含纤维素的物质的制作方法

专利名称：含纤维素的物质的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1所述的生产含纤维素的物质的方法、根据权利要求15 所述的含纤维素的物质、根据权利要求16所述的生产复合材料的方法、根据权利要求21所述的复合材料和根据权利要求22所述的产品。所述方法可用于多种实际用途。例如，由谷物(例如玉米、黑麦、小麦、燕麦、大麦、 高粱、芸苔、水稻等及其组合)、切断纤维(棉花、亚麻、大麻等)的农场废物生产新建筑材料、不同人造器具、装饰材料、内饰、各种高抗性和坚牢度的面层等，这使得所述生产由于投入料的低成本而在经济上合适。
背景技术：
目前存在例如适于包装和建筑应用的多种已知有机来源的复合材料。尽管木纤维很常见，然而来自作物或谷物的其他天然纤维偶尔也用作纤维填料。US 2006043629A提出通过使用偶联剂，即官能性单体改性聚合物，以大豆基的生物塑料为基质加工天然纤维(例如草、稻秸、麦秸、工业大麻、菠萝叶纤维)来生产强化生物复合材料。此外就用官能性单体改性的大豆粉在工业应用例如反应性挤塑和注模方面的用途进行了阐述。US 2008/181969A解决了包含纤维素组分例如木纤维、秸秆、草和其他有机材料的复合材料的变色和结构(即化学或机械)降解，所述纤维素组分借助偶联剂与聚合物组分交联。所述偶联剂，例如接枝-马来酸酐聚合物或共聚物，具有能够在所述聚合物与纤维素组分内部或之间形成共价键的官能团。技术问题本发明的目的是提供生产含纤维素的物质的改进方法，提供所述含纤维素的物质和提供生产包含有机材料——优选来自高等植物(higher plant)——的原结构的高强度复合材料的方法，所述高等植物通过不同聚合物和/或所述聚合物的不同部分、官能团、侧链和/或其他部分之间的细胞内和细胞间结构连接形成其自然形式(例如茎)。

发明内容
本发明涉及由廉价有机原材料制成，优选由高等植物的茎部分、含有足量纤维素 (即高分子多糖或由β-1，4-连接的D-葡萄糖构成的葡聚糖)或甲壳质(由β-1，4-连接的N-乙酰基-D-葡萄糖胺构成的聚糖)的细胞壁或细胞膜制成的高强度复合材料及多种物品的生产。在本申请中，术语含纤维素的物质、投入料和/或复合材料也应包括含甲壳质的物质、投入料和/或复合材料，或者含纤维素与甲壳质的混合物的物质、投入料和/或复合材料。纤维素——地球上最常见的有机化合物——是构造为葡萄糖单元的聚合物链的分子式为[C6H7O2(OH)Jn的高分子多糖(聚糖)，其中η的范围从数百到数千。本发明可在无需使用令所述有机材料例如植物颗粒相互结合的外源聚合组分的情况下生产复合材料。在本发明的上下文中，术语外源指的是所述聚合组分并非源于所加工的有机原材料。所述生产含纤维素的物质的新方法的一个必要特征是使所述有机材料暴露于人工电磁场的有效区。生产可用于生产适于高强度产品的复合材料的含纤维素的物质的新方法包括至少以下步骤a)制备包含有机材料和液体内含物的投入料；和b)使所述投入料暴露于人工电磁场的有效区。根据优选实施方案，在制备过程中，投入料的天然形式以及其细胞内和细胞间结构的有机连接遭到破坏，直至生产出液体和/或浆状物质。此物质被进一步用作模塑砂 (molding sand)其以新的几何形状重塑，并且结构连接在此浆状体固化的同时恢复。固化的浆状体成为最终使用的物品。下文中，术语投入料用于指暴露于所述电磁场的起始物质或物质的混合物，而术语含纤维素的物质是指通过本发明的上述方法生产的产品。所述产品被认为是中间产品 (也称为产出料)，因为其还用于多种产品的生产。