CN111592680A - 一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料及其制备方法。该方法包括以下步骤：(1)将芦苇废渣粉碎后，置于氢氧化钠溶液中浸泡4～8h后，过滤，收集并清洗固相产物；(2)将固相产物置于乳酸和甜菜碱的混合物中，搅拌均匀，过滤，收集固态产物；(3)研磨步骤(2)所得产物，再于60～75℃加热2～5h；(4)将淀粉‑丙烯酸接枝共聚物与磷酸盐搅拌混合，降温至60～75℃，加入步骤(3)所得产物，继续搅拌2～6h即可；(5)进行冷冻干燥即可。本发明制备得到的气凝胶包装材料具有优异的降解性能和吸水性能，且无毒无害，环保安全。
Description
技术领域
本发明属于食品包装材料技术领域，具体涉及一种一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料及其制备方法。
背景技术
塑料是一种可塑性很好的高分子材料，将其用于包装领域，与传统的包装材料(纸、金属、玻璃等)相比，塑料包装材料有其独特的性能。由塑料制成的各类包装材料，如塑料膜、塑料袋、塑料桶和箱子、塑料瓶和罐及复合包装材料等，被广泛应用于食品包装领域，而且市场需求量逐年呈上升趋势。塑料包装材料之所以能被广泛使用在食品包装中，是因为塑料包装有其独特的优良特性，如优异的物理力学性能，好的化学稳定性，质轻，加工成型性好，外形美观、容易着色等。但是，某些塑料材料的卫生安全性能较差，同时其包装废弃物又会对环境产生较大的影响，从而影响了塑料包装材料在某些食品包装领域的使用。但随着新型塑料材料的不断推出和迭代更新，塑料包装材料在食品领域中的应用相比其他包装材料仍占主导地位。
随着塑料薄膜包装材料的不断推陈出新和加工技术的不断提高，食品塑料包装薄膜已经深入人们的生活，相继而来的是塑料包装的废弃物给环境带来的负面影响和造成的危害越来越大。现如今，随着人们环境保护意识的不断增强，对食品包装也有了越来越高的要求，一方面对所包装食品保鲜期的要求越来越长，另一方面也期望包装废弃物可以自行降解，不会产生环境污染，因此对绿色包装的需求越来越多。同时，在肉类包装的特殊情况下，吸收垫通常用作水分控制元件，用于吸收储存时肉类释放的多余液体，那么这就需要包装材料还还要具有一定甚至是比较优异的吸水性，而目前的包装材料还比较缺乏这些方面的效果。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料及其制备方法，可有效解决现有包装材料存在的吸水性和可降解性不足的问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为5～15mL/g的比例置于浓度为3～6mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡4～8h后，煮沸2～5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得固相产物置于以摩尔比为0.5～1:0.1～1的乳酸和甜菜碱的混合物中，于60～90℃搅拌均匀，静置5～10h后过滤，收集固态产物；
(3)将步骤(2)所得产物置于500～1000rpm的条件下研磨20～30min后，于60～75℃加热2～5h；
(4)于100～150℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸盐以重量比为1～2:1～5的比例搅拌混合2～5h后，降温至60～75℃，加入步骤(3)所得产物，继续搅拌2～6h即可；步骤(3)所得产物与磷酸盐的重量比为0.5～1:2～5；
(5)将步骤(4)所得产物置于-20～-15℃的环境中冷冻20～40h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥30～40h即可。
进一步地，液固比为5～8mL/g。
进一步地，固相产物与乳酸和甜菜碱混合物的重量比为0.5～1:1～1.5。
进一步地，固相产物与乳酸和甜菜碱混合物的重量比为0.5:1～1.5。
进一步地，研磨时的转速为500～650rpm。
进一步地，步骤(3)中的加热温度为60～65℃。
进一步地，磷酸盐为正磷酸盐、三聚磷酸盐或偏磷酸盐。
进一步地，磷酸盐为正磷酸盐。
上述方法制备得到的高吸水性气凝胶包装材料。
本发明的有益效果为：
1、将芦苇废渣与氢氧化钠溶液以低液固比的比例混合，能够在处理的时候达到使纤维素尽可能富集的目的，另外，低液固比在提取过程中不会产生大量的废液，能够降低提取成本，减少废液的产量。
