一种“机械——活性氧化法”制取全棉杆纤维的方法 一、技术领域
本发明涉及一种以棉花杆为原料，应用“机械——活性氧化法”，制取全棉杆纤维的方法。具体地说是以棉花杆为原料，以“机械——活性氧化法”生产建筑、造纸及其它用途纤维的方法。本方法同样适用于利用其它禾本科植物秸杆、苇杆、竹材、灌木等作为原料，以生产上述用途的纤维物质。
二、背景技术
森林是地球的重要生态资源，它除了能防止水土流失、调节气候等作用外，还担负着吸收二氧化碳、释放氧气的作用。然而目前世界的森林资源正以每年700×108m2的速度递减，森林资源用于生产木浆造纸，是造成森林资源加速递减的重要原因之一；因此，寻找可替代木浆造纸的可再生纤维原料已刻不容缓。
由于棉杆集韧皮纤维和茎杆木质纤维于一体，其化学组成非常接近于阔叶木材质(见表1)。
表1：棉杆原料化学组成(％)和平均纤维长(mm)
资料来源：《植物纤维化学教材》中国轻工业出版社 2001
我国是个产棉大国，年产高质量棉杆在数千万吨以上，可目前对这种类似阔叶木的年生资源利用率还不到20％，多年来人们都想利用这一巨大的资源来代替木材来生产纸浆纤维。
正是由于棉杆的特点是韧皮和茎杆结合成一体，其韧皮上的僵斑和腐斑不易分离，长期以来不能生产出用以造纸的、替代木纤维纸浆的全棉杆纤维浆。近些年来，虽有极少数的企业的棉杆为原料生产出可用以造纸的全棉杆纤维纸浆，但其存在着以下缺点：1、其工艺复杂，需要的设备多，投资大；2、耗能高，仍存在着环境污染问题；3、不能生产出白色的棉杆纤维纸浆，也就是说不能用以白色纸张的生产。
三、发明内容：
本发明的目的是为了解决上述技术的不足：提供一种“机械——活性氧化法”制取全棉杆纤维的方法。它是一种机械强化作用下的、化学药剂协同作用制取白色全棉杆纤维浆的方法，其免蒸煮，不仅节能显著，而且不产生严重污染生态环境的制浆黑液。
本发明的技术方案是：将去除杂质的棉杆进行撕裂、粉碎并揉搓成丝绒状，加入调配好的浸渍液进行预氧化反应，并搅拌；再将预氧化反应后的物料进行研磨疏解，经研磨疏解后的物料再进行研磨浓缩，同时加入活性氧磨浆漂白液进行漂白；经浓缩后的料浆浓度为25～30％；经研磨浓缩漂白后的浓浆进行加压紊流终漂，便可制取全棉杆纤维浆。
其具体工艺过程如下：
1、原料准备：
整理棉杆，去除杂物，将棉杆撕裂并粉碎，然后揉搓成丝绒状物料。
2、制取纤维：
2.1予氧化处理：将丝绒物料中加入调配好的浸渍液进行预氧化反应，并搅拌；对物料进行疏解，同时进行预反应；预氧化反应温度为70～80℃，预氧化反应的时间控制在40～80分钟。
浸渍液中的组成按重量比：活性氧A的含量为3～10％、活性氧B的含量为≥2.5μmol/L、活性氧C的含量为≥3umol/L、活性氧D的含量为0.3～0.8％、活性氧化钙为10～50％、硅酸钠为1.5％、磷酸镁为0.15％、DTPA的含量为0.1％、其余为水，PH值10～11。
其中：活性氧A为过氧化氢，活性氧B为叔丁基醇过氧化物，活性氧C为过氧化氢酶，活性氧D为锰过氧化氢酶。
2.2研磨疏解处理：将予氧化处理后的物料进行研磨疏解处理，均匀碾压物料的压缩比为≥4∶1，物料的叩解度≥17％，形成丝绒状细纤维，分离物料细胞间层中的纤维素，形成粗浆，色泽由棕色变为黄色。
2.3漂白浓缩：将上述研磨疏解处理后的粗浆加入活性氧磨浆漂白剂，进行漂白，并进行浓缩，形成料浆。漂白浓缩的温度控制在≤60℃；浓缩后的料浆浓度控制在25～30％。
活性氧磨浆漂白剂的加入量按其重量比为：
活性氧磨浆漂白剂∶棉杆＝(0.04～0.06)∶1
