[发明专利]螺杆注射式植物纤维蒸汽爆破装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种螺杆注射式植物纤维蒸汽爆破装置及方法。

背景技术

植物资源属于可再生、可降解的生物资源，植物纤维为天然复合材料，其中的纤维素是 高度结晶的高分子材料，力学性能高；其中的半纤维素聚合度低，易降解，如果能充分利用 价格低廉的农林废弃植物纤维，制备植物纤维/可降解高分子材料复合材料，并改善复合材料 的性能将是开拓全降解环保包装材料的重要途径。

在目前的植物纤维/高分子复合材料中，植物纤维多数仅经粉碎，并进行一定的表面处理 后与高分子材料复合，粉状植物纤维仅起到增容的作用，且往往使复合材料力学性能下降， 而具有一定长径比的植物纤维可提高基体材料的力学性能，因而可降解的长植物纤维可作为 全降解高分子材料的增强体，提高全降解高分子材料的力学性能，同时降低复合材料的成本； 然而，作为增强体的植物纤维一般为化学或化学机械方法处理的纸浆，虽然力学性能有所提 高，但植物纤维的利用率低、植物纤维增强体在制备过程中同样存在污染、植物纤维增强体 成本提高的问题。

在植物纤维增强体制备方面，用作增强体的植物纤维制备过程中都涉及植物纤维的组分 分离，通过去除木质素、半纤维素等影响热稳定性的物质，获得高纤维素含量的高力学性能 的植物纤维。所采用的植物纤维增强体多来源于化学脱胶法、微生物脱胶法或酶法脱胶的韧 皮纤维和造纸用化学木浆及化学机械木浆；近年来，蒸汽闪爆制浆法在造纸行业中以其高效 低成本无污染的特点进入蓬勃发展的阶段；蒸汽闪爆法制浆的原理是借助高温高压水蒸汽渗 入半纤维素、木质素和纤维素的无定形区，使纤维束润胀，半纤维素降解成可溶性糖，胞间 层的木质素塑化和部分降解，从而消弱纤维间的粘结；保压一段时间之后通过快速打开反应 釜的球阀释压，则渗入纤维束中的部分水份子形成水蒸汽急速膨胀释放做功，产生的巨大的 冲击力可以破坏纤维束中的氢键甚至于共价键，强化无定形半纤维素及木质素的降解，破坏 原有的纤维束组织结构，使物料从胞间层解离成单个纤维细胞，从而完成长长径比纤维增强 体的制备。目前经蒸汽闪爆制备的汽爆纤维也开始被用作聚合物复合材料的增强体。

目前的蒸汽爆破装置多为间歇式，将计量好的植物纤维放入蒸汽爆破罐中，然后通入一 定压力的饱和蒸汽，保压一段时间后打开快开阀门泄压，实现蒸汽爆破；这种利用饱和蒸汽 的蒸汽爆破方式，一方面需要蒸汽发生系统，增加了设备的投入成本，更为重要的是饱和蒸 汽压力与温度相关联，提高爆破压力同时温度也要升高，因此温度、压力的分别控制困难， 而在很多应用当中过高的温度对植物纤维性能造成很大的破坏，进而无法实现对反应时间进 行精确控制，反应后所得纤维的质量不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺杆注射式植物纤维蒸汽爆破装置及方法，本发明可以对爆 破压力、温度及反应时间等进行分别控制，适应性更强，实现高性能长植物纤维的制备。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种螺杆注射式植物纤维蒸汽爆破装置，包括料筒，在料筒内设有与其配合的挤压螺杆， 在料筒上设有进料口及出料口，在出料口处设有快开阀门，挤压螺杆由驱动机构驱动，在挤 压螺杆的后端设有推进机构，在料筒上设有温度控制器。

本发明的植物纤维蒸汽爆破方法至少包括如下步骤：

a、将物料经调质处理，控制物料的含水率为20％至60％；

b、出料口处的快开阀门关闭，在驱动机构作用下，挤压螺杆将物料经进料口输入料筒内；

c、在驱动机构的作用下，挤压螺杆旋转并将物料向料筒的前端挤压，通过温度控制器使 料筒内物料保持在合适的温度，通过推进机构使料筒前端的物料保持在合适的压力；

d、当料筒内压力、温度以及时间达到设定值时，快开阀门控制料筒的出料口快速打开， 挤压螺杆将物料顶出料筒，物料在低压下瞬间爆破并使其中的植物纤维分离。

在前述爆破方法中，可通过对物料进行调质处理使物料中所含水分均匀分布，并控制物 料的含水率为20％至60％，优选含水率为30％至50％。为适应不同植物纤维的应用目的，经调 质的植物纤维还可与不同改性剂进行预混，使混有改性剂的物料可经蒸汽爆破实现原位改性， 改性剂可以是第一次调质处理后加入，也可以是第二次调质后加入，即在前述a、b、c、d步 骤之后，再次重复a、b、c、d步骤，并在第二次的a步骤与b步骤之间增加一个步骤：在物 料中加入改性剂。