一种可降解海绵制品的生产工艺及装置
阅读说明：本技术 一种可降解海绵制品的生产工艺及装置 (Production process and device of degradable sponge product ) 是由 董政琦 董成勇 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可降解海绵制品的生产工艺及装置,将木粕、竹粕、农林三剩物为初始原料,经过预处理、溶解、成孔、成型、冰点老化、硫酸凝固浴中再生,冲洗至中性烘干制成海绵制品,所述成孔包括加入助剂、成孔剂高速搅拌下混合后进行成孔。成型装置为三面顶成型装置,包括容纳空间中设有分别与支板活动相接的限位块一,与盖板活动相接的限位块二,所述限位块一、限位块二、与两个限位块二垂直相接的两个支板相互匹配构成容纳待成型海绵的容纳腔。本发明的工艺及装置,降低反应过程中限制溶出半纤维素,提供低成本的生产海绵的工艺,海绵的内部与表面成孔大小和密度均匀一致,性能稳定的海绵制品,且生产成本低,对环境无污染。(The invention discloses a production process and a device of a degradable sponge product, which take three residues of wood meal, bamboo meal and agriculture and forestry as initial raw materials, and prepare the sponge product by pretreatment, dissolution, pore-forming, molding, freezing point aging and regeneration in a sulfuric acid coagulation bath, washing to be neutral and drying, wherein the pore-forming comprises adding an auxiliary agent and a pore-forming agent, mixing at a high speed and forming pores. The forming device is a three-surface top forming device and comprises a first limiting block and a second limiting block, wherein the first limiting block is movably connected with the supporting plates, the second limiting block is movably connected with the cover plate, and the first limiting block, the second limiting block and the two supporting plates which are vertically connected with the second limiting block are mutually matched to form a containing cavity for containing the sponge to be formed. The process and the device provided by the invention reduce the limit of dissolving out hemicellulose in the reaction process, provide a low-cost process for producing the sponge, ensure that the sizes and densities of the pores formed in the sponge and the surface of the sponge are uniform and consistent, and ensure stable performance of the sponge product, and have the advantages of low production cost and no pollution to the environment.)
