CN109112891A - 一种用菠萝叶纤维和香蕉假茎浆制备包装纸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用菠萝叶纤维和香蕉假茎浆为原料制备包装复合纸的工艺。具体步骤包括先分别制备菠萝叶纤维和香蕉假茎原浆，将二者按照1:50～1:100的比例混合制备复合纸。在制备菠萝叶精制纤维时优选超声波和生物酶联合法脱胶，高效且对环境影响小。本发明还公开了将菠萝叶纤维编织成网格状作为龙骨，与香蕉假茎浆混合制备复合纸的工艺，得到的纸张强度高且环保、物理性能检测和抑菌效果检测均能达到包装纸袋的要求。

Description

一种用菠萝叶纤维和香蕉假茎浆制备包装纸的方法

技术领域

本发明涉及一种制备复合纸的工艺。

背景技术

现有的造纸材料主要是树木、秸秆、废旧纸张重新加工，生产过程中伴随着大量污水废料的排放，随着人们对环境问题的日益关注，科研人员开始投入绿色环保的造纸工艺的研究之中，近年来，废弃农作物作为一种新型的造纸原材料，引起了广泛的关注。

香蕉植物是具有叶柄叶鞘的多年生大草本植物，一般为圆柱形，干样假茎。商业种植的香蕉植物开花结果后然后叶，叶茎和假茎开始死亡，需要去除，因而产生大量农业废弃物；香蕉假茎中含有大量纤维，其中木质素含量低于木材和稻草。而灰分和提取物含量高于木材纤维，因此，香蕉假茎可应用于制浆和造纸。例如，美国专利5,958,182公开了一种从香蕉，大蕉，菠萝，椰子和其他热带水果作物的种植中回收纤维的方法。这些纤维的后续应用包括用于吸收液体，造纸，纺织品，绝缘和作为普通纤维填料。所述的方法涉及使用植物茎或冠以及使用各种化学品如明矾，氢氧化钠，氢氧化钾或过氧化氢将其转化成纤维。国际专利WO 2006/029469公开了一种方法，是使用来自香蕉植物的纤维生产纸制品的设备，其不需要经过制浆过程。用连续的纤维片并使用纤维分离装置取出，所述纤维分离装置依赖于整个假茎的旋转剥离，然后层压这些片并固化以形成原纸。中国专利CN200910114078.5也公开了一种用香蕉树的茎杆、叶子、果柄为原料的造纸方法；此外201110050550.0公开了利用香蕉树茎秆进行无污染造纸的方法，但上述工艺基本都使用碱或酸的处理方法，对环境有害。

菠萝是我国南方一种大量种植的农作物，目前全球有丰富的菠萝叶纤维资源，但由于尚未得到充分利用而大部分成为农业废料。菠萝叶制取纤维历史悠久，主要是应用于纺织行业。菠萝叶纤维的单纤维细长且强度大，在化学成分中，纤维素含量高，木素、果胶较少，不易打浆，容易缠绕成小团。由于其优越的物理、化学性质，仍有更广阔的应用价值亟待开发。菠萝叶中的纤维素具有良好的快速吸收和蒸发水分性能以及天然杀菌、抑菌、驱螨、除异味等特殊功效，是一种优异的天然保健新型纤维材料。我国菠萝叶的产量巨大，但真正进行菠萝叶纤维素提取、开发、利用的数量却很少。每年都有大量的菠萝叶被废弃进行焚烧等处理，既浪费资源又污染环境。

中国专利申请201710717388.0公开了一种环保可降解农用纸地膜,其由长纤维原料或长纤维原料和短纤维原料制成的纸浆抄造而成，所述长纤维原料采用香蕉假茎、菠萝叶中的一种或两种的组合，所述短纤维原料采用水葫芦和木薯茎秆两者的组合或与甘蔗渣三者的组合或单采用甘蔗渣，所述纸浆中融入有防水剂。该材料和方法制备的地膜是农用地膜，不适于作为包装的纸质产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种绿色环保的包装类纸质产品。利用香蕉假茎和菠萝叶纤维这两种常见的植物纤维原料，制备复合纸材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种制备包装纸的方法，其特征在于,以菠萝叶纤维和香蕉假茎为原料，包括如下步骤：

