CN111074685A - 一种可降解食品包装纸及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及造纸领域，具体提供了一种可降解食品包装纸及其生产工艺，该包装纸以针叶未漂化学木浆、阔叶未漂化学木浆和纳米纤维素纤丝为主要原料，采用添加了疏水纳米纤维素的表面胶配合相应的施胶工艺制备而成，满足了包装纸高强度、抗水性、可降解性等各项性能的要求。

Description

一种可降解食品包装纸及其生产工艺
技术领域
本发明涉及造纸领域，具体涉及一种可降解食品包装纸及其生产工艺。
背景技术
在各类食品包装材料中，塑料具有轻便、廉价和良好的阻隔性等特点，在食品包装市场中历来占有较大的份额。但由于塑料对人体健康的有害性和极难自然降解性，造成严重的环境污染，使其在食品包装领域的进一步发展受到限制。近些年来，在全球环保呼声日益高涨的今天，开发食品包装纸已成为食品和包装行业的共识。纸质食品包装这一“绿色包装”方式正以其环保性成为不可降解的包装形式的最佳替代品，在食品包装领域的优势越来越明显。顺应这种趋势，国内外市场已逐步禁止使用塑料食品包装，规定今后食品包装必须要用无毒、无害的纸制品。因此纸质食品包装已成为国内外消费市场上炙手可热的包装新宠，有些国家甚至规定，包装食品一律禁用塑料制品，提倡采用纸制品进行“绿色包装”。
食品包装纸是以纸浆及纸板为主要原料的包装制品，需要满足无毒，抗油、防水防潮，密封等要求，且符合食品包装安全要求的用于包装食品的纸。食品包装纸因其与食品直接接触，且其包装物大部分都是直接入口的食品，所以食品包装纸最基本的要求是必须符合食品卫生的要求，其次根据食品包装纸使用要求的不同，还必须达到相关的技术标准。
食品包装纸最基本的要求是强度指标，保证食品完好，第二，对于液体或含水、含油的食品，要求食品包装纸有防水、防油的功能，除此之外，与食品直接接触的包装纸还需要满足安全、无毒的标准，另外，在环保大形势下，可降解性成为当前食品包装纸的新要求。当前主流的食品包装纸，主要关注的各项物理指标，例如：强度指标、抗水指标、卫生指标，但对如何达到这些指标才能适应环保形势要求，关注度比较小。例如：提高纸张抄造过程中的留着率是通过添加阳离子聚丙烯酰胺完成，增强纸页的湿强度和干强度主要是通过使用湿强剂和干强剂来实现，使用纸张具有抗水抗油性主要是通过纸面涂有机硅油或涂覆PE膜的方式完成。这些化学品都或多或少的对人体有伤害，并且纸上涂覆的有机硅油或PE膜大大延长了纸张的降解周期，甚至不降解。
因此如何提供一种更加环保和安全的可降解食品包装纸成为本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明针对现有技术存在的诸多问题，提供了一种可降解食品包装纸及其生产工艺，该包装纸以针叶未漂化学木浆、阔叶未漂化学木浆和纳米纤维素纤丝为主要原料，采用添加了酯化纳米纤维素的表面胶配合相应的施胶工艺制备而成，满足了包装纸高强度、抗水性、可降解性等各项性能的要求。
本发明的最大特点就是在实现包装纸高强度、抗水性、可降解性等各项性能的前提下，不使用合成的化工产品，而是用纯生物质的纳米纤维素纤丝和疏水纳米纤维素来实现上述功能；
本申请的具体技术方案如下：
一种可降解食品包装纸，其抄纸纤维原料组成按重量份为：
针叶未漂化学木浆20-40份；阔叶未漂化学木浆40-60份；15-25份纳米纤维素纤丝；
其中所述的针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆是干浆板，纳米纤维素纤丝是浓度10-12wt％的湿浆(计算用量时按照其绝干重进行计算加入量)：
本申请的另外一个特点是，提供了全新的表面胶配比如下：
疏水纳米纤维素浓度为2-3wt％；
