CN110700004B - 一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于制浆造纸领域，具体为一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法。该方法包括以下步骤：1)采用干法备料；2)将步骤1)得到的竹片送入压榨机压榨；3)将动物粪便与竹片以及筛选出的竹屑、竹髓和节子等细碎杂物，按比例混合后进行好氧发酵堆制，混合的同时加入高效活性生物复合菌；4)发酵结束后进行筛选除尘处理；5)将筛选除尘后的竹片经洗料机洗去表面物质并脱除多余水分；6)碱液预浸渍；7)磨浆或打浆；8)抄造即得。该方法通过生物、化学及物理方法相结合，生产包装用本色竹纤维化学机械浆，同时充分利用了生产过程中的边角余料，变废为宝，实现竹材原料的充分化、高质化利用。

Description

一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法
技术领域
本发明属于制浆造纸领域，特别涉及一种以竹材为原料，通过备料切断→预压榨→混合发酵→筛选除尘→洗涤→碱液预浸渍→高浓打浆→低浓打浆→抄造，制备出高附加值的、环境污染小的、质量较佳的包装用本色竹纤维生物化学机械浆；本色竹纤维生物化学机械浆也可用于抄造本色生活用纸等产品。具体为一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法。
背景技术
近年来，我国造纸工业一直处于去产能调结构的转型期，作为主要包装材料的包装纸和纸板相对于其他包装材料具有可持续性，优异的折叠性，较好的弹性，重量轻，良好的印刷性能，较好的运输性能，且卫生、无毒、无味、可回收利用、环保，以及成本效益优势等特点。随着电子商务的高速增长，包装纸和纸板行业景气度持续上升。
从造纸产品的结构和消费比重上来看，包装用纸在整个纸和纸板产品中均有着重要的地位。目前我国用于包装的纸和纸板生产量占生产总量的59％左右，消费量占消费总量的61％左右。随着国内包装行业的不断发展，纸制包装制品将会占据更多包装产业市场，包装纸和纸板也将在造纸行业中占据更大的份额。
我国是一个森林资源严重匮乏的国家，保护森林，维持生态平衡，禁止森林砍伐。据悉，来自国废和进口废纸纤维总量通常占中国包装纸和纸板生产所需纤维原料的90％以上，这一数据表明，我国包装纸和纸板生产对废纸原料的依赖程度非常高。但是减少废纸进口种类和降低废纸进口数量会导致我国进口废纸量大幅度减少，使我国绝大多数利用废纸生产包装纸和纸板的企业普遍面临进口原料短缺的局面，巨大的市场缺口，使废纸处于供不应求的局面，导致国内废纸成为“抢手货”。废纸进口受限导致包装纸和纸板的纤维原料供应出现缺口，加之未来新增产能投放带来的纤维原料需求增量，所以原料问题将是中国包装纸和纸板生产商面临的巨大挑战。
综上所述，目前的生产包装纸和纸板的原料主要是废纸纤维，以及少量木材纤维等，对于利用竹材纤维来生产包装纸和纸板国内外鲜见相关报道，而且研究甚少，正是本次发明的必要性。
我国地处世界竹材分布的中心，竹类植物资源十分丰富，全国竹林面积约500多万hm2，占世界竹林总面积的20％-25％，故有“竹子王国”的美誉。竹类植物具有生长快、适应性强、伐期短、产量高、可生物降解、一次性栽培，可多次采伐，以及良好的抗菌抑菌性等特点，竹产业在我国竹产区农村经济中发挥着十分重要的作用，已成为我国林业的四大朝阳产业之一。对竹材原料的化学成分和纤维形态分析结果：纤维素含量40％-52％(针叶木40％-55％)，纤维长度1.5-3.5mm(针叶木3-5mm)，长宽比100-200(针叶木约60-110)，竹子的纤维形态及含量与制浆造纸的优质原料——针叶木相似，为此竹材也是优良的制浆造纸原料之一。
研究表明，竹材含有较多的木素(含量约23-33％)、戊糖类半纤维素(含量约17-25％)、有机溶剂抽出物(含量约2.0-9.0％)、灰分(含量约1.2-3.5％)以及杂细胞(含量约20-31％)等非纤维素杂质成分，且结构紧密结实(竹材密度在0.52-0.68g/cm3，竹叶材为0.4g/cm3左右，阔叶材为0.43-0.64g/cm3)。
发明内容
