木塑复合材料用甘蔗渣的超声化学前处理方法.pdf

本发明属于植物纤维技术领域，尤其涉及木塑材料用的甘蔗渣的超声化学前处理方法。目前甘蔗渣的处理有物理法和化学法，但这些方法，总会产生大量黑液，且使木质素、半纤维素大量降解，一方面是资源的浪费；另一方面对环境造成污染。本发明所提供的用于木塑材料制备的甘蔗渣超声化学前处理方法是在特定超声条件下，将蔗渣与包括催化剂、氧化剂、反应介质pH调节剂、消晶介质控制剂的处理液按固液比条件进行超声处理，引发水解、裂解、氧化化学反应，配合物理化学消晶与催化氧化、分解反应，对甘蔗渣进行漂白和脱除小分子物质。本发明所述超声化学前处理方法具有条件温和、成本低、节能和环保等优点，具有很大的实用价值。

1、  一种木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于在特定超声条件下，引发水解、裂解、氧化化学反应，配合物理化学消晶与催化氧化、分解反应，对甘蔗渣进行漂白和脱除小分子物质，具体方法包括如下：
将蔗渣与包括催化剂、氧化剂、反应介质PH调节剂、消晶介质控制剂的处理液按1∶8～1∶20固液比条件进行超声处理，处理条件为用0.05～0.3％重量浓度的催化剂，催化剂为半导型、草莓型、晶须态、四针状纳米氧化锌或纳米锐钛型二氧化钛，用量为甘蔗渣重量的0.05～0.1％，催化剂还可为杂多酸，多硫化物，蒽醌，用量为甘蔗渣重量的0.1～0.5％，PH调节剂为碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸、磷酸氢钠、磷酸钠、醋酸，调节体系PH值在2～5或9～12之间，氧化剂为双氧水、臭氧、过氧酸、次氯酸钠、亚氯酸钠，用量为上述处理液总重量的1～10％，消晶介质控制剂为氢氧化钠、氢氧化钾、液氨，消晶介质控制剂浓度为0.1～6.0％重量浓度，用量为上述处理液总重量的0.1～10％，采用的超声频率为10.0～50kHz，或采用两个频率混频超声条件下进行处理15～150分钟，超声处理温度为20～80℃，超声处理之后过滤干燥得到处理蔗渣样品。

2、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述蔗渣与包括催化剂、氧化剂、反应介质PH调节剂、消晶介质控制剂的处理液按1∶10～1∶15固液比条件进行超声处理。

3、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述超声处理时间为20～45分钟。

4、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述超声处理温度为35～70℃。

5、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述超声频率为28.5kHz、32.5kHz、28.5kHz或32.5kHz。

6、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述催化剂为半导型、草莓型、晶须态或四针状纳米氧化锌或纳米锐钛型二氧化钛，催化剂用量为甘蔗渣重量的0.05～0.3％。

7、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述氧化剂用量为处理液总重量的1.0～6.0％。

8、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述反应介质PH调节剂，调节体系PH值在3～4或10～11之间。

