專(zhuān)利名稱(chēng)：一種秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于秸稈加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法。
背景技術(shù)：
目前紡絲用纖維原料一般是從棉短絨或木材中提取，主要采用稀鹽酸預(yù)處理除去脂類(lèi)、糖及蛋白質(zhì)后，再用堿或亞硫酸鹽蒸煮除去木質(zhì)素的方法生產(chǎn)；該法存在著原料及生產(chǎn)成本較高、設(shè)備易腐蝕、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。我國(guó)是一個(gè)森林資源匱乏的國(guó)家，森林覆蓋率僅有18.21％，人均占有森林面積居世界第121位。因此，尋找紡絲用纖維原料的替代品和更加清潔、高效的生產(chǎn)工藝十分重要。
秸稈類(lèi)生物質(zhì)原料中含有大量的纖維組分，與棉花和木材相比，秸稈中纖維細(xì)胞含量較低，而薄壁細(xì)胞、導(dǎo)管及表皮細(xì)胞等雜細(xì)胞含量相對(duì)較高，用秸稈制得的紙漿因含有較多的非纖維細(xì)胞成分而影響質(zhì)量，一般被認(rèn)為不適于制造人造絲漿。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生的近7億噸秸稈類(lèi)生物質(zhì)農(nóng)林廢棄物主要以焚燒還田或制造低級(jí)漿為主，不僅污染環(huán)境，而且利用率低下，造成浪費(fèi)。實(shí)際上，若能在分離秸稈中纖維素的同時(shí)將其中不適于紡絲的短纖維類(lèi)雜細(xì)胞去除掉，而只保留適于紡絲的長(zhǎng)纖維，就可以達(dá)到與棉花或木材纖維同樣的效果。
秸稈類(lèi)纖維質(zhì)原料是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種主要組分緊密結(jié)合的有機(jī)體，依據(jù)波爾屯克模型，在秸稈類(lèi)纖維素的微小構(gòu)成單位周?chē)话肜w維素，其次是木質(zhì)素層的鞘所包圍。木質(zhì)素雖然對(duì)纖維素分解物質(zhì)(如酶等)反應(yīng)沒(méi)有阻礙作用，但它阻止纖維素分解物對(duì)纖維素的作用，因此人們不得不借助化學(xué)的、物理的方法進(jìn)行預(yù)處理，使纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等組分分離開(kāi)，再分別進(jìn)行利用。目前，秸稈的預(yù)處理方法總的來(lái)說(shuō)可分為三類(lèi)物理法、化學(xué)法和生物法。物理法包括研磨、粉碎、高溫、高壓蒸煮、爆破、微波、輻射處理等；化學(xué)法包括酸、堿、有機(jī)溶劑法；生物法主要是微生物法和酶法。這幾種方法各有利弊。機(jī)械法可提高所處理原料的糖化率，但能耗多，費(fèi)用較高；酸、堿、有機(jī)溶劑處理法分離效果較好，但副產(chǎn)物相對(duì)較多，且條件大都苛刻，處理不當(dāng)會(huì)造成環(huán)境污染；生物法條件溫和，反應(yīng)條件易于控制，但周期長(zhǎng)、效率低，距產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有一定距離。若能將其中的幾種方法結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，就可以達(dá)到較理想的效果，蒸汽爆破是其中較有前途的方法之一。蒸汽爆破是一種先將原料在高溫、高壓介質(zhì)下汽相蒸煮一段時(shí)間，使半纖維素降解成可溶性糖，同時(shí)木質(zhì)素軟化和部分降解，降低纖維連結(jié)強(qiáng)度，再突然釋壓，使物料從胞間層解離成單個(gè)纖維細(xì)胞，大大增加原料的可及性。乙醇萃取技術(shù)同樣是一種無(wú)污染的環(huán)保預(yù)處理方法。通過(guò)乙醇自催化，不僅能得到較高得率的纖維素，還能分離到高活性木質(zhì)素，乙醇可通過(guò)減壓蒸餾回收重復(fù)利用，被認(rèn)為是最有希望的纖維素分離法之一。