本发明目的在于针对，提供一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法。该方法可解决我国现有包装纸和纸板生产商面临的原料瓶颈问题，充分利用产量高、质量优的竹材为原料，通过生物、化学及物理方法相结合，生产包装用本色竹纤维化学机械浆，同时充分利用了生产过程中的边角余料(即竹材屑、髓、节子等杂物)，变废为宝，实现竹材原料的充分化、高质化利用，并通过混合发酵，一方面使竹片表面更显多孔状，材质软化，缓解由于竹材组织结构紧密结实，浸透难不易控制蒸煮的均匀性、质量不稳性问题；另一方面使得牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便成为营养较全面的生物有机肥料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，首先对合格竹片进行预压榨处理，使得竹片沿纵向产生细小裂纹，利于后续药液均匀浸透，提高蒸煮均匀性，从源头上减轻竹材由于结构紧密，导致浸透难不易控制蒸煮的均匀性、质量不稳性，以及竹材中含非纤维素杂质多的自身弱点等问题；再经发酵、筛选除尘处理，材质软化，利于后续蒸煮药液的渗透，提高蒸煮的均匀性和蒸煮效益，还可减少蒸煮用药量，从而减少由于用药量的增加导致碱性降解加剧带来成浆得率和质量的下降，同时竹片材质软化利于后续的浆料磨浆，能更多地分离出完整的纤维，减少碎片的产生，改善磨后浆的强度，利于确保本色浆板的质量和产量。
该制备方法具体包括以下步骤：
(1)备料：备料采用干法，即将竹材切成10-50mm长，宽5-20mm的竹片，经筛选处理，筛出的大片再切断，使其达到10-50mm长，宽5-20mm的尺寸大小，合格率达85％以上。筛选出的竹屑、竹髓、节子等细碎杂物为发酵备用。
(2)预压榨：将步骤(1)得到的竹片送入压榨机进行预压榨，预压榨压力2.5-5.0MPa，压榨时间2-10min，温度常温。
预压榨目的：利用压榨机机械挤压作用，可使竹片沿纵向产生细小裂纹，利于后续药液均匀浸透，提高蒸煮均匀性，从源头上减轻竹材由于结构紧密，导致浸透难不易控制蒸煮的均匀性、质量不稳性等问题；预压榨还可使竹节部突起处被压平、压溃，再通过后续的发酵、筛选除尘有效去除压溃的竹末、竹节、竹髓，以及竹片表面杂质，从源头上有效克服竹材中含非纤维素杂质多的自身弱点。
压榨采用双辊压榨，上下双辊均为包钢辊，而且上下两辊均具有平整光滑的表面。本专利所用的压榨机是属于造纸机压榨装置中设备，压榨机被广泛应用于湿纸页的压榨脱水，属现有技术，因此其具体构造不再赘述。
(3)竹片发酵：将经预压榨后的竹片加水湿润，使其含水量为45％-55％；然后将含水量为20％-40％的牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便与加水湿润后的竹片，连同步骤(1)中的竹屑、竹髓、节子等细碎杂物，按比例混合搅拌均匀，混合均匀后堆成长2-2.5m，宽1.5-2m，高0.8-1m的长条，上面覆盖麻袋片或草帘进行好氧发酵堆制。混合的同时加入酵母菌、乳酸菌、根霉菌以及酶等高效活性生物复合菌。相对于绝干竹片质量，高效活性生物复合菌用量2-5％。含水量为20％-40％的牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便与加水湿润后的竹片，和步骤(1)中的竹屑、竹髓、节子等细碎杂物的质量总和的质量比为5-3：5-7；其中加水湿润后的竹片与步骤(1)中的竹屑、竹髓、节子等细碎杂物的质量比为8-9:1-2。
进一步优化方案，上述的高效活性生物复合菌是由下列原料按重量百分比含量混合组成：酵母菌15％、乳酸菌15％、根霉菌10％、蛋白酶10％、脂肪酶15％、糖化酶15％、木聚糖酶10％、果胶酶10％，高效活性生物复合菌的总质量百分含量为100％。
牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便与竹片及备料细碎杂物混合发酵，竹片和备料杂物中因含有较多的糖分、水分，以及蛋白质、脂肪等有机质，为菌种发酵提供所需营养成分，利于微生物的大量快速繁殖，同时伴随一系列复杂的生化反应，反应会产生大量的特效绿色的代谢物质，如酶、抗生素、激素等物质，并且在堆制过程中由于牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便发酵释放热量，更加促进微生物的繁殖和生化反应，使得竹片微生物降解加速，利于竹片中的低聚类物质的生物降解，其胞间层和细胞壁组织受到不同程度的破坏，竹片表面更显多孔状，材质软化，利于后续蒸煮药液的渗透，提高蒸煮的均匀性和蒸煮效益，还可减少蒸煮用药量，从而减少由于用药量的增加导致碱性降解加剧带来成浆得率和质量的下降。同时竹片材质软化利于后续的浆料磨浆，能更多地分离出完整的纤维，减少碎片的产生，改善磨后浆的强度，利于确保本色浆板的质量和产量。
