一種煙稈纖維及利用煙稈纖維製備的物流包裝板材的製作方法

2023-10-09 22:38:09

本發明涉及木質複合材料製備領域，尤其是涉及一種煙稈纖維及利用煙稈纖維製備的物流包裝板材。

背景技術：

我國是菸草生產大國，煙稈是菸草生產中最大的副產品，年產量約為450萬噸，煙稈中含有大量的木質素和纖維素，在以往的處理方法中大部分採取丟棄和直接燃燒，既不經濟也造成了不同程度的環境汙染。為了增強菸草秸稈利用率，現有技術中對煙稈深加工做了一系列的研究，比如將煙稈經過發酵製備有機肥；採用加熱和微波工藝製備活性炭；壓製成纖維板等。而煙稈纖維壓製成板材可以作為物流包裝板材使用，而物流包裝板材需要搬運和運輸，對機械強度和防水性能均具有很高的要求。

李曉薇等在《農牧產品開發》上發表了煙杆工業利用新途徑，採用溼法和半乾法將煙杆製備成纖維板，溼法是是將原料分解成纖維，加入大量水稀釋成漿料，然後施加保證產品性能的化學添加劑（膠粘劑除外），再脫水形成溼板坯，經熱壓後製成纖維板的方法。半乾法是將原料分解成纖維，進行機械擠幹後，鋪成半乾狀板坯，經熱壓後製成纖維板，製備成纖維板。但是該方法製備的纖維板的吸水後度膨脹率比較高，用於物流包裝材料時不防水，而且機械性能比較差。

中國專利申請號201110201014.6公開了一種無醛植物纖維包裝材料的製造方法，屬於木質複合材料製造技術領域，其工藝是先將植物纖維原料加工成一定尺寸的單元，將之與絕乾重量佔絕幹植物纖維單元重量 30-50％的酶解木素均勻混合，再將混合料放入蒸汽爆破處理器中，在蒸汽壓力為0.8-1.3MPa， 處理時間為3-10min的條件下爆破解離成纖維束，再經常溫磨機精磨處理 1-3min後分離成纖維，乾燥至含水率10-20％，然後鋪裝成型。在溫度為190-210℃，壓力為4.0-5.0MPa，時間為30-50s/mm的條件下，熱壓製成密度為 0.9-1.2g/cm3，厚度為 2-4mm的板材，該方法製備的包裝材料的吸水膨脹率比較高，製備的包裝材料不防水，在運輸過程中容易對包裝的物品造成損壞。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種煙稈纖維，該煙稈纖維是採用瞬間彈射蒸汽爆破技術處理煙稈，製備的煙稈纖維形態均勻，採用該煙稈纖維製備的物流包裝板材的各項機械性能優異，且防水效果好，可以作為物流運輸包裝材料。

為達到上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段；

（2）切段後的煙稈在蒸汽壓力為1.5-3.5Mpa的條件下維持60-120s，然後瞬間彈射蒸汽爆破，得到煙稈纖維。

進一步的，所述步驟（1）中煙稈的水分含量為15-25%。

進一步的，所述步驟（2）中瞬間彈射蒸汽爆破時間為0.08-0.09s。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與5-10%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，所述預壓壓力為0.2-0.6Mpa；

（2）在熱壓溫度為140-160℃，熱壓壓力為12-18Mpa，熱壓時間為2-3min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.0-1.5cm的板材。

進一步的，所述步驟（1）中的黏合劑為脲醛樹脂膠粘劑、羧甲基澱粉或鹼木素。

本發明的有益效果是：

1、本發明採用瞬間彈射蒸汽爆破技術處理煙稈，在處理腔中，高壓蒸汽通過擴散作用，滲透進入煙稈木質纖維細胞壁內，冷凝成液態水，使細胞壁受到潤溼，纖維素結晶度提高，聚合度減小，木質素軟化，煙稈內部橫向聯結強度下降,然後瞬間洩壓，蒸汽瞬間汽化，並產生二次蒸汽，體積猛增，蒸汽的膨脹對周圍細胞的細胞壁結構施加了一個剪切力，使溼潤的煙稈木質纖維發生爆破，纖維細胞壁破裂，從而使煙稈纖維分散開。

本發明對蒸汽爆破的壓力和保壓時間進行考察，當蒸汽壓力過小時，煙稈纖維分離不徹底，壓力過大，保壓時間過長時，蒸汽溫度比較高，會導致纖維素發生溶出和降解，纖維含量降低，另外壓力大保壓時間長的話，纖維受損會增加，細小纖維的含量會增大，且設備的能耗也會大大增加；而瞬間彈射蒸汽爆破時間直接影響爆破的效果，合理的瞬間彈射蒸汽爆破時間可以使煙稈纖維得到最大的分散，而且形態均勻。經驗證當在蒸汽壓力為1.5-3.5Mpa的條件下維持60-120s，然後在0.08-0.09s瞬間彈射蒸汽爆破，得到的煙稈纖維，形態比較均勻，纖維分布適用於製備優質的板材。