將清潔高效的蒸汽爆破與可回收的乙醇萃取相結(jié)合，不僅可得到半纖維素，而且能分離到高得率的纖維素和高活性木質(zhì)素，不失為秸稈生物質(zhì)全利用好方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，針對(duì)目前紡織用纖維素原料生產(chǎn)成本較高，污染情況嚴(yán)重的現(xiàn)狀，提出一種以低成本的農(nóng)林廢棄物——秸稈作原料，將一系列清潔高效的預(yù)處理方式有機(jī)結(jié)合，使秸稈中適于紡絲的長(zhǎng)纖維得到有效分離，并通過(guò)新型環(huán)保的紡絲工藝制成再生紡織纖維的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，其步驟包括1)將農(nóng)作物秸稈加水浸泡，使其含水量為30-35％；將浸泡后的農(nóng)作物秸稈裝入汽爆裝置中，在1.0～2.0MPa的壓力下，維持1～15min后，快速釋壓，使秸稈從汽爆罐中噴出，得到汽爆秸稈；2)用60～90℃熱水逆流循環(huán)抽提汽爆秸稈以除去其中大部分可溶性半纖維素；隨后在120～200℃條件下，用40～80％(v/v)乙醇水溶液萃取殘?jiān)械哪举|(zhì)素，過(guò)濾分離得到含木質(zhì)素醇溶液的濾液和粗纖維素濾渣，再將粗纖維素濾渣經(jīng)磨漿、去除短纖維和漂白處理，得到農(nóng)作物秸稈漿；
3)將得到的秸稈漿與尿素按質(zhì)量比1∶5～10的比例加至惰性溶劑中，在120～160℃下反應(yīng)2～6小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯，再將得到的纖維素氨基甲酸酯溶解于NaOH溶液中，制得秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液。最后通過(guò)紡絲裝置噴絲得到纖維長(zhǎng)絲。
所述的農(nóng)作物秸稈為玉米秸、麥秸、皇竹草或/和稻草秸稈。所述去除短纖維的處理是指磨漿后，漿液在攪拌狀態(tài)下通過(guò)40目篩篩去短纖維。所述的惰性溶劑是指N，N-二甲基乙酰胺、二甲苯、二甲基亞砜或二甲基甲酰胺。所述的步驟2)中的乙醇經(jīng)減壓蒸餾回收重新利用。
本發(fā)明以農(nóng)作物秸稈廢棄物為原料，成本低廉，突破了紡絲纖維只能用棉短絨及木材生產(chǎn)的傳統(tǒng)觀(guān)念束縛；采用清潔蒸汽爆破和乙醇萃取處理相結(jié)合，效率高，無(wú)污染，完全可替代傳統(tǒng)酸、堿法生產(chǎn)工藝，不僅降低能耗，而且可以實(shí)現(xiàn)秸稈半纖維素、木質(zhì)素和纖維素全部分離，通過(guò)對(duì)三組分的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)秸稈生物質(zhì)的高附加值全利用；獨(dú)特的長(zhǎng)短纖維分離工藝使得秸稈絲漿質(zhì)量得到顯著提高，合成氨基甲酸酯完全改變傳統(tǒng)粘膠法復(fù)雜工藝，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的全程無(wú)污染，具有極大的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1麥草纖維素紡絲原液的制備將麥草加水浸泡，使其含水量至35％，然后裝入汽爆裝置中，通飽和蒸汽達(dá)到1.5MPa壓力后，維壓10min，突然釋放壓力，取出后用85℃熱水連續(xù)逆流洗脫半纖維素；在140℃下，用60％乙醇水溶液萃取殘?jiān)械哪举|(zhì)素(萃取3小時(shí))，過(guò)濾分離得到含取木質(zhì)素醇溶液的濾液和纖維素濾渣；再將纖維素濾渣殘?jiān){，過(guò)40目篩去除短纖維，最后通過(guò)兩段H2O2漂白(75℃，2h)得到麥草漿。經(jīng)分析，麥草漿纖維素含量95％，α-纖維素91％，聚合度510，灰分0.8％。經(jīng)堿活化麥草漿與尿素(質(zhì)量比1∶6)于二甲苯中140℃反應(yīng)4小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯；將氨基甲酸酯按質(zhì)量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中攪拌溶解24～36小時(shí)，過(guò)濾不溶部分，得到5％纖維素氨基甲酸酯溶液。
將紡絲原液通過(guò)紡絲裝置噴入含5％H2SO4與15％NaSO4組成的凝固浴及水洗浴中，得到干強(qiáng)達(dá)3.0cN/dtex的纖維長(zhǎng)絲。