9、  根据权利要求1中所述的木塑复合材料用甘蔗渣超声化学前处理方法，其特征在于所述消晶介质控制剂用量为处理剂总重量的0.1～6.0％。

木塑复合材料用甘蔗渣的超声化学前处理方法
技术领域：
本发明属于植物纤维技术领域，尤其涉及木塑材料用的甘蔗渣的超声化学前处理方法。
技术背景：
甘蔗在热带、亚热带生产，中国每年提供1亿吨副产品，主要有蔗糖、蔗汁、蔗糖糖蜜、蔗渣等。然而随着制糖业的高效发展，甘蔗压榨后的纤维性茎杆物质---甘蔗渣成了有待解决的固态生物废弃物。我国约有500多家大型糖厂，其副产品甘蔗渣每年达到1000多万吨。甘蔗渣在工业上有限的应用主要原因在于对蔗渣纤维的潜力认识不够。甘蔗渣85％以上被糖厂燃烧产生能源，只有很少部分用于制浆和纸、纸板、糠醛、动物食品或其它用途。
蔗渣的利用方向是替代木材、燃料及发展化工产品。利用蔗渣纤维代替木材造纸、仿生复合材料，以节约木材和提高森林覆盖率，有重大战略意义。采用熔融挤出复合增强的方法将植物纤维与塑料进行制备木塑复合材料(WPC-Woodfiber Plastic Composite)就是一种新的发展方向。
蔗渣这一材料成分相对复杂，其主要成分如下：纤维素含量35～45％，半纤维素15～25％，木质素15～25％，灰份4％左右，其它小分子5～10％等。由于蔗渣中残余小分子糖等，在加热条件下蔗渣中的不稳定物质分解或小分子氧化炭化变色，使得于其它材料共混时变色、熔体强度和力学性能下降和加工流变性变差等。所以对蔗渣的前处理成为十分重要的步骤。
对蔗渣前处理的方法分为化学法和物理法，化学法包括AS-AQ法即碱性亚硫酸钠-蒽醌法制浆得率高、成色浅；MSS-AQ法即硫化钠-亚硫酸钠-氢氧化钠-葸醌法消耗化学品少、得率高、硬度低、颜色浅、易漂白、强度好等；Soda-AQ法即氢氧化钠-葸醌法保持了纸张制浆得率，保持了较好的物性指标，完全可以满足一般企业生产制品的质量要求；亚硫酸钠法是中性亚硫酸钠、碳酸钠在一定温度保温一定时间，该法具有得率高、颜色浅、易漂白、物理性能高等优点。物理法包括预膨化处理制浆，该法是将蔗渣在膨化器在一定温度和一定压力下保温一定时间将蔗渣膨化到接受器，进行漂白处理。
以上方法总会产生大量黑液，且使木质素、半纤维素大量降解，这从资源利用角度上是不利的，一方面是资源的浪费；另一方面对环境也造成污染。
发明内容：
本发明的目的是提供一种专用于木塑材料制备的甘蔗渣超声化学前处理方法。超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。超声化学特指在一定的介质中，在超声作用下由空穴效应产生或诱导产生的各种化学作用。其特点是：在特定超声条件下，通过超声破壁、超声抽提，空穴效应(Cavitation)在微泡中形成的局部超高温、超高压、超高温度与压力降梯度，引发或诱导水解、裂解、氧化反应等化学反应，强化了扩散、传热和传质过程；配合物理化学消晶与催化氧化、分解等化学反应，对甘蔗渣进行漂白、脱除糖类、部分降解了的半纤维素及其它185℃以下易挥发或分解、碳化的小分子物质及木质素中的降解副产物，而纤维素降解较少，并保持了大部分稳定的木素与半纤维素组分，以适应于木塑材料制备之用。
本发明所述的方法是在超声条件下对蔗渣进行漂白、脱除糖及其它小分子处理，处理后纤维素降解较少，木质素和半纤维素部分降解。这样可得到的处理蔗渣固体得率将大大提高，由于不稳定小分子的去除将使得在与其它材料进行共混时的耐热性提高和色泽更好。蔗渣超声化学处理方法具有绿色、环保、高效、节能、过程可控等优点，为进一步工业化奠定了基础。。
本发明所提供的用于木塑材料制备的甘蔗渣超声化学前处理方法是在特定超声条件下，引发水解、裂解、氧化化学反应，配合物理化学消晶与催化氧化、分解反应，对甘蔗渣进行漂白和脱除小分子物质。
本发明提供的甘蔗渣超声化学前处理方法包括如下步骤：
