一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料，该材料的高锰酸钾值为80～100；其制备方法为：S1、在竹类植物原料中加入对绝干原料量8～10%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:3～4；S2、通入蒸汽进行加热，加热升温至温度为110～125℃时保温50～60分钟。本发明的有益效果是：本发明的高性能纤维材料，以竹类植物为原料，通过除有机溶剂制浆以外的方法进行制备，在制备过程中通过降低蒸煮液用量，缩短蒸煮的时间，制备出高性能的竹纤维材料。化学药液用量的减少以及蒸煮时间的缩短都会降低企业的生产成本，而得到高得率的高性能竹纤维材料。
【专利说明】一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]通常认为造纸及溶解用纸浆是利用木材生产，所述溶解用纸浆指纤维素纸浆，是指日后可以用所述纤维素纸浆制作成纤维的纸浆。但随着木材资源不足，人们试图利用非木材植物纤维等原料制造纸浆。
[0003]所使用的非木材植物类有桑树韧皮、大麻、棉、马尼拉麻等。目前用植物纤维生产纸浆的方法有化学法、机械法、化学机械法。化学法制浆是借助化学作用，通过除去植物纤维原料中的某些成分，是原料离解成浆，是一种应用最广泛的制浆方法。在化学蒸煮中又分石灰法、烧碱法、蒽醌-烧碱法、硫酸盐法、亚硫酸盐法蒸煮。
[0004]中国专利2007101296351公开了一种以禾草植物为原料制备的高硬度浆及其制备方法，其以禾草植物为原料，采用亚硫酸氨法、蒽醌-烧碱法、硫酸盐和亚硫酸钾法制备高硬度浆。
[0005]中国专利200510108294.0公开了一种利用竹子生产纤维素纸浆的方法及其纸浆，其采用的是蒽醌-烧碱法制备竹纤维纸浆，减少药品和能源的消耗，漂白过程中尽可能减少所产生的二氧芑等有害物；在预水解过程中所生产的半纤维素能生产木糖。
[0006]但目前并没有与制备高得率高性能竹纤维相关的工艺。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种降低蒸煮液用量、缩短蒸煮时间、降低生产成本、高得率的以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料及其制备方法。
[0008]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料，该材料的高锰酸钾值为80?100。
[0009]优选的，所述的高锰酸钾值为85?95。
[0010]所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，它包括以下步骤:
51、在竹类植物原料中加入对绝干原料量8?10%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:3?
4；
52、通入蒸汽进行加热，加热升温至温度为110?125°C时保温50?60分钟，得到竹纤维材料。
[0011]所述的步骤SI中，在向竹类植物原料中加入氢氧化钾溶液之前，还包括对竹类植物原料进行浸溃的过程，浸溃处理采用的方式为:将浸溃液浸溃竹类植物原料，使料液比达到1:3?4，在常压下于85°C以上于螺旋浸溃器中保温和混合50分钟以上。
[0012]优选的，将浸溃液浸溃竹类植物原料，使料液比达到1:3?4，在常压下于85?95°C之间于螺旋浸溃器中保温混合50?80分钟。
[0013]所述的浸溃液为碱溶液或碱溶液与黑液的混合液,所述碱溶液为对绝干原料量8?12%的氢氧化钾溶液，所述黑液的浓度为8?10° Β? (20°C)。
[0014]所述的步骤S2中，在加热升温时将所述的竹类植物原料放在蒸煮器中，所述蒸煮器为蒸球、立式蒸煮锅或连续蒸煮器。
[0015]所得到的高性能应用型竹纤维材料的得率为60?72%。
[0016]竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。
[0017]本发明具有以下优点:本发明的高性能纤维材料，以竹类植物为原料，通过除有机溶剂制浆以外的方法进行制备，在制备过程中通过降低蒸煮液用量，缩短蒸煮的时间，突破了竹子致密、皮厚处理困难的技术瓶颈，实现了化学与机械优势的互补，使纤维得率提高到了 70-85%，生产出了高强度、高得率、高品质清洁纤维,使竹纤维性能接近并局部超过了针叶木纤维制备出高性能的竹纤维材料。化学药液用量的减少以及蒸煮时间的缩短都会降低企业的生产成本,而得到高得率的高性能竹纤维材料。
[0018]利用低碱、无硫生产工艺，在生产过程中将无二氧化硫、二噁英等有害物质的产生，生产出不含二氧化硫、二噁英等有害物质的高性能生物质竹纤维新材料，可以杜绝生产过程中臭气的产生及减少COD排放量达70%以上。现有技术中蒽醌的加入可以减少蒸煮时间，保护纤维素及半纤维素，但是会加深脱木素，而本发明要求尽量保留一定量的木素，故蒽醌的加入不适合本发明所要达到的技术效果。
