專利名稱：木塑復(fù)合材料用甘蔗渣的超聲化學(xué)前處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于植物纖維技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及木塑材料用的甘蔗渣的超聲化學(xué)前處理方法。
背景技術(shù)：
甘蔗在熱帶、亞熱帶生產(chǎn)，中國每年提供1億噸副產(chǎn)品，主要有蔗糖、蔗汁、蔗糖糖蜜、蔗渣等。然而隨著制糖業(yè)的高效發(fā)展，甘蔗壓榨后的纖維性莖桿物質(zhì)---甘蔗渣成了有待解決的固態(tài)生物廢棄物。我國約有500多家大型糖廠，其副產(chǎn)品甘蔗渣每年達(dá)到1000多萬噸。甘蔗渣在工業(yè)上有限的應(yīng)用主要原因在于對蔗渣纖維的潛力認(rèn)識不夠。甘蔗渣85％以上被糖廠燃燒產(chǎn)生能源，只有很少部分用于制漿和紙、紙板、糠醛、動物食品或其它用途。
蔗渣的利用方向是替代木材、燃料及發(fā)展化工產(chǎn)品。利用蔗渣纖維代替木材造紙、仿生復(fù)合材料，以節(jié)約木材和提高森林覆蓋率，有重大戰(zhàn)略意義。采用熔融擠出復(fù)合增強(qiáng)的方法將植物纖維與塑料進(jìn)行制備木塑復(fù)合材料(WPC-Woodfiber Plastic Composite)就是一種新的發(fā)展方向。
蔗渣這一材料成分相對復(fù)雜，其主要成分如下纖維素含量35～45％，半纖維素15～25％，木質(zhì)素15～25％，灰份4％左右，其它小分子5～10％等。由于蔗渣中殘余小分子糖等，在加熱條件下蔗渣中的不穩(wěn)定物質(zhì)分解或小分子氧化炭化變色，使得于其它材料共混時變色、熔體強(qiáng)度和力學(xué)性能下降和加工流變性變差等。所以對蔗渣的前處理成為十分重要的步驟。
對蔗渣前處理的方法分為化學(xué)法和物理法，化學(xué)法包括AS-AQ法即堿性亞硫酸鈉-蒽醌法制漿得率高、成色淺；MSS-AQ法即硫化鈉-亞硫酸鈉-氫氧化鈉-葸醌法消耗化學(xué)品少、得率高、硬度低、顏色淺、易漂白、強(qiáng)度好等；Soda-AQ法即氫氧化鈉-葸醌法保持了紙張制漿得率，保持了較好的物性指標(biāo)，完全可以滿足一般企業(yè)生產(chǎn)制品的質(zhì)量要求；亞硫酸鈉法是中性亞硫酸鈉、碳酸鈉在一定溫度保溫一定時間，該法具有得率高、顏色淺、易漂白、物理性能高等優(yōu)點。物理法包括預(yù)膨化處理制漿，該法是將蔗渣在膨化器在一定溫度和一定壓力下保溫一定時間將蔗渣膨化到接受器，進(jìn)行漂白處理。
以上方法總會產(chǎn)生大量黑液，且使木質(zhì)素、半纖維素大量降解，這從資源利用角度上是不利的，一方面是資源的浪費；另一方面對環(huán)境也造成污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種專用于木塑材料制備的甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法。超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國民經(jīng)濟(jì)各部門的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。超聲化學(xué)特指在一定的介質(zhì)中，在超聲作用下由空穴效應(yīng)產(chǎn)生或誘導(dǎo)產(chǎn)生的各種化學(xué)作用。其特點是在特定超聲條件下，通過超聲破壁、超聲抽提，空穴效應(yīng)(Cavitation)在微泡中形成的局部超高溫、超高壓、超高溫度與壓力降梯度，引發(fā)或誘導(dǎo)水解、裂解、氧化反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)，強(qiáng)化了擴(kuò)散、傳熱和傳質(zhì)過程；配合物理化學(xué)消晶與催化氧化、分解等化學(xué)反應(yīng)，對甘蔗渣進(jìn)行漂白、脫除糖類、部分降解了的半纖維素及其它185℃以下易揮發(fā)或分解、碳化的小分子物質(zhì)及木質(zhì)素中的降解副產(chǎn)物，而纖維素降解較少，并保持了大部分穩(wěn)定的木素與半纖維素組分，以適應(yīng)于木塑材料制備之用。
本發(fā)明所述的方法是在超聲條件下對蔗渣進(jìn)行漂白、脫除糖及其它小分子處理，處理后纖維素降解較少，木質(zhì)素和半纖維素部分降解。這樣可得到的處理蔗渣固體得率將大大提高，由于不穩(wěn)定小分子的去除將使得在與其它材料進(jìn)行共混時的耐熱性提高和色澤更好。蔗渣超聲化學(xué)處理方法具有綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能、過程可控等優(yōu)點，為進(jìn)一步工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。。
