专利名称:变性秸秆材料及其用途的制作方法
技术领域：
本发明属于板材或包装材料领域，特别涉及到以农作物秸秆为原料的变性秸秆材料及其用途。
背景技术：
建材工业是资源消耗最多，破坏土地最严重，环境污染最突出的行业之一。据统计，全国每年用于装饰材料的金额为1500亿人民币，为了加快城市的建设，为了满足建材市场的需要，每年国家都要砍伐大量的树木，这对于森林覆盖面积低的我国来说更是雪上加霜。
随着经济发展，科学技术进步和人们生活水平不断提高，塑料制品的用量与日俱增。全世界每年有1亿多吨塑料是由石油合成的，其中我国的生产量约为500万吨。这些塑料制品，尤其是大量的包装用塑料和一次性塑料餐具在使用后被抛弃在环境中，在给景观和生态环境带来严重公害的同时，它还会带来一些深层次的影响。如漂浮在水中的塑料制品，给交通运输，水利水电设施的安全运行带来隐患；塑料包装废物混在土壤中影响农作物吸收养分和水分，导致农作物减产；进入生活垃圾中的塑料包装废弃物会加大生活垃圾处理难度；如果将垃圾堆肥，不仅分拣出其中的废塑料十分困难，而且会加大处理垃圾的成本，使得最经济的处理方法变得不合算。如果将垃圾填埋，由于废塑料长时间不降解，会长期破坏土壤的结构，影响农作物的生长。为了彻底解决发泡塑料餐具带来的污染，只有从根本上杜绝其使用。
我国森林覆盖率较低，木材短缺。利用木材解决上述问题是不现实的。而近年来农民多采用焚烧秸秆的办法来处理农作物秸秆，即浪费了资源又污染了环境，甚至给飞机的飞行安全造成了威胁。如何综合利用农作物秸秆，以成为一个突出的资源利用问题和环境保护问题，已经引起了人们的广泛重视。 综合开发利用农作物秸秆，可以实现变废为宝，既为农民分忧解难，也为我国建材业、装饰业的发展增添了新品种；同时为环境保护和航空安全作出贡献。
目前，在利用农作物秸秆生产环保型绿色建材板、绿色纤维板、绿色内包装材料、一次性餐具盒和绿色育苗器等过程中，需添加一些热固性树脂和甲醛。这样，不仅使胶料的费用占整个生产成本很大比例(60％左右)，难于在经济上与塑料制品和其他装饰材料相竞争；并且仍然造成环境的污染。因此，在农作物秸秆中不加胶料的生态环境材料，在经济上和环境上是很有吸引力的。不加胶料的生产方法可简化生产流程，节省拌胶工序和设备，降低生产成本；所生产的材料在自然界中完全可降解，可作为饲料，也可用作肥料，对环境无任何污染。而目前已有文献对此方面的报告是将秸秆先简单热处理，在热固化过程中，只能利用水解的糖液，不能利用木质素的粘合作用，纤维素性能也没有得到改善，因此生产出合成物成本高，性能不稳定，至今尚无工业化生产。
发明内容
本发明的目的之一是克服现有技术无法改善纤维素性能，生产出合成物成本低，且性能稳定的合格建材产品，用以替代作为建筑材料用的木材，提供一种以农作物秸秆为原料的变性秸秆材料。
本发明的另一目的是提供一种环保型变性秸秆材料的用途，在解决焚烧秸秆污染环境的同时，实现农作物秸秆残渣的综合利用，如加工成饲料或有机肥料，实现秸秆生物量全利用。
本发明从秸秆变性方法与热固化两个方面着手研究，基于秸秆与木材在化学组成和结构异同，提出了变性秸秆新概念。本发明一是通过秸秆变性手段解决天然秸秆不宜于加工的问题(仅水解糖胶粘差)；二是在热固化过程中控制一定的含水量使秸秆中纤维素的氢键重排，提高了材料机械强度；三是在不加任何胶料的情况下，将变性处理后的秸秆直接进行热固化处理，制备出生态环境材料。
变性秸秆是指秸秆经物理，化学或生物方法，改变了天然秸秆的结构和性能。秸秆中的半纤维素、木质素定向降解转化，纤维素的氢键重排，使之成为具有新性能的秸秆材料，便于加工成各类产品。
本发明变性秸秆材料是由以下方法获得的(1).对秸秆进行汽爆处理，制备出汽爆秸秆。使秸秆木质素的活性基团巨增，类似于多元酚特性，可作为天然黏合剂；而半纤维素降解为可溶性糖、脱水糖类、糠醛，可代替甲醛，与木质素交连反应；在汽爆过程中，纤维素本身不但未降解，反而提高了结晶度。