[0019]本发明利用钾法低温分离技术提取高得率、高强度竹纤维材料，生产的高性能竹纤维材料打浆度为16?25° SR，裂断长为5.1m,耐折次数为65?80次，白度为22?25%IS0，所制备的以竹类植物为原料制备的高性能竹纤维材料的质量超过了现有的阔叶木浆，部分指标甚至还超过了针叶木浆的质量，采用本发明生产的高性能竹纤维材料制成的纸张抗张指数> 50N*m/g，撕裂指数> 7mN*m2/g,同时有效保护了竹纤维的原有抗菌、抑菌性、除螨的特性。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述:
一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料，该材料的高锰酸钾值为80?100，优选为85?95。
[0021]所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法包括以下步骤:
51、在竹类植物原料中加入对绝干原料量8?10%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:3?
4；
52、通入蒸汽进行加热，加热升温至温度为110?125°C时保温50?60分钟，得到竹纤维材料。
[0022]所述的蒸煮方法所用的蒸煮药液少，不含硫化物，蒸煮和保温的时间短，是一种既经济又环保的蒸煮方法。
[0023]蒸煮过程是制浆的关键步骤，由于木材与竹材原料的组织结构、微观结构、化学组成以及木素分子结构等均有差异，因此，在蒸煮过程中脱木素反应历程也有很大的差别。对于竹类原料烧碱法蒸煮脱木素反应历程，包括升温和保温两段。
[0024]蒸煮的过程一般包括三个过程:1、蒸煮液向原料内部渗透的过程。2、碱液与原料起化学反应的过程；3、反应物从原料中溶出的过程。此三过程既分阶段，又几乎同时交叉进行，根据不同材料的需要，适当的除去原料中的木素和杂质，使纤维之间的结合力下降，促使纤维离解成浆。因此，蒸煮的目的在于利用蒸煮液的作用，适当地除去原料中的木素，尽可能保留纤维素和半纤维素以利于造纸。在蒸煮过程中，由于高温蒸煮以及化学蒸煮药液的作用，原料中的木素、纤维素和半纤维素以及其他成分均会发生一定的化学变化，受到不同程度的降解和损伤。
[0025]针对竹类植物纤维这种特殊的制浆原料，本发明的方法中，对化学蒸煮药液进行了严格的控制，将其浓度降低，减少对制浆所需要成分如纤维素、半纤维素、木素的降解和损伤。同时，在低温蒸煮的过程中，本发明的方法中尽可能降低蒸煮温度的方法，使得竹类植物处于高温的时间缩短，因而减少了竹类植物原料中各组分的降解。因此，本发明的方法中最大限度的保护了竹类植物原料中制浆所需的成分，同时大大缩短了保温时间，大大降低了能耗。
[0026]本发明采用的钾法工艺就是利用碱液的作用，适当的除去原料中的木素，尽可能保留纤维素和半纤维素以利于造纸。实际上在蒸煮过程中由于高温强碱的作用，原料中的木素、纤维素、半纤维素以及其他成分均会发生一定的化学变化，受到不同程度的降解和损伤，因此必须研究原料在蒸煮过程竹的变化规律，制定适宜的蒸煮条件。本发明的钾法工艺中，通过对蒸煮液的选择、用量和浓度、蒸煮及保温时间的长短、蒸煮温度的高低进行系统的研究，在尽可能的减少纤维素和半纤维素损害及尽可能保留适当的木素条件下进行蒸煮，从而达到既减少生产成本，节约能源，又能提高制浆得率的目的。
[0027]所述的步骤SI中，在向竹类植物原料中加入氢氧化钾溶液之前，还包括对竹类植物原料进行浸溃的过程，浸溃处理采用的方式为:将浸溃液浸溃竹类植物原料，使料液比达到1:3?4，在常压下于85°C以上于螺旋浸溃器中保温和混合50分钟以上，其中在85?95°C之间保温混合50?80分钟，优选60分钟为好。这样使浸溃液与原料充分接触，使原料的浸溃均匀完全。所述浸溃液为一定浓度的碱溶液，如对绝干原料量为8?12%的氢氧化钾溶液，优选为10%的氢氧化钾溶液,也可以是碱与黑液的混合液,所用黑液的浓度为8?10° Be (20°C)o
[0028]对原料进行了浸溃预处理，利用了作为废料的黑液，使黑液得到了循环利用，减少了环境对黑液处理的压力，由于对原料浸溃预处理，使得在加热处理时所脱出的杂细胞、半纤维素、木素为主的黑液分离排除，为下一步的蒸煮过程作准备。
[0029]在对原料进行浸溃之前，可以采用现有技术对原料进行初步处理，即采用常规的湿法备料，以除去沙、石等杂质，这样可以减轻后续工艺的压力，并提高竹纤维材料的质量。湿法备料可以采用现有常规设备，如切竹机、筛选机、除尘机等。经过备料后的竹类植物原料的长度在20?30mm，原料的备料工艺为本领域技术人员公知技术。经过备料后的去除水分的竹子原料为精料，扣除竹子的水分为绝干原料。
[0030]所述的步骤S2中，在加热升温时将所述的竹类植物原料放在蒸煮器中，所述蒸煮器为蒸球、立式蒸煮锅或连续蒸煮器。
[0031]蒸煮方法所得到的高性能应用型竹纤维材料的得率为60?72%