动物粪便经发酵颜色由黑变黄，并散发酒精味道，成为营养较全面的生物有机肥料。上述所述的微生物的大量快速繁殖，同时伴随一系列复杂的生化反应，反应会产生大量的特效绿色的代谢物质，如酶、抗生素、激素等物质，这些物质是生物体自身自然缩产生，不是外来的化学抗生素、激素，有益无害，其中抗生素能明显抑制土壤传病菌的传播，提高作物抗病、抗逆性能；而激素可刺激作物快速生长发育。
堆放时间72-120h，发酵后竹片水分为14-22％。
(4)筛选除尘：发酵结束后进行筛选除尘处理，使得发酵后的尺寸合格竹片与发酵后的牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便及备料细碎杂物分离。
作为优选，筛选除尘设备采用高频振动式平筛。筛选是利用竹片与发酵后的动物粪便的几何尺寸大小和形状不同，利用带有孔或缝的筛板，在一定的压力下使得发酵后的动物粪便通过筛板，竹片被截留在进料侧，从而使得发酵后的竹片与发酵后的牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便分离。
高频振动式平筛被广泛应用于纸浆的筛选，其筛选原理是未筛选浆料在筛板两边的压力差和筛板振动作用下，纤维通过筛孔，几何尺寸大的杂质被截留在进浆侧。高频振动式平筛属现有技术，因此其具体构造不再赘述。
分离出的发酵后的牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便及备料细碎杂物其有机质含量达50％以上，再针对性地配以不同营养元素，便形成蔬菜、花卉、果树、粮棉油等多种作物的系列专用肥料。
发酵后的竹片在高频振动式平筛停留时间为20-40min。
(5)洗涤段:将步骤(4)筛选除尘后的竹片经洗料机洗去表面的动物粪便等物质并脱除多余水分。洗涤脱水后竹片水分为30％-45％。
洗料机采用水力碎解机。处理条件：竹片20-40min。洗料机内绝干竹片质量与洗料机中总液量(绝干竹片质量+液体质量)之比为3-6％。
水力碎解机被广泛应用于草类原料的湿法备料中，其外形呈球形，底部安装有叶轮和筛板，在碎解机底刀和涡流作用下，将发酵后竹片表面的动物粪便等物质打散洗出，并通过碎解机筛板上的筛孔排出，竹片则截留在筛板上，由排出机连续排出送至螺旋脱水机脱水。水力碎解机及螺旋脱水机均属现有技术，因此其具体构造不再赘述。
(6)碱液预浸渍：洗涤后的竹片送入蒸煮容器中，加入碱性物质进行碱液预浸渍。相对于绝干原料质量，碱液预浸渍中的碱性物质用量3-7％，时间40-120min，温度80-100℃，液比1﹕3-6，压力0.15-0.3MPa(氮气加压)。这里所述的碱性物质是指氢氧化钠和/或氢氧化钾和/或亚硫酸钠。液比是指蒸煮容器内绝干竹片质量g与蒸煮容器内液体总体积ml的比例。
碱液预浸渍用氮气加压，其目的是：提高蒸煮液体沸点，防止或减少液固两相(即溶液与纤维原料)间的界面出现妨碍氢氧化钠和/或氢氧化钾和/或亚硫酸钠溶液渗透传递的蒸汽泡产生，可使传递系数维持在较高水平，另一方面，增加压力，可提高氢氧化钠和/或氢氧化钾和/或亚硫酸钠从溶液进入纤维原料内的传质过程，利于氢氧化钠和/或氢氧化钾的有效降解更多地发生于纤维内部，从而更利于提高氢氧化钠和/或氢氧化钾脱除竹片中碱溶性的无机物和有机物类物质，加大细胞壁上空隙数量，利于竹片发生不可逆的、永久性的软化，为后续磨浆分离出完整的纤维，使长纤维组分增加，减少纤维被切断奠定了基础，还有助于降低磨浆能耗，提高成浆强度，并且氮气的化学惰性可使原料纤维免受过多碱性的氧化降解，从而确保蒸煮后纸浆的得率和质量。
(7)磨浆(或打浆)：将步骤(6)碱液预浸渍后所得浆进行磨浆。
对浸渍后的竹纤维采用两段磨浆，第一段采用中或高浓磨浆，第二段采用低浓磨浆。打浆浓度10％以下称低浓磨浆，打浆浓度10-20％称中浓磨浆，打浆浓度20％以上称高浓磨浆。将中或高浓磨浆与低浓磨浆的结合目的为：在中或高浓打浆时，纤维易发生扭曲和缠绕，一旦放料冷却后即被固着并影响浆纸强度发展。因此中或高浓打浆后采用低浓打浆，一方面可使纤维在不被切断的前提下，进一步分丝、帚化、均匀化，另一方面通过低浓打浆可以使中或高浓打浆发生扭曲和缠绕的纤维重新伸展开，从而稳定浆质量，满足包装用纸对成纸物理强度的质量要求。两段打浆完成后竹纤维浆打浆度为26-36°SR。
打浆设备：中或高浓打浆时采用中或高浓盘磨机，中或高浓打浆尤其适合中、短纤维浆。采用中或高浓打浆，最主要是为了提高打浆质量和降低打浆能耗，其原因为：中或高浓打浆时浆料纤维在齿缘和齿面上形成纤维垫层，从而增加纤维间摩擦作用，摩擦产生热量，纤维吸收热量变得柔软可塑，减少了齿缘对纤维切断作用，增加了纤维的细纤维化；打浆能耗的降低主要是由于中、高浓打浆时纤维之间的摩擦作用增加，减少磨盘相互之间接触摩擦的可能性，从而使打浆能耗降低。