所述方法的要点在于以下事实在制备过程中，投入料的天然形式以及其细胞内和细胞间结构的有机连接遭到破坏，直至生产出均勻的液体和/或浆状物质。此含纤维素的物质被进一步用作模塑砂其以新的几何形状重塑，并且结构连接在此浆状体固化的同时恢复。固化的浆状体成为最终使用的物品。在本专利申请中，术语有机材料应理解为包含任何含纤维素的物质。优选地，所述投入有机材料包含纤维素分子混合的纤维。有利的是，所述有机材料来自高等植物，优选来自禾本科(Poaceae)真草类例如谷类作物或者来自棉花、亚麻或大麻或其混合物。使用谷类秸秆或稻秸的至少一种或其混合物作为所述有机材料已经在试验中获得了良好结果。优选地，在暴露于电磁场之前，在一个预处理步骤中将所述有机材料减小成小颗粒或者甚至浆体。优选地根据所述投入料的有机材料的类型和条件对所述材料进行预加工 /预处理。这些条件为水分、清洁度、不相关的天然或人工部分的存在、微生物群落、用于生成超细原纤维形式的胶束的纯投入料中纤维素的百分比。初步确定原纤维和将所述原纤维凝集成最硬纤维的纤维素之间的有机组分含量被证明是有利的。通常，含有凝集或成胶物质(例如果胶)的有机材料是合适的，但含有例如软木质或角质等更具疏水性的有机材料也是合适的。或者也可使用含有木素的有机材料。产品或所生产物品的基本特征或性质可通过改变这些及其他次生物质在所述含纤维素的物质中的相互关系来预先确定。所述有机材料的预处理包括浸渍，辅以机电、水力和超声暴露，以及煮沸、汽蒸和其他已知的处理植物原材料的方法。纤维素纤维的显著特征是几乎近似于钢的高耐断裂性，以及耐机械和物理暴露的变化的特性。对于所述有机材料为秸秆例如水稻或小麦或黑麦秸秆的情况，可使用PH值约为8或更高、更优选约8. 4或更高的液体用于浸渍，同时或者浸渍后进行机电暴露、水力暴露、超声暴露、煮沸、汽蒸或其组合。根据所需的含纤维素物质(即产出料)的性质和/或所述预处理准备过程，所述外源液体内含物(即由所述有机原材料自身提供的或源自所述有机原材料的液体内含物) 是足量的从而不需加入外源或额外的液体。在其最简单的实施方案中，所述液体内含物由水形成。然而，根据可制造性的需要和在晚些时候由所述复合材料构成的物品的特性，其他液体如有机溶剂或气体或其他流体也可适合作为液体内含物。然而，重要的是所述液体内含物与所述有机材料的合适关系是可实现的。对于水以外的液体，对于本发明的优选实施方案重要的是，在生产出所述含纤维素的物质之后，在必要时通过合适的方式过量的液体内含物是可提取的。根据预期用途和预定处理方法，所述液体内含物优选地包含溶剂，例如用于使所述有机材料成熟(mellow)。当均一的物质在新模子中固化时出现结构连接恢复的过程；这种过程实际上是η 个β-葡萄糖分子的剩余部分结合成聚合物式通常为[C6H7O2 (OH)Jn的分子化合物的过程。 已知每个剩余部分中有3个羟基基团[(OH)3基团]的葡萄糖分子的存在使得以下显而易见每两个葡萄糖分子剩余部分通过侧面的羟基基团从其中消去水分子而相互连接。因此， 当该物质脱水时，在均一物质中不经意间发生结构连接恢复，并导致其固化。试验已经表明，当暴露于电磁场有效区的投入料包含一定量的铁磁性颗粒时，所述含纤维素的物质(下文也称为产出料)的性质得以增强。根据本发明的优选实施方案，所述铁磁性颗粒的平均长度在约0. 3到约25mm的范围内，优选在约3-5mm的范围内，并且直径在约0. 1到约5mm的范围内，优选约0. 1到约 2.5mm。已经证明所述颗粒的直径和长度之间的比例为1 3到1 5特别有利。