1)将菠萝叶打纤，自然晾干得到细长纤维；

2)将步骤1)获得的细长纤维经菠萝叶纤维脱胶处理制得精制的菠萝叶纤维；

3)将香蕉假茎机械切割并打碎，再搅拌制浆，获得香蕉假茎浆；

4)将步骤2)的菠萝叶纤维与步骤3)的香蕉假茎浆作为纸浆原料制备所述包装纸，其中菠萝叶纤维与香蕉假茎浆的重量比为1:50～1:100。

本发明所述的方法，其中步骤2)所述的脱胶处理可以采用生化联合脱胶、超声波联合生物酶脱胶和化学脱胶法，各种脱胶法的具体步骤分别如下：

生化联合脱胶：将粗纤维降解菌加入原麻中处理180min，然后酸洗、给油、水洗净再烘干，得到精制的菠萝叶纤维。

超声波联合生物酶脱胶：原麻用草木灰溶液煮沸60min后，洗净加入60％的果胶酶的水溶液，超声处理30min，然后放入热水使酶失活，洗净烘干后完成精制过程。

化学脱胶：原麻经过酸洗、碱煮、再酸洗、给油后，用水洗净烘干，得到精制纤维。

其中超声波联合生物酶法处理过程不使用强酸、强碱溶液，不产生污染环境的工业废水，超声配合生物酶处理操作简单高效，是优选的脱胶方法。

本发明所述的方法，其中步骤3)中可以进一步包括将获得的香蕉假茎浆用草木灰和粗纤维降解菌处理。加入草木灰，煮沸60min或者以草木灰和40g/500mL粗纤维降解菌处理。

本发明所述的方法，其中步骤4)中将1:50～1:100的比例混合的菠萝叶纤维和香蕉假茎浆作为纸浆原料，按照铺浆、压平、晾晒的程序制备所述包装纸。

更优选的是，步骤4)中先将菠菠萝叶纤维机械编织成网状，然后固定在滤网上作为龙骨，再将香蕉假茎浆倒入滤网上，晾晒、压光制备所述包装纸。

本发明采用先提取菠萝叶纤维，再与香蕉假茎浆混合制备复合纸的方法，生产过程中，采用物理机械法提取菠萝叶纤维，然后使用超声波-生物酶联合脱胶处理，整个工艺中不使用碱蒸煮、酸洗等易产生污水废料的方法，相对传统天然水沤脱胶方法，缩短了脱胶时间，减少对纤维损伤，改善了纤维的细度，提高了造纸性能。从实施例2可以看出，采用超声波-生物酶联合脱胶法处理的菠萝叶纤维，纤维呈细丝状，不粘连，颜色洁白，柔韧性好，与化学脱胶法相比质地、颜色更佳，同时对环境更加友好。

另外利用生物酶法工艺流程或者机械工艺处理香蕉假茎得到纸浆。生物酶选用纤维素酶，在低温条件下，有利于酶活性作用的发挥，当每2000g香蕉假茎使用8.75g生物酶进行脱胶时，香蕉假茎的分解效果最好。香蕉假茎浆也可以切割打碎后采用搅拌制浆法。上述方法都不产生污染环境的废水废料，安全环保。

处理后将菠萝叶纤维和香蕉假茎浆按照1:50到1:100的比例，进行混合作为纸浆原料，然后经过铺浆、压平、晾晒的传统程序进行纸张制备；另一种方法先将菠萝叶纤维编织成网格状做龙骨，与香蕉假茎浆料混合后晾晒成型。经过造纸工艺及不同原料配比的实验研究，利用本工艺制成的纸张，是一种符合环保理念的高强度的纸张，经过各种物理性质检测和抑菌效果检测都达到包装纸袋的要求。其中采用两种原料直接混合方法制成的复合纸，强度高的同时具有韧性好、透气度高的优越性能；采用菠萝叶纤维为龙骨的工艺，所制备的纸张，与牛皮纸对比其挺度、强度、韧性、透气度都有明显的提高。本发明还给出了制备的复合纸粉末的抑菌能力测试，其除了物理性能优越之外，菠萝叶纤维的天然抑菌特性，使该类复合纸同时具备抑菌效果，适合作为包装产品。