技术领域
本发明涉及海绵生产加工技术领域，具体涉及一种可降解海绵制品的生产工艺及装置。
背景技术
海绵是发泡体的总称，根据所用的材料不同，可以生成多种性能不同的海绵产品。传统的海绵制品主要是采用聚氨酯和类似材料经发泡制成的合成树脂海绵，海绵的化学名称是聚氨酯发泡材料，它分软泡(用于家具上)和硬泡(用于保温)两种。
PVA胶棉，特别能吸水的一种胶棉，可以自动把水蒸发掉，太阳暴晒后容易折断。
海绵、胶棉都是采用高分子化学材料制成的，因此就产品本身而言具有一定的环境污染性，无法再生，许多海绵产品都跟人体皮肤接触，容易造成对人体皮肤的刺激，这些海绵产品经长时间使用后，容易变质、变硬，降低其使用寿命；更糟糕的是使用后难处理,造成严重污染,且由于上述特性，因而限制了它们的使用范围,特别是欧美地区。
《利用植物纤维制备可降解海绵的研究》公开了纤维素制作纤维素海绵的方法，但此工艺中凝固浴溶液中的硫脲和硫酸钠虽然可进行回收，但硫脲和硫酸钠的回收成本高，同时硫脲和硫酸钠的凝固浴产生的硫化物气体污染环境，目前还未找到低成本的制备方式。
专利申请号CN201810244585.X，一种环保可降解清洁海绵及其制备工艺，提供了一种制备可降解海绵的方法，但该专利中的魔芋原料成本高，而制备过程中的氢氧化钠等含量高，成本高。
专利申请号CN201510318183.6，一种木浆海绵的制作方法，该专利公开了木浆制备海绵的方法，但没有解决纤维素溶液中，纤维素中含有较多的半纤维素，造成成孔孔隙和密度不均，使海绵的柔软性和吸水性不一致。
本发明要解决的技术问题是降低纤维素的降解，限制溶出半纤维素，同时提供一种低成本对环境无污染的生产海绵的工艺。
目前在成型装置中加入铁件和塑胶件一般在成型的上升方向，而成型的方向比较单一，只向一个方向，造成多种搭配铁件和塑胶件的搭配安装方式有限，另外单面的施压造成海绵体出气方向的单一和受力方向单一，造成孔隙大小和密度不均，质量不高。继续一种海绵成型装置解决该技术问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种可降解海绵制品的生产工艺及装置，降低反应过程中纤维素的降解，限制溶出半纤维素，同时提供一种低成本对环境低污染的生产海绵的工艺，海绵的内部与表面成孔大小和密度均匀一致，抗伸强度等力学性能良好，性能稳定的海绵制品；生产成本低，且对环境污染低。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种可降解海绵制品的生产工艺，将木粕、竹粕、农林三剩物作为初始原料，经过预处理、溶解、成孔、成型、冰点老化、硫酸凝固浴中再生，冲洗至中性烘干制成90—95％重量百分比的纤维素海绵制品，所述成孔包括加入助剂、成孔剂高速搅拌下混合后进行成孔。
进一步的，预处理包括将木粕、竹粕、农林三剩物为初始原料经削片、筛选、洗涤后装锅；在150-170℃下汽预水解50-60min，在预水解结束后排气降温至140-160℃保温10-20min。
进一步的，所述溶解分为三个阶段，第一阶段在预处理结束后-5～-12℃保温并循环约50-60分钟(维持黑液残碱4～12g/l)；第二阶段：第一阶段结束后泵入40～50立方米的浓黑液进行置换稀黑液，并进行3～8℃低温循环处理；进行实时检测半纤维素含量，达标并终止溶解；第三阶段：将溶出的半纤维素及抽提物送往黑液槽泵入置换黑液，将溶出的半纤维素及抽提物送往收集槽。
进一步的，黑液为NaOH/硫脲溶液，黑液的浓度在2°Be′以上，浓度在5°Be′以上称为浓黑液，在2～5°Be′的称为稀黑液。
进一步的，所述成孔包括在所述溶解后的物料加入助剂和成孔剂，并在高速搅拌静放30—60min，形成混合料；所述助剂包括环氧树脂复合乳液，所述环氧树脂复合乳液为环氧树脂乳液与环氧树脂-纳米蒙脱土的包覆乳液的均匀混合乳液，所述环氧树脂复合乳液中环氧树脂与环氧树脂乳液的体积比为1:6～1:4；所述成孔剂为碱金属或碱土金属的无机酸盐成孔剂，所加入的量为助剂的10—20％重量百分比。