根据优选实施方案，所述颗粒是圆柱形的。基于本发明的教导，本领域技术人员会知晓所述铁磁性颗粒倚赖所述投入材料并可根据所述投入材料优化，从而所述大小可不在上述范围内。所述铁磁性颗粒的大小和形状可根据所述含纤维素物质的性质、其可加工性和/ 或其可生产性进行选择。因此其他大小的铁磁性颗粒也可适于实施本发明。试验已经表明，当所述铁磁性颗粒与所述投入料的比例为约1重量％到约20重量％时，会获得高质量的含纤维素的物质。所述投入料的液体含量为0到约40%。然而，在所述方法的其他实施方案中，可根据对所述含纤维素的物质的可加工性和/或其可生产性的具体需要选择其他比例。它们倚赖处理方法的类型(间歇或连续)以及实施所述处理方法的容器的容积。在秸秆作为投入料的优选实施方案中，2-区容器的工作容积为180毫升并且所述铁磁性颗粒的量为14克/区。所述颗粒的直径为平均250微米，长度为平均1500 微米。液体与投入料的比例为1-3。所述容器为连续型。暴露时间为最多20秒。所述铁磁性颗粒支持所述有机材料超细胞和亚细胞水平的分解，以及细胞内和/ 或细胞间结构的有机连接的断裂。铁磁性颗粒的搅动流化床带有电能，并较现有技术具有提高的容量以破坏全部范围的有机材料。通过机械压碎、破碎和/或研磨直至产生更均勻的含纤维素的物质。所述有机材料的分解是本发明的关键点。本发明方法的另一优点在于所述铁磁性颗粒的机械搅拌效果。所述铁磁性颗粒有助于所述液体内含物、所述溶剂(如果有的话)和所述有机材料的混合效果从而进一步提高所述含纤维素的物质的质量。所述含纤维素的物质构成具有广泛形状、形式和设计的多种复合物产品的基材。 所述复合产品可通过直接成形方法如铸造、模塑、压制或挤出生产，或通过对上述产品的后续机加工生产。所述电磁场的有效区位于至少两个通过约Imm到约5m、优选约50mm到约Im的缝
隙相互分离的线性电磁感应器之间。根据所述含纤维素的物质和/或所述复合物品必须满足的要求，在将投入料暴露于所述电磁场之前或在暴露期间将非记忆性的铁磁性颗粒即低强制性材料加入所述投入料中。根据将生产设定为分批模式的优选实施方案，非铁磁性混合容器可用作将所述投入料暴露于所述电磁场的过程中的容器。根据要求，所述混合容器可在所述感应器之间的整个距离上延伸从而产生在所述区的整个空间中的搅动的流化床。用于连续生产的其他容器或管路也适于实施本发明。在所述有效区中处理的投入料中存在非记忆性的铁磁性颗粒即低强制性材料在大规模操作——其中所述感应器之间的距离为约1米或甚至几米——中特别有利。对于所述感应器之间的如此大的距离，优选相应增加铁磁性颗粒的量。所述线性铁磁性感应器产生从相反方向朝向彼此的交变电磁场。在所述有效区中的每个点上，所述感应器激发共同的交变电磁场，所述电磁场具有围绕位于感应器之间的共同轴旋转的磁分量强度的圆形或椭圆形的速矢线。在所述轴的每一点上磁分量的大小等于零，但在每个其他方向和/或其他点上，磁分量上升至所述感应器中预定的幅值。试验证明在以下条件下获得良好结果在所述感应器之间的50mm缝隙的中心处的幅值为约0. 2泰斯拉(国际单位T)到0. 25Τ，在180ml容器中存在14g铁磁性颗粒，感应器之间的有效区为50X16h80mm，磁力为约0. 03T。所述投入料暴露于所述磁场的持续时间为约20秒。下面更详细地解释所述铁磁性颗粒在所述有效区中对所述有机材料颗粒的破坏性影响。所述铁磁性颗粒借助其磁分量A(A是磁场的矢量势)和B(B是磁场感应;A和B 通过式B = rotA相关)对细胞内和细胞间结构的影响通过所述有效区内的磁阻R的下降 (导致此有效区中的磁通量增加)而放大。