(2).不添加任何营养物，直接在步骤(1)的汽爆秸秆中接种降解木质素的黄孢原毛平革菌(Phanerochate chrysosporium)种子液，进行固态发酵处理，以便进一步分解秸秆中的木质素，使之形成苯酚类衍生物；其中，黄孢原毛平革菌种子液的加入量是变性秸秆重量的2-15wt％。
(3).不添加任何胶料，直接对步骤(2)的经固态发酵处理后的汽爆秸秆或直接对步骤(2)的经固态发酵处理后的汽爆秸秆与风干秸秆的混合物进行热固化干燥处理并成型，得到变性秸秆材料；其中，汽爆秸秆与风干秸秆的重量比为1∶1-1∶3。在热固化处理过程中，一定量水分子可破坏纤维素原有的坚固有序结构，使纤维素重新定位分布。根据生产生态环境材料的不同，可选用相应的热压模具进行成型。
所述步骤(1)的汽爆处理，是指先将秸秆粗切至20-30mm长，再装入汽爆罐，在压力为1.0-1.7Mpa下维压3-12分钟，瞬间减压释放即得汽爆秸秆。
所述步骤(2)的固态发酵处理，是常温下发酵3--15天。
所述步骤(3)的热固化干燥处理，是控制经固态发酵处理后的汽爆秸秆的含水量为10-25wt％，压力为1.0-1.5Mpa，温度为120--160℃，热压10-30分钟。
所述的秸秆是麦草、稻草、豆秸秆、高粱秆或玉米秆等。
本发明的环保型变性秸秆材料在选用不同热压模具时可生产出绿色建材板、绿色纤维板、绿色内包装材料、一次性餐具盒、绿色育苗器等产品；并且在自然界中完全可以降解本发明的产品。
本发明的生态环境材料在经济上和环境上是很有吸引力的。不加胶料的生产方法简化了生产流程，节省了拌胶工序和设备，降低了生产成本；所生产的产品在自然界中完全可以降解，既可作为饲料，也可用作肥料，对环境无任何污染；由于经过有效的变性处理，生产出的生态环境材料的强度被大大提高。
用本发明环保型变性秸秆材料制成的板材或包装材料具有质轻的特点，可代替木材和塑料制品，能应用于建材工业(绿色建筑板)、人造板工业(绿色纤维板)、包装工业(绿色内包装材料和一次性餐具盒)和农业工程(绿色育苗器)等。
本发明的材料不仅改善了产品性能，同时可避免由于大量秸秆的焚烧对大气造成的严重污染，其残渣可加工成饲料或有机肥料，实现了秸秆生物量全利用。
具体实施方式
实施例1.以变性稻草为材料清洁生产绿色建材板将粗切至20-30mm长的风干稻草装入汽爆罐，通入高压蒸汽，在1.3Mpa压力条件下维持10分钟，瞬间减压释放即得汽爆稻草。直接接种木质素降解菌黄孢原毛平革菌种子液，用量是汽爆稻草重量的8wt％；直接对汽爆稻草进行固态发酵，常温下发酵5天。将经过上述处理的稻草与风干稻草混合，二者比例为1∶1。采用常规热固化干燥方法，控制混合料的含水量为10wt％左右，装入建筑板模具中，在压力为1.2Mpa，温度为120左右℃，热压10-15分钟即制备出以变性稻草为材料的绿色建材板。所制备的绿色建材板强度及物理性能超过了英国Stramit板的标准，可作为城市高层建筑材料。实施例2.以变性稻草为材料清洁生产绿色纤维板将粗切至20-30mm长的风干稻草装入汽爆罐，通入高压蒸汽，在1.5Mpa压力条件下维持12分钟，瞬间减压释放即得汽爆稻草。直接接种木质素降解菌黄孢原毛平革菌种子液，用量是汽爆稻草重量的4wt％；直接对汽爆稻草进行固态发酵，常温下发酵3天。将经过上述处理的稻草进行热固化干燥，控制物料的含水量为20wt％左右，装入纤维板模具中，在压力为1.5-1.8Mpa，温度为150--170℃，热压5--10分钟即制备出以变性稻草为材料的清洁绿色纤维板。所制备的纤维板的强度及物理性能达到了中密度纤维板国家一级标准。实施例3.以变性玉米秆为材料清洁生产绿色内包装材料将粗切至20mm左右长的风干玉米秆装入汽爆罐，通入高压蒸汽，在1.0Mpa压力条件下维持3分钟，瞬间减压释放即得汽爆玉米秆。直接接种木质素降解菌黄孢原毛平革菌种子液，用量是汽爆物料重量的2wt％；直接对汽爆玉米秆进行固态发酵，常温下发酵5天。将经过上述处理的秸秆与风干玉米秆混合，汽爆秸秆与风干玉米秆的重量比为1∶2。采用常规热固化干燥方法，控制混合料的含水量为25wt％。选用不同包装模具，将混合料装入模具中，在压力为1.5Mpa，温度为160℃，热压30分钟即制备出以变性玉米秆为材料的清洁绿色内包装材料。