专利名称：利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法。
背景技术：
由于目前油气资源的急剧减少，石油将会供不应求。因此到下世纪以农作物、树木等有机质为主的有机能源占地球总能源的比例将显著提高。从清洁能源和资源的角度来看，开发利用竹子生产竹纤维，具有深远的意义和现实价值。
目前，国内生产植物纤维素的生产工艺，仍以传统的高温高碱蒸煮及有较大污染的粘胶法生产工艺为主。传统工艺存在的主要问题，污染非常严重，黑水废气排放量大，黑液有机物浓度大，CODcr可达5×104mg/L以上，碱回收难度大成本高。我国是粘胶生产大国，生产数量较大，树木资源缺乏，急需解决解决这些问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法。该方法具有纤维产出率高、生产工艺简单、制造成本低、无环境污染、可以提纯回收高价值的副产物的优点。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法，该方法包括下述步骤(1)、将竹材粉碎、清洗、干燥；(2)、将洗净、干燥后的竹材碎料与40-60v/v％乙醇水溶液在抽提器中混合，料液比即竹材碎料的绝对干料质量g∶乙醇水溶液体积ml为1∶5-1∶12，加温到180-200℃，并在3-4×106Pa的压力条件下，保温2-4小时，然后降低温度至常温，并减压至常压，再将抽提器中黑液抽出，抽提器中留有竹浆，竹浆中a-纤维素＞95％，聚合度＞700；(3)、在抽提器中喷射水蒸汽，10-30分钟，然后以冷水冲洗过滤后即得竹浆粕；(4)、将竹浆粕与40-60v/v％的以N-甲基吗啉氧化物(NMMO)水溶液在混合机中混合，料液比即竹浆粕的绝对干料质量g∶N-甲基吗啉氧化物水溶液体积ml为1∶10-1∶20，再在浸渍筒中搅拌，并在温度为50℃-60℃条件下浸渍0.5-1.5小时，然后加热使竹浆粕完全溶解，溶解后，再减压浓缩至水分完全蒸发，然后经过过滤后，制得纺丝原液；(5)、将纺丝原液采用水作为凝固液按照常规的方法进行纺丝，牵伸、后处理加工成短丝或长丝。
本发明的原理在于采用制浆的机制是采用高温乙醇水溶液闪蒸竹材，溶解和分离纤维素中的非纤维素物质，生产出高纯的浆粕；以N-甲基吗啉氧化物(NMMO)溶液为纺丝原液的溶剂将浆粕溶解后，喷丝制得竹纤维长丝或短丝。而纺丝、牵伸、后处理加工均采用常规的湿法纺丝、牵伸、后处理加工的方法。其中，纺丝原液进入纺丝机，根据需要，确定喷丝孔大小，进行喷丝，与常规的粘胶法纺丝的区别在于是采用水作为凝固液，恒温凝固液的温度为25℃-30℃；牵伸是在集束机或牵伸机中进行，总牵伸倍数1.8-2.5；喷丝头牵伸倍数1.0倍；后处理经水洗、干燥、加捻、络筒形成长丝；或经水洗、干燥、切断、卷曲、打包，成为短丝产品。
竹材的化学成分，除了主要成分纤维素、木质素和戊聚糖外，还有溶液抽提物和灰分。随着竹笋成熟程度的增加灰分、热水抽提物、1％氢氧化钠抽提物和苯醇抽提物的含量逐渐减少，纤维素、戊聚糖、木质素和总甲氧基等的逐渐增加，而多聚精在竹材中的含量较少。竹材的比学组成与阔叶材接近。除了碱性抽提物外，灰分和硅含量都高于木材。竹材由不均匀分布的多种化学成分组成，是由各种各样高分子聚合物复杂地组合而成的物质。乙酸基(CH3COO-)以非纤维素性高聚糖的醋酸酯的形式存在。乙酸基因酸水解或碱水解而容易变成醋酸或盐类，因此乙醇催化法尤其适合竹子制浆。不同的竹子化学成分含量不一样，要选择纤维素含量高、无机物含量少的种类，如慈竹、毛竹、黄竹、箭竹、方竹、玉山竹、龙竹都适合于此发明工艺。