木薯原淀粉按照0.3-0.5kg/吨淀粉的加入量加入淀粉酶，之后加水配置为35-45wt％的溶液，经过熬制后使其粘度达到500-800CP，形成淀粉糊液；
淀粉糊液与疏水纳米纤维素在均质机中以固形物重量2:1的比例均质30min以上，形成均一的乳液，最终形成表面胶的浓度为5-8wt％，加入蒸汽调整温度至50-60℃备用；
其具体制备方法如下：
打浆工艺：
针叶未漂化学木浆打浆浓度3-4wt％，打浆度33-35゜SR，湿重5-6g；
阔叶未漂化学木浆打浆浓度3.5-4.5wt％，打浆度43-45゜SR，湿重2-3g；
纳米纤维素纤丝加水稀释至3-5wt％；
配浆工艺：针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆经过打浆后，以及纳米纤维素纤丝稀释后分别泵送至配浆池，按原料组成均匀混合，保持搅拌状态；
抄造参数：上网浓度1.0-1.8wt％；上网温度40-50℃；唇口开度10-12mm；网部真空伏辊真空度-50～-70KPa；压榨部线压力800-1100KN/M；
三种浆料上网前需要加水稀释到上述浓度；
施胶机参数：顶辊计量棒棒压80-100KPa；底辊计量棒棒压80-100KPa；施胶机辊压顶辊/底辊20KPa/m；进施胶机纸页水分1.5-2.5wt％；顶辊、底辊均使用14#计量棒；施胶量2-4g/m2；
压光卷取参数：一压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力100-130KN/m；二压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力130-150KN/m；
除此之外，本申请的其他操作参数如下：
干网张力：3-4kN/m，
稳纸器风机：频率80-100％，
气罩供风：温度60—150℃，
干燥部的工作蒸汽压力：
总蒸汽压力：3.5-5.0bar，
第一蒸汽区：1#缸压力-75—-10Kpa，
2#、3#缸压力-10—-70Kpa，
4#、5#缸压力-10—-70Kpa，
6#、7#缸压力-30—50Kpa，
第二蒸汽区：8#—10#缸蒸汽压力10—180Kpa，
11#—16#缸蒸汽压力30—280Kpa，
第三蒸汽区：17#—20#缸蒸汽压力50—400Kpa，
21#—28#缸蒸汽压力60—450Kpa，
第四蒸汽区：29#—31#缸蒸汽压力：-30—100Kpa，
32#、34#、36#、38#缸蒸汽压力：0—150Kpa，
33#、35#、37#、39#缸蒸汽压力：0—200Kpa。
其中：第一、二、三蒸汽区是前烘区，第四蒸汽区是后烘区；
按照上述操作参数，所述浆料通过抄纸机成型，烘干部干燥，进入施胶机涂上上述的表面胶料，再经过后烘干燥进入压光卷取形成成品；
上述技术方案中，所采用的纳米纤维素纤丝采用的是中国科学院青岛生物能源与过程研究所发明的“一种纳米纤维素纤丝的制备方法”技术生产获得，申请号201610041840.1；
所述疏水纳米纤维素采用的是武汉大学周金平等人发明的“一种纳米纤维素的疏水改性方法”生产的疏水性纳米纤维素，申请号201710667227.5；
采用本申请的技术方案，在原料中加入纳米纤维素纤丝，由于纤维上氢键发挥作用需要纤维之间羟基的距离在0.35nm之内，而具有纳米尺寸长度的纳米纤维素纤丝有助于通过桥接邻近纤维，并通过纳米尺寸的纤维素形成的缠结网络增加结合面积，与尺寸较大的木浆纤维相互配合补充，形成一种“钢筋混凝土”状的较密实网格状态，从而起到截留细小纤维和增强的作用，除此之外，还一定程度上减少了甚至完全取代了助留剂、助滤剂、增强剂之类的纯化学药剂的使用，提供了一种纯绿色安全原材料；
而采用加入疏水纳米纤维素的表面胶料后，通过在纳米纤维素上大量裸露的羟基通过接枝反应接上疏水性基团，从而使纳米纤维素由亲水性改性为疏水性，涂覆在纸张表面，使纸张表面具有了疏水性能；除此之外经过实验验证，该疏水纳米纤维素也有较好的防油效果，达到了食品包装纸的各类要求；