活性氧磨浆漂白剂的配方按干棉秆重量比为：过氧化氢3～6％、过氧化氢酶2.5～5μmol/Kg、锰过氧化氢酶3～6μmol/Kg、叔丁基醇过氧化氢0.3～0.6％。到此时，棉杆已全部疏解成单丝纤维，并且首尾氧在磨热力的强化作用下，木质素等基本溶出，纤维白度达70％以上。
3、终漂处理：
将漂白浓缩制取的料浆(此时的料浆中活性氧化物尚有原加入量的约40～50％存在)用水调至浓度为10～12％，温度调整到70～80℃，再对料浆进行加压至2MPa，并同时进行搅拌，时间为30～45分钟。便可制取全棉杆纤维浆。该全棉杆纤维浆可供造纸用。产生的废液中含有部分残留活性氧化物，稍加处理后可供预氧化处理中配制浸渍液使用。
当需要用于建筑或其它等行业时，将制取的供造纸用地全棉杆纤维浆再进行浓缩、过滤、脱水或晾干便可，产生的废水，由于含有部分残留的活性氧化物，在稍加处理后，也可供调配浸渍液使用。
本发明是一种机械强化作用下的、化学药剂协同作用制取白色全棉杆纤维浆的方法，是利用机械搅拌、压力的强化作用下，使活性氧化物能与全棉杆纤维更加充分的接触、并能渗入棉杆韧皮上的僵斑和腐斑，使其裂解并除其色，提高了全棉杆纤维浆的白度，满足了白纸的生产需要；本发明的整个过程不需要蒸煮节约了大量的能源；产生的废水，含有部分残留的活性氧化物，稍经处理后可回用，不产生严重污染生态环境的制浆黑液。因此，本发明具有纤维收得率高；有效地消除了僵斑和腐斑，白度好；免蒸煮，节能显著；不产生严重污染生态环境的制浆黑液；工艺简单，操作方便，投资少，成本低等特点。
四、具体实施方式：
本发明是一种以棉花杆为原料，在机械强化作用下、化学药剂协同作用制取白色全棉杆纤维浆的方法，是将去除杂质的棉杆进行撕裂、粉碎并揉搓成丝绒状，加入调配好的浸渍液进行预氧化反应，并搅拌；再将预氧化反应后的物料进行研磨疏解，经研磨疏解后的物料再进行研磨浓缩，同时加入活性氧磨浆漂白液进行漂白；再将经研磨浓缩漂白后的浓浆进行加压紊流终漂，便可制取全棉杆纤维浆。
实施例：
1、原料准备：
整理棉杆，去除杂物，用撕裂机将棉杆撕裂并粉碎，然后用揉搓机进行揉搓成丝绒状物料。
2、制取纤维：
2.1予氧化处理：将丝绒物料放入装有机械疏解器的予氧化反应器中，加入调配好的浸渍液进行予氧化反应，并起动机械疏解器，进行搅拌对物料进行疏解；预氧化反应温度为70～80℃，预氧化反应的时间控制在40～80分钟。本实施例为50～60分钟。
浸渍液中的组成按干棉秆重量比：活性氧A的含量为3～10％、活性氧B的含量为≥2.5μmol/L、活性氧C的含量为≥3umol/L、活性氧D的含量为0.3～0.8％、活性氧化钙为10～50％、硅酸钠为1.5％、磷酸镁为0.15％、DTPA的含量为0.1％、其余为水，PH值10～11。
浸渍液的优化组成按重量比：活性氧A的含量为5～8％、活性氧B的含量为≥2.5～3.0％μmol/L、活性氧C的含量为≥3.0～3.5％μmol/L、活性氧D的含量为0.5～0.7％、活性氧化钙为28～32％、硅酸钠为1.5％、磷酸镁为0.15％、DTPA的含量为0.1％、其余为水，PH值10～11。本实施例是采用该优化组成。
其中：活性氧A为过氧化氢，活性氧B为叔丁基醇过氧化物，本实施例为叔丁基醇过氧化氢，也可用其它叔丁基醇过氧化物代替，如：叔丁基醇过氧化氮、叔丁基醇过氧化氯等；活性氧C为过氧化氢酶，活性氧D为锰过氧化氢酶。
