玉米秸秆包装材料的开发研究

1、包装工程 PAC KA GIN G EN GIN EERIN G Vol. 31No. 112010. 06收稿日期 :2010203204基金项目 :洛阳市科技发展计划项目 (0801072A 作者简介 :张新爱 (1964- , 女 , 洛阳人 , 洛阳理工学院副教授 , 主要从事固体废弃物资源化利用研究 。玉米秸秆包装材料的开发研究张新爱 , 关润伶(洛阳理工学院 , 洛阳 471023摘要 :利用玉米秸秆的外皮为主要原料 , 选择适宜浓度的预处理剂 , 采用化学预处理与机械磨浆相结合的方 法 , 制得了较高得率的纸浆 。 抄造出了超过国家标准规定的一等品质量要求的瓦楞原纸 , 制浆过程

2、中产生的废 液可全部循环回用 。 开展该研究有利于保护环境 、 节约资源 、 增加农民收入 。 关键词 :玉米秸秆 ; 包装材料 ; 化学预处理 ; 机械磨浆 ; 洁净生产中图分类号 :TS721+. 4; T484. 2 文献标识码 :A 文章编号 :1001-3563(2010 11-0056-03Resea rch on Develop ment of Corn St raw Packaging MaterialZ H A N G X i n 2ai , GUA N R un 2li ng(L uoyang Institute of Science and Technology , L

3、uoyang 471023, China Abstract :The scarf skin of corn straw was utilized as the main raw material , concentration was selected , by means of chemical pretreatment , pulp with relatively high yield was obtained. The -2008. All waste liquor f rom preparation for mechanical be of this research is benef

4、i 2cial to environmental protection , peasants income.Key words :corn pretreatment ; mechanical pulp ; clean production 我国每年秸秆产量达 6. 4亿 t , 其中玉米秸秆 1. 7亿 t 1。 玉米秸秆 42%直接还田或过腹还田 ,30%作 农用燃料 ,8%作工业或其它用途 , 剩余 20%还未被 利用 2。 我国木材资源缺乏 , 农业废弃物秸秆一直是 造纸工业的重要原料 。传统的机械法制浆带来的高 能耗和化学制浆造成的环境污染问题促使造纸工作 者不断尝试新的清洁制浆方法

5、。生物制浆因其环境 友好性而受到关注 , 但生物预处理制浆存在预处理 时间较长 , 酶预处理化学制浆过程中酶催化效率较 低等问题 3, 且商业酶往往无法得到稳定的货源 , 因 此限制了这一具有良好发展前景技术的应用 。蒸汽 爆破制浆技术具有纸浆得率高 、 生产成本低和污染 小等优点 , 目前已有相当数量的生产线在东北 、 华北 等地投入使用 , 但许多厂家生产 、 使用效果不尽如人 意 4。本研究以玉米秸秆为原料 , 采用化学预浸与机械 磨浆相结合的方法 , 生产包装材料 。充分利用化学法纸浆质量好和机械法得率高的优点 , 用相对温和的实 验条件对原料进行化学预处理 , 使得纤维软化 , 以降

6、 低磨浆的能量消耗 , 制浆过程中产生的废液全部循环 回用 , 实现了洁净生产 。1 实验1. 1 原料和试剂玉米秸秆 , 洛阳市洛龙区农田 ; 氢氧化钠 , 分析 纯 , 市售 。1. 2 仪器与设备恒温水浴箱 ,0100 , 精度 ±1 ; 蒸压釜 , 最 高温度 200 , 釜压 01M Pa ; 压滤机 ; 常压盘磨机 ; 造纸机 。1. 3 过程1. 3. 1 秸秆造纸工艺流程利用玉米秸秆制备瓦楞原纸的工艺流程见图 1。65 张新爱等 玉米秸秆包装材料的开发研究 图 1 玉米秸秆制备瓦楞原纸的工艺流程Fig. 1Process flow for preparationof

7、fluting medium f rom corn straw1. 3. 2 主要技术参数玉米秸秆不同部位的化学成分差别很大 。外皮 中木质素 、 纤维素含量高 , 纤维长 、 韧性好 , 是造纸的 好原料 ; 穰和叶子含有较高的糖 、 粗蛋白 、 粗脂肪和淀 粉 , 如用其造纸则会导致浆液粘度增大 , 造成滤纸困难 , 增加成本 , 但它是很好的育畜饲料。 利用玉米秸秆 皮穰分离设备 5, 将玉米秸秆的外皮与穰分离后 , 外皮截成 35cm 备用。 玉米秸秆的化学成分见表 1。 表 1 玉米秸秆外皮及穰的化学成分Tab. 1The chemical composition of scarfs