进一步优化方案，中或高浓打浆时除采用中或高浓盘磨机外，还可采用双螺杆挤压搓丝机等设备。双螺杆挤压搓丝机是采用无刀式磨浆元件，利用动态挤压原理，磨解浆料时两根相互平行，相互啮合的螺杆就像一台高效率的螺杆泵一样将浆料强制性地沿纤维轴向定向挤压和输送，浆料在挤碾区纤维轴向受到较大的挤压力和搓揉作用，有利于纤维轴向产生裂纹，强化了药液渗透和纤维分离作用，完成磨浆功能。挤压搓丝时间20-60min，温度室温，进口浆浓18-30％，出口浆浓35-55％。
本申请所用的双螺杆挤压搓丝机是源于塑料和食品工业使用的双螺杆挤压机，是利用塑料挤出工程原理和现代造纸制浆理论而开发的一种高得率、多功能、节能型的清洁机械制浆设备，属现有技术，因此其具体构造不再赘述。
低浓打浆时采用圆柱***机。本申请采用圆柱***机进行低浓打浆，并且刀辊和定子的刀片采用石刀，其主要原因为刀片材质对该设备的打浆效率和纸浆质量有很大影响，石刀的表面有许多气孔，气孔的直径较大，单位面积内气孔总长和气孔总面积较大，为此对纤维的分丝、帚化作用较大，纤维保水性能提高，而切断损伤作用不大，从而确保成纸的质量和产量。圆柱***机由于离心力方向与浆流方向成90°而将***过程和浆的泵送完全独立开，并使在整个圆柱表面浆的流速和刀的线速度一致，也就是说***条件一致，全过程具有相同的有效缘角负荷(SEL)，***的结果更容易控制。由于离心力的作用，纸浆在进入磨浆区后到离开磨浆区的时间段内，水从浆中脱出并被甩到外层的定子刀的槽中，而被浓缩的浆层恰好在磨浆区的表面，可使有更多的能量作用于纤维，用更少的能耗达到细纤维化的目的。
对上述竹纤维浆打浆温度：中或高浓打浆温度为室温，低浓打浆温度为30-50℃；打浆时间：中或高浓打浆时间80-120min，低浓打浆时间40-60min。
(8)抄造：经(7)磨浆后的本色竹纤维浆料进行浆板抄造，采用的设备造纸工作者熟知的纸板机。本方案所用的纸板机是属于造纸机纸板的抄造设备，属现有技术，因此其具体构造不再赘述。
以上方法所制得的本色竹纤维生物化学机械浆料的物理性能指标为：得率65-75％，纤维平均长度1.3-1.9mm，纤维平均宽度15.0-22.5μm，紧度0.68-0.75g/m3，纵向裂断长2.86-3.79km，横向环压强度指数5.4-7.1N·m/g，纵向撕裂指数9.71-11.36mN·m2/g，耐破指数2.83-3.21kPa·m2/g，白度18.2-38.5％ISO，定量80-130g/m2。其中得率是碱液预浸渍后两段打浆前的浆料得率，对绝干原料而言(同上)；其余的性能指标是两段打浆后的浆料性能指标(同上)。
上述方法除原料可采用竹材外，还可以为玉米秆、高粱秆、稻麦草秆、狼尾草、皇竹草和金银草等非木材植物纤维原料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(一)本发明利用我国物美价廉的竹材代替废纸或木材生产高附加值的本色环保纸基包装用生物质纤维材料，开发一种本色环保纸基包装用生物质材料制造工艺，使得本色环保纸基包装用生物质材料的生产领域中又多了一种新的可持续再生的新原料，而且生产成本大大降低，使得产品更加经济，更好满足价格敏感型消费者的需求，同时缓解了我国相关行业的原料成本压力。
(二)本发明全程不使用漂白剂、荧光粉等有害化学试剂，从源头上杜绝危害环境和生物体健康的持久性有机污染物(如三氯甲烷、氯代酚类化合物、氯代二噁英和呋喃等有毒的氯代有机物)的产生，保持了产品纯正、天然的本质特色，适应现代人需求的生态、健康、环保要求，从而可实现本色竹纤维生物化学机械浆生产的可持续发展与环境保护协调一致。
(三)本发明通过混合发酵，一方面使竹片表面更显多孔状，材质软化，缓解由于竹材组织结构紧密结实，浸透难不易控制蒸煮的均匀性、质量不稳性问题；同时竹片材质软化利于后续的浆料磨浆，能更多地分离出完整的纤维，减少碎片的产生，改善磨后浆的强度；另一方面使得牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便成为营养较全面的生物有机肥料。
(四)本发明通过备料切断，预压榨，混合发酵，筛选除尘，洗涤，碱液预浸渍，高浓打浆，低浓打浆，抄造，制备出高附加值的、环境污染小的、质量较好的包装用本色竹纤维浆料，不仅可提高企业利润，还可拉动竹材产业发展，为农业产业结构调整、拓宽农户增收渠道、带动广大贫困群众参与种植竹材，实现精准脱贫和持续稳定增收致富，形成“以竹代木，以竹代废(纸)”制浆造纸，为草、浆、纸之间良性互动发展提供一种新的途径。
