CN108216912B - 一种用于食品包装的高阻隔性tpu薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜及其制备方法。所述高阻隔性TPU薄膜以TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维。本发明将食物保鲜剂改性的碳纳米纤维掺入TPU膜中，碳纳米纤维与保鲜剂产生协同抑菌作用，延缓食物变质，碳纳米纤维分散在TPU膜中形成交织的网络结构，增加了TPU膜的疏水性和对水汽氧气的阻隔作用，氧气透过率在0.03mL/m2·day以下，透湿率在3.00mL/m2·day以下。

Description

一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种一种可用于食用包装的高阻隔性TPU薄膜及其制备方法。
背景技术
热塑性聚氨酯(TPU)是一类用途广泛的弹性嵌段共聚物，由软段和硬段共同组成，这种特殊的结构使得TPU在较宽的硬度范围内能够保持良好的弹性及较好的耐磨性、延展性和加工性。同时，与PVC、EVA、丁苯橡胶(IIR)等传统塑胶材料相比，TPU具有高张力、强韧和耐老化等特性，是一种成熟的环保型材料。目前TPU已广泛应用于医疗器件、汽车行业、建筑行业及教育制品等领域，成为了新时期及具发展前景的功能性材料。
但一些特定领域对材料的阻隔性能有很高的要求，人们对生活质量的要求也同样导致对于食品包装材料的要求越来越高。现有技术中为了延长食品的保质期，使用脱氧剂与食品一起包装在包装内，而儿童在食用时由于对脱氧剂的毒性没有相关知识，不够安全。
例如CN103819799A公开了一种聚合物/高锰酸钾复合薄膜及其制备方法，首先将高锰酸钾利用硅烷偶联剂进行表面处理，然后将0.15～0.75g的改性高锰酸钾与10～20g的TPU在涂膜机上复合成膜。该复合薄膜应用在食品包装材料上，可以吸收水果中产生的乙烯气体从而延长水果的成熟时间，达到保鲜的效果，还可以进一步提高对氧气的阻隔作用，另外这种复合薄膜还可以杀菌，应用在医药行业。本发明制备方法科学合理，工艺简单，可操作性强，对环境没有任何污染，可以大规模进行工业化生产，但是其阻隔性能有限，只能用于产生乙烯的水果包装，不能满足日益丰富的食品种类的包装要求。此外现有技术中食品包装具有高阻隔性的膜材往往其抑菌性差强人意，反之亦然；高阻隔性和抑菌性往往此消彼长，难以兼顾。
发明内容
针对现有技术中存在的弊端，本发明的目的之一是提供一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，有效隔氧隔水，延长食物的保鲜期。
为达此目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，以TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维。
高阻隔性，即对水和氧气的具有高阻隔性，本发明高阻隔性TPU薄膜可用于任何形式的食品包装，例如真空密封包装袋、膨化食品包装袋、饮料包装袋或包装盒内层、食品包装盖膜等，可直接接触食品。本发明将食物保鲜剂改性的碳纳米纤维掺入TPU膜中，碳纳米纤维与保鲜剂产生协同抑菌作用，延缓食物变质，本领域中通常认为纳米管具有中空的纳米结构，聚合物材料成膜过程中一部分聚合液进入纳米管中空结构中，使得纳米管相较于其他纳米结构与聚合物材料的结合更强，本发明克服技术偏见，采用碳纳米纤维与TPU基材复合，取得优异的相容性，碳纳米纤维分散在TPU膜中形成交织的网络结构，增加了TPU膜的疏水性和对水汽氧气的阻隔作用。
所述TPU膜包括聚醚型TPU膜和/或聚酯型TPU膜，优选聚醚型TPU膜；聚醚TPU材料比聚酯TPU材料耐水解，在使用一段时间后其内部物质不会溶解于水，不易发黄，较聚酯型柔软，考虑到节省成本时可以将两种材料复合作为基体。
本发明所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组分赋予所述高阻隔性TPU薄膜不同的特性。除此之外，本发明所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
优选地，所述TPU薄膜的厚度为0.05～1mm，例如0.05mm、0.08mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.38mm、0.4mm、0.42mm、0.45mm、0.48mm、0.5mm、0.52mm、0.55mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm等。
优选地，所述食物保鲜剂包括防腐剂和/或抑菌剂。同时加入防腐剂和抑菌剂增效抑菌作用，食物慢性氧化所需酶的增加速度得以控制。
优选地，所述防腐剂包括芥籽粉、丁香粉和肉桂粉中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：芥籽粉与丁香粉的组合，丁香粉与肉桂粉的组合，芥籽粉与肉桂粉的组合，芥籽粉、丁香粉与肉桂粉的组合。