将蔗渣与包括催化剂、氧化剂、反应介质PH调节剂、消晶介质控制剂的处理液按1∶8～1∶20固液比条件进行超声处理，处理条件为使用0.05～0.3％重量浓度的催化剂，催化剂为半导型、草莓型、晶须态、四针状纳米氧化锌或纳米锐钛型二氧化钛，用量为甘蔗渣重量的0.05～0.1％，催化剂还可为杂多酸，多硫化物，葸醌，用量为甘蔗渣重量的0.1～0.5％，PH调节剂为碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸、磷酸氢钠、磷酸钠、醋酸，调节体系PH值在2～5或9～12之间。氧化剂为双氧水、臭氧、过氧酸、次氯酸钠、亚氯酸钠等，用量为上述处理液总重量的1～10％，消晶介质控制剂为氢氧化钠、氢氧化钾、液氨，消晶介质控制剂浓度为0.1～6.0％重量浓度，用量为上述处理液总重量的0.1～10％，采用的超声频率为10.0～50kHz，或采用某两个频率下混频超声条件下进行处理15～150分钟，超声处理温度为20～80℃，超声处理之后过滤干燥得到处理蔗渣样品。
甘蔗渣超声化学前处理方法的优选条件为：蔗渣与处理液按1∶10～1∶15固液比条件下进行，催化剂优选为半导型、草莓型、晶须态、四针状纳米氧化锌或纳米锐钛型二氧化钛，用量为甘蔗渣重量的0.05～0.3％，PH调节剂调节PH值3～4或10～11之间；氧化剂用量优选为处理液总重量的1.0～6.0％，消晶介质控制剂用量优选为处理剂总重量的0.1～6.0％；采用的超声频率，优选为28.5kHz、32.5kHz或28.5kHz和32.5kHz混频，超声处理优选为20～45分钟，超声处理温度优化为35～70℃。
本发明所提供的甘蔗渣的超声化学前处理方法具有条件温和、成本低、节能和环保等优点，有很大的实用价值。
具体实施方式：
实施例一
采用0.08％的纳米锐钛型二氧化钛，用碳酸钠调节PH到10，2％的次氯酸钠和0.25％氢氧化钠组成；蔗渣与处理液的固液为1∶10，在65℃下，28.5kHz超声20min，得到除去糖等小分子率为22.0％。处理过的蔗渣颜色变白。处理过蔗渣的纤维素含量40.29％，半纤维素含量18.88％，木质素含量22.50％。滤液中蔗糖含量0.41％，阿拉伯糖0.36％。
实施例二
采用0.3％的多硫化物，用碳酸氢钠调节PH到12，5.0％的双氧水和2.0％氢氧化钾等组成；蔗渣与处理液的固液为1∶12在70℃下32.5kHz超声40min，得到除去糖等小分子率为16％。处理过的蔗渣颜色变淡。处理过蔗渣的纤维素含量43.58％，半纤维素含量21.42％，木质素含量16.13％。滤液中木糖含量1.02％，葡萄糖0.10％，半乳糖0.04％，蔗糖0.03％。蔗渣5％失重温度72.6℃，最大失重温度为291.26℃和350.78℃；处理后蔗渣的5％失重温度83.1℃，最大失重温度345.84℃。处理的蔗渣5％失重温度提高，且只有一个最大失重温度峰，说明小分子的去除提高了蔗渣的耐热性。
实施例三
采用0.1％的葸醌，磷酸调节PH到11，1.5％的臭氧和4.0％氢氧化钠等组成；蔗渣与处理液的固液为1∶14，在53℃，32.5kHz超声处理0.5小时，得到除去糖等小分子率为18.0％。处理过的蔗渣颜色变白。处理过蔗渣的纤维素含量38.17％，半纤维素含量17.48％，木质素含量17.06。滤液中蔗糖含量1.17％，半乳糖0.09％，阿拉伯糖0.79％。
实施例四
采用0.15％的杂多酸，醋酸调节PH到4，3.0％的亚氯酸钠和0.1％液氨等组成，蔗渣与处理液的固液为1∶16，在35℃条件下，28.5kHz和32.5kHz混频超声处理45分钟，得到除去糖等小分子率为20.7％。处理过的蔗渣颜色变白。处理过蔗渣地纤维素含量52.63％，半纤维素含量19.00％，木质素含量19.27％。滤液中木糖含量2.07％，葡萄糖0.55％。