2、煙稈中需要保持一定的水分含量，有利於加大水蒸氣的深入強度，提高處理效果；但是水分含量過低時，蒸汽爆破過程中細胞內水分過少會降低液態水汽化時的剪切力，使得爆破效果變差，同時水分含量低也會導致煙稈發生碳化；而水分含量過高纖維容易降解，因此本發明將煙稈中含水量控制在15-25%。

3、本發明製備的煙稈纖維形態均勻，不需要經過精磨，即可直接壓板，成本低。

4、採用本發明煙稈纖維製備的物流包裝板材密度為1.15-1.45g/cm3，內結合強度≥1.2MPa，靜曲強度≥30.2MPa，彈性模量≥4137.16MPa，各項性能優異，可以達到複合木地板的性能，另外本發明製備的板材吸水厚度膨脹率≤3.54%，防水性能優異。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步描述。

實施例1

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段，其中煙稈的水分含量為15%；

（2）採用QBS-80B型汽爆工藝試驗臺，切段後的煙稈置於處理腔中，在蒸汽壓力為1.5Mpa的條件下維持120s，然後瞬間彈射蒸汽爆破，其中瞬間彈射蒸汽爆破時間為0.0875s，得到煙稈纖維。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與5%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，其中預壓壓力為0.2Mpa；

（2）在熱壓溫度為140℃，熱壓壓力為18Mpa，熱壓時間為2min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.0cm的板材，即製備得到產品。

其中黏合劑為脲醛樹脂膠粘劑。

實施例2

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段，其中煙稈的水分含量為18%；

（2）採用QBS-80B型汽爆工藝試驗臺，切段後的煙稈置於處理腔中，在蒸汽壓力為1.8Mpa的條件下維持100s，然後瞬間彈射蒸汽爆破，其中瞬間彈射蒸汽爆破時間為0.0875s，得到煙稈纖維。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與6%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，其中預壓壓力為0.3Mpa；

（2）在熱壓溫度為145℃，熱壓壓力為17Mpa，熱壓時間為2.5min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.2cm的板材，即製備得到產品。

其中黏合劑為羧甲基澱粉。

實施例3

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段，其中煙稈的水分含量為20%；

（2）採用QBS-80B型汽爆工藝試驗臺，切段後的煙稈置於處理腔中，在蒸汽壓力為2.0Mpa的條件下維持90s，然後瞬間彈射蒸汽爆破，其中瞬間彈射蒸汽爆破時間為0.0875s，得到煙稈纖維。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與7%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，其中預壓壓力為0.4Mpa；

（2）在熱壓溫度為150℃，熱壓壓力為16Mpa，熱壓時間為3min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.5cm的板材，即製備得到產品。

其中黏合劑為鹼木素。

實施例4

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段，其中煙稈的水分含量為22%；

（2）採用QBS-80B型汽爆工藝試驗臺，切段後的煙稈置於處理腔中，在蒸汽壓力為2.5Mpa的條件下維持80s，然後瞬間彈射蒸汽爆破，其中瞬間彈射蒸汽爆破時間為0.0875s，得到煙稈纖維。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與8%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，其中預壓壓力為0.5Mpa；

（2）在熱壓溫度為150℃，熱壓壓力為15Mpa，熱壓時間為3min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.0cm的板材，即製備得到產品。

其中黏合劑為脲醛樹脂膠粘劑。

實施例5

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段，其中煙稈的水分含量為25%；

（2）採用QBS-80B型汽爆工藝試驗臺，切段後的煙稈置於處理腔中，在蒸汽壓力為3.0Mpa的條件下維持70s，然後瞬間彈射蒸汽爆破，其中瞬間彈射蒸汽爆破時間為0.0875s，得到煙稈纖維。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與9%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，其中預壓壓力為0.6Mpa；

（2）在熱壓溫度為155℃，熱壓壓力為13Mpa，熱壓時間為2.5min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.2cm的板材，即製備得到產品。

其中黏合劑為羧甲基澱粉。

實施例6

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段，其中煙稈的水分含量為25%；

（2）採用QBS-80B型汽爆工藝試驗臺，切段後的煙稈置於處理腔中，在蒸汽壓力為3.5Mpa的條件下維持60s，然後瞬間彈射蒸汽爆破，其中瞬間彈射蒸汽爆破時間為0.0875s，得到煙稈纖維。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與10%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，其中預壓壓力為0.4Mpa；