實(shí)施例2皇竹草纖維素紡絲原液的制備首先對(duì)皇竹草進(jìn)行皮瓤分離，將分離到的皮部分用水浸泡12小時(shí)后取出調(diào)節(jié)含水量至30％，裝入汽爆裝置中，通飽和蒸汽達(dá)到2.0MPa壓力后，維壓1min，突然釋放壓力，取出75℃連續(xù)逆流水洗脫糖；殘?jiān)?0％乙醇水溶液于180℃萃取2小時(shí)，取出洗脫木質(zhì)素后再將剩余殘?jiān){，過(guò)40目篩去除短纖維，最后通過(guò)兩段H2O2漂白(75℃，2h)得到皇竹草漿。經(jīng)分析，皇竹草漿纖維素含量96％，α-纖維素93％，聚合度640，灰分0.7％左右。經(jīng)堿活化皇竹草漿與尿素(質(zhì)量比1∶5)于二甲基亞砜中120℃反應(yīng)6小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯；將氨基甲酸酯按質(zhì)量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中攪拌溶解24小時(shí)，過(guò)濾不溶部分，得到5％纖維素氨基甲酸酯溶液。
將紡絲原液通過(guò)紡絲裝置噴入含5％H2SO4、15％NaSO4組成的凝固浴及水洗浴中，得到纖維長(zhǎng)絲，強(qiáng)度達(dá)3.9cN/dtex。
實(shí)施例3玉米秸纖維素紡絲原液的制備首先對(duì)玉米進(jìn)行皮瓤分離，將分離到的皮部分用水浸泡6小時(shí)后取出調(diào)節(jié)含水量至33％，裝入汽爆裝置中，通飽和蒸汽達(dá)到1.8MPa壓力后，維壓4min，突然釋放壓力，取出后用60℃熱水連續(xù)逆流洗脫半纖維素；殘?jiān)?0％乙醇水溶液于200℃萃取2小時(shí)，取出洗脫木質(zhì)素后再將剩余殘?jiān){，過(guò)40目篩去除短纖維，最后通過(guò)兩段H2O2漂白(75℃，2h)得到玉米皮纖維。經(jīng)分析，玉米皮纖維的纖維素含量94％，α-纖維素90％，聚合度550，灰分0.9％左右。經(jīng)堿活化玉米纖維素與尿素(質(zhì)量比1∶10)于N，N-二甲基甲酰胺中150℃反應(yīng)3小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯；將氨基甲酸酯按質(zhì)量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中攪拌溶解24小時(shí)，過(guò)濾不溶部分，得到5％纖維素氨基甲酸酯溶液。
將紡絲原液通過(guò)紡絲裝置噴入含5％H2SO4、15％NaSO4組成的凝固浴及水洗浴中，得到強(qiáng)度為2.9cN/dtex的纖維長(zhǎng)絲。
實(shí)施例4稻草纖維素紡絲原液的制備將調(diào)節(jié)含水量至32％的稻草裝入汽爆裝置中，通飽和蒸汽達(dá)到1.0MPa壓力后，維壓15min，突然釋放壓力，取出后用90℃熱水連續(xù)逆流洗脫半纖維素；殘?jiān)?0％乙醇水溶液于120℃萃取4小時(shí)，取出洗脫木質(zhì)素后再將剩余殘?jiān){，過(guò)40目篩去除短纖維，最后通過(guò)兩段H2O2漂白(75℃，2h)得到稻草漿。經(jīng)分析，稻草漿纖維素含量93％，α-纖維素90％，聚合度530，灰分1.2％。經(jīng)堿活化稻草漿與尿素(質(zhì)量比1∶8)于N，N-二甲基乙酰胺中160℃反應(yīng)2小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯；將氨基甲酸酯按質(zhì)量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中攪拌溶解24～36小時(shí)，過(guò)濾不溶部分，得到5％纖維素氨基甲酸酯溶液。
將紡絲原液通過(guò)紡絲裝置噴入含5％H2SO4與15％NaSO4組成的凝固浴及水洗浴中，制成干強(qiáng)2.7cN/dtex纖維長(zhǎng)絲。
實(shí)施例5皇竹草和稻草混合纖維素紡絲原液的制備首先對(duì)皇竹草進(jìn)行皮瓤分離，將分離到的皮部分與稻草按質(zhì)量比1∶1混合后用水浸泡12小時(shí)使其含水量至31％，裝入汽爆裝置中，通飽和蒸汽達(dá)到1.7MPa壓力后，維壓6min，突然釋放壓力，取出后用80℃熱水連續(xù)逆流水洗脫半纖維素；殘?jiān)?0％乙醇水溶液于160℃萃取2小時(shí)，取出洗脫木質(zhì)素后再將剩余殘?jiān){，過(guò)40目篩去除短纖維，最后通過(guò)兩段H2O2漂白(75℃，2h)得到皇竹草漿。經(jīng)分析，混合漿中纖維素含量93％，α-纖維素90％，聚合度570，灰分1.0％左右。經(jīng)堿活化皇竹草漿與尿素(質(zhì)量比1∶5)于二甲苯中130℃反應(yīng)5小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯；將氨基甲酸酯按質(zhì)量比1∶10投入0℃左右的9％NaOH中攪拌溶解24小時(shí)，過(guò)濾不溶部分，得到5％纖維素氨基甲酸酯溶液。
將紡絲原液通過(guò)紡絲裝置噴入含5％H2SO4、15％NaSO4組成的凝固浴及水洗浴中，得到纖維長(zhǎng)絲，強(qiáng)度達(dá)3.4cN/dtex。
權(quán)利要求
1.一種秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，其步驟包括1)將農(nóng)作物秸稈加水浸泡，使其含水量為30-35％；將浸泡后的農(nóng)作物秸稈裝入汽爆裝置中，在1.0～2.0MPa的壓力下，維持1～15min后，快速釋壓，使秸稈從汽爆罐中噴出，得到汽爆秸稈；2)用60～90℃熱水逆流循環(huán)抽提汽爆秸稈以除去其中大部分可溶性半纖維素；隨后在120～200℃條件下，用乙醇水溶液萃取殘?jiān)械哪举|(zhì)素，過(guò)濾分離得到含木質(zhì)素醇溶液的濾液和粗纖維素濾渣，再將粗纖維素濾渣經(jīng)磨漿、去除短纖維和漂白處理，得到農(nóng)作物秸稈漿；3)將得到的秸稈漿與尿素按質(zhì)量比1∶5～10的比例加至惰性溶劑中，在120～160℃下反應(yīng)2～6小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯，再將得到的纖維素氨基甲酸酯溶解于NaOH溶液中，制得秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液。
2.按權(quán)利要求書(shū)1所述的秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，其特征在于，所述的農(nóng)作物秸稈為玉米秸、麥秸、皇竹草或/和稻草秸稈。
3.按照權(quán)利要求書(shū)1所述的秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，其特征在于，去除短纖維的處理是指磨漿后，漿液在攪拌狀態(tài)下通過(guò)40目篩篩去短纖維。
4.按照權(quán)利要求書(shū)1所述的秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，其特征在于所說(shuō)的惰性溶劑是指N，N-二甲基乙酰胺、二甲苯、二甲基亞砜或二甲基甲酰胺。
5.按照權(quán)利要求書(shū)1所述秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，其特征在于，所述的步驟2)中的乙醇經(jīng)減壓蒸餾回收重新利用。
全文摘要
本發(fā)明涉及的秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液的制備方法，包括將汽爆農(nóng)作物秸稈用水逆流循環(huán)抽提除去其中大部分可溶性半纖維素；在120～200℃下，用乙醇水溶液萃取殘?jiān)械哪举|(zhì)素，過(guò)濾分離得到濾液－木質(zhì)素醇溶液和濾渣－粗纖維素；再經(jīng)磨漿、去除短纖維和漂白處理得秸稈漿；將秸稈漿與尿素按質(zhì)量比1∶5～10的比例加至惰性溶劑中，在120～160℃下反應(yīng)2～6小時(shí)，得到纖維素氨基甲酸酯，再將纖維素氨基甲酸酯溶解于NaOH溶液中，制得秸稈類(lèi)纖維質(zhì)紡絲原液；該紡絲原液可替代以木漿為原料的再生纖維原液，其生產(chǎn)成本大幅降低，一定程度上解決了農(nóng)林廢棄物存在的利用難、污染嚴(yán)重的難題。
文檔編號(hào)D01F2/00GK1955347SQ20051011458
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者陳洪章, 翟蔚 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所