Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法及其制品

摘要

本发明公开了一种Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法，采用蒸汽升温、预水解液抽提工艺除去竹片中的大部分半纤维素，大幅度节省竹浆粕的生产时间，既解决了依靠升温预水解液耗汽量大、升温慢、生产周期长、综合成本高的难题，又避免了单纯用蒸汽预水解竹片内部反应不均匀、产品多戊糖含量偏高的弊端，提高了竹浆粕的内在均匀度，增加了NMMO溶剂的可及度，克服了竹原料生产Lyocell溶解浆质量与成本瓶颈，为Lyocell竹纤维的质量提升奠定了基础。本发明还提供了一种由该Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法制得的竹浆粕。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法及其制品。

背景技术

Lyocell纤维是21世纪绿色纤维之一，它以木材原料为主，通过精制所得木浆粕，再以NMMO(N-甲基吗啉-N-氧化物)为溶剂，不经过化学反应直接溶解浆粕成纤维素溶液，再经抽丝工序而得。

近十年来，出现了对竹Lyocell纤维的研制和开发，Lyocell纤维用竹浆粕相对于普通粘胶纤维竹浆粕，需要更好的反应均匀性、更低的多戊糖含量和金属离子含量。

目前生产竹浆粕的厂家中，大部分采用蒸汽预水解法，由该方法得到的竹浆粕反应均匀性较差，多戊糖含量偏高，难以满足Lyocell纤维的制备要求；也有部分厂家采用半液相预水解法，可以较少耗用蒸汽加热又能达到液相水解的目的，但要满足循环抽出量依旧会消耗较多的时间升温，另外保温时间也较长，造成整个生产周期长达13-14小时，导致生产成本居高不下；而全液相预水解法的耗汽量大、升温慢、水解液处理没有研制出有效的方法，目前尚未实现规模化生产。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法及其制品，以满足竹Lyocell纤维的制备要求。

本发明采用的一个技术方案是：提供一种Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法，包括如下步骤：

(1)料片预热：竹片装锅采用蒸汽装锅方式提前预热竹片，装锅完毕盖好锅盖后从锅顶部通入低压蒸汽并开启锅底部排液阀，使锅内温度升至110～130℃；

(2)料片升温：从锅顶部和底部通入中压蒸汽，使锅内温度升至160～170℃；

(3)液相抽提预水解：从锅底部注入预水解液，使锅内温度快速升至要求温度，在165～175℃下保温30～120min；

(4)碱煮：先向锅内充入热白液中和至碱性；接着向锅内注入热黑夜置换中和液；然后向锅内充入热白液，升温至160～175℃，保温30～150min后，放锅，得到浆料；

(5)漂白：使所述浆料经过O-D

(6)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆；

(7)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.3％～2.0％。

作为对上述方案的改进，所述预水解液为热水和酸性催化助剂的混合液，预水解液的液比为3.0：1～4.5：1，温度为165～170℃。

作为对上述方案的改进，所述预水解液的液比为4：1，所述酸性催化助剂为甲酸、乙酸、丙酸中的至少一种，所述酸性催化助剂的用量对绝干竹片重量为0.1％～2％。

作为对上述方案的改进，步骤(3)中，在锅体外设置蒸汽加热器，蒸汽加热器通入中压蒸汽；预水解液通过循环泵打循环。

作为对上述方案的改进，完成液相抽提预水解后，从锅底部抽取水解液至贮液槽，贮液槽中的水解液回用至步骤(3)中作为预水解液，水解液的回用量为每锅竹片所需预水解液总液量的30％～100％。

作为对上述方案的改进，水解液的回用量为每锅竹片所需预水解液总液量的50％～80％，回用所述水解液的同时，向锅内补充150～170℃的新鲜预水解液，新鲜预水解液的补充量为每锅竹片所需预水解液总液量的20％～50％。

作为对上述方案的改进，完成步骤(3)后，从锅底部抽取水解液的同时，从锅顶部通入中压蒸汽对锅内竹片进行汽洗。

作为对上述方案的改进，步骤(1)中，所述排液阀包括汽水分离器。

作为对上述方案的改进，在步骤(6)的酸处理段添加螯合剂至漂白浆料中，螯合温度40～75℃，盐酸用量0.5％～1.5％，螯合时间1～1.5h；所述螯合剂包括DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、EDTA(乙二胺四乙酸)、NTA(次氨基三乙酸)或六偏磷酸钠中的至少一种。