进一步的，所述成孔剂为Na2SO4。助剂加入量少，可以促使助剂分散均匀，从而成孔均匀，另外可以缩短老化时间，提高成孔效率。
进一步的，所述成型包括将成孔工艺后的物料，在压力的挤压下通过弯曲设置的管道送入成型装置中实施成型，静放5—7小时后得所述的海绵混合物。
进一步的，所述成型装置为多面顶成型装置。
进一步的，所述多面顶成形装置为三面顶成型装置，所述三面顶成型装置包括支撑架、设于支撑架上的工作台、设于工作台两端的支板，与支板分别垂直的支板二，支板和支板二上设有上的压盖，其特征在于，进料口设于工作台底部，由工作台、支板、支板二和压盖所构成的容纳空间中设有分别与支板活动相接的限位块一，与盖板活动相接的限位块二，所述限位块一、限位块二、与两个限位块二垂直相接的两个支板相互匹配构成容纳待成型海绵的容纳腔。
进一步的，所述压盖上设有驱动限位块二平行于工作台上下移动的的液压缸，所述支板上分别设有驱动限位块一沿工作台长度方向移动的气缸，分别驱动两个限位块一移动。
进一步的，所述限位块一设有向支板和盖板凹入的圆弧凹面，所述限位块一凹面构成的空腔用于容纳海绵混合物。
本发明的有益效果：
1、本发明助剂低反应过程中纤维素的降解，限制溶出半纤维素，使海绵混合物在硫酸凝固浴中再生时降低了硫酸的使用浓度，降低了硫酸回收处理的成本，减少了硫酸使用量，降低了对环境的损害。
2、本发明的助剂可以缩短老化时间，提高成孔效率，常规老化为低于成孔剂融化的温度下老化10-100H,而本发明添加助剂后，只需老化1-3H，即可再生得到海绵制品。
3、本发明中对原料进行高温汽水解，使原料中的纤维素可在低温下很好的溶解在NaOH溶液中，同时溶解过程用稀黑液和浓黑液进行置换，维持黑液浓度，有效降低杂质尘埃和灰铁含量，提高了浆料的纯度和提高纤维素含量，从而降低化学品消耗、改善溶解浆反应性能；另外限制纤维素的降解，由于纤维素的降解导致纤维和半纤维的无定形区破坏，在再生过程中容易造成孔隙度不均和孔隙大小不一致，即海绵松软性不一致；原料处理后的溶出物仍残留于木片内外表面，需要通过后续中和与热充才能置换出来。如果加入量不够或置换时间不足，则溶出物无法有效置换出去，会进入到下一环节，反过来又会纤维素的降解成半纤维素，导致成孔的孔隙大小和密度不均，影响海绵品质。
4、本发明中三面顶成型装置解决了现有技术中成型方向单一的现状(常规只向一个方向开口)，造成多种搭配铁件和塑胶件的搭配安装方式有限，限制了成型海绵的样式，只能对成型后的海绵进行再加工，而本发明可以在成型过程中通过多维度搭配搭配铁件和塑胶件，可以在成型时一步到位，无需进行再加工。另外单面的施压造成海绵体出气方向的单一和受力方向单一，造成孔隙大小和密度不均，影响海绵品质。
5、本发明中进料孔设置于工作台底部，常规的设于两侧和顶部避免了设置于底部，而本申请中进料孔的设置，有助于待成型的海绵中孔隙的气体从多面排出，出气均匀，海绵的延展性有多面，保证了海绵的品质。
6、本发明木粕、竹粕、农林三剩物作为加工对象，可降解海绵的拉伸强度达到9.0kgf；在阴干状态下，海绵的密度达到28g/dm3；保湿状态下海绵密度达到100g/dm3；标准海绵总质量达到60-80公斤每立方米。
附图说明
图1为本发明用于成型的三面顶成型装置；
图2为本发明限位块一的主视图；
图3为本发明限位块一的左视图；
图4为本发明限位块一的右视图；
图5为本发明实施例3的海绵制品外观图；
图6-9为本发明SGS检测无毒害证明报告的节选。
图中所述文字标注表示为：1、工作台，2、支撑架，3、伸缩液压缸，4、限位块一，5、限位块2，6、压盖，7、支板，8、进料孔。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
一种可降解海绵制品的生产工艺，将木粕、竹粕、农林三剩物作为初始原料，其中竹粕占50％以上，经过预处理、溶解、成孔、成型、冰点老化、硫酸凝固浴中再生，冲洗至中性烘干制成90％重量百分比的纤维素海绵制品，所述成孔包括加入助剂、成孔剂高速搅拌下混合后进行成孔。