(五)本发明采用中或高浓打浆与低浓打浆相结合，一方面可使纤维尽量在不被切断的前提下，进一步分丝、帚化、均匀化，另一方面通过低浓打浆可以使中或高浓打浆发生扭曲和缠绕的纤维重新伸展开，从而确保成浆质量。
(六)本发明在碱液预浸渍时用氮气加压，其目的是，可提高蒸煮液体沸点，防止或减少液固两相(即溶液与纤维原料)间的界面出现妨碍药液渗透传递的蒸汽泡产生，可使传递系数维持在较高水平，另一方面，增加压力，可提高药液进入纤维原料内的传质过程，利于竹片中碱溶性的无机物和有机物类物质的溶出，加大细胞壁上空隙数量，利于竹片发生不可逆的、永久性的软化，为后续磨浆奠定了基础，还可降低磨浆能耗，提高成浆强度，并且氮气的化学惰性可使原料纤维免受过多碱性的氧化降解，从而确保蒸煮后纸浆的得率和质量。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
本申请中所采用的高效活性生物复合菌是由下列原料按重量百分比含量混合组成：酵母菌15％、乳酸菌15％、根霉菌10％、蛋白酶10％、脂肪酶15％、糖化酶15％、木聚糖酶10％、果胶酶10％，高效活性生物复合菌的总质量百分含量为100％。
本申请中所记载的％，如无特殊说明，均表示其质量百分含量，即wt％。
实施例1:
一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料采用干法，将原料竹材切成10-50mm长，宽5-20mm的竹片；经筛选处理，筛出的大片再切断，使其达到10-50mm长，宽5-20mm的尺寸大小，合格率达85％以上。筛选出的竹屑、竹髓、节子等细碎杂物待竹片发酵时使用。
(2)将经筛选后合格竹片送入压榨机进行预压榨，预压榨压力2.5MPa，压榨时间10min，温度常温。
(3)竹片发酵：将经预压榨后的竹片加水润湿，使其含水量为45％-55％；将加水润湿的竹片连同备料筛选出的屑、髓、节子等细碎杂物一同与含水量20％-40％的牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便按质量比为5：5比例混合搅拌均匀，混合均匀后堆成长2.5m，宽2m，高1m的长条，上面覆盖麻袋片或草帘进行好氧发酵堆制。混合的同时加入占相对于绝干竹片质量5％是高效活性生物复合菌发酵，发酵时间72h，发酵后竹片水分约22％左右。
加水润湿的竹片与备料筛选出的屑、髓、节子等细碎杂物的质量比为9:1。
(4)筛选除尘段：发酵结束后进行筛选除尘处理，使得发酵后的尺寸合格竹片与发酵后的牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便及备料细碎杂物分离。发酵后的竹片在高频振动式平筛停留时间为20min。
(5)洗涤：将步骤(4)筛选除尘后的竹片经洗料机洗去表面的动物粪便等物质并脱除多余水分。洗料机内绝干竹片质量与洗料机中总液量(绝干竹片质量+液体质量)之比为4％，洗涤剂处理时间为35min。洗涤脱水后竹片水分为40％。
(6))碱液预浸渍：向洗涤后的竹片中加入碱性物质进行碱液预浸渍，所述碱性物质为氢氧化钠和亚硫酸钠的混合物。相对于绝干原料质量，氢氧化钠用量2％，亚硫酸钠用量1％。碱液预浸渍时间120min，温度80℃，液比1﹕3，压力0.15MPa(氮气加压)；
(7)磨浆(或打浆)：对浸渍后的中竹纤维采用两段打浆，第一段采用中或高浓打浆，第二段采用低浓打浆。
打浆设备：中或高浓打浆时采用中或高浓盘磨机，中或高浓打浆尤其适合中、短纤维浆；低浓打浆时均采用圆柱***机。
对碱液预浸渍后的竹纤维中或高浓打浆时间80min，温度室温；低浓打浆时间50min，温度30℃。两段打浆完成后竹纤维浆打浆度为26.4°SR。
(8)抄造：经(7)磨浆后的本色竹纤维浆料进行浆板抄造，采用的设备造纸工作者熟知的纸板机。抄造属现有技术，不赘述。
所制得的本色竹纤维浆料的物理性能指标为：得率75％，纤维平均长度1.46mm，纤维平均宽度22.5μm，紧度0.68g/m3，纵向裂断长2.86km，横向环压强度指数5.4N·m/g，纵向撕裂指数9.71mN·m2/g，耐破指数2.83kPa·m2/g，白度36.4％ISO，定量84.6g/m2。
对比例1：仅取消竹片发酵段，即取消步骤(2)，其余工艺、流程均与实施例1相同。
对比例2：仅取消碱液预浸渍段中氮气加压，改为为常压，其余工艺、流程均与实施例1相同。
对比例3：竹片发酵段和碱液预浸渍段中氮气加压均取消，为常压，其余工艺、流程均与实施例1相同。