在本发明的利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法中，在所述的步骤(2)之后还包括有步骤(3)，将从抽提器中抽出的黑液经蒸发得到乙醇回收液，黑液再经冷却过滤后得到的深沉物为木素，并从过滤后的液体中提取醋酸、糠醛、半纤维副产物。
在本发明的利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法中，在所述的步骤(5)之后还包括有步骤(6)，将纺丝后的凝固液蒸发回收得到N-甲基吗啉氧化物回收液。
在自催化乙醇制浆中，从抽提器中抽出的黑液中含有乙醇、醋酸、木质素、糠醛、半纤维素。乙醇经蒸发提炼，可以循环用于竹浆的制取。竹醋酸经浓缩精炼，纯度高于99％，源自天然，生产过程不含有众多化学试剂，醋酸全球每年消耗量在350万吨，因此，本发明的副产品-竹醋酸具有较大的市场空间，，远好于人工合成醋酸。糠醛是重要发工业原料应用十分广泛，本发明副产的木素和半纤维素不含有硫，比其它方法生产的纯度更高，有很多的利用价值。
本发明的有益的效果是不仅是生产一种绿色环保产品-竹纤维，而且又进一步延伸到生产过程是无环境污染的绿色生产，本发明的工艺方法具有以下特点1、原料充足，竹子在我国具有较广泛生长，速生高产，没有化学农药污染。
2、纤维产出率高，比传统的采用粘胶纤维生产方法可以提高5％3、生产工艺简单、制造成本低。
4、无环境污染，其它的方法，如粘胶纤维生产方法，本发明的浆粕是采用有机溶剂法(自催化乙醇法)制浆，并采用N-甲基吗啉氧化物(NMMO)水溶液作为纺丝原液的溶剂，纺丝中采用水作为凝固液，与其它的方法如粘胶纤维生产方法相比，在无环境污染、清洁生产上有本质的区别，没有恶臭气体(二硫化碳)排空。本发明的主要使用化学原料均可回收循环利用，回收方法简单，不产生环境污染。在生产过程中，制浆时采用无用无毒无害的乙醇为溶剂，纺丝时采用的NMMO可以达到99％以上的回收率，制浆时产生的黑液含有大量的乙醇，乙醇经蒸发凝聚后可以再应用，不会存在废水废气等环境污染及高费用的碱加收问题。
5、用水量大大降低，节约日益紧缺的水资源。
6、从抽提器中抽出的黑液含有木质素、醋酸、糠醛、半纤维素糖浆，通过简单的生产工艺均可提纯回收，具有高价值的副产物。
7、本发明所生产的竹纤维素纤维的纤维长丝的成品性能干断裂强度＞2.3cN/dtex；湿断裂强度＞2.5cN/dtex；弹性恢复率＞90％；白度＞75％；水中溶胀度＜55％。
图1为本发明的利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法的流程图(以生产长丝为例)
具体实施例方式
结合实施例1、2并参照图1加以说明。
实施例1(1)、竹材备料、切料将选取慈竹，用切竹机将竹杆切碎成30-50mm长(也可以用竹叶)、所有的碎竹片收集后，均可作为纺丝原料。
(2)、筛料、洗料将竹料放入筛选器，以热水冲洗筛选，水温50-70℃，时间20分钟，将泥沙等非竹子成分去掉，以减少杂质，在干燥器中80℃干燥20min，取500g。