所述的竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。
[0032]对常用的竹类植物原料的化学组成进行分析，发现综纤维素重量百分含量为:74.52%,总木素重量百分含量为25.08%,聚戍糖重量百分含量为20.67%,笨-醇抽出物重量百分含量为27.25%。
[0033]高性能应用型的竹纤维材料用来制备包装材料、生活用纸、烟草添加材料。
[0034]实施例1:
经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中与对绝干竹片量为8%的氢氧化钾溶液混合浸溃，液比为1:4，在常压、85°C下于螺旋浸溃器中保温和混合60分钟；然后送入连续蒸煮管，在竹类植物原料中加入对绝干原料量8%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:4 ;通蒸汽加热至120°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为60分钟，得到竹纤维材料。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为65%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为90。
[0035]实施例2:
经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中与对绝干竹片量为10%的氢氧化钾溶液混合浸溃，液比为1:4，在常压、90°C下于螺旋浸溃器中保温和混合80分钟；然后送入连续蒸煮管，在竹类植物原料中加入对绝干原料量10%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:4，通蒸汽加热至110°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为55分钟，得到竹纤维材料。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为67%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为95。
[0036]实施例3:
经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中与对绝干竹片量为12%，钾溶液混合浸溃，液比为1:3，在常压、95°C下于螺旋浸溃器中保温和混合80分钟；然后送入连续蒸煮管，在竹类植物原料中加入对绝干原料量9%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:3，通蒸汽加热至125°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为50分钟，得到竹纤维材料。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为62%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为85。
[0037]实施例4:
经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中与对绝干竹片量为8%的氢氧化钾溶液混合浸溃，液比为1:4，在常压、95°C下于螺旋浸溃器中保温和混合50分钟；然后送入连续蒸煮管，在竹类植物原料中加入对绝干原料量9%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:4，通蒸汽加热至125°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为60分钟，得到竹纤维材料。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为72%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为100。
[0038]实施例5: 经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中与对绝干竹片量为10%的氢氧化钾溶液混合浸溃，液比为1:4，在常压、95°C下于螺旋浸溃器中保温和混合50分钟；然后送入连续蒸煮管，通蒸汽加热至125°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为60分钟。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为60%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为80。
[0039]实施例6:
