CN106046824A - 植物纤维制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及植物纤维制品及其制备方法。本发明一方面涉及一种植物纤维制品，由包括以下组分的原料制成：(a)魔芋粉胶粘剂；(b)植物纤维粉末，植物纤维粉末包括竹叶。本发明还涉及制备植物纤维制品的方法，包括以下步骤：(i)装料步骤：将包含原料和水的混合物浆料装入模具；(ii)热压成型步骤：将混合物浆料热压成型。本发明的植物纤维制品具有优异的强度的同时，还具有优异的韧性，外观晶莹亮丽。

Description

植物纤维制品及其制备方法
技术领域
本发明涉及植物纤维制品及其制备方法，特别是涉及植物纤维餐具及其制备方法。
背景技术
随着人们生活节奏的加块，环保意识的提高，加之政府对“白色污染”治理力度的加大，新型的可降解环保餐具受到社会的观注。目前开发和研究的一次性可降解餐具，主要有可降解塑料餐具、纸质餐具、植物餐具和淀粉餐具。市场上使用得较为普遍的是可降解塑料餐具和纸餐具，这两种餐具实际上并不环保，可降解塑料只是降解为较小的碎片，无法进一步降解。纸质餐具的纸来源于森林，造纸本身就是一种污染。
CN100506124C公开了一种节能环保型降解一次性淀粉餐具，由谷物淀粉、植物纤维、单甘酯、硬脂酸和明矾组成，其中植物纤维为稻子秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆。CN100506124C可以实现完全降解，但CN100506124C采用谷物淀粉，需要消耗粮食，且成本较高。
CN102528881A涉及植物纤维餐具及其制备方法。该专利申请的植物纤维餐具由竹纤维粉、玉米淀粉、脲醛树脂粉和谷糠制成。其制备方法包括以下步骤：将原料混合均匀后热压成型，得到植物纤维壳体；原料竹纤维粉、玉米淀粉、脲醛树脂粉和谷糠；对所述植物纤维壳体的表面进行打磨处理；在打磨后的植物纤维壳体表面喷涂或浸涂水性漆料后烘干，得到植物纤维餐具。但CN102528881A的植物纤维餐具含有脲醛树脂，容易含有甲醛等有毒物质。而且采用的玉米淀粉粘接剂仍然要消耗粮食。
CN1321701A公开了以魔宇为主要原料制成的一次性使用用品。CN1321701A用魔芋全粉、植物纤维碎料、薯类全粉、黄原胶、氢氧化钙为原料，经糊化、静置、搅拌、注模，熟化、冷冻、烘干后制得成品。CN1321701A制备的一次性使用用品的工艺复杂，需要糊化、熟化和冷冻等步骤，而且需要薯类全粉，消耗粮食作物。
CN1089223C涉及天然植物制一次性餐具及其生产工艺。CN1089223C的一次性餐具壳体的用料主要由植物纤维类材料如麦桔、稻草、锯沫等的粉碎物和食用粘接剂组成，其中食用粘接剂是以魔芋干粉为主料，以食用碱和米粉、面粉等为辅料。CN1089223C声称保证了壳体的强度及抗水性要求，但餐具经表明喷涂后，其渗透性能仅为4小时，如果表面不做处理，其渗透性仅为30分钟。
植物纤维餐具和淀粉餐具还存在着一些问题，尚未获得大范围的推广。其主要有以下几个方面的问题：(1)色泽不好；(2)防水防油性差；(3)易脆裂；(4)用粮食淀粉作粘接剂成本高。特别是植物纤维餐具和淀粉餐具的外观通常成灰色或焦黄色，消费者难以接受。一定程度上，外观成为植物纤维餐具和淀粉餐具普及的重要障碍。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的为提供具有优异的强度、韧性、耐水性，以及外观晶莹亮丽的植物纤维制品，特别是植物纤维餐具。