术语rotA是指所述矢量势的旋度。所述铁磁性颗粒在每点i处Hi =常数的条件下增大磁力Bi从而增加gradA的有效值。gradA是指梯度A。根据所述投入料和所需的所述含纤维素的物质的特性，由至少两个电磁感应器产生的电磁场的磁力为约0. 01到约20T，优选约0. 01到约10T，最优选约0. 03T到约1. 2T。所述投入料暴露于所述电磁场的暴露时间取决于施加的磁力和处理的材料。当所述暴露的持续时间为约1秒到约3小时、优选约5秒到5分钟、最优选约20秒时获得了良好的结果，即具有良好性质的含纤维素的物质。所述含纤维素的物质的均勻性的程度可通过所述感应器的电参数来调节。在所述投入料的电磁处理完成后，所述含纤维素的物质即可用于生产复合材料和用于生产所述含纤维素的物质的所需产品。因此，依照本发明生产产品的技术和工艺包括至少以下基本步骤1.包括另外的制备技术的投入料和添加剂/改进剂(必要时)的初步制备；2.电磁暴露；3.通过固化和模塑的至少一种对所述含纤维素的物质进行后处理直至生产出产品(最终使用的物品)。术语产品包括成品，例如面板，以及半成品，例如分层构造的芯材、如夹心构造的芯材。对于后者，所述产品的某些性质可例如因为至少一层内衬与所述半成品粘合而得到改善。所述夹心构造的优点是可使产品具有不同的性质例如结构强度、轻重量构造、耐火性或其组合。根据所述产品的实施方案，一或数层或内衬可由金属、玻璃或碳纤维或网构成。
所述非有机纤维甚至可加入所述投入料中或者在晚些时候加入本发明的含纤维素物质中。或者/此外，所固化的复合材料可进行在本说明书的后面讨论的合适的表面处理。干燥和/或固化的过程是指从所述含纤维素的物质中提取过量的液体。当所述含纤维素的物质——例如通过在铸模或模子中固化——成形时，结构连接恢复的过程出现。 这种过程实际上是η个葡萄糖分子的剩余部分结合成聚合物式通常为[C6H7O2(OH)Jn 的分子化合物的过程。每个剩余部分中有3个羟基基团[(OH)基团]的葡萄糖分子的存在使得有助于所述剩余部分之间通过侧面的羟基基团从中消去水分子而形成连接。因此，一旦——例如对于水来说通过干燥——提取出所述含纤维素的物质中的液体，所述含纤维素的物质中的有机材料的结构连接恢复就发生，导致固化过程。对于使用水作为所述液体内含物的情况，所述脱水过程通过任一已知的合适技术在预定温度下进行。所述技术包括和/或结合压缩、挤出和过滤以及在鼓风机和其他干燥方法下的吸收、真空干燥、吹干、加热、照射、拍打、蒸发，包括例如自然风干。具体脱水方法的选择倚赖对方法和/或要模塑的物品的具体要求。根据所述含纤维素的物质的特性和/或对要用其生产的复合材料或产品的要求， 所述含纤维素的物质通过模塑、压模、注模的至少一种进行后处理。然而，用于生产所述产品的其他成形技术也可适用。对于通过压模进行后处理的情况，所述混合容器或其一部分同时成为所述模子的一半是可以想到的。因为常规模塑技术对本领域技术人员是已知的，因此省略细节描述。根据要求和可制造性，共同或依次进行模塑和固化操作。可进行进一步的后处理，例如以提高由所述复合材料制成的物品的耐湿性或耐水性，或增强所述物品对化学侵蚀环境的耐受性、耐微生物性，或使所述复合材料和/或所述产品具有基于特殊类型的抗性、特定颜色、特别气味或其组合的所需特性。为此目的，可将特定的改性剂和/或添加剂加入到所述投入料和/或所述含纤维素的物质中，然而再提取任何过量的液体内含物。根据需要，所述特定的改性剂和/或添加剂可用于使所述含纤维素的物质和/或所述复合材料特别均勻。