采用上述工艺制备的可降解食品包装纸，留着率和纸张强度均远大于常规造纸化学品带来的效果，并且从抗水方面，本申请获得的包装纸完全能达到疏水、抗水的效果，不需要二次覆膜或涂硅，同时发明人对其进行了降解实验，通过将包装纸置于湿润的土壤中30天后，进行电镜分析，发现本发明所获得的包装纸大部分纤维已经碎片化，纸张基本成无定型状态；降解效果良好。
附图说明
图1为本发明所获得的食品包装纸土壤中降解30天后电镜分析图，
图2为现有覆膜后的食品包装纸土壤中降解30天后电镜分析图，
降解实验条件：将纸埋在湿润的土壤中，保持温度38℃，土壤以湿润无积水为准，放置30天后拿出来用扫描电镜分析；
由图可知本专利获得的食品包装纸，大部分纤维已断裂碎片化，纸张基本成无定型状态；而覆膜后的食品包装纸，纤维基本完整，表面涂覆的薄膜也是完整的(图片中是揭去覆膜后的纸)；从这两张图可以直观的看出本专利生产的纸的可降解性明显好于现有技术覆膜后的纸。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述实施例中所采用的纳米纤维素纤丝采用的是中国科学院青岛生物能源与过程研究所发明的“一种纳米纤维素纤丝的制备方法”技术生产获得，申请号201610041840.1；所述疏水纳米纤维素采用的是武汉大学周金平等人发明的“一种纳米纤维素的疏水改性方法”生产的疏水性纳米纤维素，申请号201710667227.5；
下述实施例的其他操作参数如下：
干网张力：3-4kN/m，
稳纸器风机：频率80-100％，
气罩供风：温度60—150℃，
干燥部的工作蒸汽压力：
总蒸汽压力：3.5-5.0bar，
第一蒸汽区：1#缸压力-75—-10Kpa，
2#、3#缸压力-10—-70Kpa，
4#、5#缸压力-10—-70Kpa，
6#、7#缸压力-30—50Kpa，
第二蒸汽区：8#—10#缸蒸汽压力10—180Kpa，
11#—16#缸蒸汽压力30—280Kpa，
第三蒸汽区：17#—20#缸蒸汽压力50—400Kpa，
21#—28#缸蒸汽压力60—450Kpa，
第四蒸汽区：29#—31#缸蒸汽压力：-30—100Kpa，
32#、34#、36#、38#缸蒸汽压力：0—150Kpa，
33#、35#、37#、39#缸蒸汽压力：0—200Kpa。
其中：第一、二、三蒸汽区是前烘区，第四蒸汽区是后烘区；
实施例1
一种可降解食品包装纸，其抄纸纤维原料组成按重量份为：
针叶未漂化学木浆20份；阔叶未漂化学木浆40份；25份纳米纤维素纤丝；
其中所述的针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆是干浆板，纳米纤维素纤丝是浓度10-12wt％的湿浆：
所采用的表面胶配比如下：
疏水纳米纤维素浓度为2-3wt％；
木薯原淀粉按照0.3-0.5kg/吨淀粉的加入量加入淀粉酶，之后加水配置为35-45wt％的溶液，经过熬制后使其粘度达到500-800CP，形成淀粉糊液；
淀粉糊液与疏水纳米纤维素在均质机中以固形物重量2:1的比例均质30min以上，形成均一的乳液，最终形成表面胶的浓度为5-8wt％，加入蒸汽调整温度至50-60℃备用；
其具体制备方法如下：
打浆工艺：
针叶未漂化学木浆打浆浓度3-4wt％，打浆度33-35゜SR，湿重5-6g；
阔叶未漂化学木浆打浆浓度3.5-4.5wt％，打浆度43-45゜SR，湿重2-3g；
纳米纤维素纤丝加水稀释至3-5wt％；
配浆工艺：针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆经过打浆后，以及纳米纤维素纤丝稀释后分别泵送至配浆池，按原料组成均匀混合，保持搅拌状态；