所制备的内包装材料的强度及物理性能达到了国家规定的发泡包装材料的要求。实施例4.以变性稻草为材料清洁生产一次性餐具盒将粗切至20mm长的风干稻草装入汽爆罐，通入高压蒸汽，在1.7Mpa压力条件下维持10分钟，瞬间减压释放即得汽爆稻草。直接接种木质素降解菌黄孢原毛平革菌种子液，用量为汽爆物料重量的8wt％；直接对汽爆稻草进行固态发酵，常温下发酵4天。采用常规热固化干燥方法，控制混合料的含水量为10wt％，选用不同餐具盒模具，装入模具中，在压力为1.2Mpa，温度为120℃，热压15分钟即制备出以变性稻草为材料的一次性餐具盒。将热压后的半成品进行清边，再放入胶状防水剂中1-2分钟，取出把多余的胶水滴尽，最后烘干，紫外消毒、包装。实施例5.以变性麦草为原料清洁生产绿色育苗器将粗切至25mm长的风干麦草装入汽爆罐，通入高压蒸汽，在1.5Mpa压力条件下维持10分钟，瞬间减压释放即得汽爆麦草。直接接种木质素降解菌黄孢原毛平革菌种子液，用量为汽爆物料重量的2wt％；直接对汽爆麦草进行固态发酵，常温下发酵15天。将经过上述处理的麦草与风干麦草混合，汽爆麦草与风干麦草的重量比为1∶3，采用常规热固化干燥方法，控制混合料的含水量为25wt％，选用育苗营养杯模具，将混合料装入模具中，在压力为1.4Mpa，温度为160℃，热压5分钟即制备出以变性麦草为原料的绿色育苗器。所制备的绿色育苗器在土壤中6-8周部分降解，直接作为有机肥料。
权利要求
1.一种变性秸秆材料，其特征是该变性秸秆材料是由以下方法获得的(1).对秸秆进行汽爆处理，制备出汽爆秸秆；(2).直接在步骤(1)的汽爆秸秆中接种降解木质素的黄孢原毛平革菌种子液，进行固态发酵处理，以便进一步分解秸秆中的木质素，使之形成苯酚类衍生物；其中，黄孢原毛平革菌种子液的加入量是变性秸秆重量的2-15wt％；(3).直接对步骤(2)的经固态发酵处理后的汽爆秸秆或直接对步骤(2)的经固态发酵处理后的汽爆秸秆与风干秸秆的混合物进行热固化干燥处理并成型，得到变性秸秆材料；其中，汽爆秸秆与风干秸秆的重量比为1∶1-1∶3。
2.如权利要求
1所述的变性秸秆材料，其特征是所述步骤(1)的汽爆处理，是指先将秸秆粗切至20-30mm长，再装入汽爆罐，在压力为1.0-1.7Mpa下维压3-12分钟，瞬间减压释放即得汽爆秸秆。
3.如权利要求
1所述的变性秸秆材料，其特征是所述步骤(2)的固态发酵处理，是常温下发酵3--15天。
4.如权利要求
1所述的变性秸秆材料，其特征是所述步骤(3)的热固化干燥处理，是控制经固态发酵处理后的汽爆秸秆的含水量为1-25wt％，压力为1.0-1.5Mpa，温度为120--160℃，热压10-30分钟。
5.如权利要求
1所述的变性秸秆材料，其特征是所述的秸秆是麦草、稻草、豆秸秆、高粱秸秆或玉米秆。
6.如权利要求
1-5所述的变性秸秆材料的用途，其特征是该变性秸秆材料在选用不同热压模具时可生产出环保型绿色建材板、绿色纤维板、绿色内包装材料、一次性餐具盒、绿色育苗器。
专利摘要
本发明属于板材或包装材料领域，特别涉及到以农作物秸秆为原料的变性秸秆材料及其用途。该变性秸秆材料由以下方法获得(1)对秸秆进行汽爆处理，制备出汽爆秸秆；(2)直接在步骤(1)的汽爆秸秆中接种降解木质素的黄孢原毛平革菌种子液，进行固态发酵处理，其中，黄孢原毛平革菌种子液的加入量是变性秸秆重量的2－15wt％；(3)直接对步骤(2)的经固态发酵处理后的汽爆秸秆或直接对步骤(2)的经固态发酵处理后的汽爆秸秆与风干秸秆的混合物进行热固化干燥处理并成型，得到变性秸秆材料。用本发明环保型变性秸秆材料制成的板材或包装材料具有质轻的特点，可代替木材和塑料制品，能应用于建材工业、包装工业和农业工程等。
文档编号C12S3/00GKCN1412092SQ01136544
公开日2003年4月23日 申请日期2001年10月16日
发明者陈洪章, 李佐虎 申请人:中国科学院过程工程研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan