一种用棉秸秆制备纤维材料的方法

摘要

本发明属纤维材料领域，是一种用棉秸秆制备纤维材料的方法。包括：(1)粉碎：将经过或未经过皮芯分离的棉秸秆粉碎至粒径5‑15mm；(2)筛分：筛分5‑15mm的物料并除去粉尘；(3)加热润胀：加水，加热至70‑100℃充分润胀；(4)一次揉搓：机械揉搓使初步帚化；(5)轰爆处理：置入密闭压力容器，通入高压蒸汽，保持1.0‑2.5MPa气压5‑15分钟，在60‑75ms时间内释放物料和蒸气泄压至大气压，物料爆出；(6)二次揉搓：机械揉搓后加水挤压；(7)水洗：去除降解产物得到纤维材料；(8)脱水；(9)烘干；本发明制备的纤维材料比表面积高，浸润性高，混胶工序中界面相容性明显提升，结合强度显著提高。

权利要求

1.一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)粉碎：将棉秸秆原料，经过皮芯分离并除去桃、叶、细枝后得到的皮料和芯料分别粉碎得到粒径5-15mm的皮料和芯料，或/和不经过皮芯分离直接输入粉碎机进行粉碎，得到粒径5-15mm的未分离料；

(2)筛分：将步骤(1)所得物料筛分出粒径5-15mm的合格物料，同时除去粉尘；

(3)加热润胀：调整水份含量至小于50%wt，加热物料至温度70-100℃，使其充分润胀；

(4)一次揉搓：机械揉搓使物料中的纤维束初步离解，初步帚化；

(5)轰爆处理：将揉搓堆浸过的皮料、芯料和未分离料中的一种或多种混合物料置入密闭压力容器内，通入高压蒸汽加温加压，保持1.0-2.5MPa气压5-15分钟，在60-75ms内通过同时释放蒸气和物料泄压至大气压，物料爆出；

(6)二次揉搓：机械揉搓，秸秆中的纤维束充分离解，通过加水、挤压，将部分降解产物和灰分去除；

(7)水洗：通过水洗进一步分离降解产物，洗出灰分；

(8)脱水：脱水，使水分降至20-30%wt；

(9)烘干：烘干，使棉秸秆纤维均质蓬松，水分降至7-10%wt。

2.根据权利要求1所述的一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中将尺寸大于15mm的不合格物料返回步骤(1)粉碎机继续粉碎，将尺寸小于5mm的不合格物料废弃。

3.根据权利要求1所述的一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中的粒径为8-12mm。

4.根据权利要求1所述的一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中加热温度至80-100℃。

5.根据权利要求1所述的一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)之后加入浮选步骤：将合格物料进行水浮选，将棉杆芯髓、蜡质皮杂质清除。

6.根据权利要求1所述的一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)加热润胀中的调整水份含量包括加水浸泡吸水或者进行脱水。

说明书

一种用棉秸秆制备纤维材料的方法

技术领域

[0001] 本发明属于纤维增强复合材料技术领域，是一种用棉秸秆制备纤维材料的方法。

背景技术

[0002] 我国为农业大国,拥有丰富的农业剩余物质源,每年剩余物质达7亿吨以上，是巨大的可再生资源，其中有40%的秸秆被闲置浪费或者就地焚烧，造成严重的大气环境污染。农业剩余物质源的有效综合利用，是关系到环境与能源问题的重要课题。而利用农作物纤维，开发秸秆复合材料将成为我国本世纪木材工业可持续发展的重要战略决策之一。

[0003] 秸秆复合材料经过一个世纪研究与应用，农作物纤维复合材料得到空前发展。秸秆复合材料增强选材早期以甘蔗渣、麻杆为主。随后玉米秸秆、棉花秸秆成为研究重点，两种原料生产的板材性能均优良。虽然棉秸秆纤维与阔叶树材相似，但化学组份中多糖和灰分含量较高，制备的板材防水防霉性能较差，导致其不能充分利用价值。其主要原因⑴是灰份高达9.47%，其中以二氧化硅为主的无机物在植物纤维中形成非极性的表层结构，影响了胶黏剂的吸附和氢键的形成，从而降低了纤维与胶黏剂的结合力，从而导致内结合强度降低，握钉力差，二次加工贴面容易脱落。⑵采用的1%NaOH提取物浓度高达40.23%，这给秸秆复合材料的制造带来两个问题，其一热压过程中，低中级碳水化合物易分解，产生淀粉胶，易粘模板且所制备的板材抗水性较差，其二棉秸秆纤维储存过程中易霉变腐烂。⑶多戊糖含量高，在热压过程中易产生粘模现象，且内结合力及防水性都受不利影响。为此在制取棉秸秆纤维的方法上，需要结合其特点，摸索出合理的工艺方法，最大化的综合利用棉秸杆成为当前需要解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明提供一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，能够有效的降解中低碳水化合物及多戊糖含量，同时将其中的无机物离解析出，制备出具有高比表面积、高浸润性的复合材料用纤维材料，后续制备复合材料的施胶工艺中能够有效地提高粘胶剂与纤维界面的相容性，从而大幅度地增大二者界面间的结合强度。