(3)、抽提将500g竹净料加入到抽提器中，加入55v/v％乙醇溶液5000mL，在30min加温到190℃，将气压保证在3×106Pa，保温3小时，然后降低温度至常温，减小气压至常压，抽出黑液，抽提器留有竹浆。将从抽提器中抽出的黑液经蒸发得到乙醇回收液，黑液再经冷却过滤后得到的深沉物为木素，并从过滤后的液体中提取醋酸、糠醛、半纤维副产物。乙醇回收液可以再用于抽提步骤中。
(4)、汽提、洗浆用110℃水蒸汽喷洗竹浆，使竹浆中残余的乙醇蒸发，时间用大约20分钟，然后以冷水冲洗过滤后即得高纯竹浆(高纯竹纤维素)，测得竹浆中a-纤维素＞95％，聚合度＞900。
(5)、溶解、过滤称重竹浆干浆为213g，将竹浆粕放到混合机中，再加入3200ml 50v/v％NMMO溶液，在浸渍筒中搅拌并浸渍1小时，温度50℃，然后加热到85℃，使浆粕完全溶解，减压至0.5×106Pa浓缩使水分完全蒸发，经过滤装置三次过滤后，制得纺丝原液。
(6)、纺丝原液进入实验纺丝机，喷丝孔为20，喷丝孔大小为0.1mm，进行挤压喷丝。经过25℃的水中凝固；牵伸在集束机中进行，总牵伸倍数1.8-2.5，喷丝头牵伸1.0倍；用加捻器加捻，卷绕制得竹纤维长丝。称重为209g。所制得的竹纤维长丝的产出率达到41％。测试竹纤维长丝的质量结果为干断裂强度＞2.1cN/dtex；湿断裂强度＞2.6cN/dtex；弹性恢复率＞92％；白度＞67％；水中溶胀度＜50％。
也可以生产短纤维，其纺丝、牵伸的工艺过程和长丝一样，只是后处理不同，后处理是将牵伸后的纤维经水洗、干燥、切断、卷曲、打包，成为短丝产品。
纺丝后的凝固液进行蒸发，回收得到N-甲基吗啉氧化物回收液，可以再用于溶解步骤中。
实施例2
(1)、备料、切料将选取毛竹，用切竹机将竹杆切碎成30-50mm长(也可以用竹叶)、所有的碎竹片收集后，均可作为纺丝原料，。
(2)、筛料、洗料将竹料放入筛选器，以热水冲洗筛选，水温50℃-70℃，时间20分钟，将泥沙等非竹子成分去掉，以减少杂质，在干燥器中80℃干燥20min，取500g。
(3)、抽提将500g竹净料加入到抽提器中，加入55v/v％乙醇溶液6000mL，20min加温到195℃，将气压保证在3×106Pa，保温3小时，然后降低温度至常温，减小气压至常压，抽出黑液，抽提器内留有竹浆。将从抽提器中抽出的黑液经蒸发得到乙醇回收液，黑液再经冷却过滤后得到的深沉物为木素，并从过滤后的液体中提取醋酸、糠醛、半纤维副产物。乙醇回收液可以再用于抽提步骤中。
(4)、汽提、洗浆110℃水蒸汽喷洗竹浆，使竹浆中残余的乙醇蒸发，时间用大约20分钟，然后以冷水冲洗过滤后即得高纯竹浆(高纯竹纤维素)，测得竹浆中a-纤维素＞95％，聚合度＞850。
(5)、溶解、过滤称重竹浆干浆为210g，将竹浆粕放到混合机中，再加入3000ml 50v/v％NMMO溶液，在浸渍筒中搅拌并浸渍1小时，温度50℃，然后加热到90℃以下，使浆粕完全溶解，减压浓缩至水分完全蒸发，经过滤装置三次过滤后，制得纺丝原液。
(6)、纺丝原液进入实验纺丝机，喷丝孔为20，喷丝孔大小为0.1mm，进行挤压喷丝。经过25℃的水凝固；牵伸在集束机中进行，总牵伸倍数1.8-2.5，喷丝头牵伸1.0倍；用加捻器加捻，卷绕制得竹纤维长丝。称重为201g。所制得的竹纤维长丝的产出率达到40％。测试竹纤维长丝的质量结果为干断裂强度＞2.6cN/dtex；湿断裂强度＞3.1cN/dtex；弹性恢复率＞90％；白度＞80％；水中溶胀度＜45％。
也可以生产短纤维，其纺丝、牵伸的工艺过程和长丝一样，只是后处理不同，后处理是将牵伸后的纤维经水洗、干燥、切断、卷曲、打包，成为短丝产品。