附图说明

图1为菠萝叶原麻；

图2为经生化联合脱胶法处理的菠萝叶纤维；

图3为经超声波和生物酶联合脱胶法处理的菠萝叶纤维；

图4为经化学脱胶法处理的菠萝叶纤维；

图5为本发明方法制备的复合纸张粉末抑菌效果图；

图6根据实施例4制备的复合纸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施方式进行详细说明，但所述说明并不限制本发明。

材料来源：

原材料：菠萝叶，广东惠州果园；

香蕉秸秆，自己种植；

玉米秸秆，河南郑州农田；

纤维素酶4wU/g，购自SUNSON夏盛(北京)生物科技开发有限公司；

草木灰，河南南阳农家批发店；

粗纤维降解菌，有效活菌数≥2×1010cfu/g，购自广州市微元生物科技有限公司；

和毛油，购自上海申致化工科技有限公司；

过氧化氢(A.R)，氯化钠(A.R)，硫酸(A.R)，购自国药集团化学试剂有限公司；

氢氧化钠(A.R)，乙醇(A.R)，购自西陇化工股份有限公司；

大肠杆菌ATCC25922，杭州滨和微生物试剂有限公司；

羟氨苄青霉素三水合物，安徽酷尔生物工程有限公司；

酵母提取，胰蛋白胨，琼脂粉，北京索莱宝科技有限公司。)

仪器设备：高速组织捣碎机(DS-1)，上海标本模型厂；

恒温培养箱(DHP-9162)，上海一恒科学仪器有限公司；

电热恒温水槽(DK-420)，上海精宏实验设备有限公司；

恒温干燥箱(DG-240A)，上海一恒科技有限公司；

胶体磨(DJM50L)，上海东华高压均质机厂；

旋转蒸发器(N-1200BV-W)，东京理化器械株式会社；

菠萝叶粗纤维提取机；透气度测定仪(LORENTZEN WETTRE CODE 266)，撕裂强度测试仪(LORENTZEN WETTRE CODE 009)，抗张强度测定仪(LORENTZEN WETTRE CODE 066)，ABB集团。

冻干机(CHRIST EPSILON 2-4 LSC PLUS)，德国CHRIST。)

实施例1.菠萝叶原麻的制备

制备方法：

挑选长度为80-90cm长的菠萝叶子，在菠萝叶粗纤维提取机进行打纤，自然晾干得到细长的纤维，如图1。

实施例2.菠萝叶纤维脱胶工艺

工艺路线一(生化联合脱胶)：

步骤流程：菌种→培养→生产细菌→细菌脱胶→精炼→漂洗酸→给油→脱油水→抖松→烘干→精制的菠萝叶纤维

实施步骤：挑粗纤维降解菌的单菌落到LB液体培养基中，50℃摇床培养24小时(有效活菌数≥2×1010cfu/g)。将菌种加入原麻中，在50℃的环境中处理180min。然后进行酸洗，硫酸浓度为1.5g/L，浴比为1：20，常温下酸洗时间为5min。下一步给油：和毛油浴比为1：10，给油温度为100℃，给油时间为30min。水洗干净，人工抖松，在烘箱中干燥，温度为：85℃。最后得到精制的菠萝叶纤维。

工艺路线二(超声波和生物酶联合脱胶)：

步骤流程：原麻→预处理→水洗→烘干→超声波和生物酶联合脱胶→热水失活→水洗→烘干→精制的菠萝叶纤维

实施步骤：原麻加入浓度为40g/500ml草木灰溶液中煮沸60min，用水清洗干将。将处理好的原麻放入60％的果胶酶的水溶液中，超声波的频率为30kHz，超声波的功率为100W，水温为50℃，超声时间30min。然后放入90℃的热水中使酶失活，用水冲洗干净，最后用烘箱烘干，烘干温度条件为：85℃。最后得到精制的菠萝叶纤维。

工艺路线三(化学脱胶法工艺流程)

步骤流程：原麻→酸浸→水洗→碱煮→水洗→酸洗→水洗→给油→水洗→烘干→精制的菠萝叶纤维

实施步骤：原麻加入硫酸酸浸，硫酸浓度为1.5g/L，浴比为1：20，水浴温度为55℃，酸浸时间为60min。水洗到中性。然后碱煮：NaOH浓度为2.5g/L，浴比为1：20，以菠萝叶纤维原料为100％计，同时还加入5％的水玻璃，5％的JFC溶液，以及8％的过氧化氢溶液；碱煮温度为100℃，碱煮时间为60min。水洗到中性。再进行酸洗：硫酸浓度为1.5g/L，浴比为1：20，常温下酸洗时间为5min。下一步进行给油：和毛油浴比为1：10，给油温度为100℃，给油时间为30min。水洗干净。用烘箱烘干，烘干温度为：85℃。最后得到精制的菠萝叶纤维。

按照以上工艺菠萝叶纤维脱胶后的效果如下：

工艺路线一的菠萝叶纤维脱胶结果如图2，工艺路线二的菠萝叶纤维脱胶结果如图3，工艺路线三的菠萝叶纤维脱胶结果如图4。通过图片观察，可以得知图2脱胶后菠萝叶纤维粘粘在一起没有成丝状。图3脱胶后菠萝叶纤维形成丝状，颜色偏白。图4脱胶后菠萝叶纤维形成丝状，颜色微黄。最终确定工艺路线为第二种。

实施例3采用生物酶法处理香蕉假茎的条件筛选

根据文献中对香蕉预处理实验的经验中得知所使用的酶量为140wU/g纤维素酶的浓度为0.2mg/ml。因此，每升反应液所含纤维素酶的量为：

140wU/g×0.2mg/ml＝140wU/g×0.2g/L＝28wU/L

现使用新的纤维素酶，活力单位为4wU/g。以活力为28wU/L、42wU/L、56wU/L、70wU/L、84wU/L、98wU/L、112wU/L、126wU/L的酶量进行实验，则需要4wU/g的纤维素酶质量分别为3.5g、5.25g、7g、8.75g、10.5g、12.25g、14g、15.75g。同时，56wU/L的酶量做多一组4℃的平行实验。

所有平行实验的原料总质量为2000g。加水量均为50000ml，煮沸时间为1h，反应时间为2天。

表1.纤维素酶质量的确定及低温反应条件的尝试

随着纤维素酶质量的增加，香蕉茎秆的分解效果先升高后无趋于平缓。在保证发酵效果的前提下，秉着节约成本的宗旨，因此纤维素酶量取8.75g。另外低温处理也明显抑制了酶的活性，因此排除低温处理条件。

实施例4机械法处理香蕉假茎

采用分段的香蕉假茎机械切割和打碎，再搅拌制浆法(条件：转数：10000转/分；时间：5分；温度：常温)，或者香蕉假茎分段后用机械拨层法，将假茎一层一层剥离，然后层压这些片并固化以形成原纸。

实施例5菠萝和香蕉复合纸张的制备工艺

菠萝叶前处理：粗菠萝叶纤维的制备以及脱胶处理。

香蕉假茎前处理：将香蕉假茎表面的灰尘及土壤洗净，机械切成大小适宜的条状，加入草木灰，煮沸60min。

打浆：用组织捣碎机捣碎2-3min，再过胶体磨7-8次。

5.1混合法造纸浆：菠萝叶纤维和香蕉假茎浆两者的比例为1:50到1:100，进行混合作为纸浆原料，按照铺浆、压平、晾晒的传统程序进行纸张制备。

表2纸浆组成

组别	A1	A2	A3
				菠萝叶纤维(公斤)	1	1	1
香蕉假茎浆(公斤)	50	75	100

5.2菠萝叶纤维作为龙骨再将香蕉假茎浆进行造纸的方法：

倒模：用菠萝叶纤维为龙骨，将菠萝叶纤维机械编织成网状(网格分三种不同规格)，然后固定在100目滤网上，最后将过了胶体磨的香蕉假茎浆倒入100目滤网上，晾晒(菠萝叶纤维的重量和香蕉假茎浆的重量比不同，见表3)。