（2）在熱壓溫度為160℃，熱壓壓力為12Mpa，熱壓時間為2min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.5cm的板材，即製備得到產品。

其中黏合劑為鹼木素。

對比例1

對比例1與實施例4基本相同，不同之處在於：蒸汽爆破設備採用武漢格潤環保設備有限公司研製的蒸汽爆破器，具體步驟為：

一種煙稈纖維，由以下步驟製備：

（1）將煙稈切成3-5cm長的小段，其中煙稈的水分含量為22%；

（2）採用蒸汽爆破器，切段後的煙稈置於處理腔中，在蒸汽壓力為2.5Mpa的條件下維持80s，然後瞬間蒸汽爆破，得到煙稈纖維。

一種利用煙稈纖維製備的物流包裝板材，由以下步驟製備：

（1）將煙稈纖維與8%重量的黏合劑混合後，鋪裝成型，經過預壓形成板坯，其中預壓壓力為0.5Mpa；

（2）在熱壓溫度為150℃，熱壓壓力為15Mpa，熱壓時間為3min的條件下，將板坯壓製成厚度為1.0cm的板材，即製備得到產品。

其中黏合劑為脲醛樹脂膠粘劑。

對比例2-5

對比例2-5與實施例4基本相同，不同之處在於調整蒸汽壓力分別為0.8Mpa、1.0Mpa、3.8Mpa、4.0Mpa，其餘工藝方法與實施例4相同。

對比例6-9

對比例6-9與實施例4基本相同，不同之處在於調整保壓時間，即在在蒸汽壓力為2.5Mpa的條件下分別維持40s、50s、130s、140s，其餘工藝方法與實施例4相同。

性能測試試驗

採用纖維篩分儀，分別檢測實施例1-6以及對比例1-9中的煙稈纖維中粗纖維（＜14目）、中長纖維（28-100目）以及細小纖維（＞200目）的含量，另外根據國標GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測試實施例1-6以及對比例1-9製備的板材的含水率、密度、內結合強度、靜曲強度、彈性模量和吸水厚度膨脹率，具體測試結果見表1，經檢測本發明實施例1-6以及對比例1-9製備的板材的含水率為6-8%。

表1 板材性能測試

由表1可以看出，本發明實施例1-6製備的煙稈纖維中粗纖維的含量為10-20%，中長纖維含量為65-73%，細小纖維的含量為15-25%，纖維中的中長纖維的含量多，可以製備性能優良的板材，而實施例4中的中長纖維含量最多，說明實施例中工藝參數最優選。製備的板材的密度為1.15-1.45g/cm3， 內結合強度≥1.2MPa，靜曲強度≥30.2MPa，彈性模量≥4137.16MPa，各項性能優異，可以達到複合木地板的性能，另外本發明製備的板材吸水厚度膨脹率≤3.54%，其中實施例4製備的板材的吸水厚度膨脹率為2.86%，防水效果優異，與本發明採用的蒸爆工藝有關，採用本發明的蒸爆工藝製備的煙稈纖維中半纖維素大幅降解，半纖維降解後板材的吸水性降低，防水性能比較好，且細小纖維含量適中，在熱壓過程中可以填補纖維之間的空隙，增加結合強度，從而增加防水性能；另外煙稈纖維中長纖維的含量高，纖維細胞受損小，製備的板材強度比較高，機械性能優異。

而對比例1與實施例4工藝基本形同，不同之處在於採用普通的蒸汽爆破機對煙稈纖維進行蒸汽爆破，製備的煙稈纖維中粗纖維的含量和細小纖維的含量高，中長纖維的含量很低，主要是由於爆破時間對煙稈纖維的形態影響比較大，因此製備的板材的機械性能和防水效果均比實施例4差。

對比例2-5是在實施例4的基礎上調整蒸汽壓力，由表1可以看出，當蒸汽壓力為0.8Mpa和1.0Mpa時，煙稈纖維中粗纖維的含量比較高，而達到3.8Mpa和4.0Mpa時，粗纖維的含量大幅度降低，但是細小纖維的含量也大大增加，得到的煙稈纖維形態不均勻，製備的板材的機械性能和防水性均比實施例4低，說明合適的蒸汽壓力對煙稈纖維形態很很大影響。

對比例6-9是在實施例4的基礎上調整保壓時間，由表1可以看出，當保壓時間分別為40s和50s，煙稈纖維中粗纖維的含量比較高，而且保壓時間越長，粗纖維含量會降低，而當保壓時間分別為130s和140s時，粗纖維的含量大幅度降低，但是細小纖維的含量也大大增加，且保壓時間越長，細小纖維的含量越大，實施例6-9製備的板材的機械性能和防水性均比實施例4低，說明合適的保壓時間對煙稈纖維形態以及製備的板材的機械性能均有很大影響。

最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。