還原糖的甘蔗皮，經過錘式粉碎以後，通過20目的泰勒篩。這些甘蔗皮碎粒與相同大小的楊木碎片以70∶30的重量比相混合。然后舖成板胚，在235℃，2.8MPa壓力下，熱壓10分鐘，得到比重為0.72的500×500×11.1毫米的人造板。這些板子的靜態彎曲试验表明干，湿抗弯强度分别為18.2MPa，及8.1MPa，内膠結試驗得出垂直抗拉强度卽内膠結强度為390KPa，所有這些試驗值都超過了加拿大CAN3-0188-2M78華孚板(Waferboard)標準的最低允許值。
實例5這個例子敍述了用其他含糖的繊維木素原料也能得到相同的結果。
含有大約18%還原糖的高梁桿，先被乾燥到含水率為3%然後經過錘式粉碎機通過20目的篩子體解，用此原料在實例4中敍述的相同條件下，熱壓成型，得到比重為0.75，500×500×11.1毫米的人造板。强度試驗結果表明干抗彎强度為18.5MPa，濕抗彎强度為9.2MPa，内膠結强度為480KPa。
含有大約12%水溶物和大約7%還原糖的玉米桿先被乾燥到含水率為3%經過錘式粉碎機通過20目篩子體解，利用此體解后的原料在實例4敍述的條件下，熱壓成型得到比重為0.82，500×500×11.1毫米的板子，强度試驗表明這種人造板的乾抗彎强度為14.3MPa，濕抗彎强度為7.4MPa，内膠結强度為320KPa。
實例6本例闡明添加少量的酸性催化劑，可以使含糖的繊維木素在熱壓成型時糖份的化學變化，熱固化和聚合作用成為膠合劑，增快速度或可以使熱壓成型時的温度降低和熱壓時間縮短。
以含有10.2%還元糖的甘蔗皮細粒(小於16泰勒篩)喷添0.25%以蔗皮重量為準的硫酸，另一同样的蔗皮細粒則混加0.5%的氯化銨(NH4CL)粉末，同時另一蔗皮細粒不添加任何催化劑，此三種蔗皮細粒以同样熱壓條件製造三個蔗皮板，其熱壓温度為180℃，压力为3.4MPa熱壓時間為8分，三板的比重都在0.70左右，其物理性能由試驗取得列表如下
表3 酸性催化劑對蔗皮板性能的影響處理 彈性强度 抗彎强度(MPa) 内膠結强度 膨脹率(GPa) 乾濕 (KPa) (%)蔗皮板1 5.06 19.3 9.4 585 10.2(0.25%H2SO4)蔗皮板2 4.88 18.7 8.6 540 14.7(0.5%NH4CL)蔗皮板3 3.93 15.7 0 385 D(0)D试样在沸水中分散以上表可以明顯看出酸性催化劑的功用，使糖份固化聚合作用增速，以达到熱壓成型時温度和時間縮短，提高本發明的經濟價值。
权利要求
1.由含糖的纤维木素原料，不必添加膠合剂，制造合成物(Composieproducts)的生产过程首先将原料体解成颗粒状、纤维状、束状或者片状，然后乾燥可添加由0.1到10%以含糖的纤维木素原料重量为准的含酸或生产含酸物的催化剂，将其铺成板坯在温度180℃左右，经过一段时间的热压成型得到合成物，利用糖份就位形成膠合剂使内含的游离糖份和水溶性物质，由热压引起的聚合作用(Polymerizatinn)形成不溶，不融的交联(Crosslinked)聚合物，作为膠合剂和填充剂，而能有高度抗沸性和防酸性。
2.根据权项1，其中含糖的纤维木素原料是甘蔗渣、高梁杆、玉米杆、向日葵杆、亚麻杆和其它含糖兴水溶性物质的草本植物。
3.根据权项1，其中此含糖类(Sugars，Carbohydrates，saccharides)为游离糖份是易溶于水，易于抽提，易于转变兴受热硬化而成不溶，不融性的膠合剂和填充剂。
4.根据权项1，其中的纤维木素原料里所含的糖份和水溶性物质经高温180℃左右起化学转变和受热硬化(Thermoset)而成不溶，不融性的膠合剂和膨胀剂。
5.根据权项1，其中热压成型的温度是180℃左右或更高温度。
6.根据权项1，其中遗留在合成物里的糖份和水溶性物质已经受热压时化学变化和重量损失而大量减低。
7.根据权项1，其中含糖的纤维木素植物原料是经过体解再兴其他纤维木素兴非纤维木素原料相混合而制成合成物。
8.根据权项1，其中糖份，水溶性物质和髓心，可全部或部分残留在纤维木素植物原料中。
9.根据权项1，其中含糖的纤维木素植物原料可经过体解处理得到很微小的颗粒或纤维，使制成的合成材有很大强度，很高耐水性兴光滑细密的表面。
10.根据权项1，其中的合成材是建筑用板材、家具用板材、合成材、高压薪材或其他模型材合成物均有高度耐沸和防酸性。
11.根据权项1，其中所添加的催化剂为酸性的催化剂。
专利摘要
现介绍一种由纤维木素材料如甘蔗渣、高梁杆、玉米杆、亚麻杆等作原料，利用此原料中的游离糖分作为胶合剂和填充剂，制取合成物的廉价生产过程。含糖的纤维木素原料全部或部分地与其它纤维木素材料相结合，不必另外添加胶合剂，但可添加少量酸性催化剂，在一定的压力下，温度180℃左右，经过充分的时间热压成型，就能得到一种合成物。因纤维木素里的糖分当作热固性胶提供胶合和填充作用，故此合成物具有较高的强度及良好的板型稳定性。若纤维木素原料含糖越高，则合成物的性能就越好。
文档编号B27N3/00GK85101499SQ85101499
公开日1987年1月31日 申请日期1985年4月1日
发明者沈国镇 申请人:沈国镇导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan