CN113832769B - 一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂、方法及应用 - Google Patents

一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂，制备步骤如下：除去农业剩余物原料中非植物性杂质并对原料进行处置；对备料后农业剩余物进行自催化水解处理，疏松原料组织结构；将自催化处理后所得物料进行磨解，使物料尺度达到细胞级水平；对粗磨后物料进行生物酶处理，进一步破坏原料的细胞壁结构；对酶处理后的物料进行微细化处理，使细胞壁微纤丝化，所得这些产物即为生物质基增强剂。在农业剩余物中，如玉米芯、稻壳、甘蔗渣髓、甜高粱渣髓和玉米秸秆髓等，因其中纤维细胞含量低，大多还没有大规模的高附加值利用，本发明解决了这部分原材料的高附加值转化利用问题，为农业剩余物充分利用提供了一种新途径。

Description

一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂、方法 及应用
技术领域
本发明属于造纸技术领域，尤其是一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂、方法及应用。
背景技术
造纸工业作为重要的基础原材料产业，在我国国民经济中占据重要地位。废纸的循环使用对所抄造纸张的性能有很大的影响，随着循环次数的增加，纤维不可逆角质化加重，抄造的纸张紧度变小，抗张强度、耐破强度、耐折度和抗压强度等指标不断下降。高得率浆也是目前常用的一种造纸用浆，具有脱木素量少、得率高、成本较低、环境友好等优点，虽然用高得率浆抄造的纸张有较高的不透明度、光散射系数和松厚度，但高得率浆纤维表面大部分被木素包覆，不易分丝帚化，纤维间结合较差，另外纤维挺硬，长宽比小，因此，用高得率浆抄造的纸张机械强度也较低。强度是纸张的基本要求，主要由单根纤维及纤维之间氢键结合力所决定的。增强纸张常用的方法是磨浆，磨浆时的机械作用将导致纤维更大程度的破坏，滤水性能恶化，也不利于废纸的多次循环使用。目前，主要使用化学增强剂来提高废纸浆强度，常用的化学增强剂有变性淀粉、聚丙烯酰胺等，它们均是通过化学合成或化学改性而得，主要依靠增加纤维间的结合力来提高纸张强度，这类化学助剂对与纤维长度相关的指标如耐折度意义不大。由于废纸浆和高得率浆复杂的化学成分及造纸白水封闭循环程度加大，造成化学增强剂的使用效果越来越差。此外，上述化学助剂存在工艺相对复杂、生产成本较高及产品有生物毒性等诸多弊端，严重限制了其在废纸浆和高得率浆中大规模使用。
针对传统化学类造纸增强剂存在的弊端，本发明提供了一种以农业剩余物为原料制备生物质基造纸增强剂的方法。我国是农业大国，农作物秸秆种类繁多、数量巨大、分布广泛。随着我国农产品生产连年丰收，其副产品秸秆的产生量也日益增长。玉米、水稻和小麦三大作物是秸秆的主要来源，人们对它们的利用研究很多，并且产生了诸如“五料化”利用等行之有效的方法，但是对于一些产量相对小的农业剩余物如稻壳、玉米芯等的高附加值利用方法还较少，促使人们不断的探索，本发明以这类生物质为原料开发一种天然的、绿色无污染造纸增强剂，对造纸工业可持续发展具有重要意义。
通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开专利文献。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中传统化学类造纸增强剂存在的的不足之处，提供一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂、方法及应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂，制备步骤如下：
(1)备料：除去农业剩余物原料中非植物性杂质并对原料进行处置；
(2)自催化水解：对备料后农业剩余物进行自催化水解处理，疏松原料组织结构；
(3)粗磨：将自催化处理后所得物料进行磨解，使物料尺度达到细胞级水平；
(4)酶处理：对粗磨后物料进行生物酶处理，进一步破坏原料的细胞壁结构；
(5)微细化：对酶处理后的物料进行微细化处理，进一步破坏细胞壁结构，转化成微纤丝，所得这些产物即为生物质基增强剂。
进一步地，所述步骤(1)中农作物剩余物为玉米芯、稻壳、甘蔗渣髓、甜高粱渣髓、玉米秸秆髓；
或者，对玉米芯原料的处置为：要经过机械破碎至直径小于10mm；
或者，对甘蔗渣髓、甜高粱渣髓的处置为：经过除髓备料以分离出其中的髓；
或者，对玉米秸秆髓的处置为：用皮芯分离机分离出其中的髓；
或者，所述步骤(1)中将除去杂质后的原料破碎，使其最长部位小于10mm。
进一步地，所述步骤(2)中自催化水解为将农作物剩余物与水在固液比1:2～1:15(w/v)条件下混匀，然后升温至温度140～200℃条件下保温5～120min。
进一步地，所述步骤(3)中粗磨为利用圆盘磨浆机对自催化水解所得物料进行机械处理，以降低物料粒子尺寸，促使植物细胞组织离解，甚至细胞破裂；粗磨过程控制物料浓度15～40wt％，盘磨间隙控制0.05～0.5mm。
进一步地，所述步骤(4)中生物酶处理，使用的酶制剂为纤维素酶，酶处理物料浓度0.5～8wt％，酶用量0.0001～5FPU/g底物，酶处理pH 4～7，反应温度40～60℃，反应时间0.2～5h。
进一步地，所述步骤(5)中微细化处理为使用胶体磨或高压均质机对酶处理后所得物料进行进一步的机械处理；使用胶体磨进行微细化处理时，物料浓度0.5～6wt％，处理时间1～60min；使用高压均质机进行微细化处理时，物料浓度0.5～3wt％，压强10～140MPa，处理时间1～60min。
利用如上所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂的使用方法，其特征在于：步骤如下：
将生物质基造纸增强剂与纸料混合，或添加助留剂，生物质基造纸增强剂添加量0.1～15wt％(相对于绝干纸料)。
如上所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂在造纸方面中的应用。
如上所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂在以废纸或高得率浆为原料生产纸或纸板方面中的应用。
本发明取得的优点和积极效果为：
1、在农业剩余物中，如玉米芯、稻壳、甘蔗髓、玉米秸秆髓和甜高粱秸秆髓等，因其中纤维细胞含量少，大多还没有大规模的高附加值利用，本发明解决了这部分原材料的高附加值转化利用问题，为农业剩余物充分利用提供了一种新途径。
2、本发明以价廉的农业剩余物为原料所得到的生物质基造纸增强剂来源于植物，和常规的化学合成或化学改性增强剂比较，属于近碳中和产品。
3、本发明生物质基造纸增强剂的整个制造过程环境友好，可以实现清洁生产。
4、本发明在生物质基造纸增强剂制造过程中，溶解的物质多为糖类，可用于发酵乙醇、沼气，或提取木糖、低聚木糖等功能糖，实现了农业剩余物的全组分利用。
5、本发明所制备的生物质基增强剂，可用于以废纸或高得率浆为原料生产瓦楞原纸、箱纸板、白纸板或纱管纸等产品，抗张强度提高了10～35％、环压强度提高了10～30％、耐破度提高了15～45％、耐折度提高了30～100％、撕裂强度提高了5～15％、层间结合强度提高了40～100％。若和阳离子聚丙烯酰胺等助留剂配合使用，可以提高其使用效果。
附图说明
图1为本发明中所得生物质基造纸增强剂的光学显微镜照片(×100)；其中，图1(a)为实施例1中光学显微镜照片；图1(b)为实施例2中光学显微镜照片。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂，制备步骤如下：
(1)备料：除去农业剩余物原料中非植物性杂质并对原料进行合理处置；
(2)自催化水解：对备料后农业剩余物进行自催化水解处理，疏松原料组织结构；
(3)粗磨：将自催化处理后所得物料进行磨解，使物料尺度达到细胞级水平；
(4)酶处理：对粗磨后物料进行生物酶处理，进一步破坏原料的细胞壁结构；
(5)微细化：对酶处理后的物料进行微细化处理，进一步破坏细胞壁结构，转化成微纤丝，所得这些产物即为生物质基增强剂。
进一步地，所述步骤(1)中农作物剩余物包括但不限于玉米芯、稻壳、甘蔗渣髓、甜高粱渣髓、玉米秸秆髓等农业剩余物；对玉米芯原料要经过机械破碎至直径小于10mm；对糖厂产生的甘蔗渣髓、甜高粱渣髓可以经过除髓备料以分离出其中的髓，对玉米秸秆髓可以用皮芯分离机分离出来作为本发明的原料；所有物料均要通过筛选、磁处理等操作以除去其中的非植物性物质；
或者，所述步骤(1)中将除去杂质后的原料破碎，使其最长部位小于10mm。
进一步地，所述步骤(2)中自催化水解为将农作物剩余物与水在固液比1:2～1:15(w/v)条件下混匀，然后升温至温度140～200℃条件下保温5～120min。优选条件是，将农作物剩余物与水按固液比1:5～1:8(w/v)条件混匀，然后在160～180℃条件下保温40～80min。
进一步地，所述步骤(3)中粗磨为利用圆盘磨浆机对自催化水解所得物料进行机械处理，以降低物料粒子尺寸，促使植物细胞组织离解，甚至细胞破裂；粗磨过程控制物料浓度15～40wt％，盘磨间隙控制0.05～0.5mm。优选条件为：物料浓度18～30wt％，盘磨间隙0.15～0.25mm。
进一步地，所述步骤(4)中生物酶处理，使用的酶制剂为纤维素酶，酶处理物料浓度0.5～8wt％，酶用量0.0001～5FPU/g底物，酶处理pH 4～7，反应温度40～60℃，反应时间0.2～5h。优选条件为：物料浓度为1～3wt％，酶用量为0.2～2.0FPU/g底物，酶处理pH为pH4.5～6.0，反应温度为45～55℃，反应时间为0.5～2h。
进一步地，所述步骤(5)中微细化处理为使用胶体磨或高压均质机对酶处理后所得物料进行进一步的机械处理，使物料中的细胞进一步分丝帚化，物料尺寸进一步降低。使用胶体磨进行微细化处理时，物料浓度0.5～6wt％，处理时间1～60min，优选条件为：物料浓度1～3wt％，处理时间20～40min；使用高压均质机进行微细化处理时，物料浓度0.5～3wt％，压强10～140MPa，处理时间1～60min。优选条件为：物料浓度0.8～1.5wt％，压强为50～70MPa，处理时间在20～50min。
利用如上所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂的使用方法，步骤如下：
将生物质基造纸增强剂添加至纸料流送***与纸料混合，或添加助留剂，生物质基造纸增强剂添加量0.1～15wt％(相对于绝干纸料)。优选条件为：生物质基造纸增强剂添加量1～10wt％。
如上所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂在造纸方面中的应用。
如上所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂在以废纸或高得率浆为原料生产纸或纸板方面中的应用。
进一步地，所述纸或纸板为瓦楞原纸、箱纸板、白纸板或纱管纸等。
具体地，相关制备及检测如下：
实施例1
将风干的玉米芯粉碎为直径小于10mm的颗粒，按固液比1:5(w/v)与水混合，然后置于反应釜中进行自催化水解处理，反应温度和保温时间分别为180℃和30min。自催化水解结束后，将所得物料浓缩至20％浓度后在0.15mm盘磨间隙下进行磨解。粗磨结束后，将所得物料用水进一步稀释成浓度1wt％的物料，在1.5FPU/g底物的纤维素酶用量以及50℃、pH5的条件下处理1h。酶处理结束后，利用胶体磨对所得物料进行微细化处理20min，最终得到生物质基造纸增强剂，其光学显微镜照片如图1(a)所示。
将上述制得的生物质基造纸增强剂按照5％(相对于绝干纸料)的用量分别加入到国产废纸纸浆和辐射松高得率浆中，充分混匀后用快速纸张成型器抄造定量为100g/m2的纸张，所得纸张的物理强度数据如表1所示。
表1生物质基造纸增强剂对废纸浆和高得率浆强度性能影响
Figure GDA0003904092320000051
实施例2
将收集的玉米秸秆进行皮芯分离，获得其中的芯髓，按固液比1:6(w/v)与水混合，然后置于反应釜中开始自催化水解，反应温度和保温时间分别控制在175℃和45min。自催化水解结束后，将所得物料用浓缩至浓度30wt％，并在0.15mm盘磨间隙下进行磨解。粗磨结束后，将所得物料用水稀释成浓度3wt％的物料，在0.6FPU/g底物的纤维素酶用量以及50℃、pH 5的条件下处理2h。酶处理结束后，用水进一步稀释成浓度1wt％的物料，通过高压均质机在30MPa条件下对所得物料微细化处理30min，最终得到生物质基造纸增强剂，其光学显微镜照片如图1(b)所示。
将上述制得的生物质基造纸增强剂按照10％(w/w)的剂量加入到国产废纸浆中，充分混匀后用快速纸张成型器抄造定量为100g/m2的纸张，所得纸张的物理强度数据如表2。
实施例3
将糖厂产生的甘蔗渣进行半干法筛分，获得蔗髓，按固液比1:10(w/v)与水混合，然后置于反应釜中开始自催化水解，反应温度和保温时间分别控制在170℃和60min。自催化水解结束后，将所得物料浓缩至浓度30wt％，并在0.20mm盘磨间隙下进行磨解。粗磨结束后，将所得物料用水稀释成浓度3wt％的物料，在0.8FPU/g底物的纤维素酶用量以及50℃、pH 5的条件下处理2h。酶处理结束后，用水进一步稀释成浓度1wt％的物料，通过高压均质机在60MPa条件下对所得物料微细化处理40min，最终得到生物质基造纸增强剂。
将上述制得的生物质基造纸增强剂按照12％(w/w)的剂量加入到国产废纸浆中，充分混匀后用快速纸张成型器抄造定量为100g/m2的纸张，所得纸张的物理强度数据如表2。
实施例4
将风干的稻壳按固液比1:8(w/v)与水混合，然后置于反应釜中进行自催化水解，反应温度和保温时间分别为190℃和15min。自催化水解结束后，将所得物料用浓缩至浓度25wt％，并在0.10mm盘磨间隙下进行磨解。粗磨后所得物料稀释至浓度为3wt％，在2FPU/g底物的纤维素酶用量以及50℃、pH5的条件下处理1.5h。酶处理结束后，通过胶体磨对所得物料进行微细化处理40min，最终得到生物质基造纸增强剂。
将上述制得的生物质基造纸增强剂按照8％(w/w)的用量加入到国产废纸浆中，充分混匀后用快速纸张成型器抄造定量为100g/m2的纸张，纸张的物理强度数据如表2所示。
表2生物质基造纸增强剂对废纸浆强度性能影响
Figure GDA0003904092320000061
Figure GDA0003904092320000071
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims (5)

1.一种以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂，其特征在于：制备步骤如下：
(1)备料：除去农业剩余物原料中非植物性杂质并对原料进行处置；
(2)自催化水解：对备料后农业剩余物进行自催化水解处理，疏松原料组织结构；
(3)粗磨：将自催化处理后所得物料进行磨解，使物料尺度达到细胞级水平；
(4)酶处理：对粗磨后物料进行生物酶处理，进一步破坏原料的细胞结构；
(5)微细化：对酶处理后的物料进行微细化处理，进一步破坏细胞结构，转化成微纤丝，所得这些产物即为生物质基增强剂；
所述步骤(2)中自催化水解为将农作物剩余物与水在固液比1:2～1:15(w/v)条件下混匀，然后升温至温度140～200℃条件下保温5～120min；
所述步骤(3)中粗磨为利用圆盘磨浆机对自催化水解所得物料进行机械处理，以降低物料粒子尺寸，促使植物细胞组织离解，甚至细胞破裂；粗磨过程控制物料浓度15～40wt％，盘磨间隙控制0.05～0.5mm；
所述步骤(4)中生物酶处理，使用的酶制剂为纤维素酶，酶处理物料浓度0.5～8wt％，酶用量0.0001～5FPU/g底物，酶处理pH 4～7，反应温度40～60℃，反应时间0.2～5h；
所述步骤(5)中微细化处理为使用胶体磨或高压均质机对酶处理后所得物料进行进一步的机械处理；使用胶体磨进行微细化处理时，物料浓度0.5～6wt％，处理时间1～60min；使用高压均质机进行微细化处理时，物料浓度0.5～3wt％，压强10～140MPa，处理时间1～60min。
2.根据权利要求1所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂，其特征在于：所述步骤(1)中农作物剩余物为玉米芯、稻壳、甘蔗渣髓、甜高粱渣髓、玉米秸秆髓；
或者，对玉米芯原料的处置为：要经过机械破碎至直径小于10mm；
或者，对甘蔗渣髓、甜高粱渣髓的处置为：经过除髓备料以分离出其中的髓；
或者，对玉米秸秆髓的处置为：用皮芯分离机分离出其中的髓；
或者，所述步骤(1)中将除去杂质后的原料破碎，使其最长部位小于10mm。
3.利用如权利要求1或2所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂的使用方法，其特征在于：步骤如下：
将生物质基造纸增强剂与纸料混合，或添加助留剂，生物质基造纸增强剂添加量0.1～15wt％(相对于绝干纸料)。
4.如权利要求1或2所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂在造纸方面中的应用。
5.如权利要求1或2所述的以农业剩余物为原料制得的生物质基造纸增强剂在以废纸或高得率浆为原料生产纸或纸板方面中的应用。
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