本发明采用的一个技术方案是：提供一种竹浆粕，由上述的Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法制得。

区别于现有技术，本发明所提供的Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法，采用蒸汽升温、预水解液抽提工艺除去竹片中的大部分半纤维素，大幅度节省竹浆粕的生产时间，既解决了依靠升温预水解液耗汽量大、升温慢、生产周期长、综合成本高的难题，又避免了单纯用蒸汽预水解竹片内部反应不均匀、产品多戊糖含量偏高的弊端，提高了竹浆粕的内在均匀度，增加了NMMO溶剂的可及度，克服了竹原料生产Lyocell溶解浆质量与成本瓶颈，为Lyocell竹纤维的质量提升奠定了基础。本发明还提供了一种由该Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法制得的竹浆粕。

具体实施方式

本发明提供了一种Lyocell纤维用竹浆粕的制备方法，包括如下步骤：

(1)料片预热：

竹片装锅采用低压蒸汽装锅，在装锅开始时从锅底部通入低压蒸汽预热竹片。装锅结束后，盖好锅盖，从锅顶部通入低压蒸汽并开启锅底部排液阀，至锅内温度升至110～130℃。

竹片初升温阶段从锅顶部进蒸汽有利于锅内杂质从锅底部排出，进而提升产品洁净度。

进一步的，所述排液阀包括汽水分离器。

(2)料片升温：从锅顶部和底部通入中压蒸汽，使锅内温度快速升至160～170℃。

本步骤中，中压蒸汽升温竹片至160～170℃，为后段液相抽提预水解创造条件，缩短了升温时间。

以上的液相抽提预水解前的竹片预热和升温阶段均采用蒸汽为介质，可显著提高升温速度，缩短竹片的预水解时间，进而提高竹浆粕的生产效率。

(3)液相抽提预水解：从锅底部注入预水解液，使锅内温度快速升至要求温度，在165～175℃下保温30～120min；

锅内置换出去的蒸汽通过与冷水换热回收热量。

本发明提供的竹浆粕制备方法中，竹片预水解以本步骤的液相抽提预水解为主，保障竹片预水解的均匀性，为木质素和半纤维素的水解溶出提供了条件。

蒸汽预热升温结合液相抽提预水解，除去竹片中的大部分半纤维素，既解决了依靠升温预水解液耗汽量大、升温慢、生产周期长、综合成本高的难题，又避免了单纯用蒸汽预水解竹片内部反应不均匀、产品多戊糖含量偏高的弊端，提高了竹浆粕的内在均匀度，增加了NMMO溶剂的可及度，克服了竹原料生产Lyocell溶解浆质量与成本瓶颈，为Lyocell竹纤维的质量提升奠定了基础。

进一步的，所述预水解液为热水和酸性催化助剂的混合液，预水解液的液比为3.0：1～4.5：1，温度为165～170℃。

蒸汽升温到工艺要求温度后向锅内注入高温预水解液，使锅内温度和pH值快速达到预水解要求。

更进一步的，所述预水解液的液比为4：1，所述酸性催化助剂为甲酸、乙酸、丙酸中的至少一种，所述酸性催化助剂的用量对绝干竹片重量为0.1％～2％。

优选的，所述预水解液的液比为3.5：1。

本申请中的液比指预水解液总液量体积(L或m3)与绝干竹片重量(kg或t)之比。

进一步的，所述升温，具体为在锅体外设置蒸汽加热器，向该蒸汽加热器通入中压蒸汽对锅体加热，预水解液通过循环泵打循环使竹片升温及保温。

本申请中，完成液相抽提预水解步骤后，从锅底部抽取水解液至贮液槽，贮液槽中的水解液回用至下一锅的液相抽提预水解中作为预水解液，其中，水解液的回用量为每锅竹片所需预水解液总液量的30％～100％。

由于水解液的循环回用，大部分热能得到了回收，减少了加热所需消耗的蒸汽用量。高温水解液的直接回用，大幅度节省了能耗，有效加快了竹片的水解进度。

进一步的，水解液的回用量为每锅竹片所需预水解液总液量的50％～80％，作为优选，水解液的回用量为每锅竹片所需预水解液总液量的60％～70％，以在充分回用热能和预水解所需有机酸的同时，确保水解液回用对产品质量不造成负面影响。

回用所述水解液的同时，向锅内补充150～170℃的新鲜预水解液，新鲜预水解液的补充量为每锅竹片所需预水解液总液量的20％～50％。

本申请采用回用水解液的液相抽提预水解方式，大大提升了竹片的水解效率，节省了能耗，液相抽提预水解的液比大，可实现竹片被水解液完全浸没，确保了竹片水解反应的均匀性，提高制得的竹浆粕的均匀度。