本发明一方面涉及一种植物纤维制品，由包括以下组分的原料制成：(a)魔芋粉胶粘剂；(b)植物纤维粉末，所述植物纤维粉末包括竹叶。
本发明还涉及制备植物纤维制品的方法，包括以下步骤：(i)装料步骤：将包含原料和水的混合物浆料装入模具；(ii)热压成型步骤：将混合物浆料热压成型。
本发明的植物纤维制品具有优异的强度的同时，还具有优异的韧性、耐水性，外观晶莹亮丽。
具体实施方式
本发明是解决了原诸多生物降解餐具易碎的缺陷，将魔芋粉与竹叶粉结合使用制作植物纤维制品，特别是可降解餐具，使可降解餐具具有优异的强度的同时，还具有优异的韧性，外观更加晶莹亮丽。而且成本更加低廉。
基于此，本发明用魔芋粉为胶粘剂，用自然生长的植物纤维例如箬竹叶为填充料，采用机械模压成型的工艺生产出各种可降解快餐具。
本发明一方面涉及植物纤维制品，特别是植物纤维餐具。植物纤维制品可以是一次性可降解餐具。餐具包括餐盒、碗、杯、盘、勺。
本发明的植物纤维制品由包括以下组分的原料制成：(a)魔芋粉胶粘剂；(b)植物纤维。
本发明的植物纤维制品进一步包括以下原料：(c)有机助剂。
本发明的植物纤维制品进一步包括以下原料：(d)无机填料。
本发明的植物纤维制品进一步包括以下原料：(e)脱模剂。
(a)魔芋粉胶粘剂(魔芋粉)
生产植物纤维餐具的关健是胶粘剂，胶粘剂的性能直接影响到产品的质量和成本，而魔芋淀粉则是优于其它淀粉类的最佳胶粘剂。
魔芋，别名蒟蒻，为多年生天南星科草本植物。魔芋是一个大家族，全世界大约有130种，我国就有30多种。魔芋是目前发现的、唯一能大量提供葡甘露聚糖的经济作物，它具有低蛋白、低脂肪、高纤维、吸水性强、膨胀率高等特性。魔芋在工业制造方面也有非常广泛的用途，魔芋属的一些种类块茎富含魔芋多糖，尤其是白魔芋、花魔芋品种含量高达50％-65％。魔芋多糖又称魔芋葡萄甘露聚糖，是由众多的甘露糖和葡萄糖，以β-1,4-糖苷健连接起来的线性高分子化合物，在其分子的某些糖基侧链上，连接有一定数量的乙酰基团；葡萄糖和甘露糖的分子比为1：1.5-1.7，分子量可高达106道尔顿，粘度特高，溶于水，在水中膨胀度特大。魔芋多糖在纺织、印染、化妆、陶瓷、消防、环保、军工、石油开采等方面都有广泛的用途。此外，魔芋精粉加工过程中有30％-40％的飞粉产生，由于飞粉中也含有一定量的葡萄甘露聚糖，因此，飞粉也是多羟基化合物为主体的天然高分子化合物。
另外，魔芋粉主要成分是魔芋葡甘聚糖(KGM)，葡甘聚糖能和四价硼离子形成络合物，产生具有一定强度且透明性很好、有弹性的凝胶，与绿色竹叶粉结合一起有水晶一样的效果。魔芋做胶粘剂，其粘接性高，胶性分布均匀，制成的产品强度和韧度都非常高，同时防水和防油性更好。加工后魔芋粉，接近米白色，没有明显的杂质，闻起来没有刺激的气味，手感柔滑微润，与竹叶混合后晶莹中带绿色，并有植物的清香。
魔芋为可再生原料，而且产量高，其粘度高，单位餐具所用胶量少，成本低，是提代粮食淀粉的最佳原料。也是降低成本最佳选择。
魔芋粉胶粘剂可以为未改性魔芋粉或改性魔芋粉，优选改性魔芋粉，最优选焦磷酸盐改性的魔芋粉。在一种优选的实施方式中，魔芋粉胶粘剂为改性魔芋葡甘聚糖水溶胶，优选焦磷酸盐改性的魔芋葡甘聚糖水溶胶。焦磷酸盐可以是焦磷酸碱金属盐、碱土金属盐，例如焦磷酸钠、焦磷酸钾。
焦磷酸盐改性的魔芋粉的制备方法可以为：将焦磷酸盐溶于水中，调节至所需pH值，然后搅拌下加入魔芋粉，一定温度下置于干燥箱中加热反应，得到产物。优选的反应条件为：焦磷酸盐：魔芋粉＝1:7～9，优选1:8，pH2～4，优选pH3，反应温度45～60℃，优选50℃，反应时间1～3h。
魔芋粉胶粘剂占植物纤维制品(或原料)总重量的5～20％，优选8～18％，更优选10～15％，最优选13％。
魔芋粉的制备工艺在本领域是已知的，例如魔芋粉的制备工艺可以如下：
鲜魔芋球茎清洗、去皮—(切分)—脱色—粉碎—(脱溶剂除杂)—研磨—(洗涤)—干燥—(干研磨)—分筛—均质—检验—包装。
(b)植物纤维
植物纤维包括竹叶，即竹子(Bambusoideae)的叶。竹子可以包括刚竹属(Phyllostachys)、箬竹属(Indocalamus)、唐竹属(Sinobambusa)、倭竹属(Shibataea)、方竹属(Chimonobambusa)、酸竹属(Acidosasa)、玉山竹属(Yushania)、箭竹属(Fargesia)、筱竹属(Thamnocalamus)、以及短穗竹属(Brachystachyum)。
竹叶可以包括以下一种或多种：刚竹叶、箬竹叶、唐竹叶、倭竹叶、方竹叶、酸竹叶、玉山竹叶、箭竹叶、筱竹叶以及短穗竹叶。在优选的实施方式中，竹叶包括箬竹叶。
箬竹叶有特殊芳香，含大量维生素C、氨基酸、叶绿素和矿物质。
根据一些实施方式，植物纤维为植物纤维粉末。竹叶可以为竹叶粉末，例如箬竹叶粉末。粉末粒度可以为30～500目，优选50～400目，更优选60～300目，进一步优选70～200目，最优选80～100目。
竹叶可以占植物纤维粉末重量的50％以上，更优选60％以上，进一步优选70％以上，最优选80％以上，例如90％以上，或95％以上。在一种优选的实施方式中，植物纤维粉末为竹叶。
植物纤维可以进一步包括其他植物纤维，例如农作物秸秆，如麦草、稻草、棉杆、芦苇。其他植物纤维占植物纤维粉末重量的小于或等于50％以下，优选小于或等于40％，进一步优选小于或等于30％，最优选小于或等于20％，例如小于或等于10％，甚至小于或等于5％。
植物纤维(例如竹叶)与魔芋粉的重量比为2～8:1，优选2.5～7:1，更优选3～6:1，更优选3～5:1，进一步优选3.5～5:1，最优选4:1。
植物纤维的量可以为30～90重量份，优选40～80重量份，更优选50～70重量份，最优选52重量份。
植物纤维(例如竹叶)占植物纤维制品(或原料)总重量的30～90％，优选40～80％，更优选50～70％，最优选52％。
在外观色泽、抗压破坏、韧性、耐水性方面，采用竹叶作为纤维和魔芋粉或改性魔芋粉(例如焦磷酸盐改性的魔芋粉)作为粘结剂的餐盒，优于采用其他纤维如农作物稻草、麦秸和魔芋粉作为粘结剂的餐盒，也优于采用面粉作为粘结剂的餐盒。
在耐水性方面，采用改性魔芋粉(例如焦磷酸盐改性的魔芋粉)比采用未改性魔芋粉更好。
(c)有机助剂
有机助剂可以是以下一种或多种：硅烷偶联剂、磷酸三丁酯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、以及聚乙烯醇缩丁醛。优选地，有机助剂包括硅烷偶联剂。
优选地，有机助剂占植物纤维制品(或原料)总重量的5～20％，优选8～18％，更优选10～15％，最优选13％。优选地，硅烷偶联剂占植物纤维制品(或原料)总重量的1～15％，优选2～10％，更优选3～8％，最优选6％。
另外，本发明出人意料地发现，加入硅烷偶联剂的餐具的耐水性大大优于不加硅烷偶联剂的餐具。尽管采用改性魔芋粉耐水性比未改性魔芋粉更好，但采用未改性魔芋粉和硅烷偶联剂的餐具的耐水性大大高于采用改性魔芋粉而没有硅烷偶联剂的餐具，这也是出人意料的。
(d)无机填料
无机填料可以是以下一种或多种：
-合成的硅酸盐，例如硅酸铝，碱土金属硅酸盐如硅酸镁或硅酸钙，具有从20m2/g至400m2/g的BET比表面积并且具有从5nm至400nm的初级粒径；
-天然硅酸盐，例如高岭土以及其他天然存在的硅石，如云母；
-金属氧化物，如氧化锌，氧化钙，氧化镁、氧化铝，氧化硅、氧化钛；
-金属碳酸盐，例如碳酸钙、碳酸镁、碳酸锌；
-金属硫酸盐，例如硫酸钙、硫酸钡；
-金属氢氧化物，例如氢氧化铝和氢氧化镁，例如，水滑石；
-玻璃纤维以及玻璃纤维产品(条、股、或玻璃微球)。
无机填料可以是以下一种或多种：硅酸盐、金属氧化物、金属碳酸盐、金属硫酸盐、金属氢氧化物、玻璃纤维。
无机填料可以是以下一种或多种：硅酸铝、硅酸镁、硅酸钙、高岭土、云母、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化钙、氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化钛、碳酸钙、碳酸镁、碳酸锌、硫酸钙、硫酸钡、氢氧化铝、氢氧化镁、水滑石、玻璃纤维。
无机填料占植物纤维制品(或原料)总重量的5～30％，优选10～28％，更优选15～25％，最优选20％。
(e)脱模剂
脱模剂可以是以下一种或多种：甲基硅油、酯蜡，四硬脂酸季戊四醇酯(PETS)、长链脂肪酸(例如硬脂酸或山嵛酸)、它们的盐(例如硬脂酸钙或锌)以及酰胺衍生物(例如亚乙基-二-硬脂酰胺)或褐煤蜡(链长度为28至32个C原子的直链饱和羧酸的混合物)。
优选地，脱模剂占植物纤维制品(或原料)总重量的0.5～5％，优选1～4％，更优选1～3％，最优选2.5％。
本发明另一方面涉及制备植物纤维制品、特别是植物纤维餐具的方法。
本发明的方法包括以下步骤：
(i)装料步骤：将包含原料和水的混合物浆料装入模具；
(ii)热压成型步骤：将混合物浆料热压成型，得到植物纤维制品。
混合物浆料包含原料(除水以外的组分)和水。
按重量计，原料占混合物浆料的60～85％，优选70～80％，更优选85％。
按重量计，水占混合物浆料总重量的15～40％，优选20～30％，更优选25％。
原料配比可以如下：
魔芋粉可以为5～20重量份，优选8～18重量份，更优选10～15重量份，最优选13重量份；
植物纤维30～90重量份，优选40～80重量份，更优选50～70重量份，最优选52重量份；
可选的有机助剂5～20重量份，优选8～18重量份，更优选10～15重量份，最优选13重量份；
可选的无机填料5～30重量份，优选10～28重量份，更优选15～25重量份，最优选20重量份；
可选的脱模剂0.5～5重量份，优选1～4重量份，更优选1～3重量份，最优选2.5重量份。
优选地，按重量计，(a)魔芋粉胶粘剂占原料总重量的5～20％，优选8～18％，更优选10～15％，最优选13％。
优选地，按重量计，(b)植物纤维的占原料总重量的30～90％，优选40～80％，更优选50～70％，最优选52％。
优选地，按重量计，(c)有机助剂占原料总重量的5～20％，优选8～18％，更优选10～15％，最优选13％。
优选地，按重量计，(d)无机填料占原料总重量的5～30％，优选10～28％，更优选15～25％，最优选20％。
优选地，按重量计，(e)脱模剂占原料总重量的0.5～5％，优选1～4％，更优选1～3％，，最优选2.5％。
热压成型温度可以为90-130℃，优选95-120℃，更优选100-110℃，最优选105-107℃。热压成型时间可以为15-90s，优选20-80s，更优选25-60s，最优选30-42s。热压成型压力可以为5-50kPa，优选10-40kPa，更优选15-30kPa，最优选20kPa。
本发明的植物纤维制品具有优异的强度的同时，还具有优异的韧性、耐水性，外观晶莹亮丽。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例
I.原料
魔芋精粉：恩施宏业魔芋开发有限责任公司；
有机助剂：硅烷偶联剂(南京帝蒙特化学有限公司)；
无机填料：云母粉(石家庄广丰矿产品有限公司)，水滑石(郑州市冠达化厂工有限公司)；
磷酸三丁酯(CH3CH2H2CH2O)3PO(淄博市临淄天德精细化工研究所)；
脱模剂：食品级硅油或乳液(cy206)甲基硅油乳液(深圳市楚鹰新材料有限公司生产)。
(2)改性魔芋葡甘聚糖(改性魔芋粉)的制备
用焦磷酸钠对魔芋葡甘聚糖进行酯化交联改性。魔芋精粉与水为1：4.5，焦磷酸钠与魔芋精粉比例为1：8(W/W)，反应pH值为3，反应温度为50℃，反应时间为2h。获得改性KGM(改性魔芋粉)水溶胶。
(3)箬竹叶
箬竹叶洗净、干燥，粉碎为粒度80-100目的粉状物料。
(4)配料方案
见如下实施例及表1。
(5)压制工艺流程
原料--粉碎--配料--混合--装模--压制--脱模--包装。
压制工艺条件：上下模温105～107℃，压制时间30～42s，成型压力20kPa。
实施例1
箬竹叶粉40％，魔芋粉10％，有机助剂：硅烷偶联剂6％(南京帝蒙特化学有限公司)，无机填料：云母粉7％(石家庄广丰矿产品有限公司)，水滑石8％(郑州市冠达化厂工有限公司)，水25％，磷酸三丁酯2％(淄博市临淄天德精细化工研究所)。脱模剂甲基硅油乳液2％(深圳市楚鹰新材料有限公司生产)。
实施例2
箬竹叶粉40％，改性魔芋葡甘聚糖15％，有机助剂：硅烷偶联剂6％(南京帝蒙特化学有限公司)，无机填料：云母粉7％(石家庄广丰矿产品有限公司)，水滑石8％(郑州市冠达化厂工有限公司)，水20％，磷酸三丁酯2％(淄博市临淄天德精细化工研究所)。脱模剂甲基硅油乳液2％(深圳市楚鹰新材料有限公司生产)。
实施例3
除了不加硅烷偶联剂外，其他与实施例2相同。
对比例1
按照CN1321701A说明书中的实施例制备一次性使用用品(魔芋全粉、稻草纤维碎料、红薯全粉、黄原胶、氢氧化钙)。
对比例2
按照CN1089223C说明书中的实施例制备一次性餐具(粘结剂：魔芋粉、米粉、淀粉、食用碱、发酵粉；植物纤维：麦秸)。
对比例3
除了采用稻草粉末代替箬竹叶粉外，其他与实施例1相同。
对比例4
除了采用面粉代替魔芋粉外，其他与实施例1相同。
表1
由表1可以看出，在外观色泽方面，同时采用竹叶作为纤维和魔芋粉或改性魔芋粉作为粘结剂的餐盒的实施例1、实施例2、实施例3，优于采用其他纤维如农作物稻草、麦秸的对比例1-3，也优于采用面粉作为粘结剂的对比例4。实施例1、实施例2、实施例3的外观晶莹亮丽，而对比例1-3为灰色，对比例4外观暗淡无光。
在抗压破坏、韧性方面，采用竹叶作为纤维和魔芋粉或改性魔芋粉作为粘结剂的餐盒的实施例1、实施例2、实施例3，优于采用其他纤维如农作物稻草、麦秸的对比例1-3，也优于采用面粉作为粘结剂的对比例4；采用改性魔芋粉的实施例比采用未改性魔芋粉更好。
在耐水性方面，采用竹叶作为纤维和魔芋粉或改性魔芋粉作为粘结剂的餐盒的实施例1、实施例2、实施例3，优于采用其他纤维如农作物稻草、麦秸的对比例1-3，也优于采用面粉作为粘结剂的对比例4；采用改性魔芋粉的实施例比采用未改性魔芋粉更好。另外，实施例2和实施例3可以看出，加入硅烷偶联剂的实施例2的耐水性是不加硅烷偶联剂的实施例3的7.5倍，这是出人意料的。尽管改性魔芋粉耐水性比未改性魔芋粉更好，但采用未改性魔芋粉和硅烷偶联剂的实施例1的耐水性大大高于采用改性魔芋粉而没有硅烷偶联剂的实施例3，这也是出人意料的。
在耐油性方面，采用竹叶作为纤维和魔芋粉或改性魔芋粉作为粘结剂的餐盒的实施例1、实施例2，优于采用其他纤维如农作物稻草、麦秸的对比例1-3，也优于采用面粉作为粘结剂的对比例4。
本发明的餐具耐酸碱、耐冷冻等方面均能满足一次性餐具的要求(GB18006.1-1999；一次性可降解餐饮具通用技术条件；测试方法见GB/T18006.2-1999：一次性可降解餐饮具降解性能试验方法)。
本发明的植物纤维餐具有一定的强度的同时，又具有一定的韧性。本发明的植物纤维餐的强度远大于塑制、纸质餐具。在相关测试中，塑制、纸质餐具用手轻捏即会变形或损坏，而本发明的餐具难以用手捏坏。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种植物纤维制品，其特征在于，由包括以下组分的原料制成：
(a)魔芋粉胶粘剂；
(b)植物纤维粉末，所述植物纤维粉末包括竹叶。
2.根据权利要求1所述的植物纤维制品，其特征在于，所述竹叶包括以下一种或多种：刚竹叶、箬竹叶、唐竹叶、倭竹叶、方竹叶、酸竹叶、玉山竹叶、箭竹叶、筱竹叶以及短穗竹叶。
3.根据权利要求1所述的植物纤维制品，其特征在于，所述竹叶包括箬竹叶。
4.根据权利要求1所述的植物纤维制品，其特征在于，所述原料进一步包括：
(c)有机助剂；
(d)可选的无机填料；
(e)可选的脱模剂。
5.根据权利要求4所述的植物纤维制品，其特征在于，所述原料的配比为：
(a)魔芋粉胶粘剂：5～20重量份；
(b)植物纤维粉末：30～90重量份；
(c)有机助剂：5～20重量份；
(d)可选的无机填料：5～30重量份；
(e)可选的脱模剂：0.5～5重量份。
6.根据权利要求1所述的植物纤维制品，其特征在于，所述植物纤维制品是植物纤维餐具。
7.根据权利要求1所述的植物纤维制品，其特征在于，所述魔芋粉胶粘剂为未改性魔芋粉或改性魔芋粉。
8.根据权利要求1所述的植物纤维制品，其特征在于，所述魔芋粉胶粘剂为焦磷酸盐改性的魔芋粉。
9.根据权利要求1所述的植物纤维制品，其特征在于，所述有机助剂包括硅烷偶联剂。
10.制备根据权利要求1至9任一项所述的植物纤维制品的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(i)装料步骤：将包含原料和水的混合物浆料装入模具；
(ii)热压成型步骤：将所述混合物浆料热压成型。
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