[0005] 通常，生物质材料是由各种植物细胞构成的植物组织组成，主要有木质部、韧皮部等，主要由木质素、纤维素和半纤维素组成，木质素坚硬，通常构成了植物体的骨架，纤维素和半纤维素（低分子聚合物）构成了植物体的细胞壁，植物体在一定温度和压力下，高分子中的内部连接键被打断，裂解成小分子，细胞壁被部分打破，纤维束离解成细小纤维，增加了比表面积。

[0006] 本发明的技术方案是：

[0007] 一种用棉秸秆制备纤维材料的方法，按如下步骤实施：

[0008] (1)粉碎：将棉秸秆原料，经过皮芯分离并除去桃、叶、细枝后得到的皮料和芯料分别粉碎得到粒径5-15mm的皮料和芯料，或者不经过皮芯分离直接输入粉碎机进行粉碎，得到粒径5-15mm的未分离料；

[0009] (2)筛分：将步骤(1)所得物料筛分出粒径5-15mm的合格物料，同时除去粉尘；

[0010] (3)加热润胀：调整水份含量至小于50%wt，加热物料至温度70-100℃，使其充分润胀；

[0011] (4)一次揉搓：机械揉搓使物料中的纤维束初步离解，初步帚化；

[0012] (5)轰爆处理：将揉搓堆浸过的皮料、芯料和未分离料中的一种或多种混合物料置入密闭压力容器内，通入高压蒸汽加温加压，保持1.0-2.5MPa气压5-15分钟，在60-75ms内通过同时释放蒸气和物料泄压至大气压，物料爆出；

[0013] (6)二次揉搓：机械揉搓，秸秆中的纤维束充分离解，通过加水、挤压，将部分降解产物和灰分去除；

[0014] (7)水洗：通过水洗进一步分离降解产物，洗出灰分；

[0015] (8)脱水：脱水，使水分降至20-30%wt；

[0016] (9)烘干：烘干，使棉秸秆纤维均质蓬松，水分降至7-10%wt，得到成品棉秸秆纤维。

[0017] 本发明还包括的优化或/和改进有：

[0018] 优选的方案之一：所述步骤(2)中将尺寸大于15mm的不合格物料返回步骤(1)粉碎机继续粉碎，将尺寸小于5mm的不合格物料废弃；

[0019] 优选的方案之二：所述步骤(1)和步骤(2)中的粒径为8-12mm；

[0020] 优选的方案之三：所述步骤(2)之后加入浮选步骤：将合格物料进行水浮选，将棉杆芯髓、蜡质皮等杂志清除；

[0021] 优选的方案之四：所述步骤(3)中加热温度至80-100℃；

[0022] 优选的方案之五：所述步骤(3)加热润胀中的调整水份含量包括加水浸泡吸水或着进行脱水。

[0023] 实施本发明技术方案的有益效果是：

[0024] 本发明能有效破坏棉秸秆的天然木质素、纤维素和半纤维素结构，使高分子中的内部连接键被打断，裂解成小分子，纤维束离解成细小纤维，增加了比表面积。同时能有效的降解中低碳水化合物及多戊糖含量，同时将其中的无机物离解析出。利用本发明制备的复合材料用纤维材料具有高比表面积和高浸润性，在后续制备复合材料的施胶工艺中粘胶剂与纤维界面的相容性得到大幅度地提高，结合强度显著增大，复合材料强度等性能更加优异。

[0025] 经检测，实施本实施例所得棉秸秆纤维材料的比表面积较普通棉秸秆纤维扩大20倍以上，达到1200.4-2261.1m2/g；加入20%的粘结剂制成增强纤维复合板材，其弯曲强度达到30-40MPa，大幅度超过普通中高密度纤维板弯曲强度的国标要求22MPa。