本申请中，完成液相抽提预水解步骤后，在从锅底部抽取水解液的同时，从锅顶部通入中压蒸汽对锅内竹片进行汽洗以抑制锅内竹片中木质素的进一步缩合，便于后段碱煮、漂白中木质素的去除，缩短生产时间。

本申请中，对多余的水解液通过热交换降温后进行生物质精炼，所述生物质精炼具体为提取水解液中的多糖制取糠醛、乙醇、低聚糖、木糖或木糖醇等高附加值产品。

(4)碱煮：液相抽提预水解完成后，向锅内充入碱用量20％的热白液中和至碱性后；向锅内注入热黑夜置换中和液；中和液被完全置换出锅外后继续向锅内充入碱用量80％的热白液，升温至160～175℃，保温30～150min后，放锅，得到浆料。

(5)漂白：使所述浆料经过O-D

本步骤中，在D

所述螯合剂包括DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、EDTA(乙二胺四乙酸)、NTA(次氨基三乙酸)或六偏磷酸钠中的至少一种。

(6)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆。

在酸处理工序中，盐酸用量为0.5％～1.5％，进一步的，在所述酸处理工序中引入螯合剂以进一步除去漂白浆料中的灰分和铁分，其中，酸处理温度为40～75℃，优选50～70℃，更优选60～70℃，酸处理时间1～1.5h。

所述螯合剂包括DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、EDTA(乙二胺四乙酸)、NTA(次氨基三乙酸)或六偏磷酸钠中的至少一种。

洗涤工序中，采用软水将酸处理后的浆料洗至中性供抄浆使用。

(7)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.3％～2.0％。

进一步的，所述漂白竹浆的上网浓度为1.3％～1.8％，更优选1.5％～1.6％，以确保浆板的成形匀度良好。

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本实施例提供了一种竹浆粕的制备方法，包括如下步骤：

(1)料片预热：

以100％慈竹为原料，蒸汽装锅预热竹片，装锅完毕后从锅顶部通低压蒸汽并开启锅底部排液阀，至锅内温度升至120℃，耗时80min。

(2)料片升温：

从锅顶部通入中压蒸汽，升温60min到165℃。

(3)液相抽提预水解：

从锅底部注入170℃的回用水解液置换蒸汽，耗时30min，同时补充预水解液总量50％的150℃热水和0.5％用量的乙酸，对锅内料片加热，40min后升至170℃进行液相抽提预水解，保温60min后排水解液，同时从锅顶通入中压蒸汽对锅内竹片进行汽洗，30min排尽锅内水解液。

(4)碱煮：

启动热白液置换泵向锅内充入碱用量20％的白液对锅内竹片进行中和至碱性，并在其后注入热黑液进行热充使锅内充满碱液，待中和液被完全置换出锅外后继续补充碱用量80％的白液，共耗时40min，接着升温至170℃保温60min，最后做回收30min，放锅20min，得到浆料。

整个预热、升温、预水解和碱煮周期共计450min。

(5)漂白：使所述浆料经过O-D

(6)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆。

在酸处理工序中，盐酸用量为1％，进一步的，在所述酸处理工序中引入螯合剂以除去漂白浆料中的灰分和铁分，其中，酸处理温度为60℃，酸处理时间1h。

(7)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.5％。

由本实施例的竹浆粕制备方法制得的竹浆粕，得率30.5％，白度86.8％ISO，甲纤95.3％，多戊糖2.95％，吸碱值540％，铁份10ppm，灰分0.05％，聚合度(DP)520，树脂含量0.08％，水份10.5％，定量705g/m

实施例二：

本实施例提供了一种竹浆粕的制备方法，包括如下步骤：

(1)料片预热：

以100％慈竹为原料，蒸汽装锅预热竹片，装锅完毕后从锅顶部通低压蒸汽并开启锅底部排液阀，至锅内温度升至115℃，耗时80min。

(2)料片升温：

从锅顶部通入中压蒸汽，升温60min到165℃。

(3)液相抽提预水解：

从锅底部注入170℃的回用水解液置换蒸汽，耗时30min，同时补充预水解液总量30％的150℃热水和1.0％用量的乙酸，对锅内料片加热，30min后升至172℃进行液相抽提预水解，保温40min后排水解液，同时从锅顶通入中压蒸汽对锅内竹片进行汽洗，30min排尽锅内水解液。