8、 kin a nd stalk for corn st raw组分 名称 秸秆外皮 木素半纤维素纤维素秸秆穰多糖二糖葡萄糖果糖二氧化硅质量分数 %14. 9423. 5837. 585. 650. 082. 242. 390. 741. 3. 3 化学预处理木质素是原料和纸浆颜色的主要来源 , 对于高白 度的生产用浆 , 必须去除木质素 , 生产包装材料则不 需要进行脱色 压强度 , , 的木质素 6。 理 , 使纤维原料软化 , 从而更易于被磨解分离成纤维。预处理采用稀碱液常温浸泡和加温蒸煮相结合 的方法 。1 常温预浸 。 玉米秸秆经化学预处理与机械磨浆后 , 纤维的初生壁和次生壁的外层被

9、破除 , 纤维吸 水润涨和细纤维化 , 提高了柔软性和可塑性 , 增加了 纤维的比表面积和游离羟基的数量 , 形成纸页时 , 容 易相互紧密交织在一起 , 在氢键作用下 , 能显著增强 纤维结合力 , 提高原纸内结合强度 7。 氢氧化钠有利 于提高成浆的物理强度 8。分别对浸泡用氢氧化钠 的浓度及浸泡时间做了如下实验 。常温 (25下 , 采用固液比 1:6, 分别用浓度为 1. 0%,1. 5%,2. 0%的氢氧化钠浸泡玉米秸秆 。 实验结果表明 :氢氧化钠 浓度为 1%时 , 磨浆困难 , 用 1. 5%,2%浓度浸泡磨浆 效果好 , 但 2%氢氧化钠浸泡纸浆得率低 , 因此确定 浸泡液浓

10、度为 1. 5%。 用浓度为 1. 5%的浸泡液分别 对原料浸泡 0. 5,1. 0,1. 5和 2. 0h , 发现浸泡时间少 于 1. 0h 时 , 磨浆困难 。 为了使浸泡液能充分渗透到 原料中 , 浸泡时间确定为 12h 。2 蒸煮。 原料浸泡后 , 挤出 2/3水分 , 在蒸压釜中蒸煮。 1. 3. 4 。 高浓 3%4%。磨制 , 浆料浓度为 0. 2%。2 结果与讨论2. 1 化学预处理对纸浆得率的影响化学预处理阶段影响纸浆得率的因素主要有浸 渍液浓度 、 蒸煮温度及保温时间等 。根据前期实验情 况 , 对上述 3因素各选取 3个水平 , 按 L 9(33 进行正 交实验 。 因

11、素水平及正交实验结果见表 2。表 2 纸浆得率的正交分析Tab. 2Ort hogonal analysis of t he yield of t he p aper p ulp实验编号浸渍液 浓度 /%蒸煮温度 / 保温时间/min得率/%11(1. 0 1(100 1(30 53. 2212(110 2(45 54. 5313(120 3(60 56. 842(1. 5 1267. 8522367. 0623166. 173(2. 0 1365. 5832164. 8933264. 0K 1164. 5186. 5184. 1K 1为水平因子 K 2200. 9186. 3186. 31的

12、得率之和 K 3194. 3186. 9189. 3极差 R 36. 40. 65. 2因素主 次 ACB最优组合 A 2B 3C 367. 375包装工程 PAC KA GIN G EN GIN EERIN G Vol. 31No. 112010. 06 由极差分析可知 , 因素 A 的极差值最大 , 其次是 C 和 B , 即浸渍液浓度是影响玉米秸秆纸浆得率的主 要因素 , 其次是保温时间和蒸煮温度 , 正交实验结果 显示 :得率最高的预处理条件为 A 2B 1C 2, 通过极差分 析表数据可知较好预处理条件应为 A 2B 3C 3, 这组数 据在正交表中没有出现 , 用 A 2B 3C

13、3条件所得纸浆得 率为 67. 3%。 因此确定 A 2B 1C 2为最佳实验条件 。 2. 2 磨浆方式的选择由于低浓度磨浆主要靠刀片直接对纤维进行冲 击 、 剪切 、 压渍和摩擦 , 纤维均匀性较差 , 因此采用高 浓盘 磨 机 对 预 处 理 过 的 秸 秆 进 行 研 磨 。在 高 浓 (35% 磨浆过程中 , 纤维受到更多的是纤维与纤维之 间的摩擦 、 挤压 、 揉搓 、 扭曲等作用 , 纤维长度被有效 保护下来 。 高浓磨浆后再进行低浓疏解 , 可对高浓磨 浆后的浆料起到一定的匀整作用 , 疏解浆料中的纤维 束 , 降低成品浆中的纤维束含量 。2. 3 预处理废液的循环回用文献研究

14、表明 , 采用软化反应废液循环回用方法 来制备麦草预处理机械浆是完全可行的 6。玉米秸 秆预处理后的废液作为下一轮的浸泡液进行回用 , 抄 造出的瓦楞原纸超过 G B/T 13023-20089规定的一 等品水平 。 定量 (110+4. 0 g/m 2的瓦楞原纸成纸 质量见表 3。表 3结果表明 :化学预处理废液回用于秸秆浸泡表 3 废液循环回用的成纸质量Tab. 3The quality of t he finis hed p aper ma de by recycling waste liquor指标废液循环次数0123468910横向环压指数 /(N m g -1 7. 27. 27.