[0026] 下面结合实施例详细说明本发明的技术方案。

附图说明

[0027] 无。

具体实施方式

[0028] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面以实施例对本发明作进一步地详细描述。

[0029] 实施例1 取棉秸秆1.5吨，按以下步骤实施：

[0030] (1)粉碎：将棉秸秆不经过皮芯分离直接输入粉碎机进行粉碎得到粒径5-15mm的未分离料；

[0031] (2)筛分：将步骤(1)所得物料筛分出粒径5-15mm的合格物料，同时除去粉尘；将尺寸大于15mm的不合格物料返回粉碎机继续粉碎，将尺寸小于5mm的不合格物料废弃；

[0032] 步骤(2)之后加入浮选步骤：将合格物料进行水浮选，将棉杆芯髓、蜡质皮等杂志清除。在浮选步骤之后再加入脱水步骤：将浮选后的物料进行脱水处理，至水分含量小于50%wt；

[0033] (3)加热润胀：调整水份含量至小于50%wt，加热物料至温度70-100℃，使其充分润胀；

[0034] (4)一次揉搓：机械揉搓使物料中的纤维束初步离解，初步帚化；

[0035] (5)轰爆处理：将揉搓堆浸过的物料置入密闭压力容器内，通入高压蒸汽加温加压，保持1.0-2.5MPa气压5-15分钟，在60-75ms内通过同时释放蒸气和物料泄压至大气压料，物料爆出；

[0036] (6)二次揉搓：机械揉搓，秸秆中的纤维束充分离解，通过加水、挤压，将部分降解产物和灰分去除；

[0037] (7)水洗：通过水洗进一步分离降解产物，洗出灰分；

[0038] (8)脱水：脱水，使水分降至20-30%wt；

[0039] (9)烘干：烘干，使棉秸秆纤维均质蓬松，水分降至7-10%wt，得到成品棉秸秆纤维1.0吨。

[0040] 经检测，实施本实施例所得棉秸秆纤维材料的比表面积较普通棉秸秆纤维扩大20倍以上，达到1963m2/g；加入20%的粘结剂制成增强纤维复合板材，其弯曲强度达到35MPa，大幅度超过普通中高密度纤维板弯曲强度的国标要求22MPa。

[0041] 实施例2 取棉秸秆1.5吨，按以下步骤实施：

[0042] (1)粉碎：将棉秸秆经过皮芯分离并除去桃、叶、细枝后得到的皮料输入粉碎机进行粉碎得到粒径8-12mm皮料；

[0043] (2)筛分：将步骤(1)所得物料筛分出粒径8-12mm的合格物料，同时除去粉尘；将尺寸大于12mm的不合格物料返回粉碎机继续粉碎，将尺寸小于8mm的不合格物料废弃；

[0044] (3)加热润胀：调整水份含量至小于50%wt，加热物料至温度70-100℃，使其充分润胀；

[0045] (4)一次揉搓：机械揉搓使物料中的纤维束初步离解，初步帚化；

[0046] (5)轰爆处理：将揉搓堆浸过的物料置入密闭压力容器内，通入高压蒸汽加温加压，保持1.0-2.5MPa气压5-15分钟，在60-75ms内通过同时释放蒸气和物料泄压至大气压，物料爆出；

[0047] (6)二次揉搓：机械揉搓，秸秆中的纤维束充分离解，通过加水、挤压，将部分降解产物和灰分去除；

[0048] (7)水洗：通过水洗进一步分离降解产物，洗出灰分；

[0049] (8)脱水：脱水，使水分降至20-30%wt；

[0050] (9)烘干：烘干，使棉秸秆纤维均质蓬松，水分降至7-10%wt，得到成品棉秸秆纤维1.0吨。

[0051] 经检测，实施本实施例所得棉秸秆纤维材料的比表面积较普通棉秸秆纤维扩大20倍以上，达到2260m2/g；加入20%的粘结剂制成增强纤维复合板材，其弯曲强度达到40MPa，大幅度超过普通中高密度纤维板弯曲强度的国标要求22MPa。

[0052] 实施例3 取棉秸秆1.5吨，按以下步骤实施：

[0053] (1)粉碎：将棉秸秆经过皮芯分离并除去桃、叶、细枝后得到的芯料输入粉碎机进行粉碎得到粒径5-15mm的芯料；

[0054] (2)筛分：将步骤(1)所得物料筛分出粒径5-15mm的合格物料，同时除去粉尘；

[0055] (3)加热润胀：调整水份含量至小于50%wt，加热物料至温度70-100℃，使其充分润胀；

[0056] (4)一次揉搓：机械揉搓使物料中的纤维束初步离解，初步帚化；

[0057] (5)轰爆处理：将揉搓堆浸过的物料置入密闭压力容器内，通入高压蒸汽加温加压，保持1.0-2.0MPa气压5-10分钟，在60-75ms内通过同时释放蒸气和物料泄压至大气压，物料爆出；

[0058] (6)二次揉搓：机械揉搓，秸秆中的纤维束充分离解，通过加水、挤压，将部分降解产物和灰分去除；

[0059] (7)水洗：通过水洗进一步分离降解产物，洗出灰分；

[0060] (8)脱水：脱水，使水分降至20-30%wt；

[0061] (9)烘干：烘干，使棉秸秆纤维均质蓬松，水分降至7-10%wt，得到成品棉秸秆纤维1.2吨。

[0062] 经检测，实施本实施例所得棉秸秆纤维材料的比表面积较普通棉秸秆纤维扩大20倍以上，达到1630m2/g；加入20%的粘结剂制成增强纤维复合板材，其弯曲强度达到31MPa，大幅度超过普通中高密度纤维板弯曲强度的国标要求22MPa。

[0063] 实施例4 取棉秸秆3.0吨，按以下步骤实施：

[0064] (1)粉碎：取棉秸秆3.0吨，将其中的2.0吨经过皮芯分离并除去桃、叶、细枝后得到的皮料和芯料分别粉碎得到粒径5-15mm的皮料0.7吨和芯料0.8吨，将其中的1.0吨不经过皮芯分离直接输入粉碎机进行粉碎得到未分离料0.7吨，合格物料粒径为5-15mm；

[0065] (2)筛分：将步骤(1)所得物料筛分出粒径5-15mm的合格物料，同时除去粉尘；将尺寸大于15mm的不合格物料返回粉碎机继续粉碎，将尺寸小于5mm的不合格物料废弃。同时除去粉尘；

[0066] (3)加热润胀：调整水份含量至小于50%wt，加热物料至温度70-100℃，使其充分润胀；

[0067] (4)一次揉搓：机械揉搓使物料中的纤维束初步离解，初步帚化；

[0068] (5)轰爆处理：将揉搓堆浸过的皮料、芯料和未分离料中的一种或多种混合物料置入密闭压力容器内，通入高压蒸汽加温加压；

[0069] 对于未分离料，保持1.0-2.5MPa气压5-15分钟，在60-75ms时间同时释放物料和蒸气泄压至大气压；对于芯料，保持1.0-2.0MPa气压5-10分钟，在60-75ms时间同时释放物料和蒸气泄压至大气压；对于皮料，保持1.5-2.5MPa气压10-15分钟；

[0070] 对于未分离料和皮料的混合物料，保持1.2-2.3MPa气压9-15分钟，对于未分离料和芯料，保持1.5-2.5MPa气压10-15分钟，对于皮料和芯料的混合物料或者皮料、芯料和未分离料的三者混合物料，保持1.3-1.9MPa气压8-13分钟；

[0071] 在60-75ms时间同时释放物料和蒸气泄压至大气压，物料爆出；

[0072] (6)二次揉搓：机械揉搓，秸秆中的纤维束充分离解，通过加水、挤压，将部分降解产物和灰分去除；

[0073] (7)水洗：通过水洗进一步分离降解产物，洗出灰分；

[0074] (8)脱水：脱水，使水分降至20-30%wt；

[0075] (9)烘干：烘干，使棉秸秆纤维均质蓬松，水分降至7-10%wt，得到成品棉秸秆纤维1.0吨。

[0076] 经检测，实施本实施例所得棉秸秆纤维材料的比表面积较普通棉秸秆纤维扩大20倍以上，达到1200-2260m2/g；加入20%的粘结剂制成增强纤维复合板材，其弯曲强度达到30-40MPa，大幅度超过普通中高密度纤维板弯曲强度的国标要求22MPa。

[0077] 可以理解的是，以上实施例仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此，实施者可根据本发明的技术方案与实际情况结合公知技术来确定具体的实施方式。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，增加的这些变型和改进也视为本发明的保护范围。