对比例4：将竹片发酵段中，高效活性生物复合菌是由下列原料按重量百分比含量混合组成：酵母菌15％、乳酸菌15％、根霉菌10％、蛋白酶10％、脂肪酶15％、糖化酶15％、木聚糖酶10％、果胶酶10％，变为高效活性生物复合菌是由下列原料按重量百分比含量混合组成：酵母菌40％、蛋白酶10％、脂肪酶15％、糖化酶15％、木聚糖酶10％、果胶酶10％；即取消乳酸菌15％和根霉菌10％，酵母菌由原来的15％变为40％，其余工艺、流程均与实施例1相同。
对比例5：将竹片发酵段中，高效活性生物复合菌是由下列原料按重量百分比含量混合组成：酵母菌15％、乳酸菌15％、根霉菌10％、蛋白酶10％、脂肪酶15％、糖化酶15％、木聚糖酶10％、果胶酶10％，变为高效活性生物复合菌是由下列原料按重量百分比含量混合组成：酵母菌15％、乳酸菌15％、根霉菌10％、蛋白酶10％、脂肪酶25％、糖化酶15％、果胶酶10％；即取消木聚糖酶10％，脂肪酶由原来的15％变为25％，其余工艺、流程均与实施例1相同。
对比例6：取消中或高浓打浆后的低浓打浆，其余工艺、流程均与实施例1相同。
实施例2：
一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料采用干法，将竹材切成10-50mm长，宽5-20mm；经筛选处理，筛出的大片再切断，使其达到10-50mm长，宽5-20mm的尺寸大小，合格率达85％以上。筛选出的竹屑、竹髓、节子等细碎杂物后面发酵时使用。
(2)经筛选后合格竹片送入压榨机压榨，预压榨压力5.0MPa，压榨时间2min，温度常温。
(3)竹片发酵：将经预压榨后的竹片加水润湿，使其含水量为45％-55％；加水润湿后的竹片连同备料筛选出的屑、髓、节子等细碎杂物一同与牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便按质量比为7：3比例混合搅拌均匀，混合均匀后堆成长2-2.5m，宽1.5-2m，高0.8-1m的长条，上面覆盖麻袋片进行好氧发酵堆制。混合的同时加入相对于绝干竹片质量3.5％高效活性生物复合菌发酵，发酵时间120h，发酵后竹片水分约14％左右。
加水润湿的竹片与备料筛选出的屑、髓、节子等细碎杂物的质量比为8:2。
(4)筛选除尘段：发酵后的竹片在高频振动式平筛停留时间为40min。
(5)洗涤：将步骤(4)筛选除尘后的竹片经洗料机洗去表面的动物粪便等物质并脱除多余水分。洗涤脱水后竹片水分为35％。
(6)碱液预浸渍：将洗涤后的竹片，加入碱性物质进行碱液预浸渍，相对于绝干料质量，碱液预浸渍中的氢氧化钾用量4％，时间80min，温度95℃，液比1﹕6，压力0.2MPa(氮气加压)；
(7)磨浆(或打浆)：对浸渍后的竹纤维采用两段打浆，第一段采用中或高浓打浆，第二段采用低浓打浆。
对浸渍后的竹纤维中或高浓打浆时间120min,温度室温，设备采用盘磨机；低浓打浆时间40min，温度50℃。两段打浆完成后竹纤维浆打浆度为32.8°SR。
(8)抄造：经(7)磨浆后的本色竹纤维浆料进行浆板抄造，采用的设备造纸工作者熟知的纸板机。抄造属现有技术，不赘述。
所制得的本色竹纤维浆料的物理性能指标为：得率64.8％，纤维平均长度1.83mm，纤维平均宽度17.5μm，紧度0.71g/m3，纵向裂断长3.24km，横向环压强度指数6.04N·m/g，纵向撕裂指数10.82mN·m2/g，耐破指数3.01kPa·m2/g，白度18.2％ISO，定量100.2g/m2。
实施例3：
一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将竹材切成10-50mm长，宽5-20mm，经筛选后合格竹片送入压榨机压榨，预压榨压力3.5MPa，压榨时间6min，温度常温。
(2)竹片发酵：预压榨后的竹片连同备料筛选出的屑、髓、节子等细碎杂物一同与牛粪、羊粪、马粪、猪粪等动物粪便按6：4比例混合搅拌均匀，混合均匀后堆成长2-2.5m，宽1.5-2m，高0.8-1m的长条，上面覆盖麻袋片进行好氧发酵堆制。混合的同时加入相对于绝干竹片质量2％高效活性生物复合菌发酵，发酵时间96h，发酵后竹片水分约17％左右。
(3)筛选除尘段：发酵后的竹片在高频振动式平筛停留时间为20min。
(4)碱液预浸渍：将筛选除尘并洗涤后的竹片，加入碱性物质进行碱液预浸渍，相对于绝干料质量，预浸渍中的氢氧化钠用量7％，时间40min，温度100℃，液比1﹕5，压力0.3MPa(氮气加压)；