2.2研磨疏解处理：将予氧化处理后的物料物料经螺旋挤浆器送入滚刀研磨机，进行研磨和进一步疏解处理，均匀碾压物料的压缩比为≥4∶1，物料的叩解度≥17％。研磨疏解可以通过双螺旋辊式碾刀机来实施，叩解度可以通过调整碾刀机的转速和碾刀间隙来实现；研磨疏解机向转速调整在800～1200转/分；刀片间隙调整为0.3～0.6mm。通过研磨疏解处理后，物料帚化率达99％以上，分离细胞间层中的纤维素，形成粗浆，色泽由棕色变为黄色。
2.3漂白浓磨：将上述研磨疏解处理后的粗浆经螺旋挤浆器送入高浓磨浆机，同时加入活性氧磨浆漂白剂，进行漂白，并进行高浓磨浆，形成料浆。漂白浓浆的温度控制在≤60℃，料浆浓度控制在25～30％。
活性氧磨浆漂白剂的加入量按其重量比为：
活性氧磨浆漂白剂∶棉杆＝(0.04～0.06)∶1
活性氧磨浆漂白剂的配方按干棉秆重量比为：过氧化氢3～5％、过氧化氢酶2.5～5μmol/L、锰过氧化氢酶3～6μmol/L、叔丁基醇过氧化氢0.3～0.6％。
到此时，棉杆已全部疏解成单丝纤维，并且活性氧在磨热力的强化作用下，木质素等基本溶出，纤维白度达70％以上。
3、终漂处理：
将漂白浓缩制取的料浆(此时的料浆中活性氧化物尚有原加入量的约40～50％存在)由螺旋输送机送入压力式储料罐，用水将料浆调至浓度为10～12％，温度调整到70～80℃，再对料浆进行加压至2MPa，并同时进行搅拌(如通过增压紊流器或压力泵等)，时间为30～45分钟。在机械的搅拌作用下，剩余的活性氧化物与料浆中的纤维充分接触，剩余的活性氧化物在压力的作用下，进一步强化了活性作用，因而能消除其它工艺难以除去的棉杆浆的“黄头”；同时，在压力的作用下，使活性氧能够更好地进入残留僵斑和腐斑内部，使其充分碎裂降解。便可制取全棉杆纤维浆。此时的纤维白度可达76％以上，该全棉杆纤维浆可供造纸用。产生的废液中含有部分残留活性氧化物，稍加处理后可供预氧化处理中配制浸渍液使用。
制取的全棉杆纤维浆情况如下：
(1)白度检测：
将制取的全棉杆纤维浆放入水中分散，在抽吸作用下，在布氏漏斗中成型，而后压在滤纸上并压平，经风干后用YQ-Z-48B白度仪测定白度为80.2％ISO；
(2)纤维性能测定：
用PFI打浆机，浆浓10％，打浆辊与打浆室间隙为0.2mm，控制打浆浓度为45°SR，在标准纸业成型器上抄取纸片进行检测(见表2)：
表2：纤维性能检测
项目 实测值 测定方法 断裂长 7.49Km GB/T453-1989
撕裂指数 4.84mn.m2/g GB/T455.1-1989 耐破指数 5.48kpa.m2/g GB/T453-1989
(3)得浆率计算：
将全棉杆纤维浆调整至10％浓度，取100ml，用筛缝为0.15mm的平筛筛选，筛出的渣浆在100℃烘箱中干燥至衡重，计算得浆率为71.6％。
当需要用于建筑或其它等行业时，将制取的供造纸用的全棉杆纤维浆再进行浓缩、过滤、脱水或晾干便可，产生的废水，由于含有部分残留活性氧化物，在稍加处理后，也可供调配浸渍液使用。
由上可见，本发明是一种机械强化作用下的、化学药剂协同作用制取白色全棉杆纤维浆的方法，是利用机械搅拌、压力的强化作用下，使活性氧化物能与全棉杆纤维更加充分的接触、并能渗入棉杆韧皮上的僵斑和腐斑，使其裂解并除其色，提高了全棉杆纤维浆的白度，满足了白纸的生产需要；本发明的整个过程不需要蒸煮节约了大量的能源；产生的废水，含有部分残留的活性氧化物，稍经处理后可回用，不产生严重污染生态环境的制浆黑液。因此，本发明具有得纤维收得率高；有效地消除了僵斑和腐斑，白度好；免蒸煮，节能显著；不产生严重污染生态环境的制浆黑液；工艺简单，操作方便，投资少，成本低等特点。