预处理包括将木粕、竹粕、农林三剩物为初始原料经削片、筛选、洗涤后装锅；在170℃下汽预水解50min，在预水解结束后排气降温至140℃保温20min。所述溶解分为三个阶段，第一阶段在预处理结束后-5℃保温并循环约50分钟(维持黑液残碱4g/l)；第二阶段：第一阶段结束后泵入40立方米的浓黑液进行置换稀黑液，并进行3℃低温循环处理；进行实时检测半纤维素含量，达标并终止溶解；第三阶段：将溶出的半纤维素及抽提物送往黑液槽泵入置换黑液，将溶出的半纤维素及抽提物送往收集槽。黑液为NaOH/硫脲溶液，黑液的浓度在2°Be′，浓度在5°Be′称为浓黑液，在2～5°Be′的称为稀黑液。所述成孔包括在所述溶解后的物料加入助剂和成孔剂，并在高速搅拌静放30min，形成混合料；所述助剂包括环氧树脂复合乳液，所述环氧树脂复合乳液为环氧树脂乳液与环氧树脂-纳米蒙脱土的包覆乳液的均匀混合乳液，所述环氧树脂复合乳液中环氧树脂与环氧树脂乳液的体积比为1:6；所述成孔剂为碱金属或碱土金属的无机酸盐成孔剂，所加入的量为助剂的10％重量百分比。所述成孔剂为Na2SO4。助剂加入量少，但可以促使成孔剂分散均匀，从而成孔均匀，另外可以缩短老化时间，提高成孔效率。所述成型包括将成孔工艺后的物料，在压力的挤压下通过弯曲设置的管道送入成型装置中实施成型，静放5小时后得所述的海绵混合物；所述成型装置为多面顶成型装置。老化3h，硫酸凝固浴中硫酸溶液的浓度为2.9wt％。
所述多面顶成形装置为三面顶成型装置，所述三面顶成型装置包括支撑架、设于支撑架上的工作台、设于工作台两端的支板，与支板分别垂直的支板二，支板和支板二上设有上的压盖，其特征在于，进料口设于工作台底部，由工作台、支板、支板二和压盖所构成的容纳空间中设有分别与支板活动相接的限位块一，与盖板活动相接的限位块二，所述限位块一、限位块二、与两个限位块二垂直相接的两个支板相互匹配构成容纳待成型海绵的容纳腔。所述压盖上设有驱动限位块二平行于工作台上下移动的的液压缸，所述支板上分别设有驱动限位块一沿工作台长度方向移动的气缸，分别驱动两个限位块一移动。所述限位块一设有向支板和盖板凹入的圆弧凹面，所述限位块一凹面构成的空腔用于容纳海绵混合物。
本发明常规生产工艺耗时12.5小时，海绵质量均匀，拉伸强度达到12.0kgf；在阴干状态下，海绵的密度达到30g/dm3；保湿状态下海绵密度达到115g/dm3；标准海绵总质量达到78公斤每立方米。
实施例2
一种可降解海绵制品的生产工艺，将木粕、竹粕、农林三剩物作为初始原料，经过预处理、溶解、成孔、成型、冰点老化、硫酸凝固浴中再生，冲洗至中性烘干制成95％重量百分比的纤维素海绵制品，所述成孔包括加入助剂、成孔剂高速搅拌下混合后进行成孔。预处理包括将木粕、竹粕、农林三剩物为初始原料经削片、筛选、洗涤后装锅；在150℃下汽预水解60min，在预水解结束后排气降温至160℃保温10min。
所述溶解分为三个阶段，第一阶段在预处理结束后-12℃保温并循环约60分钟(维持黑液残碱12g/l)；第二阶段：第一阶段结束后泵入60立方米的浓黑液进行置换稀黑液，并进行8℃低温循环处理；进行实时检测半纤维素含量，达标并终止溶解；第三阶段：将溶出的半纤维素及抽提物送往黑液槽泵入置换黑液，将溶出的半纤维素及抽提物送往收集槽。黑液为NaOH/硫脲溶液，黑液的浓度在2°Be′以上，浓度在5°Be′以上称为浓黑液，在2～5°Be′的称为稀黑液。所述成孔包括在所述溶解后的物料加入助剂和成孔剂，并在高速搅拌静放30min，形成混合料；所述助剂包括环氧树脂复合乳液，所述环氧树脂复合乳液为环氧树脂乳液与环氧树脂-纳米蒙脱土的包覆乳液的均匀混合乳液，所述环氧树脂复合乳液中环氧树脂与环氧树脂乳液的体积比为1:4；所述成孔剂为碱金属或碱土金属的无机酸盐成孔剂，所加入的量为助剂的20％重量百分比。所述成孔剂为Na2SO4。助剂加入量少，可以促使助剂分散均匀，从而成孔均匀，另外可以缩短老化时间，提高成孔效率。所述成型包括将成孔后的物料，在压力的挤压下通过弯曲设置的管道送入成型装置中实施成型，静放7小时后得所述的海绵混合物；所述成型装置为多面顶成型装置。老化1H，硫酸凝固浴中硫酸溶液的浓度为1.8wt％。
所述装置包括多面顶成型装置。所述多面顶成形装置为三面顶成型装置，所述三面顶成型装置包括支撑架、设于支撑架上的工作台、设于工作台两端的支板，与支板分别垂直的支板二，支板和支板二上设有上的压盖，其特征在于，进料口设于工作台底部，由工作台、支板、支板二和压盖所构成的容纳空间中设有分别与支板活动相接的限位块一，与盖板活动相接的限位块二，所述限位块一、限位块二、与两个限位块二垂直相接的两个支板相互匹配构成容纳待成型海绵的容纳腔。所述压盖上设有驱动限位块二平行于工作台上下移动的的液压缸，所述支板上分别设有驱动限位块一沿工作台长度方向移动的气缸，分别驱动两个限位块一移动。所述限位块一设有向支板和盖板凹入的圆弧凹面，所述限位块一凹面构成的空腔用于容纳海绵混合物。
本发明常规生产工艺耗时14小时，海绵质量均匀，拉伸强度达到11.0kgf；在阴干状态下，海绵的密度达到32g/dm3；保湿状态下海绵密度达到114g/dm3；标准海绵总质量达到79公斤每立方米。
实施例3
一种可降解海绵制品的生产工艺，将木粕、竹粕、农林三剩物作为初始原料，经过预处理、溶解、成孔、成型、冰点老化、硫酸凝固浴中再生，冲洗至中性烘干制成93％重量百分比的纤维素海绵制品，所述成孔包括加入助剂、成孔剂高速搅拌下混合后进行成孔。预处理包括将木粕、竹粕、农林三剩物为初始原料经削片、筛选、洗涤后装锅；在160℃下汽预水解55min，在预水解结束后排气降温至150℃保温15min。所述溶解分为三个阶段，第一阶段在预处理结束后-8℃保温并循环约55分钟(维持黑液残碱6g/l)；第二阶段：第一阶段结束后泵入450立方米的浓黑液进行置换稀黑液，并进行7℃低温循环处理；进行实时检测半纤维素含量，达标并终止溶解；第三阶段：将溶出的半纤维素及抽提物送往黑液槽泵入置换黑液，将溶出的半纤维素及抽提物送往收集槽。黑液为NaOH/硫脲溶液，黑液的浓度在2°Be′以上，浓度在5°Be′以上称为浓黑液，在2～5°Be′的称为稀黑液。所述成孔包括在所述溶解后的物料加入助剂和成孔剂，并在高速搅拌静放42min，形成混合料；所述助剂包括环氧树脂复合乳液，所述环氧树脂复合乳液为环氧树脂乳液与环氧树脂-纳米蒙脱土的包覆乳液的均匀混合乳液，所述环氧树脂复合乳液中环氧树脂与环氧树脂乳液的体积比为1:4.6；所述成孔剂为碱金属或碱土金属的无机酸盐成孔剂，所加入的量为助剂的15％重量百分比。所述成孔剂Na2SO4。助剂加入量少，可以促使助剂分散均匀，从而成孔均匀，另外可以缩短老化时间，提高成孔效率。所述成型包括将成孔后的物料，在压力的挤压下通过弯曲设置的管道送入成型装置中实施成型，静放5.5小时后得所述的海绵混合物；所述成型装置为多面顶成型装置。老化1.3H，硫酸凝固浴中硫酸溶液的浓度为1.76wt％。
本发明常规生产工艺耗时13.8小时，海绵质量均匀，拉伸强度达到10.8kgf；在阴干状态下，海绵的密度达到31.4g/dm3；保湿状态下海绵密度达到112g/dm3；标准海绵总质量达到77斤每立方米。
对比例1
本对比例中没有添加助剂，其他同实施例3，老化耗时12H；生产工艺耗时24.5小时，海绵孔隙大小密度较实施例3成品较差，不均匀。
本对比例中，拉伸强度达到9.8kgf；在阴干状态下，海绵的密度达到28.4g/dm3；保湿状态下海绵密度达到92g/dm3；标准海绵总质量达到60斤每立方米。
对比例2
本对比例中溶解工艺中直接添加浓黑液进行溶解，没有维持黑液的浓度，其他同实施例3，老化耗时2H(老化达标才能进行下一步骤)；生产工艺耗时14.5小时，海绵孔隙大小密度较实施例3成品较差，不均匀。
本对比例中，拉伸强度达到7.8kgf；在阴干状态下，海绵的密度达到27g/dm3；保湿状态下海绵密度达到86g/dm3；标准海绵总质量达到55斤每立方米。
另外，在本对比例的基础上，用硫酸凝固浴中硫酸溶液的浓度为8.6wt％，再生效果较好，再生时间更短。
对比例3
本对比例中溶解工艺中直接添加浓黑液进行溶解，没有维持黑液的浓度，硫酸凝固浴中硫酸溶液的浓度为4.85wt％。其他同实施例3，老化耗时2H(老化达标才能进行下一步骤)；生产工艺耗时14.5小时，海绵品质不均匀，较实施例3差，较对比例2更好。
本对比例中，拉伸强度达到8.5kgf；在阴干状态下，海绵的密度达到26g/dm3；保湿状态下海绵密度达到88g/dm3；标准海绵总质量达到56斤每立方米。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。