应特别关注以下事实数种类型的植物细胞被包覆以或者含有化合物例如无机矿物质如硅酸盐或者有机矿物质例如草酸盐。可利用直接选择含有一定量所述化合物例如矿物质的有机材料，提供具有最终用户需要的某些性质的本发明的含纤维素的物质和复合材料。例如，通过选择原材料以及采用所述材料的能力，可获得或显著改善例如下面的性能特征导电性、导热性(即热传导性)、隔音性、耐潮湿变形的特性、耐化学和微生物暴露特性等。此外，如果所述含纤维素的物质不满足对所述复合材料的要求，可加入外源改性剂。具有预定性质(抗性、亲水性、对化学侵蚀环境的耐受性、微生物抗性、其他和/或特殊类型的抗性、颜色、气味等)的材料的生产，包括为消费者的喜好所需的材料的生产， 通过在脱水前向均一物质中加入特别的改性剂，和/或在制备均一物质的同时使用特殊的辅助技术进行固化来实现。现在，简单介绍进行表面处理的若干可能性。根据对由所述复合材料制成的产品的要求，可例如通过以浸渍例如借助浸没来涂覆一或多层涂层而获得某些特性。此外，具有特定颜色的涂层同样适用。上面描述中的所有说明同样适用于所述含纤维素的物质、用于生产所述复合材料的方法、所述复合材料本身及由其生产的产品。
实施例选择谷物的茎部分作为有机原材料。优选地，去除所述作物的穗。优选地，在收割后获取秸秆。在此实施例中使用小麦秸秆。通过剁碎秸秆的茎对秸秆进行预处理，直至秸秆碎片的平均大小为约5-7毫米， 将所述碎片与水混合并浸泡，直至所述投入料中的有机颗粒的平均直径为约0. 8-lmm。在此实施例中，将水性混合物的PH值调节至大于8. 4并浸泡1. 5-2小时。在其他实施例中，浸泡时间缩减为1. 5-2分钟。1份水加入3份秸秆中(重量/重量)。在浸泡后，含有所述秸秆物质的投入料倒入要置于两个感应器之间的有效区中的用作混合容器的不锈钢容器中。将14g平均直径为250 μ m、平均长度为1500 μ m的圆柱形铁磁性颗粒加入所述容器中的秸秆-水混合物中，然后将所述含纤维素的物质暴露于每点i处& =常数的电磁场以增大磁力Bi,从而增加gradA的有效值。产生交变电磁场从而其穿透所述混合容器中的感应器之间(缝隙宽50mm)80cm3 的有效区。所述磁场提供在所述感应器之间的空间内除中心轴外的任意i点处形成圆形和 /或椭圆形的速矢线的磁分量矢量，从而使Bi= μ *Hi;其中ClivBi = O,因此TOtAi = Bitj所述磁分量的强度在所述中心轴的任意j点处等于0并且满足条件Hj = 0、Bj = 0和TOtAj =0。因此，在所述交变电磁场内产生幅值为A^jIjAi的磁场的矢量势A的活动，从而gradA 在所述感应器之间的空间中实现。施加测量值为约0. 3T的磁力。将所述投入料暴露于所述交变磁场20秒。所述电源的频率为50Hz。当施加所述磁场时，所述铁磁性颗粒剧烈地搅动所述容器中的投入料。在此过程中，在所述容器内的不同i点处，每个铁磁性颗粒均由于其与不同的强度矢量Hi的速矢线的相互作用而发挥微型搅拌器和微型研磨机的作用。在所述投入料对所述电磁场的暴露结束后，具有所述有机材料的平均粒径的颗粒留在不小于Iym的含纤维素的物质中。然而，所述磁处理确保了所述投入料的充分分解， 从而足够多的细胞以及细胞内和细胞间结构被破坏。然后，将所述含纤维素的物质从混合容器转入布氏漏斗形式的模子。使用吸滤来增加过滤速度，然后将所述含纤维素的物质搁置干燥从而剩余干燥的固体复合材料片。在此实施例中，所述蒸发过程包括过滤和自然干燥相结合的方法直至所述复合材料的质量在 30°C的温度下恒定。通过重量测量方法控制干燥直至所述样品产物经过结构和强度试验。