2、在从芦苇废渣中提取纤维素时，也会将木素、木质素一同提取出来，由于木质素具有低吸水性，甚至是不吸水的特性，因此，通过添加经乳酸和甜菜碱混合物，能够使木质素大量溶解于其中，部分木素可能也会溶解于其中，而纤维素则是不溶于乳酸和甜菜碱混合物的，由此达到减少产物中木质素含量的目的，保证提取得到的产物均为吸水性强的成分。
3、由于纤维素是由结晶相和非结晶相交错形成的，而结晶相纤维素中通过大量的羟基基团相互之间形成了数目庞大的氢键，直接导致了致密的晶体结构的形成，而致密的晶体结构又会阻碍纤维素的溶解，以及降低纤维素的吸水性，因此，通过500～1000rpm的机械研磨，能够有效的破坏纤维素的结晶度，从而将纤维素分子内的氢键拆开，使得其分子内的羟基也能够与水结合，可有效的提升其吸水性。同时，低转速的研磨还能够使纤维产生弯曲，从而提供更大的孔隙体积，进一步的增强纤维素的吸水性。
4、由于产物中还包括部分木素成分，木素成分在吸水后会会产生润胀，由此，部分纤维素则需要解决其润胀所带来的副作用，这样就会对纤维素的吸水性等带来影响。因此，通过在60～75℃对研磨后的纤维素和木素进行加热，能够有效的软化木素，从而起到一定的增加其润胀程度的作用，再加上前述步骤中添加的乳酸和甜菜碱混合物处理，能够尽可能的降低存在的木素对于纤维素功能的影响。
5、淀粉-丙烯酸接枝共聚物本身即具有良好的吸水性，通过添加磷酸盐，使淀粉带有磷元素，使得淀粉-丙烯酸接枝共聚物能够更容易被微生物攻击，提升其降解性能。然后再将纤维素加入至其中，能够有助于增加纤维素的孔径，同时，由于存在磷酸根离子，磷酸化的纤维素也能够有效的提升其吸水性。
6、本申请中使用的组分均为可降解成分，有效的保证了制备得到的气凝胶的生物降解性能，同时，各组分也均为天然成分，或无毒害的食品级成分，制备得到的产物安全性好。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为5mL/g的比例置于浓度为6mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡8h后，煮沸5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得固相产物置于以摩尔比为0.5:1的乳酸和甜菜碱的混合物中，于60℃搅拌均匀，静置5h后过滤，收集固态产物；
(3)将步骤(2)所得产物置于1000rpm的条件下研磨30min后，于60℃加热2h；
(4)于100℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸三钠以重量比为1:1的比例搅拌混合5h后，降温至60℃，加入步骤(3)所得产物，继续搅拌6h即可；所述步骤(3)所得产物与磷酸盐的重量比为0.5:2；
(5)将步骤(4)所得产物置于-20℃的环境中冷冻40h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥40h即可。
实施例2
一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为8mL/g的比例置于浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡8h后，煮沸5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得固相产物置于以摩尔比为1:1的乳酸和甜菜碱的混合物中，于70℃搅拌均匀，静置6h后过滤，收集固态产物；
(3)将步骤(2)所得产物置于500rpm的条件下研磨20min后，于65℃加热5h；
(4)于120℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸钠以重量比为1:3的比例搅拌混合5h后，降温至65℃，加入步骤(3)所得产物，继续搅拌2～6h即可；所述步骤(3)所得产物与磷酸盐的重量比为1:2；
(5)将步骤(4)所得产物置于-15℃的环境中冷冻40h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥40h即可。
实施例3
一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为10mL/g的比例置于浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡8h后，煮沸5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得固相产物置于以摩尔比为1:1的乳酸和甜菜碱的混合物中，于75℃搅拌均匀，静置10h后过滤，收集固态产物；
(3)将步骤(2)所得产物置于600rpm的条件下研磨30min后，于75℃加热3h；