本發(fā)明所提供的用于木塑材料制備的甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法是在特定超聲條件下，引發(fā)水解、裂解、氧化化學(xué)反應(yīng)，配合物理化學(xué)消晶與催化氧化、分解反應(yīng)，對甘蔗渣進(jìn)行漂白和脫除小分子物質(zhì)。
本發(fā)明提供的甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法包括如下步驟將蔗渣與包括催化劑、氧化劑、反應(yīng)介質(zhì)PH調(diào)節(jié)劑、消晶介質(zhì)控制劑的處理液按1∶8～1∶20固液比條件進(jìn)行超聲處理，處理條件為使用0.05～0.3％重量濃度的催化劑，催化劑為半導(dǎo)型、草莓型、晶須態(tài)、四針狀納米氧化鋅或納米銳鈦型二氧化鈦，用量為甘蔗渣重量的0.05～0.1％，催化劑還可為雜多酸，多硫化物，葸醌，用量為甘蔗渣重量的0.1～0.5％，PH調(diào)節(jié)劑為碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸、磷酸氫鈉、磷酸鈉、醋酸，調(diào)節(jié)體系PH值在2～5或9～12之間。氧化劑為雙氧水、臭氧、過氧酸、次氯酸鈉、亞氯酸鈉等，用量為上述處理液總重量的1～10％，消晶介質(zhì)控制劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、液氨，消晶介質(zhì)控制劑濃度為0.1～6.0％重量濃度，用量為上述處理液總重量的0.1～10％，采用的超聲頻率為10.0～50kHz，或采用某兩個頻率下混頻超聲條件下進(jìn)行處理15～150分鐘，超聲處理溫度為20～80℃，超聲處理之后過濾干燥得到處理蔗渣樣品。
甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法的優(yōu)選條件為蔗渣與處理液按1∶10～1∶15固液比條件下進(jìn)行，催化劑優(yōu)選為半導(dǎo)型、草莓型、晶須態(tài)、四針狀納米氧化鋅或納米銳鈦型二氧化鈦，用量為甘蔗渣重量的0.05～0.3％，PH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)PH值3～4或10～11之間；氧化劑用量優(yōu)選為處理液總重量的1.0～6.0％，消晶介質(zhì)控制劑用量優(yōu)選為處理劑總重量的0.1～6.0％；采用的超聲頻率，優(yōu)選為28.5kHz、32.5kHz或28.5kHz和32.5kHz混頻，超聲處理優(yōu)選為20～45分鐘，超聲處理溫度優(yōu)化為35～70℃。
本發(fā)明所提供的甘蔗渣的超聲化學(xué)前處理方法具有條件溫和、成本低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，有很大的實用價值。
具體實施例方式實施例一采用0.08％的納米銳鈦型二氧化鈦，用碳酸鈉調(diào)節(jié)PH到10，2％的次氯酸鈉和0.25％氫氧化鈉組成；蔗渣與處理液的固液為1∶10，在65℃下，28.5kHz超聲20min，得到除去糖等小分子率為22.0％。處理過的蔗渣顏色變白。處理過蔗渣的纖維素含量40.29％，半纖維素含量18.88％，木質(zhì)素含量22.50％。濾液中蔗糖含量0.41％，阿拉伯糖0.36％。
實施例二采用0.3％的多硫化物，用碳酸氫鈉調(diào)節(jié)PH到12，5.0％的雙氧水和2.0％氫氧化鉀等組成；蔗渣與處理液的固液為1∶12在70℃下32.5kHz超聲40min，得到除去糖等小分子率為16％。處理過的蔗渣顏色變淡。處理過蔗渣的纖維素含量43.58％，半纖維素含量21.42％，木質(zhì)素含量16.13％。濾液中木糖含量1.02％，葡萄糖0.10％，半乳糖0.04％，蔗糖0.03％。蔗渣5％失重溫度72.6℃，最大失重溫度為291.26℃和350.78℃；處理后蔗渣的5％失重溫度83.1℃，最大失重溫度345.84℃。處理的蔗渣5％失重溫度提高，且只有一個最大失重溫度峰，說明小分子的去除提高了蔗渣的耐熱性。
實施例三采用0.1％的葸醌，磷酸調(diào)節(jié)PH到11，1.5％的臭氧和4.0％氫氧化鈉等組成；蔗渣與處理液的固液為1∶14，在53℃，32.5kHz超聲處理0.5小時，得到除去糖等小分子率為18.0％。處理過的蔗渣顏色變白。處理過蔗渣的纖維素含量38.17％，半纖維素含量17.48％，木質(zhì)素含量17.06。濾液中蔗糖含量1.17％，半乳糖0.09％，阿拉伯糖0.79％。
實施例四采用0.15％的雜多酸，醋酸調(diào)節(jié)PH到4，3.0％的亞氯酸鈉和0.1％液氨等組成，蔗渣與處理液的固液為1∶16，在35℃條件下，28.5kHz和32.5kHz混頻超聲處理45分鐘，得到除去糖等小分子率為20.7％。處理過的蔗渣顏色變白。處理過蔗渣的纖維素含量52.63％，半纖維素含量19.00％，木質(zhì)素含量19.27％。濾液中木糖含量2.07％，葡萄糖0.55％。
權(quán)利要求