权利要求
1.一种生产含纤维素的物质的方法，所述方法包括以下步骤制备含有至少一种有机材料和液体内含物的投入料；和将所述投入料暴露于电磁场的有效区。
2.权利要求1的方法，其中所述投入料包含多个铁磁性颗粒。
3.权利要求2的方法，其中所述铁磁性颗粒的平均长度在约0.3到约25mm的范围内， 优选在约3到约5mm的范围内，并且所述铁磁性颗粒的平均直径在约0. 1到约5mm的范围内，优选在约0. 1到约2. 5mm的范围内。
4.权利要求2或3的方法，其中所述铁磁性颗粒具有约1 3到1 5的直径与长度比，并且优选为基本圆柱形。
5.权利要求2-4任一项的方法，其中所述铁磁性颗粒与所述投入料的比例为约1到约 25重量％，优选约10-15重量％。
6.权利要求1-5任一项的方法，其中所述有效区产生于形成从相反方向朝向彼此的电磁场的线性电磁感应器之间，其中所述感应器优选地激发共同的交变电磁场，所述电磁场具有围绕位于所述感应器之间的共同轴旋转的圆形或椭圆形的磁分量强度速矢线。
7.权利要求6的方法，其中所述电磁感应器彼此分开Imm到约5m、优选约50mm到约Im 的距离。
8.权利要求6或7的方法，其中电磁感应器的磁力为约0.01到约20泰斯拉，优选约 0.01到约10泰斯拉。
9.权利要求1-8任一项的方法，其中所述暴露的持续时间为约1秒到约3小时，优选约 5秒到约5分钟，最优选约20秒。
10.权利要求9的方法，其中所述有机材料包含纤维。
11.权利要求9或10的方法，其中所述有机材料来自高等植物，优选选自禾本科 (Poaceae)真草类，特别优选谷类作物，以及棉花、亚麻或大麻或其混合物。
12.权利要求11的方法，其中所述有机材料来自谷类秸秆或稻秸的至少一种。
13.权利要求1-12任一项的方法，其中所述液体内含物包括水和溶剂的至少一种。
14.权利要求1-13任一项的方法，其中所述有机材料通过下述方法的至少一种进行预处理在pH为约8、更优选大于8、最优选大于8. 4的液体中浸泡，机电暴露，水力暴露，超声暴露，煮沸，汽蒸。
15.一种含纤维素的物质，由权利要求1-14任一项的方法生产。
16.生产包含权利要求15的含纤维素的物质的复合材料的方法。
17.权利要求16的方法，其中将至少一种添加剂或改性剂加入到所述投入料或所述含纤维素的物质的至少一种中。
18.权利要求16或17的方法，其中所述含纤维素的物质被均质化。
19.权利要求16-18任一项的方法，其中通过模塑、压模、注模的至少一种对所述含纤维素的物质进行后处理。
20.权利要求19的方法，其中通过干燥和固化的至少一种提取过量的液体内含物。
21.一种复合材料，根据权利要求15-20任一项的方法生产。
22.—种产品，由权利要求21的复合材料生产。
23.权利要求22的产品，以浸渍——例如通过浸泡——来包覆。
24.权利要求22或23的产品，包括至少一层与经后处理的含纤维素的物质粘合的内衬。
全文摘要
本发明涉及一种生产包含有机材料的含纤维素的物质的方法，所述方法包括以下步骤a)制备含有有机材料和液体内含物的投入料；和b)将所述投入料暴露于电磁场的有效区。还公开了生产基于所述含纤维素的物质的复合材料的方法以及由所述复合材料生产的产品。
文档编号C08J3/28GK102239210SQ200880132212
公开日2011年11月9日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者瓦迪姆·高基柴夫 申请人:瓦迪姆·高基柴夫