2023年可降解材料加工中的蒸汽爆破技术.doc

可降解材料加工 纸浆模塑制品〔Pulp Moulded Products〕，是随着人们对环保的重视以及相关技术的突破而得以开展起来的，其性能及良好的可回收性，已得到人们的广泛认可。作为包装制品其应用范围相当广泛，可用于一次性餐具，鲜蛋、水果、花卉、农作物、玻璃制品、陶瓷制品、电子产品、工艺品、医疗器械、机械设备部件及其它易碎产品的包装。特别是纸浆模塑制品所特有的良好透气性，用于包装“呼吸有生命〞的产品时，可提高保质期、延长货架寿命；再加之现代社会对环保的要求越来越高，对包装掀起了“绿色革命〞的浪潮。因此，这诸多因素，使得纸浆模塑制品有了前所未有的开展良机。 纸浆模塑制品尽管开展迅速、应用也越来越广，但仍存在一些问题，有待于研究与创新。纸模制品的开展趋势主要体现在技术〔工艺〕、材料〔原材料〕利用，设备工序、产品应用范围等多个方面。目前，纸模制品几乎都是采用高级木浆，而这些木浆大局部都是靠进口；纸浆模塑制品生产过程中大多采用湿法真空或加压脱水，会产生类似于造纸工业的废水污染，另外，在生产过程中必须添加化学助剂，更易造成环境污染；由于使用进口木浆作原料，生产过程需要化学助剂和大量废水处理，致使纸浆模塑制品的生产本钱昂贵，无法与发泡聚苯乙烯包装材料相竞争。因此，社会急需开发利用廉价的秸秆原料，清洁高效制备全天然包装材料。 我国森林覆盖率较低，木材短缺。依靠木材解决上述问题是不现实的。而我国农作物秸杆资源丰富，稻、麦等秸秆年总量约7亿吨以上，但其利用问题至今未能得到较好解决，除少量用于低档纸业、包装、粗饲料及燃料外，大量均被作为废物处理了。如何综合利用秸秆，已成为一个突出的资源利用问题、环境保护问题和受到社会十分关心的问题。利用秸秆制作可降解的纸浆模塑包装材料，一方面为秸秆利用找到一条经济有效的途径。另一方面，可解决包装工业存在的诸多问题，为其可持续开展作出奉献。同时，为环境保护和航空安全作出奉献。 5.15.1 国内外利用秸秆生产生态环境材料现状 为了尽快脱离矿物资源，应加强对环境有净化作用的环境友好材料的研究开发，以依赖矿物资源转向依靠生物资源是人类社会的生产活动从必然王国走向自由王国的途径。目前，利用生物资源制备环境材料已形成新材料研究的热点，已成为世界高新技术领域最具有挑战性的课题之一。1996年美国总统绿色化学挑战奖中的学术奖授予了Taxas A & M 大学的Holtzapple M教授，以表彰他在生物质转化燃料、工业化学品和动物饲料方面作出的奉献。 国内外现有的利用秸秆生产生态环境材料的技术，对天然的秸秆不加改造，必需添加一些热固性树脂和甲醛等胶料，如建材板、纤维板、内包装材料、一次性餐具盒和育苗器等。以致于所用胶料的费用占整个生产本钱很大比例〔60%左右〕，使得该类产品在技术经济上难以与塑料制品和其他装饰材料相竞争；并且造成二次环境污染。这样的材料还不能算是真正的生态环境材料。开发利用纯天然原料合成生态环境材料既是可持续开展的要求，又是该领域开展的趋势。另外，生态环境材料的开发不仅要求产品本身具有满意的使用性能和优良的环境协调性，而且要求所使用的原料和生产过程是绿色的。 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，基于秸秆与木材在化学组成和结构异同，从秸秆变性方法与热固化两个方面着手研究，提出了变性秸秆新概念，开发出一套秸秆变性手段，并提出变性秸秆清洁生产生态环境材料方法。变性秸秆是指秸秆经物理，化学或生物方法，改变天然秸秆的结构和性能。秸秆中的半纤维素、木质素定向降解转化，纤维素的氢键重排，制成具有新性能的秸秆材料，使之便于加工成各类产品。这种利用秸秆不加胶料的生态环境材料在经济上和环境上是很有吸引力的。不加胶料的生产工艺简化了生产流程，节省了拌胶工序和设备，降低了生产本钱；所生产的材料在自然界中完全可降解，可作为饲料，也可用作肥料，对环境无任何污染。由于经过有效的变性处理，生产出生态环境材料强度大大提高。 该技术主要解决以下几个问题：一是通过秸秆变性手段解决天然秸秆不宜于加工的问题〔仅水解糖胶粘差〕；二是在热固化过程中控制一定的含水量使秸秆中纤维素的氢键重排，提高了生态环境材料机械强度；三是利用变性秸秆生产生态环境材料不加任何胶料，解决了二次污染问题，其残渣可加工成饲料或有机肥料，实现秸秆生物量全利用。 5.15.2 利用秸秆生产生态环境材料市场分析 纸模制品在价格和与环境友好方面，难于与以秸秆为原料生产的全天然包装材料相竞争。