优选地，所述抑菌剂包括乳酸链球菌素、山梨酸钾、茶多酚、海藻糖、大蒜素、肉桂醛、肉桂酸、香芹酚、丁香酚、百里香酚和柠檬醛的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：乳酸链球菌素与山梨酸钾的组合，茶多酚与海藻糖的组合，茶多酚与柠檬醛的组合，乳酸链球菌素、茶多酚与柠檬醛的组合，大蒜素与肉桂醛的组合，肉桂酸、香芹酚与丁香酚的组合，肉桂醛、肉桂酸、香芹酚、茶多酚、百里香酚与柠檬醛的组合；优选乳酸链球菌素、茶多酚和柠檬醛中的任意一种或至少两种的组合，进一步增加抑菌效率，减少TPU膜与食物之间游离水和游离氧的水平，延长大部分肉类食品的保鲜期。
优选地，所述碳纳米纤维的直径为50～200nm，例如50nm、60nm、80nm、100nm、120nm、150nm、180nm或200nm等，长径比为100～500，例如100、120、160、200、230、280、300、340、370、400、440、480或500等。
优选地，所述碳纳米纤维的直径为80～150nm，长径比为200～400。
为优化TPU薄膜的阻隔性、加工性、机械性能等综合性能，优选地，所述TPU膜、所述碳纳米纤维与所述保鲜剂的质量比为100:(1～10):(0.3～8)，例如100:1:0.3、100:2:3、100:5:4、100:6:2.3、100:7:1.3、100:8:6、100:9:0.5、100:1:8或100:10:0.3等，优选100:(5～8):(3～6)。
优选地，所述基体中还掺有高锰酸钾。
优选地，所述TPU膜与所述高锰酸钾的质量比为100:(0.3～4)，例如100:0.3、100:0.5、100:0.8、100:1、100:1.5、100:3或100:4等，优选100:(0.8～1.5)。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将食物保鲜剂混合分散于溶剂中，得到保鲜液；
(2)将碳纳米纤维浸渍于步骤(1)所得保鲜液中24h以上，干燥得到改性的碳纳米纤维；
(3)将步骤(2)所得改性的碳纳米纤维与TPU聚合液混合，得到混合液，将所述混合液制膜，得到所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜。
优选地，步骤(1)所述溶剂包括N-N二甲基甲酰胺和/或四氢呋喃。
优选地，步骤(3)所述混合液中还加入高锰酸钾。将高锰酸钾添加到TPU膜中能不仅具有吸收乙烯进而可以延长果蔬类食品保鲜期以及保质期等功效，还可以与碳纳米纤维产生协同效应，提高聚合物阻隔水氧的能力。
优选地，步骤(3)所述混合液中还加入硅烷偶联剂，促进网络结构的形成，改善掺入材料与基体之间的相容性和结合力。
优选地，所述硅烷偶联剂包括聚甲基氢硅氧烷和/或KH-570硅烷偶联剂。
优选地，所述硅烷偶联剂与所述碳纳米纤维的质量比为1～4，例如1、1.5、2、2.5、3、3.5或4等，优选2～3。
与现有技术方案相比，本发明至少具有如下有益效果：
1.本发明将食物保鲜剂改性的碳纳米纤维掺入TPU膜中，碳纳米纤维与保鲜剂产生协同抑菌作用，延缓食物变质，碳纳米纤维分散在TPU膜中形成交织的网络结构，增加了TPU膜的疏水性和对水汽氧气的阻隔作用，氧气透过率在0.03mL/m2·day以下，透湿率在3.00mL/m2·day以下；
2.本发明TPU膜中掺入的碳纳米纤维同时包含防腐剂和抑菌剂两种改性剂，防腐剂和抑菌剂产生协同作用，不仅增效保鲜作用，且优化膜对水汽、氧气的阻隔作用；通过调节TPU膜中各组分的比例，可优化TPU薄膜的阻隔性、加工性、机械性能等综合性能。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，以厚0.05mm的聚酯型TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维。食物保鲜剂包括防腐剂芥籽粉和抑菌剂乳酸链球菌素。
碳纳米纤维直径为50nm，长径比为500。TPU膜、碳纳米纤维与保鲜剂的质量比为100:1:0.3。
此高阻隔性TPU薄膜的制备方法，步骤如下：
(1)将食物保鲜剂混合分散于溶剂N-N二甲基甲酰胺中，得到保鲜液；
(2)将碳纳米纤维浸渍于步骤(1)所得保鲜液中24h，干燥得到改性的碳纳米纤维；
(3)将步骤(2)所得改性的碳纳米纤维和1倍于碳纳米纤维的聚甲基氢硅氧烷，与TPU聚合液混合，得到混合液，将混合液制膜，得到用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜。
实施例2
一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，以厚1mm的聚醚型TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维。食物保鲜剂包括质量比为1:1的丁香粉和肉桂粉组成的防腐剂和质量比为1:1:1:1的乳酸链球菌素、山梨酸钾、茶多酚、肉桂醛组成的抑菌剂。
碳纳米纤维直径为200nm，长径比为100。TPU膜、碳纳米纤维与食物保鲜剂的质量比为100:10:8。
基体中还掺有高锰酸钾，与TPU膜的质量比为0.3:100。
此高阻隔性TPU薄膜的制备方法，步骤如下：
(1)将食物保鲜剂混合分散于溶剂四氢呋喃中，得到保鲜液；
(2)将碳纳米纤维浸渍于步骤(1)所得保鲜液中30h，干燥得到改性的碳纳米纤维；
(3)将步骤(2)所得改性的碳纳米纤维和高锰酸钾、4倍于碳纳米纤维的KH-570硅烷偶联剂，与TPU聚合液混合，得到混合液，将混合液制膜，得到用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜。
实施例3
一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，以厚0.2mm的聚醚型TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维。食物保鲜剂包括质量比为1:2的芥籽粉、丁香粉组成的防腐剂和质量比为1:1:1的乳酸链球菌素、山梨酸钾、茶多酚和柠檬醛组成的抑菌剂。
碳纳米纤维直径为80nm，长径比为200。TPU膜、碳纳米纤维与食物保鲜剂的质量比为100:5:6。
基体中还掺有高锰酸钾，与TPU膜的质量比为0.8:100。
此高阻隔性TPU薄膜的制备方法，步骤如下：
(1)将食物保鲜剂混合分散于溶剂N-N二甲基甲酰胺中，得到保鲜液；
(2)将碳纳米纤维浸渍于步骤(1)所得保鲜液中30h，干燥得到改性的碳纳米纤维；
(3)将步骤(2)所得改性的碳纳米纤维和高锰酸钾、2倍于碳纳米纤维的聚甲基氢硅氧烷，与TPU聚合液混合，得到混合液，将混合液制膜，得到用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜。
实施例4
一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，以厚0.5mm的聚醚型TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维。食物保鲜剂包括防腐剂芥籽粉和抑菌剂即质量比为1:1:1:1的乳酸链球菌素、海藻糖、茶多酚和柠檬醛。
碳纳米纤维直径为150nm，长径比为400。TPU膜、碳纳米纤维与食物保鲜剂的质量比为100:8:3。
基体中还掺有高锰酸钾，与TPU膜的质量比为1.5:100。
此高阻隔性TPU薄膜的制备方法，步骤如下：
(1)将食物保鲜剂混合分散于溶剂N-N二甲基甲酰胺中，得到保鲜液；
(2)将碳纳米纤维浸渍于步骤(1)所得保鲜液中40h，干燥得到改性的碳纳米纤维；
(3)将步骤(2)所得改性的碳纳米纤维和高锰酸钾、3倍于碳纳米纤维的聚甲基氢硅氧烷，与TPU聚合液混合，得到混合液，将混合液制膜，得到用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜。
实施例5
一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，以厚0.6mm的聚醚型TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维。食物保鲜剂包括质量比为1:1:1的芥籽粉、丁香粉和肉桂粉组成的防腐剂和质量比为1:1:1的乳酸链球菌素、茶多酚和柠檬醛组成的抑菌剂。
碳纳米纤维直径为100nm，长径比为300。TPU膜、碳纳米纤维与食物保鲜剂的质量比为100:6:4。
基体中还掺有高锰酸钾，与TPU膜的质量比为1:100。
此高阻隔性TPU薄膜的制备方法，步骤如下：
(1)将食物保鲜剂混合分散于溶剂N-N二甲基甲酰胺和中，得到保鲜液；
(2)将碳纳米纤维浸渍于步骤(1)所得保鲜液中48h，干燥得到改性的碳纳米纤维；
(3)将步骤(2)所得改性的碳纳米纤维和高锰酸钾和2.5倍于碳纳米纤维的聚甲基氢硅氧烷，与TPU聚合液混合，得到混合液，将混合液制膜，得到用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜。
对比例1
与实施例5的区别仅在于：省去碳纳米纤维和抑菌剂。
对比例2
与实施例5的区别仅在于：省去碳纳米纤维。
对比例3
与实施例5的区别仅在于：用相同尺寸的碳纳米管代替碳纳米纤维。
对比例4
与实施例5的区别仅在于：省去防腐剂和抑菌剂。
实施例6
与实施例5的区别仅在于：省去防腐剂。
实施例7
与实施例5的区别仅在于：省去抑菌剂。
测试各实施例与对比例样品的透气率和透湿率整理于表1。将本发明实施例与对比例所提供的高阻隔性TPU薄膜用封口机各制作成两个包装袋，然后一个将新鲜的绿色待成熟香蕉放置在包装袋中，然后封口，放置在25℃的鼓风干燥箱中15天然后取出然后观察香蕉皮的颜色；另一个将新鲜猪肉放置在包装袋中，然后封口，记录鲜肉保鲜程度。
表1
由表1可知，本发明碳纳米纤维与保鲜剂产生协同作用，延缓包括水果和肉类食物变质，且大幅提高对水汽、氧气的阻隔作用。且相较于碳纳米管，碳纳米纤维与TPU基材符合之后具有更优的阻隔性和保鲜功能，属于预料不到的技术效果。此外，本发明TPU膜中掺入的碳纳米纤维同时包含防腐剂和抑菌剂两种改性剂，防腐剂和抑菌剂产生协同作用，不仅增效保鲜作用，且优化膜对水汽、氧气的阻隔作用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (18)

1.一种用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，以TPU膜为基体，掺有食物保鲜剂改性的碳纳米纤维；
所述TPU膜、所述碳纳米纤维与所述食物保鲜剂的质量比为100:(1～10):(0.3～8)；
所述食物保鲜剂包括防腐剂和/或抑菌剂；
所述防腐剂包括芥籽粉、丁香粉和肉桂粉中的任意一种或至少两种的组合；
所述抑菌剂包括乳酸链球菌素、山梨酸钾、茶多酚、海藻糖、大蒜素、肉桂醛、肉桂酸、香芹酚、丁香酚、百里香酚和柠檬醛的任意一种或至少两种的组合；
所述用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的氧气透过率低于0.03mL/m2·day，透湿率低于3.00mL/m2·day。
2.如权利要求1所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU膜包括聚醚型TPU膜和/或聚酯型TPU膜。
3.如权利要求2所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU膜包括聚醚型TPU膜。
4.如权利要求3所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU薄膜的厚度为0.05～1mm。
5.如权利要求1所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述抑菌剂包括乳酸链球菌素、茶多酚和柠檬醛中的任意一种或至少两种的组合。
6.如权利要求1所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述碳纳米纤维的直径为50～200nm，长径比为100～500。
7.如权利要求6所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述碳纳米纤维的直径为80～150nm，长径比为200～400。
8.如权利要求1所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU膜、所述碳纳米纤维与所述食物保鲜剂的质量比为100:(5～8):(3～6)。
9.如权利要求1所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述基体中还掺有高锰酸钾。
10.如权利要求9所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU膜与所述高锰酸钾的质量比为100:(0.3～4)。
11.如权利要求10所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU膜与所述高锰酸钾的质量比为100:(0.8～1.5)。
12.一种如权利要求1～11任一项所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将食物保鲜剂混合分散于溶剂中，得到保鲜液；
(2)将碳纳米纤维浸渍于步骤(1)所得保鲜液中24h以上，干燥得到改性的碳纳米纤维；
(3)将步骤(2)所得改性的碳纳米纤维与TPU聚合液混合，得到混合液，将所述混合液制膜，得到所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜。
13.如权利要求12所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述溶剂包括N-N二甲基甲酰胺和/或四氢呋喃。
14.如权利要求12所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述混合液中还加入高锰酸钾。
15.如权利要求12所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述混合液中还加入硅烷偶联剂。
16.如权利要求15所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂包括聚甲基氢硅氧烷和/或KH-570硅烷偶联剂。
17.如权利要求15所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂与所述碳纳米纤维的质量比为1～4。
18.如权利要求17所述的用于食品包装的高阻隔性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂与所述碳纳米纤维的质量比为2～3。
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