1.一種木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于在特定超聲條件下，引發(fā)水解、裂解、氧化化學(xué)反應(yīng)，配合物理化學(xué)消晶與催化氧化、分解反應(yīng)，對甘蔗渣進(jìn)行漂白和脫除小分子物質(zhì)，具體方法包括如下將蔗渣與包括催化劑、氧化劑、反應(yīng)介質(zhì)PH調(diào)節(jié)劑、消晶介質(zhì)控制劑的處理液按1∶8～1∶20固液比條件進(jìn)行超聲處理，處理條件為用0.05～0.3％重量濃度的催化劑，催化劑為半導(dǎo)型、草莓型、晶須態(tài)、四針狀納米氧化鋅或納米銳鈦型二氧化鈦，用量為甘蔗渣重量的0.05～0.1％，催化劑還可為雜多酸，多硫化物，蒽醌，用量為甘蔗渣重量的0.1～0.5％，PH調(diào)節(jié)劑為碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸、磷酸氫鈉、磷酸鈉、醋酸，調(diào)節(jié)體系PH值在2～5或9～12之間，氧化劑為雙氧水、臭氧、過氧酸、次氯酸鈉、亞氯酸鈉，用量為上述處理液總重量的1～10％，消晶介質(zhì)控制劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、液氨，消晶介質(zhì)控制劑濃度為0.1～6.0％重量濃度，用量為上述處理液總重量的0.1～10％，采用的超聲頻率為10.0～50kHz，或采用兩個頻率混頻超聲條件下進(jìn)行處理15～150分鐘，超聲處理溫度為20～80℃，超聲處理之后過濾干燥得到處理蔗渣樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述蔗渣與包括催化劑、氧化劑、反應(yīng)介質(zhì)PH調(diào)節(jié)劑、消晶介質(zhì)控制劑的處理液按1∶10～1∶15固液比條件進(jìn)行超聲處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述超聲處理時間為20～45分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述超聲處理溫度為35～70℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述超聲頻率為28.5kHz、32.5kHz、28.5kHz或32.5kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述催化劑為半導(dǎo)型、草莓型、晶須態(tài)或四針狀納米氧化鋅或納米銳鈦型二氧化鈦，催化劑用量為甘蔗渣重量的0.05～0.3％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述氧化劑用量為處理液總重量的1.0～6.0％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述反應(yīng)介質(zhì)PH調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)體系PH值在3～4或10～11之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的木塑復(fù)合材料用甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法，其特征在于所述消晶介質(zhì)控制劑用量為處理劑總重量的0.1～6.0％。
全文摘要
本發(fā)明屬于植物纖維技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及木塑材料用的甘蔗渣的超聲化學(xué)前處理方法。目前甘蔗渣的處理有物理法和化學(xué)法，但這些方法，總會產(chǎn)生大量黑液，且使木質(zhì)素、半纖維素大量降解，一方面是資源的浪費；另一方面對環(huán)境造成污染。本發(fā)明所提供的用于木塑材料制備的甘蔗渣超聲化學(xué)前處理方法是在特定超聲條件下，將蔗渣與包括催化劑、氧化劑、反應(yīng)介質(zhì)pH調(diào)節(jié)劑、消晶介質(zhì)控制劑的處理液按固液比條件進(jìn)行超聲處理，引發(fā)水解、裂解、氧化化學(xué)反應(yīng)，配合物理化學(xué)消晶與催化氧化、分解反應(yīng)，對甘蔗渣進(jìn)行漂白和脫除小分子物質(zhì)。本發(fā)明所述超聲化學(xué)前處理方法具有條件溫和、成本低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，具有很大的實用價值。
文檔編號D21B1/30GK1587500SQ20041005146
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月15日
發(fā)明者王東山, 楊治中, 王林格, 唐康泰, 黃勇 申請人:中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所