抄造参数：上网浓度1.0-1.8wt％；上网温度40-50℃；唇口开度10-12mm；网部真空伏辊真空度-50～-70KPa；压榨部线压力800-1100KN/M；三种浆料上网前需要加水稀释到上述浓度；
施胶机参数：顶辊计量棒棒压80-100KPa；底辊计量棒棒压80-100KPa；施胶机辊压顶辊/底辊20KPa/m；进施胶机纸页水分1.5-2.5wt％；顶辊、底辊均使用14#计量棒；施胶量2g/m2；
压光卷取参数：一压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力100-130KN/m；二压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力130-150KN/m；
按照上述操作参数，所述浆料通过抄纸机成型，烘干部干燥，进入施胶机涂上上述的表面胶料，再经过后烘干燥进入压光卷取形成成品。
实施例2
一种可降解食品包装纸，其抄纸纤维原料组成按重量份为：
针叶未漂化学木浆40份；阔叶未漂化学木浆60份；15份纳米纤维素纤丝；
其中所述的针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆是干浆板，纳米纤维素纤丝是浓度10-12wt％的湿浆：
所采用的表面胶配比如下：
疏水纳米纤维素浓度为2-3wt％；
木薯原淀粉按照0.3-0.5kg/吨淀粉的加入量加入淀粉酶，之后加水配置为35-45wt％的溶液，经过熬制后使其粘度达到500-800CP，形成淀粉糊液；
淀粉糊液与疏水纳米纤维素在均质机中以固形物重量2:1的比例均质30min以上，形成均一的乳液，最终形成表面胶的浓度为5-8wt％，加入蒸汽调整温度至50-60℃备用；
其具体制备方法如下：
打浆工艺：
针叶未漂化学木浆打浆浓度3-4wt％，打浆度33-35゜SR，湿重5-6g；
阔叶未漂化学木浆打浆浓度3.5-4.5wt％，打浆度43-45゜SR，湿重2-3g；
纳米纤维素纤丝加水稀释至3-5wt％；
配浆工艺：针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆经过打浆后，以及纳米纤维素纤丝稀释后分别泵送至配浆池，按原料组成均匀混合，保持搅拌状态；
抄造参数：上网浓度1.0-1.8wt％；上网温度40-50℃；唇口开度10-12mm；网部真空伏辊真空度-50～-70KPa；压榨部线压力800-1100KN/M；三种浆料上网前需要加水稀释到上述浓度；
施胶机参数：顶辊计量棒棒压80-100KPa；底辊计量棒棒压80-100KPa；施胶机辊压顶辊/底辊20KPa/m；进施胶机纸页水分1.5-2.5wt％；顶辊、底辊均使用14#计量棒；施胶量4g/m2；
压光卷取参数：一压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力100-130KN/m；二压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力130-150KN/m；
按照上述操作参数，所述浆料通过抄纸机成型，烘干部干燥，进入施胶机涂上上述的表面胶料，再经过后烘干燥进入压光卷取形成成品。
实施例3
一种可降解食品包装纸，其抄纸纤维原料组成按重量份为：
针叶未漂化学木浆28份；阔叶未漂化学木浆55份；20份纳米纤维素纤丝；
其中所述的针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆是干浆板，纳米纤维素纤丝是浓度10-12wt％的湿浆：
所采用的表面胶配比如下：
疏水纳米纤维素浓度为2-3wt％；