(5)磨浆(或打浆)：对浸渍后的竹纤维采用两段打浆，第一段采用双螺杆挤压搓丝机进行磨浆，挤压搓丝时间60min，温度室温，进口浆浓18％，出口浆浓35％。第二段采用圆柱***机进行低浓打浆。
低浓打浆时间60min，温度40℃。两段打浆完成后竹纤维浆打浆度为36.2°SR。
所制得的本色竹纤维浆料的物理性能指标为：得率65.2％，纤维平均长度1.30mm，纤维平均宽度15.0μm，紧度0.75g/m3，纵向裂断长3.79km，横向环压强度指数7.07N·m/g，纵向撕裂指数11.36mN·m2/g，耐破指数3.21kPa·m2/g，白度38.5％ISO，定量128.6g/m2。
将本发明实施例1至实施例3所得本色竹纤维生物化学机械浆的结果与对比例1至3所得结果做了如下的比较试验，比较结果见下表所示：
表1
Figure BDA0002214031400000161
由表1可知，对比例1(仅取消竹片发酵段，其余工艺、流程均与实施例1相同)，对比例2(仅取消碱液预浸渍段中氮气加压，为常压，其余工艺、流程均与实施例1相同)，对比例3(竹片发酵段和碱液预浸渍段中氮气加压均取消，其余工艺、流程均与实施例1相同)，与实施例1、实施例2及实施例3比较得到，对比例的浆料得率均增加了，尤其是对比例3得率达78.4％，但是对比例浆料的物理性能(包括纵向裂断长、横向环压指数、纵向撕裂指数，耐破指数，下同)均下降，尤其是对比例3的浆料物理性能最低。另外由表还可看出，对比例浆料打浆度均低，且均低于实施例1(打浆度26.4°SR)。
分析原因为：取消竹片发酵段，意味着发酵可使竹片中的低聚类物质的生物降解，胞间层和细胞壁组织受到不同程度的破坏，竹片表面更显多孔状，材质软化，利于后续蒸煮药液的渗透，提高蒸煮的均匀性和蒸煮效益，还可减少蒸煮用药量。同时竹片材质软化利于后续的浆料磨浆，能更多地分离出完整的纤维，减少碎片的产生，改善磨后浆的强度等优势不存在了。
仅取消碱液预浸渍段中氮气加压，改为常压操作，意味着碱液预浸渍时用氮气加压的目的(目的是：提高蒸煮液体沸点，防止或减少液固两相即溶液与纤维原料间的界面出现妨碍药液渗透传递的蒸汽泡产生，可使传递系数维持在较高水平，另一方面，增加压力，可提高药液进入纤维原料内的传质过程，利于竹片中碱溶性的无机物和有机物类物质的溶出，加大细胞壁上空隙数量，利于竹片发生不可逆的、永久性的软化，为后续磨浆奠定了基础，并且氮气的化学惰性可使原料纤维免受过多碱性的氧化降解，从而确保蒸煮后纸浆的得率和质量)没有了。为此，碱法预浸渍后浆料中低聚类等物质溶出较少，浆料较粗硬，没有得到充分软化，得率较高，在相同的磨浆条件下，不利于纤维吸水润胀和细纤维化，纤维的比表面积小，打浆度难以提高，物理强度难以提升。
将本发明实施例1所得本色竹纤维生物化学机械浆的结果与对比例4至6所得结果做了如下的比较试验，比较结果见下表2所示：
表2
Figure BDA0002214031400000171
由表2得知，对比例4(仅取消竹片发酵段中的乳酸菌15％和根霉菌10％，酵母菌由原来的15％变为40％，其余工艺、流程均与实施例1相同)，对比例5(仅取消竹片发酵段中的木聚糖酶10％，脂肪酶由原来的15％变为25％，其余工艺、流程均与实施例1相同)，对比例6(取消中或高浓打浆后的低浓打浆，其余工艺、流程均与实施例1相同)，与实施例1比较得到，对比例4和5的浆料得率均增加0.5％-1.1％，但是对比例浆料的物理性能(包括纵向裂断长、横向环压指数、纵向撕裂指数，耐破指数，下同)均下降，尤其是对比例6的浆料物理性能最低。另外由表还可看出，对比例浆料打浆度均低，且均低于实施例1(打浆度26.4°SR)。
分析原因为，取消竹片发酵段中乳酸菌和根霉菌或木聚糖酶，意味着乳酸菌(作用可发酵碳水化合物)和根霉菌或木聚糖的作用不在存在。
乳酸菌是指发酵糖类主要产物为乳酸的一类无芽孢、革兰阳性菌的总称，是一类能利用可发酵碳水化合物产生大量乳酸的细菌的通称；而根霉菌在条件适当时产生淀粉酶，促进淀粉转化为葡萄糖，同时乳酸菌和根霉菌均可提高弱酸性环境(pH为4-6左右)，为此乳酸菌和根霉菌可使竹材中淀粉，以及其它低聚类物质发生生物降解，胞间层和细胞壁组织受到不同程度的破坏，竹片表面更显多孔状，材质软化，利于后续蒸煮药液的渗透，提高蒸煮的均匀性和蒸煮效益，还可减少蒸煮用药量。同时竹片材质软化利于后续的浆料磨浆，能更多地分离出完整的纤维，减少碎片的产生，改善磨后浆的强度。另外竹材纤维中的半纤维素主要是木聚糖类半纤维素，因此可利用木聚糖酶的催化性、高度专一性酶解木聚糖类半纤维素，同样使在细胞壁与胞间层表面，形成小空隙，材质软化，利于后续蒸煮和磨浆。