(4)碱煮：

启动热白液置换泵向锅内充入碱用量20％的白液对锅内竹片进行中和至碱性，并在其后注入热黑液进行热充使锅内充满碱液，待中和液被完全置换出锅外后继续补充碱用量80％的白液，共耗时40min，接着升温至170℃保温60min，最后做回收30min，放锅20min，得到浆料。

整个预热、升温、预水解和碱煮周期共计420min。

(5)漂白：使所述浆料经过O-D

(6)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆。

在酸处理工序中，盐酸用量为1％，进一步的，在所述酸处理工序中引入螯合剂以除去漂白浆料中的灰分和铁分，其中，酸处理温度为70℃，酸处理时间1.5h。

(7)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.5％。

由本实施例的竹浆粕制备方法制得的竹浆粕，得率29.5％，白度87.5％ISO，甲纤95.5％，多戊糖2.70％，吸碱值514％，铁份6.5ppm，灰分0.07％，聚合度(DP)

505，树脂含量0.05％，水份9.2％，定量685g/m

实施例三：

本实施例提供了一种竹浆粕的制备方法，包括如下步骤：

(1)料片预热：

以50％慈竹、30％绵竹和20％麻竹为原料，蒸汽装锅预热竹片，装锅完毕后从锅顶部通低压蒸汽并开启锅底部排液阀，至锅内温度升至110℃，耗时80min。

(2)料片升温：

从锅顶部通入中压蒸汽，升温90min到170℃。

(3)液相抽提预水解：

从锅底部注入170℃的回用水解液置换蒸汽，耗时30min，同时补充预水解液总量40％的170℃热水和0.5％用量的乙酸，对锅内料片加热，30min后升至173℃进行液相抽提预水解，保温70min后排水解液，同时从锅顶通入中压蒸汽对锅内竹片进行汽洗，30min排尽锅内水解液。

(4)碱煮：

启动热白液置换泵向锅内充入碱用量20％的白液对锅内竹片进行中和至碱性，并在其后注入热黑液进行热充使锅内充满碱液，待中和液被完全置换出锅外后继续补充碱用量80％的白液，共耗时40min，接着升温至170℃保温50min，最后做回收30min，放锅20min，得到浆料。

整个预热、升温、预水解和碱煮周期共计470min。

(5)漂白：使所述浆料经过O-D

(6)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆。

在酸处理工序中，盐酸用量为0.5％，进一步的，在所述酸处理工序中引入螯合剂以除去漂白浆料中的灰分和铁分，其中，酸处理温度为50℃，酸处理时间1h。

(7)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.5％。

由本实施例的竹浆粕制备方法制得的竹浆粕，得率31.0％，白度86.5％ISO，甲纤94.5％，多戊糖2.65％，吸碱值535％，铁份11.5ppm，灰分0.09％，聚合度(DP)530，树脂含量0.1％，水份9.8％，定量720g/m

实施例四：

本实施例提供了一种竹浆粕的制备方法，包括如下步骤：

(1)料片预热：

以50％慈竹、30％绵竹和20％麻竹为原料，蒸汽装锅预热竹片，装锅完毕后从锅顶部通低压蒸汽并开启锅底部排液阀，至锅内温度升至130℃，耗时80min。

(2)料片升温：

从锅顶部通入中压蒸汽，升温60min到160℃。

(3)液相抽提预水解：

从锅底部注入170℃的回用水解液置换蒸汽，耗时30min，同时补充预水解液总量60％的150℃热水和0.3％用量的乙酸，对锅内料片加热，30min后升至169℃进行液相抽提预水解，保温50min后排水解液，同时从锅顶通入中压蒸汽对锅内竹片进行汽洗，30min排尽锅内水解液。

(4)碱煮：

启动热白液置换泵向锅内充入碱用量20％的白液对锅内竹片进行中和至碱性，并在其后注入热黑液进行热充使锅内充满碱液，待中和液被完全置换出锅外后继续补充碱用量80％的白液，共耗时40min，接着升温至170℃保温60min，最后做回收30min，放锅20min，得到浆料。