压光：在制浆即将干透之前进行压光，使纤维间的空隙更加紧密，成纸强度更高。

表3菠萝叶纤维的重量和香蕉假茎浆的重量比

网格规格	B1	B2	B3	B4
					(宽cm，长cm)	1cm×1cm	2cm×2cm	3cm×3cm	4cm×4cm
菠萝叶纤维的重量g/㎡	11.64	5.76	3.88	2.82
					香蕉假茎浆的重量kg/㎡	5	5	5	5

实施例6.玉米秸秆、香蕉秸秆、菠萝叶纤维混合原料造纸的比较：

①以玉米秸秆、香蕉秸秆、菠萝叶纤维混合原料造纸，结果见表4。

表4混合原料造纸

②以玉米秸秆、香蕉秸秆、菠萝叶纤维混合原料造纸参数对比，结果见表5。

由表5综合对比可知纸张强度玉米秸秆＜香蕉秸秆＜菠萝叶纤维+香蕉秸秆＜菠萝叶纤维(作为龙骨)+香蕉秸秆

表5混合原料造纸参数对比

实施例7.复合纸张的抑菌测试实验

称取按照上述实施例4(见图6)制备的复合纸张然后研制成粉末10g，置于500mL圆底烧瓶中，加入乙醇230mL，水浴加热71℃回流2小时，过滤，用旋转蒸发仪将滤液浓缩成浸膏，将浸膏置于安培瓶中，放入冷冻干燥机，冻干24小时，得到提取物干粉。采用琼脂扩散法测抑菌活性。复合纸张粉末的抑菌效果

以大肠杆菌做指示菌，采用琼脂扩散法测抑菌活性。大肠杆菌经过24小时的培养，如图5。图5A是没有加入抑菌圈，没有抑菌效果。图5B加入了2个抑菌圈，A纸圈蘸有无菌水，无抑菌效果。B纸圈蘸有复合纸提取物干粉的无菌水溶液，B纸圈附近没有长菌。图5C加入了2个抑菌圈，A纸圈蘸有无菌水，无抑菌效果。C纸圈蘸有羟氨苄青霉素无菌水溶液，C纸圈附近没有长菌。可以得知抑菌效果为A＜B＜C。

Claims (6)

1.一种制备包装纸的方法，其特征在于,以菠萝叶纤维和香蕉假茎为原料，包括如下步骤：

1)将菠萝叶打纤，自然晾干得到细长纤维；

2)将步骤1)获得的细长纤维经菠萝叶纤维脱胶处理制得精制的菠萝叶纤维；

3)将香蕉假茎机械切割并打碎，再搅拌制浆，获得香蕉假茎浆；

4)将步骤2)的菠萝叶纤维与步骤3)的香蕉假茎浆作为纸浆原料制备所述包装纸，其中菠萝叶纤维与香蕉假茎浆的重量比为1:50～1:100。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)所述的脱胶处理为超声波联合生物酶脱胶，包括下述步骤：

1)菠萝叶原麻加入浓度为40g/500ml草木灰溶液中煮沸60min，用水清洗干净；

2)将处理好的原麻放入60％的果胶酶的水溶液中，超声处理30min，超声波的频率为30kHz，超声波的功率为100W，水温为50℃；

3)然后将原麻放入90℃的热水中使酶失活，用水冲洗干净，最后用烘箱烘干，烘干温度条件为85℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)进一步包括将获得的香蕉假茎浆用草木灰和粗纤维降解菌处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)中进一步用纤维素酶处理香蕉假茎杆，纤维素酶的用量优选为每处理2000g香蕉假茎秆使用纤维素酶用量8.75g。

5.根据权利要求1～3的任一项所述的方法，其中步骤4)中将1:50～1:100的比例混合的菠萝叶纤维和香蕉假茎浆作为纸浆原料，按照铺浆、压平、晾晒的程序制备所述包装纸。

6.根据权利要求1～3的任一项所述的方法，其中步骤4)中先将菠菠萝叶纤维机械编织成网状，然后固定在滤网上作为龙骨，再将香蕉假茎浆倒入滤网上，晾晒、压光制备所述包装纸。