经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中和对绝干竹片量为12%的氢氧化钾溶液与浓度为8° Be (20°C)的黑液的混合液混合浸溃，液比为1:4，在常压、95°C下于螺旋浸溃器中保温和混合50分钟；然后送入连续蒸煮管，通蒸汽加热至125°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为60分钟。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为62%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为85。
[0040]实施例7:
经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中和对绝干竹片量为10%的氢氧化钾溶液与浓度为10° Β? (20°C)的黑液的混合液混合浸溃，液比为1:3，在常压、90°C下于螺旋浸溃器中保温和混合70分钟；然后送入连续蒸煮管，通蒸汽加热至120°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为50分钟。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为70%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为90。
[0041]实施例8:
经过湿法备料后的竹片经过浸溃螺旋器，在浸溃螺旋器中和对绝干竹片量为10%的氢氧化钾溶液与浓度为9° Be (20°C)的黑液的混合液混合浸溃，液比为1:4，在常压、85°C下于螺旋浸溃器中保温和混合80分钟；然后送入连续蒸煮管，通蒸汽加热至110°C，保持此温度条件；调节连续蒸煮管的运行速度，使竹片在连续蒸煮管中的停留时间为60分钟。连续蒸煮管中的竹片通过卸料阀进入高浓磨进行磨浆处理，产生的黑液进行循环使用。所制备的高性能竹浆得率为72%。竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。制得的竹纤维材料的高锰酸钾值为95。
【权利要求】
1.一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料，其特征在于:该材料的高锰酸钾值为80?100。
2.根据权利要求1所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料，其特征在于:所述的高锰酸钾值为85?95。
3.如权利要求1或2所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，其特征在于:它包括以下步骤: 51、在竹类植物原料中加入对绝干原料量8?10%的氢氧化钾溶液，其料液比为1:3?4 ； 52、通入蒸汽进行加热，加热升温至温度为110?125°C时保温50?60分钟，得到竹纤维材料。
4.根据权利要求3所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，其特征在于:所述的步骤SI中，在向竹类植物原料中加入氢氧化钾溶液之前，还包括对竹类植物原料进行浸溃的过程，浸溃处理采用的方式为:将浸溃液浸溃竹类植物原料，使料液比达到1:3?4，在常压下于85°C以上于螺旋浸溃器中保温和混合50分钟以上。
5.根据权利要求4所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，其特征在于:将浸溃液浸溃竹类植物原料，使料液比达到1:3?4，在常压下于85?95°C之间于螺旋浸溃器中保温混合50?80分钟。
6.根据权利要求4或5所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，其特征在于:所述的浸溃液为碱溶液或碱溶液与黑液的混合液，所述碱溶液为对绝干原料量8?12%的氢氧化钾溶液，所述黑液的浓度为8?10° Β? (20°C)。
7.根据权利要求3所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，其特征在于:所述的步骤S2中，在加热升温时将所述的竹类植物原料放在蒸煮器中，所述蒸煮器为蒸球、立式蒸煮锅或连续蒸煮器。
8.根据权利要求3所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，其特征在于:所得到的高性能应用型竹纤维材料的得率为60?72%。
9.根据权利要求3所述的一种以竹为原料制备的高得率高性能竹纤维材料的制备方法，其特征在于:竹类植物原料为慈竹、毛竹中的一种或者两种的混合。
【文档编号】D21C5/00GK104131483SQ201410355961
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】周骏, 刘建兵, 朱清云, 范武毅 申请人:四川省西龙生物质材料科技有限公司