纺丝后的凝固液进行蒸发，回收得到N-甲基吗啉氧化物回收液，可以再用于溶解步骤中。
综上所述，竹纤维是一种用竹子生产的再生纤维素纤维，整个生产过程中，提炼竹纤维素工艺和纺丝工艺都属于无污染的“清洁生产”，完全体现了绿色环保，综合利用生产过程的废弃物，生产过程用水的自循环；生态制浆工艺比化学制浆更为简化，生产工艺流程较粘胶纤维缩短一半，时间大大缩短，良性循环、有利于资源的可持续开发利用等。
本发明是利用竹子原料，采用N-甲基吗啉氧化物(NMMO)水溶液作为纺丝原液的溶剂、纺丝工艺生产纤维素纤维，从竹子到纤维，全部是绿色环保过程生产，并产出有高价值的副产物(木素、竹醋酸、糠醛、糖浆等)，其工艺流程竹材、切料、筛选、洗料、抽提、汽提、洗浆、溶解、过滤、纺丝、牵伸、后处理、干燥、打包等工艺，特点是纤维湿强高、生产流程短，溶剂可回收循环使用，是取代传统粘胶法的新技术，有良好的经济效益和社会效益。生产的竹纤维长丝具有天然抗菌抑菌性，吸湿性，抗紫外，可以作为性能优良的纺织纤维原料应用于生产生活。
权利要求
1.一种利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法，其特征在于该方法包括下述步骤(1)、将竹材粉碎、清洗、干燥；(2)、将洗净、干燥后的竹材碎料与40-60v/v％乙醇水溶液在抽提器中混合，料液比即竹材碎料的绝对干料质量g乙醇水溶液体积ml为∶1∶5——1∶12，加温到180——200℃，并在3-4×106Pa的压力条件下，保温2-4小时，然后降低温度至常温，并减压至常压，再将抽提器中黑液抽出，抽提器中留有竹浆；(3)、在抽提器中喷射水蒸汽10-30min，然后以冷水冲洗过滤后即得竹浆粕；(4)、将竹浆粕与40-60v/v％的以N-甲基吗啉氧化物水溶液在混合机中混合，料液比即竹浆粕的绝对干料质量gN-甲基吗啉氧化物水溶液体积ml为1∶10——1∶20，再在浸渍筒中搅拌，并在温度为50℃-60℃条件下浸渍0.5-1.5小时，然后加热使竹浆粕完全溶解，溶解后，再减压浓缩至水分完全蒸发，然后经过过滤后，制得纺丝原液；(5)、将纺丝原液采用水作为凝固液按照常规的方法进行纺丝，牵伸、后处理加工成短丝或长丝。
2.根据权利要求1所述的利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法，其特征在于在所述的步骤(2)之后还包括有步骤(3)’，将从抽提器中抽出的黑液经蒸发得到乙醇回收液，黑液再经冷却过滤后得到的深沉物为木素，并从过滤后的液体中提取醋酸、糠醛、半纤维副产物。
3.根据权利要求1或2所述的利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法，其特征在于在所述的步骤(5)之后还包括有步骤(6)，将纺丝后的凝固液蒸发回收得到N-甲基吗啉氧化物回收液。
全文摘要
利用竹材生产再生纤维素纤维及副产品工艺方法，包括(1)将竹材粉碎、清洗、干燥；(2)将竹材碎料与乙醇水溶液在抽提器中混合，加温到180－200℃，并在3－4×10
文档编号B27N1/00GK1544223SQ20031011348
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月12日 优先权日2003年11月12日
发明者张子宇, 李路敏, 郭贞 申请人:北京梦狐服饰科技开发有限责任公司