据有关部门统计，我国年产彩色电视机约2023万部，其中出口约400万部；年产彩色显像管4000万只，其中外销1244万只，仅这两项年需消耗发泡材料2万吨左右，折算成体积为100万m3。尽管其它家电、工业仪表、机电产品等每年消耗的发泡塑料材料的数量很难有一个完全的统计，但无疑是个令人可怕的数字，用变性秸秆制品替代是大势所趋。可以说变性秸秆制品的开展前景十分看好。目前而言，其应用已涉及以下领域： 1〕禽蛋托盘。变性秸秆制品尤其适用于鸡蛋、鸭蛋、鹅蛋等禽蛋的大批量运输包装。目前，国内定型生产的已有GB1004-89公布的ZDTP-30-40，ZDTP-30-45，ZDTP-30-50三种鲜蛋托盘，分别用于41-70g的鲜蛋包装； 2〕鲜果托盘。主要用于桃、梨、柑桔、苹果、菠萝等果品特别是出口果品的包装，它可以防止水果间的碰撞破损，延长保鲜期。它还可以散发“闷热〞，抑制“乙烯浓度〞。尤其是盛夏季节或热带环境，纸托盘包装不阻隔呼吸热，能吸收蒸发水份，可防止鲜果腐烂变质，起其它包装难起的作用； 3〕工业托盘。主要用于玻璃、罐头等产品的固定缓冲材料，如目前国内已投产的啤酒托盘、玻璃托盘等。国外已推广至陶瓷、搪瓷、仪表、炊具、工艺品、硬塑料、医疗器械、家电、精密仪器、玻璃器皿等商品的包装； 4〕农用托盘。主要用于秧苗或其它农作物的营养钵、花卉苗木护翼、粮食、蔬菜、鲜肉类的包装以及蚕用方格簇等，如日本开发的一种水稻秧苗用托盘，成为抵御冻害的有力手段。农用托盘在农副产品的保鲜，提高农作物的成活率等方面具有独特的优点。 5〕食品药品或它们的半成品包装，如：净菜托盘、方便面碗、国际餐饮业用容器等； 6〕医疗器具包装，传统方法的最大问题是消毒不彻底易产生交叉感染。一次性纸模托盘、痰盂、便盆、体垫等免去消毒环节，并且废物直接燃烧无副作用，价格适中； 7〕用于制作儿童玩具、戏剧道具、人体模特、工艺品底坯、家具、零部件等的特种材料，它具有特殊的美化功能，如在销售包装中制成外表着色的盒式包装，又如纸浆中添加合成树脂模塑成硬质纸纤维板，用于室内装璜。此外，在兵工、服装等行业中将大有用武之地，特别在兵器包装、军火包装中，要求防冲撞、防静电、防潮湿、防锈蚀，包装运输万分谨慎。使用纸模包装，将大大提高军械弹药和军工仪器的贮运水平和安全系数。 有理由相信变性秸秆包装制品因其对环境友好的材料特性，会越来越得到多方面关注与支持。我国是蒙特利尔诡议定书和维也纳宣言的签字国，保护自然生态环境不受破环也是我国的根本国策之一。对变性秸秆制品的大力推行和实施不仅符合国国策，也必将为变性秸秆制品产业带来丰厚的回报。可预见作为世界造纸技术发源地的中国，在变性秸秆制品的开发与应用方面，必将有一个突破性的进展，从而讯速接近、赶上乃至超过国际先进水平。 5.15.4 利用秸秆生产生态环境材料工艺流程 利用秸秆生产生态环境材料的工艺流程主要分为秸秆变性、热固化重组以及材料成型等三个方面。具体地说，一是通过变性秸秆技术解决天然秸秆不易加工的问题〔起胶合作用的只有水解糖，胶粘差〕；二是在热固化过程中控制一定含水量使秸秆中的纤维素的氢键重排，最大限度地生成热固化生物树脂胶，并均匀分布于秸秆纤维外表；三是通过定型设备，在热固化作用下将秸秆纤维粘接一体，形成满足建筑要求的材料。整个生产工艺不加任何胶料，产品完全绿色环保。 〔1〕秸秆经连续机械化处理后进行汽爆变性，使秸秆中木质素的活性基团巨增，类似于多元酚特性，作为天然黏合剂，而半纤维素降解为可溶性糖、脱水糖类、糠醛，代替甲醛，与木质素发生交连反响；在汽爆过程中，纤维素本身不但未降解，反而提高了结晶度。通过对汽爆过程及后续工艺的监测，确定适宜的汽爆时间、汽爆压力和温度。 〔2〕汽爆处理后的秸秆，不要添加任何营养物，可直接接种木质素降解菌黄孢原毛平革菌进行固态发酵处理，以便进一步分解秸秆中的木质素，使之形成苯酚类衍生物。通过测试，得出能最大限度产生热固化树脂胶的工艺参数。 〔3〕纤维热固化定型处理。将汽爆发酵后的秸秆纤维直接送入专门设计的定型设备，不断调节设备的压力温度，直至能挤压出最正确质量的板材〔开始主要考察密度、尺寸和形状等指标，产品生产稳定后再按照给定的产品性能指标来测试〕，并确定此时的最优热固化温度和挤压力。 目前，山东绿鲁生态工业已经建成了“变性秸秆干法清洁生产绿色〔全天然〕包装材料产业化工程〞的中心和基地。这也是国内外第一条利用变性秸秆干法清洁生产绿色〔全天然〕包装材料工业生产线。