CN102268847A

CN102268847A - 无醛植物纤维包装材料的制造方法

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Publication number: CN102268847A
Application number: CN2011102010146A
Authority: CN
Inventors: 周晓燕; 张伟东; 吕城龙; 勇强; 周定国; 罗海力; 梅长彤; 潘明珠; 徐勇; 唐苾君; 刘学源; 洪枢; 李胜楠; 李俊
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2011-12-07

Abstract

本发明是无醛植物纤维包装材料的制造方法，属于木质复合材料制造技术领域。其工艺是先将植物纤维原料加工成一定尺寸的单元，将之与绝干重量占绝干植物纤维单元重量30～50％的酶解木素均匀混合。再将混合料放入蒸汽爆破处理器中，在蒸汽压力为0.8～1.3MPa，处理时间为3～10min的条件下爆破解离成纤维束，再经常温磨机精磨处理1～3min后分离成纤维，干燥至含水率10～20％，然后铺装成型。在温度为190～210℃，压力为4.0～5.0MPa，时间为30～50s/mm的条件下，热压制成密度为0.9～1.2g/cm³，厚度为2～4mm的板材。这种材料不含游离甲醛和任何化学药剂，可广泛用于食品包装行业。

Description

无醛植物纤维包装材料的制造方法

技术领域

本发明涉及一种以植物纤维和纤维素燃料乙醇加工剩余物酶解木质素为原料，制造不含游离甲醛的食品包装材料的方法。属于木质复合材料制造技术领域。

背景技术

目前，市场上的食品包装材料种类繁多，包括纸、竹、木、金属、搪瓷、陶瓷、塑料、橡胶、天然纤维、化学纤维、玻璃等制品。而其中以天然植物纤维(包括木材、竹材和农作物秸秆等)为原料制成的制品以其资源的可再生性和产品的可降解性而倍受关注。以植物纤维为原料，合成树脂胶为胶粘剂制成的超薄型植物纤维复合材料在食品包装已得到广泛应用，如茶叶、月饼、糕点等包装盒。然而，由于目前市场上的植物纤维复合材料几乎都是用脲醛树脂胶制成的，不可避免地存在着游离甲醛的释放问题。尽管制造企业采用了各种方法尽可能降低脲醛树脂胶的游离甲醛含量，然而，由于甲醛释放是一个长期、缓慢和反复的过程，随着植物纤维复合材料使用时间的延长，板材中胶粘剂老化降解，产生的甲醛会源源不断地向外界释放。如何从根本上解决植物纤维复合材料的游离甲醛释放问题，保证食品包装的安全性，已成为该领域的一个热点研究课题。

要从本质上解决植物纤维复合材料的游离甲醛释放的技术难题只有两条途径：一是采用不含甲醛的胶粘剂(如异氰酸酯胶粘剂、蛋白胶等)，二是不使用胶粘剂。植物纤维原料本身富含胶粘性物质，可在特定条件下经化学转换生成不溶不熔的聚合物，起到良好的胶合作用，实现植物纤维的“自胶结”。

植物纤维是天然高分子有机体，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。其中，纤维素是植物纤维细胞壁的骨架物质，木质素是细胞壁结壳物质，是纤维与纤维之间的粘结物质，而半纤维素则在纤维素和木质素之间起着耦合剂的作用。实践证明，当植物纤维细胞胞间层的木质素逐渐被熔出时，植物纤维的强度随之下降，并且稍受外力，纤维则相互分离。可见，木质素与碳水化合物(纤维素和半纤维素)之间的粘结作用是植物纤维与生俱来的。如果能利用这种植物纤维自身的胶粘物质在特定条件下实现分离纤维的重组自胶合，则可从根本上解决以脲醛树脂为胶粘剂制成的植物纤维复合材料的游离甲醛释放问题。

近年来，作为能源支柱的化石能源(如石油、煤炭和天然气等)的不可再生性，以及使用过程所带来的环境恶化效应，迫使人们不得不重新审视和调整长期以来实行的化石能源发展战略。可再生的生物质能源成为人类社会21世纪能源研究发展的热点。许多科研人员正致力于开发利用纤维素制取生物燃料乙醇的技术，并已取得了一定的进展。该项技术是以植物纤维原料(如木材、农作物秸秆等)为原料，利用微生物、酶催化等生物技术使植物纤维原料中的多糖(纤维素和半纤维素)转化成生物燃料乙醇。据相关资料表明，6吨秸秆可以制得1吨生物燃料乙醇，但同时还会产生1吨残渣。残渣中除了含有少量未经酶解的植物纤维原料和其他杂质之外，其余大部分为没有被降解的木质素，称为酶解木质素。目前，对酶解木质素的处理仅是作为燃料烧掉，利用价值很低，造成了资源浪费。迫切需要开发酶解木质素规模化工业应用技术，以期获得较高的附加值，从而可使利用纤维素制取生物燃料乙醇技术的工业化推广应用获得较高的经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种不含游离甲醛的植物纤维包装材料的制造方法，即以植物纤维(包括木纤维和各类秸秆纤维等)和纤维素燃料乙醇加工剩余物酶解木质素为原料，经粉碎、均混、蒸汽爆破、精磨、干燥、铺装和热压等工序制造不含合成树脂胶粘剂和任何化学药剂的植物纤维复合材料。这种材料不含游离甲醛和其他任何化学药剂，可广泛用于食品包装行业。

本发明的技术解决方案：该方法的工艺步骤依次分为，

(1)植物纤维单元制备：将植物纤维原料粉碎成长度为15～50mm，宽度为5～10mm，厚度1～3mm的单元，并将其含水率控制在70～80％之间。

(2)酶解木质素粉碎：将纤维素燃料乙醇加工剩余物酶解木质素粉碎成60～80目的颗粒，含水率控制在10～15％之间。

(3)植物纤维单元与酶解木质素均混：将绝干重量占绝干植物纤维单元重量30～50％的酶解木质素与植物纤维单元置于搅拌机中均匀混合。

(4)蒸汽爆破解离纤维：将混合料放入蒸汽爆破处理器中，通入蒸汽进行预处理，蒸汽压力为0.8～1.3MPa，处理时间为3～10min。然后突然打开阀门排料，使植物纤维单元解离成纤维束。在此过程中，水蒸汽通过扩散作用渗透至植物纤维细胞壁内，冷凝成液态水。同时，在蒸汽的作用下，植物纤维细胞胞间层的木质素被软化和降解，纤维间结合力变弱。当预处理结束，骤然减压时，细胞壁内的冷凝水瞬间蒸发，水蒸汽迅速膨胀对细胞壁形成剪切作用，使得植物纤维单元被解离成纤维束，细胞胞间层的木质素被熔出爆碎覆盖于纤维束表面。同时，外加的酶解木质素在蒸汽的作用下软化，并发生降解而得到活化，在爆破过程中被爆碎附着于纤维束表面。

(5)精磨：将爆破后的纤维束置于常温磨机中进行精磨处理，处理时间1～3min。精磨处理可使纤维束进一步解离成纤维，并使熔出的木质素和外加的酶解木质素在纤维表面均匀分散。

(6)铺装：精磨后的纤维经干燥至含水率为10～20％，然后铺装成型，经预压后获得板坯。

(7)热压：将板坯置于热压机中，在高温高压下通过纤维表面木质素的缩合及其与碳水化合物的缩聚作用和纤维间的氢键作用等将纤维粘结在一起制成板材。制品密度为0.9～1.2g/cm³，厚度为2～4mm，热压温度为190～210℃，热压压力为4.0～5.0MPa，热压时间为30～50s/mm。

本发明的优点：以植物纤维和酶解木质素为原料，通过蒸汽爆破，使植物纤维解离成纤维，同时使植物纤维中的木质素分离活化和酶解木质素降解活化，再在温度、压力和水分作用下利用这些胶粘性物质的自然转换，不添加合成树脂胶粘剂及任何化学助剂，实现植物纤维的自胶合，使产品在生产和使用过程中都不存在游离甲醛释放问题，成为真正的绿色环保产品；在原料中添加酶解木质素，通过蒸汽爆破和精磨处理，使其降解活化并均匀地分散在植物纤维表面，可显著提高板材的内结合强度，弥补了仅依靠植物纤维自身木质素的粘结作用获得的板材内结合强度达不到我国中密度纤维标准要求的不足。同时，也为酶解木质素的工业化利用开辟了一条崭新的途径。

具体实施方式

实施例1：

以速生杨木为原料，将其加工成长度为20mm，宽度为10mm，厚度为3mm的木片，含水率控制在80％。酶解木质素粉碎成60目的颗粒，含水率控制在10％。将绝干重量占绝干杨木木片重量30％的酶解木质素与杨木木片置于搅拌机中均匀混合。将混合料放入蒸汽爆破处理器中，通入蒸汽进行预处理，蒸汽压力为1.3MPa，处理时间为10min。然后突然打开阀门排料，使杨木木片解离成纤维束。将爆破后的纤维束至于常温磨机中进行精磨处理，处理时间为3min。精磨后的纤维经干燥至含水率为10％，然后铺装成型，经预压后获得板坯。将板坯置于热压机中，在热压温度为190℃，热压压力为4.0MPa，热压时间为30s/mm的条件下制成密度为0.9g/cm3，厚度为4mm的板材。经检测，其静曲强度为26.3MPa，内结合强度为0.58MPa，吸水厚度膨胀率为31.6％。

实施例2：

以棉秆为原料，将其加工成长度为30mm，宽度为5mm，厚度为2mm的单元，含水率控制在80％。酶解木质素粉碎成70目的颗粒，含水率控制在12％。将绝干重量占绝干棉秆单元重量40％的酶解木质素与棉秆单元置于搅拌机中均匀混合。将混合料放入蒸汽爆破处理器中，通入蒸汽进行预处理，蒸汽压力为1.1MPa，处理时间为7min。然后突然打开阀门排料，使棉秆解离成纤维束。将爆破后的纤维束至于常温磨机中进行精磨处理，处理时间为2min。精磨后的纤维经干燥至含水率为15％，然后铺装成型，经预压后获得板坯。将板坯置于热压机中，在热压温度为200℃，热压压力为4.5MPa，热压时间为40s/mm的条件下制成密度为1.0g/cm³，厚度为3mm的板材。经检测，其静曲强度为27.8MPa，内结合强度为0.64MPa，吸水厚度膨胀率为28.2％。

实施例3：

以稻草为原料，将其加工成长度为50mm，宽度为5mm，厚度为1mm的单元，含水率控制在80％。酶解木质素粉碎成80目的颗粒，含水率控制在15％。将绝干重量占绝干杨木木片重量50％的酶解木质素与稻草单元置于搅拌机中均匀混合。将混合料放入蒸汽爆破处理器中，通入蒸汽进行预处理，蒸汽压力为0.8MPa，处理时间为3min。然后突然打开阀门排料，使稻草解离成纤维束。将爆破后的纤维束至于常温磨机中进行精磨处理，处理时间为1min。精磨后的纤维经干燥至含水率为20％，然后铺装成型，经预压后获得板坯。将板坯置于热压机中，在热压温度为210℃，热压压力为5.0MPa，热压时间为50s/mm的条件下制成密度为1.2g/cm³，厚度为2mm的板材。经检测，其静曲强度为27.5MPa，内结合强度为0.66MPa，吸水厚度膨胀率为24.3％。

Claims

1.无醛植物纤维包装材料的制造方法，其特征是该方法的工艺步骤依次分为，

(1)植物纤维单元制备：将植物纤维原料粉碎成长度为15～50mm，宽度为5～10mm，厚度1～3mm的单元，并将其含水率控制在70～80％之间；

(2)酶解木质素粉碎：将酶解木质素粉碎成60～80目的颗粒，含水率控制在10～15％之间；

(3)植物纤维单元与酶解木质素均混：将绝干重量占绝干植物纤维单元重量30～50％的酶解木素与植物纤维单元置于搅拌机中均匀混合；

(4)蒸汽爆破解离纤维：将混合料放入蒸汽爆破处理器中，通入蒸汽进行预处理，蒸汽压力为0.8～1.3MPa，处理时间为3～10min，然后突然打开阀门排料，使植物纤维单元解离成纤维束；

(5)精磨：将爆破后的纤维束置于常温磨机中进行精磨处理，处理时间1～3min；

(6)铺装：精磨后的纤维经干燥至含水率为10～20％，然后铺装成型，经预压后获得板坯；

(7)热压：在热压温度为190～210℃，热压压力为4.0～5.0MPa，热压时间为30～50s/mm的条件下，将板坯制成密度为0.9～1.2g/cm³，厚度为2～4mm的板材。