整个预热、升温、预水解和碱煮周期共计430min。

(5)漂白：使所述浆料经过O-D

(6)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆。

在酸处理工序中，盐酸用量为1％，进一步的，在所述酸处理工序中引入螯合剂以除去漂白浆料中的灰分和铁分，其中，酸处理温度为65℃，酸处理时间80min。

(7)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.5％。

由本实施例的竹浆粕制备方法制得的竹浆粕，得率31.5％，白度87.5％ISO，甲纤96.0％，多戊糖3.2％，吸碱值540％，铁份9.0ppm，灰分0.03％，聚合度(DP)550，树脂含量0.06％，水份10.3％，定量690g/m

对比例一：

本对比例提供了一种竹浆粕的制备方法，包括如下步骤：

(1)料片预热：

以50％慈竹、30％绵竹和20％麻竹为原料，蒸汽装锅预热竹片，装锅完毕后从锅顶部通低压蒸汽并开启锅底部排液阀，至锅内温度升至120℃，耗时80min。

(2)蒸汽预水解：

从锅顶部通入中压蒸汽，升温90min到170℃，保温90min。

(3)碱煮：

启动热白液置换泵向锅内充入碱用量20％的白液对锅内竹片进行中和至碱性，并在其后注入热黑液进行热充使锅内充满碱液，待中和液被完全置换出锅外后继续补充碱用量80％的白液，共耗时40min，接着升温至170℃保温60min，最后做回收30min，放锅20min，得到浆料。

整个预热、预水解和碱煮周期共计410min。

(4)漂白：使所述浆料经过O-D

(5)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆。

在酸处理工序中，盐酸用量为1％，未引入螯合工艺。

(6)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.5％。

由本对比例的竹浆粕制备方法制得的竹浆粕，得率32.0％，白度86.5％ISO，甲纤94.5％，多戊糖4.5％，吸碱值480％，铁份25.0ppm，灰分0.1％，聚合度(DP)530，树脂含量0.05％，水份10.0％，定量695g/m

对比例二：

(1)料片预热：

以100％慈竹为原料，蒸汽装锅预热竹片，装锅完毕后从锅顶部通低压蒸汽并开启锅底部排液阀，至锅内温度升至125℃，耗时80min。

(2)液相预水解：

装锅完毕后，30min加入满足循环的热水量，液比2.5：1，对锅体加热，160min后升至170℃进行液相预水解，保温120min后排水解液，40min排尽锅内水解液。

(3)碱煮：

启动热白液置换泵向锅内充入碱用量20％的白液对锅内竹片进行中和至碱性，并在其后注入热黑液进行热充使锅内充满碱液，待中和液被完全置换出锅外后继续补充碱用量80％的白液，共耗时40min，接着升温至170℃保温90min，最后做回收30min，放锅20min，得到浆料。

整个预水解和碱煮周期共计610min。

(4)漂白：使所述浆料经过O-D

(5)酸处理、洗涤：使所述漂白浆料经过酸处理、洗涤工序，得到漂白竹浆。

在酸处理工序中，盐酸用量为1％，未引入螯合工艺。

(6)浆板抄造：所述漂白竹浆经浆板机抄造，得到竹浆粕，所述漂白竹浆的上网浓度为1.5％。

由本对比例的竹浆粕制备方法制得的竹浆粕，得率28.9％，白度87.0％ISO，甲纤94.8％，多戊糖2.85％，吸碱值510％，铁份19.0ppm，灰分0.09％，聚合度(DP)450，树脂含量0.05％，水份9.0％，定量685g/m

上述两个对比例中，对比例一仅采用蒸汽作为预水解介质，对比例2仅采用热水为预水解介质。

将本申请上述四个实施例与该两个对比例对比，显然地，对比例一水解升温快，生产周期相对较短，但制得的竹浆粕多戊糖含量偏高，吸碱值较低，竹浆粕反应均匀性不理想；对比例二升温时间长、耗汽量大，生产周期长，综合成本高。

而本申请实施例采用蒸汽预热升温结合液相抽提预水解，除去竹片中的大部分半纤维素，既解决了依靠升温预水解液耗汽量大、升温慢、生产周期长、综合成本高的难题，又避免了单纯用蒸汽预水解竹片内部反应不均匀、产品多戊糖含量偏高的弊端，提高了竹浆粕的内在均匀度，增加了NMMO溶剂的可及度，克服了竹原料生产Lyocell溶解浆质量与成本瓶颈，为Lyocell竹纤维的质量提升奠定了基础。

本申请还提供了一种由上述竹浆粕制备方法制得的竹浆粕，所述竹浆粕多戊糖含量低，反应均匀度高，灰分、铁分含量低，提高了NMMO溶剂的可及度，能够满足竹Lyocell纤维的制备要求。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。