(4)于150℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸二氢钠以重量比为1:4的比例搅拌混合3h后，降温至75℃，加入步骤(3)所得产物，继续搅拌2h即可；所述步骤(3)所得产物与磷酸盐的重量比为1:5；
(5)将步骤(4)所得产物置于-15℃的环境中冷冻40h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥40h即可。
对比例1
一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为5mL/g的比例置于浓度为6mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡8h后，煮沸5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得产物置于500rpm的条件下研磨30min；
(3)于150℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸二氢钠以重量比为2:5的比例搅拌混合2h后，降温至70℃，再加入步骤(2)所得产物，继续搅拌6h即可；步骤(2)所得产物与磷酸盐的重量比为1:5；
(4)将步骤(3)所得产物置于-20℃的环境中冷冻40h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥40h即可。
对比例2
一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为5mL/g的比例置于浓度为6mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡4h后，煮沸5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得固相产物置于以摩尔比为1:1的乳酸和甜菜碱的混合物中，于90℃搅拌均匀，静置10h后过滤，收集固态产物；
(3)于150℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸钠以重量比为1:5的比例搅拌混合5h后，加入步骤(2)所得产物，继续搅拌2h即可；步骤(2)所得产物与磷酸盐的重量比为0.5:5；
(4)将步骤(3)所得产物置于-15℃的环境中冷冻20h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥40h即可。
对比例3
一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为10mL/g的比例置于浓度为6mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡8h后，煮沸5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得固相产物置于以摩尔比为1:1的乳酸和甜菜碱的混合物中，于90℃搅拌均匀，静置5～10h后过滤，收集固态产物；
(3)于120℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸钠以重量比为1～2:1～5的比例搅拌混合5h后，降温至75℃，加入步骤(2)所得产物，继续搅拌2h即可；步骤(2)所得产物与磷酸盐的重量比为0.5:5；
(4)将步骤(3)所得产物置于-15℃的环境中冷冻40h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥40h即可。
对比例4
将0.075g纤维素加入至15mL蒸馏水中，经超turrax均质分散，得到均匀悬浮液，制备出纯纤维素气凝胶。然后将其倒入培养皿(直径6cm)，在-80℃下冷冻，然后使用Genesis35-EL冷冻干燥机(Virtis)冷冻干燥即可。
实验例
1、取100g实施例1～3和对比例1～3从芦苇中提取得到的产物，并检测其中各成分含量，其结果见表1。
表1提取物成分含量
| 纤维素(％) | 木质素(％) | 木素(％) | |
| 实施例1 | 92 | 0.5 | 6 |
| 实施例2 | 94 | 0 | 4 |
| 实施例3 | 90 | 0 | 4 |
| 对比例1 | 72 | 12 | 10 |
| 对比例2 | 90 | 0.2 | 5 |
| 对比例3 | 91 | 0 | 4 |
实施例1～3和对比例1、对比例3均添加有乳酸和甜菜碱混合物，而对比例2中缺少该步骤，由表1数据可知，通过添加有乳酸和甜菜碱混合物能够有效的除去提取物中的木质素成分，并减少木素成分的含量。