因此，对比例4和5的浆料中淀粉、低聚类等物质溶出较少，碱液预浸渍后浆料较粗硬，没有得到充分软化，得率高些，在相同的磨浆条件下，不利于纤维吸水润胀和细纤维化，纤维的比表面积小，打浆度难以提高，物理强度难以提升。
再者，中或高浓打浆后设置低浓打浆的作用为，在通过低浓打浆可以使中或高浓打浆发生扭曲和缠绕的纤维重新伸展开，从而稳定浆质量，满足包装用纸对成纸物理强度的质量要求。并且低浓打浆可使高浓打浆产生的纤维束及单根纤维，进一步外部纤维化与内部细纤维化，纤维保水性能提高，而切断损伤作用不大，从而确保成纸的强度。当取消了低浓打浆，浆料的打浆度降低，成纸强度降低。
以上所述实例仅是本专利的优选实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，根据本专利的技术方案及其专利构思，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)备料：备料采用干法，即将竹材切成10－50mm长，宽5－20mm的竹片，合格率达85％以上备用；筛选出的竹屑、竹髓和节子发酵备用；
2)预压榨：将步骤1)得到的竹片送入压榨机中进行预压榨，预压榨压力2.5－5.0MPa，压榨时间2－10min，温度常温；
3)竹片发酵：将经预压榨后的竹片加水润湿，使其含水量为45％－55％；然后将含水量为20％－40％的动物粪便与润湿后的竹片，连同步骤1)中筛选出的竹屑、竹髓和节子等细碎杂物，按比例混合均匀后堆成长条，上面覆盖麻袋片或草帘进行好氧发酵堆制，混合的同时加入高效活性生物复合菌；以绝干竹片质量计，高效活性生物复合菌用量为2－5％；该高效活性生物复合菌是由下列原料按重量百分比混合组成：酵母菌15％、乳酸菌15％、根霉菌10％、蛋白酶10％、脂肪酶15％、糖化酶15％、木聚糖酶10％、果胶酶10％，总质量百分含量为100％；
4)筛选除尘：发酵结束后进行筛选除尘处理，使发酵后尺寸合格的竹片与发酵后的其他物质分离；发酵后的竹片在高频振动式平筛停留时间为20－40min；
5)洗涤：将步骤4)筛选除尘后的竹片经洗料机洗去表面物质并脱除多余水分，洗涤脱水后竹片水分含量为30％－45％；
6)碱液预浸渍：洗涤后的竹片送入蒸煮容器中，加入碱性物质进行碱液预浸渍，预浸渍时间40－120min，温度80－100℃，液比1﹕3－6，压力0.15－0.3MPa；
7)磨浆或打浆：将经步骤(6)碱液预浸渍后的物质进行磨浆；
8)抄造：经7)磨浆后的本色竹纤维浆料进行浆板抄造，即得。
2.如权利要求1所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：步骤2)中预压榨采用双辊压榨，上下双辊均为包钢辊，而且上下两辊均具有平整光滑的表面。
3.如权利要求1所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：步骤3)中堆成长条的尺寸为长2－2.5m，宽1.5－2m，高0.8－1m；长条的堆放时间为72－120h，发酵后竹片水分为14－22％。
4.如权利要求1所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：步骤4)中筛选除尘所采用的设备为高频振动式平筛。
5.如权利要求1所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：步骤5)洗料机采用的设备为水力碎解机，处理时间20－40min。
6.如权利要求1所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：步骤6)中，相对于绝干原料质量，碱液预浸渍中的碱性物质用量为3－7％。
7.如权利要求6所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：碱性物质为氢氧化钠、氢氧化钾和亚硫酸钠中的任意一种或几种物质的混合物。
8.如权利要求1所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：步骤8)中磨浆采用两段磨浆，第一段采用中或高浓磨浆，第二段采用低浓磨浆；两段打浆完成后竹纤维浆打浆度为26－36°SR。
9.如权利要求8所述本色竹纤维生物化学机械浆的制备方法，其特征在于：中或高浓打浆温度为室温，打浆时间80－120min；低浓打浆温度为30－50℃；打浆时间40－60min。
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