15、 27. 27. 37. 7. 37. 37. 3纵向裂断长 /km 4. 024. 024. 01024. 4. 034. 124. 104. 10时 , 废液循环从 1时 , ( g/2 7. 3N m/g , 纵向裂断 长为 4. 014. 13。秆对成纸的物理性能影响不大 , 可以回用于秸秆浸泡。 3 效益分析玉米秸秆收购价每吨 110元 , 秸秆外皮占秸秆总 重的 30%, 纸浆得率 67. 8%, 每吨纸原料成本为 110÷0. 3÷0. 678=540. 8元 。因生产用水可循环回用 , 每吨纸耗水量仅为 3t (成纸干燥耗水量及生产损失水量 , 较废纸造纸

16、(60吨水 /吨纸 节水 50余吨 , 节约用水成本 170余元 。 高强瓦楞原纸市场售价在 26003000元 /吨。 按 售价 2600元 /吨 , 每吨玉米秸秆瓦楞原纸成本为 1710元 , 税收按利润 22%计 , 吨纸税后利润为 694元。 玉米 秸秆造纸成本见表 4。表 4 玉米秸秆造纸成本Tab. 4Cost for p apermaking by corn straw项目 原料 水 电 碱 煤 人工 其它 合计 成本/(元 t -15419170220500200701710 玉米秸秆中叶 、 髓 、 苞叶等占秸秆总重的 70%, 如将其加工成饲料 , 每吨秸秆饲料售价 700

17、元 , 加工 成本 400元 , 每吨纸可加工饲料 3. 44t , 可收益 (700 -400-110 ×3. 44=653. 6元 。可见 , 玉米秸秆合理利用后效益可观 。4 结论玉米秸秆采用化学预处理与机械磨浆相结合的 方法 , 可以抄造出超过国家标准 G B/T 13023-2008规定的一等品质量要求的瓦楞原纸 。实验结果表明 :玉米秸秆的最佳预处理条件为浸渍液浓度 1. 5%, 蒸 煮温度 100 , 保温时间 45min 。化学预处理废液 可以循环回用 , 实现了洁净生产 。玉米秸秆瓦楞原纸已研制成功 , 为尽快实现产业 化 , 今后尚需做如下研究 :对废液循环利用作

18、进一步 的探讨 , 找出更为合理经济的工艺 ; 运用现代测试 、 表 征技术对玉米秸秆瓦楞原纸的性能进行更深入研究 , 为玉米秸秆瓦楞原纸规模化生产提供理论依据 。参考文献 :1 韩鲁佳 , 闫巧娟 , 刘向阳 , 等 . 中国农作物秸秆资源及其 利用现状 J.农业工程学报 ,2002,18(3 :87-91. (下转第 113页 85 肖颖喆等 统计过程控制在包装印刷质量管理中的应用研究由 X 控制图可以看出 =0. 0399mm ,3=UCL -CL =0. 0492-0. 0399=0. 0093mm , 因此 , 过程 能力指数为 :C pk = 3 =0. 0093=1. 086再根

19、据过程能力级别 (见表 2 4, 可判定套印的 表 2 过程能力级别Tab. 2Process cap ability levelC pk 值 的范围 级别T u -(或 -T l 处理原则C pk 1. 671级 5过程能力过高 , 需考虑降低成本1. 33 C pk<1. 672级 45过程能力充分1. 0 C pk <1. 33 3级 34过程能力尚可 , 但接近 1. 0时需注意0. 67 C pk <1. 0 4级 23过程能力不足 , 需采取措施C pk <0. 675级 <2 过程能力严重不足 , 需采取 紧急措施 , 进行品 质 改 善 , 并研讨

20、规格过程能力尚可 , 但由于 C , , 在 , 特别要加强对 套印精度的控制 , 。6 作控制用控制图 , 监控过程 。由于过程处于稳定受控状态 , 因此 , 可适当增大 抽样间隔 , 在过程中取样 , 每抽取一个样本后 , 计算该 样本的均值和极差 , 在 R 控制图上打点 。根据控 制图判异准则对过程状态进行判断 , 一旦发现过程处 于统计失控状态 , 要针对异常数据点 , 查明原因并采 取措施加以消除 , 使之不再发生 。7 修正控制图 。如 :设备检修或关键零部件更换 ; 质量发生明显 改进 , 原控制界限显得太宽 , 己失去控制作用 。事实上由于过程性能的改进或故障等原因 , 应周 期性地 (例如每个月 对控制图参数进行修正 , 以便更 有效地对过程进行控制 。4 结论控制图是统计过程控制 (SPC 方法的核心工具 , 利用最常用的均值 -极差 (R 控制图对包装印刷 工序中的质量特性值 套印精度 , 进行了分析与监 控 。 对于套印精度来说 , 利用 R 控制图分析得出 过程处于统计控制状态 , 说明在此次实验中套印波动 仅受随机性因素 (设备精度 、 续送 、 传送误差等 的影 响 , 考虑到改善的成本 , 应重点避免异常波动对套印 精度的影响 。, 还为品质