2、采用传统的茶叶袋方法来测试实施例1～3和对比例1～4制备所得产物的吸水保水值(WAARV)。
测试过程如下：将一定量接枝共聚样品重新分散于水中，调节pH值至8.5。搅拌两小时至纤维均匀分散于液体中。将分散均匀的纤维悬浮液倒入至预先烘干的茶叶袋(质量记为ITB)中，静置使多余的溶液过滤掉。然后将茶叶袋在900rpm的条件下离心10min。记录下此时的茶叶袋(内含样品)的质量(W1)。将离心后的茶叶袋放至烘箱中，在105℃条件烘干6小时并称重(W2)。同样条件下平行测试三次结果，按下列等式计算并取平均值：
WAARV(g/g)＝(WPW-DPW)/DPW；
其中：WPW＝W1-ITB，DPW＝W2-ITB；
W1为离心后茶叶袋(内含样品)的质量，W2为烘箱烘干后茶叶袋(内含样品)的质量，ITB为茶叶袋的绝干质量。具体检测结果见表2。
表2吸水保水值
由表2数据可知，本申请方法制备得到的产物保水吸水值均达到了120g水/g纤维，而对比例1由于设置有对纤维素进行研磨，破坏其结晶体的过程，再加上后续步骤(3)中是在降温至75℃后再加入纤维素成分，因此其吸水保水值明显优于缺乏该步骤的对比例2和对比例3。另外，对比例3步骤(3)中由于设置有在降温至75℃后再加入纤维素成分，其吸水保水值也略优于对比例2，但差距不明显，而本申请实施例1～3和对比例1～3的吸水保水值均明显优于未对纤维素进行任何处理的对比例4。
3、分别将本申请实施例1～3和对比例1～4制备得到的产物包埋于自然环境土壤中，1～2周后，实施例1～3和对比例1制备得到的产物即开始初步降解，3周左右实施例1～3和对比例1制备得到的产物已经开始大量降解，4～5周即几乎完全降解。
由于对比例2～4制备得到纤维素的结晶度比实施例1～3和对比例1大，其降解效率明显低于实施例1～3和对比例1，对比例2和3在5～6周左右才开始大量降解，最后需要在7～8周左右才能达到降解完成的效果。对比例4的降解效率略低于对比例2和对比例3，其在8周以后才能达到完全降解的效果。
Claims (9)
1.一种采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将芦苇废渣粉碎后，以液固比为5～15mL/g的比例置于浓度为3～6mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡4～8h后，煮沸2～5h，过滤，收集并清洗固相产物；
(2)将步骤(1)所得固相产物置于以摩尔比为0.5～1:0.1～1的乳酸和甜菜碱的混合物中，于60～90℃搅拌均匀，静置5～10h后过滤，收集固态产物；
(3)将步骤(2)所得产物置于500～1000rpm的条件下研磨20～30min后，于60～75℃加热2～5h；
(4)于100～150℃，将淀粉-丙烯酸接枝共聚物与磷酸盐以重量比为1～2:1～5的比例搅拌混合2～5h后，降温至60～75℃，加入步骤(3)所得产物，继续搅拌2～6h即可；所述步骤(3)所得产物与磷酸盐的重量比为0.5～1:2～5；
(5)将步骤(4)所得产物置于-20～-15℃的环境中冷冻20～40h，然后继续在-40℃环境中冷冻干燥30～40h即可。
2.根据权利要求1所述的采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，所述液固比为5～8mL/g。
3.根据权利要求1所述的采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，所述固相产物与乳酸和甜菜碱混合物的重量比为0.5～1:1～1.5。
4.根据权利要求3所述的采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，所述固相产物与乳酸和甜菜碱混合物的重量比为0.5:1～1.5。
5.根据权利要求1所述的采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，所述研磨时的转速为500～650rpm。
6.根据权利要求1所述的采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的加热温度为60～65℃。
7.根据权利要求1所述的采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，所述磷酸盐为正磷酸盐、三聚磷酸盐或偏磷酸盐。
8.根据权利要求7所述的采用芦苇废渣制备高吸水性气凝胶包装材料的方法，其特征在于，所述磷酸盐为正磷酸盐。
9.权利要求1～8任一项所述的方法制备得到的高吸水性气凝胶包装材料。
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