木薯原淀粉按照0.3-0.5kg/吨淀粉的加入量加入淀粉酶，之后加水配置为35-45wt％的溶液，经过熬制后使其粘度达到500-800CP，形成淀粉糊液；
淀粉糊液与疏水纳米纤维素在均质机中以固形物重量2:1的比例均质30min以上，形成均一的乳液，最终形成表面胶的浓度为5-8wt％，加入蒸汽调整温度至50-60℃备用；
其具体制备方法如下：
打浆工艺：
针叶未漂化学木浆打浆浓度3-4wt％，打浆度34-35゜SR，湿重5.5g；
阔叶未漂化学木浆打浆浓度3.5-4.5wt％，打浆度43-44゜SR，湿重3g；
纳米纤维素纤丝加水稀释至3-5wt％；
配浆工艺：针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆经过打浆后，以及纳米纤维素纤丝稀释后分别泵送至配浆池，按原料组成均匀混合，保持搅拌状态；
抄造参数：上网浓度1.0-1.8wt％；上网温度40-50℃；唇口开度10-12mm；网部真空伏辊真空度-50～-70KPa；压榨部线压力800-1100KN/M；三种浆料上网前需要加水稀释到上述浓度；
施胶机参数：顶辊计量棒棒压80-100KPa；底辊计量棒棒压80-100KPa；施胶机辊压顶辊/底辊20KPa/m；进施胶机纸页水分1.5-2.5wt％；顶辊、底辊均使用14#计量棒，施胶量3g/m2；
压光卷取参数：一压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力100-130KN/m；二压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力130-150KN/m；
按照上述操作参数，所述浆料通过抄纸机成型，烘干部干燥，进入施胶机涂上上述的表面胶料，再经过后烘干燥进入压光卷取形成成品。
实验对照例：(与本实施例3相对照)
按照实施例3生产一种可降解食品包装纸；
对照例：
按照与实施例3相同的抄纸纤维原料组成(除去纳米纤维素纤丝)：
针叶未漂化学木浆28份；阔叶未漂化学木浆55份；
辅料用量：阳离子聚丙烯酰胺助留剂0.6kg/t纸，阳离子聚丙烯酰胺助滤剂0.2kg/t纸，PAE湿强剂8kg/t纸，阳离子淀粉干强剂12kg/t纸，AKD施胶剂10kg/t纸；
所采用的表面胶配比如下：
木薯原淀粉按照0.2-0.3kg/吨淀粉的加入量加入淀粉酶，之后加水配置为9-11wt％的溶液，经过熬制后使其粘度达到12-15CP，形成淀粉糊液；
其具体制备方法如下：
打浆工艺：
针叶未漂化学木浆打浆浓度3-4wt％，打浆度34-35゜SR，湿重5.5g；
阔叶未漂化学木浆打浆浓度3.5-4.5wt％，打浆度43-44゜SR，湿重3g；
配浆工艺：针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆经过打浆后，泵送至配浆池，按原料组成均匀混合，保持搅拌状态；
抄造参数：上网浓度1.0-1.8wt％；上网温度40-50℃；唇口开度10-12mm；网部真空伏辊真空度-40～-60KPa；压榨部线压力700-1000KN/M.；
施胶机参数：顶辊计量棒棒压90-110KPa；底辊计量棒棒压90-110KPa；施胶机辊压顶辊/底辊20KPa/m；进施胶机纸页水分1.5-2.5wt％；顶辊、底辊均使用14#计量棒，施胶量2g/m2；
压光卷取参数：一压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力100-130KN/m；二压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力130-150KN/m；
按照上述操作参数，所述浆料通过抄纸机成型，烘干部干燥，进入施胶机涂上上述的表面胶料，再经过后烘干燥进入压光卷取形成成品。
上述产品再经过覆膜机涂覆4-5g/m2的聚乙烯薄膜，生产出最终产品，这种产品因为表面有一层聚乙烯薄膜，所以其抗水性也较好。
对两种食品包装纸进行相关实验，结果如下：
Figure BDA0002332050920000071
Figure BDA0002332050920000081
由上述内容可知，对比例中采用常规助留助滤剂提高留率，加湿强剂和干强剂提高强度，用浆内施胶和表面施胶来提高抗水性(用液体接触角来表示)。从检测结果看，本专利实施例3中的留着率和纸张强度均远大于常规造纸化学品带来的效果，并且从抗水方面，本申请实施例3的产品完全能达到疏水、抗水的效果，不需要二次覆膜或涂硅，而对比例中，产品的接触角小于90度，需要二次覆膜或涂硅才能满足使用要求，这两种物质与生物质基的纳米纤维素纤丝比较，安全性和可降解性均差，同时提高了加工的成本和工艺难度；
而针对降解性能，如图1和2所示，发明人将实施例3获得的产品和对比例获得的产品埋在湿润的土壤中，保持温度38℃，土壤以湿润无积水为准，放置30天后拿出来用扫描电镜分析(图片上标注的注释为15kv 100X比例200μm)；
由图可知本专利获得的食品包装纸，大部分纤维已断裂碎片化，纸张基本成无定型状态；而覆膜后的食品包装纸，纤维基本完整，表面涂覆的薄膜也是完整的(图片中是揭去覆膜后的纸)；从这两张图可以直观的看出本专利生产的纸的可降解性明显好于现有技术覆膜后的纸。

Claims (3)

1.一种可降解食品包装纸，其特征在于：采用的抄纸纤维原料组成按重量份为：
针叶未漂化学木浆20-40份；阔叶未漂化学木浆40-60份；15-25份纳米纤维素纤丝；
其中所述的针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆是干浆板，纳米纤维素纤丝是浓度10-12wt％的湿浆。
2.根据权利要求1所述可降解食品包装纸，其特征在于：所采用的表面胶配比及制备方法如下：
疏水性纳米纤维素浓度为2-3wt％；
木薯原淀粉按照0.3-0.5kg/吨淀粉的加入量加入淀粉酶，之后加水配置为35-45wt％的溶液，经过熬制后使其粘度达到500-800CP，形成淀粉糊液；
淀粉糊液与疏水性纳米纤维素在均质机中以固形物重量2:1的比例均质30min以上，形成均一的乳液，最终形成表面胶的浓度为5-8wt％，加入蒸汽调整温度至50-60℃备用。
3.一种可降解食品包装纸的制备方法，其特征在于：其具体步骤工艺参数如下：
打浆工艺：
针叶未漂化学木浆打浆浓度3-4wt％，打浆度33-35゜SR，湿重5-6g；
阔叶未漂化学木浆打浆浓度3.5-4.5wt％，打浆度43-45゜SR，湿重2-3g；
纳米纤维素纤丝加水稀释至3-5wt％；
配浆工艺：针叶未漂化学木浆和阔叶未漂化学木浆经过打浆后，以及纳米纤维素纤丝稀释后分别泵送至配浆池，按原料组成均匀混合，保持搅拌状态；
抄造参数：上网浓度1.0-1.8wt％；上网温度40-50℃；唇口开度10-12mm；网部真空伏辊真空度-50～-70KPa；压榨部线压力800-1100KN/M；
施胶机参数：顶辊计量棒棒压80-100KPa；底辊计量棒棒压80-100KPa；施胶机辊压顶辊/底辊20KPa/m；进施胶机纸页水分1.5-2.5wt％；顶辊、底辊均使用14#计量棒；施胶量为2-4g/m2；
压光卷取参数：一压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力100-130KN/m；二压：速比0.1-0.2％，温度80-90℃，线压力130-150KN/m；
按照上述操作参数，所述浆料通过抄纸机成型，烘干部干燥进入施胶机涂上上述的表面胶料，再经过后烘干燥进入压光卷取形成成品。
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