CN112522999A - 一种高韧性、防磨的纸质包装材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高韧性、防磨的纸质包装材料及其制备工艺。本发明以回收处理的废纸纤维为主体；利用聚丙烯酰胺中的丰富的氢键，让细菌纤维素形成过程中产生重排，从而形成具有更高韧性的螺旋型结构的细菌纤维素@聚丙烯酰胺复合材料，有效增加纸质包装材料的韧性；利用聚丙烯酰胺中的碳碳双键与硫醇基之间的光点击反应，增加抑菌剂的附着力，有效提高纸质包装材料的抑菌性；通过卡宾胶水粘结高密度聚乙烯膜，防水抗污的同时，与竹纤维协同增加纸质包装材料的防磨性。

Description

一种高韧性、防磨的纸质包装材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及纸质包装材料技术领域，具体为一种高韧性、防磨的纸质包装材料及其制备工艺。
背景技术
近年来，由于互联网事业的飞速发展，带动了物流业的发展，也使得包裹物品的纸质包装材料需求量逐年增高，关于包装材料年消耗量也大幅增长。然而现有包装材料种类虽然很多，但其韧性、防磨性等方面的性能依然需要提高；此外，纸质包装材料也广泛应用在食品、药物等行业，因此还需要考虑纸质包装材料的抑菌性；同时，如何面对潮湿天气带来吸水问题，影响包裹物品的质量以及纸质材料耐久性问题也需要解决；综上，制备一款具有高韧性、防磨、抑菌、防水的纸质包装材料来满足多领域应用是需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧性、防磨的纸质包装材料及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种高韧性、防磨的纸质包装材料，纸质包装材料的原料包括以下成分：按重量计，废纸纤维42～66份、BC@PAM 8～24份、竹纤维5～10份、聚六亚甲基胍盐酸盐2～6份、3-疏基丙酸1～5份。
较为优化地，BC@PAM(细菌纤维素@聚丙烯酰胺)是以聚丙烯酰胺为模板生长螺旋型细菌纤维素制备的。
较为优化地，一种高韧性、防磨的纸质包装材料的制备工艺，包括以下步骤：
S1：废纸纤维制备；
S2：BC@PAM的制备；
S3：纸质包装材料的制备。
较为优化地，包括以下步骤：
S1：废纸纤维的制备：将回收的废弃纸质材料浸泡水中处理24～36小时，采用洗涤法脱墨，置于水力碎浆机中碎解成浆，筛选，疏解机二次碎解，过滤，干燥，得到废纸纤维，备用；
S2：BC@PAM的制备：
(1)称取5g胰蛋白胨、5g酵母提取物、2.7g磷酸氢二钠、1.5g柠檬酸、20g葡萄糖超声分散在去离子水中，并定容至1L；灭菌后转移至培养皿中，得到培养基A；一模一样制备培养基B和培养基C，备用；
(2)将木醋杆菌加入培养基A中，于27～30℃下静置3天，加入纤维素酶；所得混合液转移至振荡瓶中，设置振荡速度为110～180rmp，温度为30℃，振荡时间为12～24小时；将其于4℃下以3000～4000rmp离心速度去除纤维素酶，得到BC种子液；并转移置于培养基B中，得到BC发酵液，备用；
(3)将PAM粉末溶于培养基C中，形成PAM溶液；将其转移至微波反应器中，煮沸5分钟，自然冷却至30～40℃，循环“煮沸-冷却”3次；加入BC发酵液，于27～30℃下静态发酵8～10天；将其转移至塑料培养皿并置于冷藏室，设置工作温度为-20℃，冷冻时间为24小时；室温下解冻，循环“冷冻-解冻”3次；置于80～100℃热水中，加热1～2小时，过滤，洗涤，干燥，得到BC@PAM，备用；
S3：纸质包装材料的制备：
(1)将42～66份废纸纤维、8～24份BC@PAM、5～10份竹纤维置于粉碎机中，将粉碎的原料转移至搅拌釜中，设置搅拌速度为140～200rmp，设置温度为60～80℃，边搅拌边加入去离子水，继续搅拌30分钟；加入2～6份聚六亚甲基胍盐酸盐，搅拌10分钟；加入1～5份3-疏基丙酸，搅拌10～20分钟，得到混合浆料；使用激光紫外照射，设置波长为365nm，照射8～10分钟；将其置于压塑机中，经过抄造，真空压榨脱水，烘干，切纸，得到纸质包装材料；
(2)将纸质包装材料转移至涂料机上，其在表面均匀喷涂一层卡宾胶水，然后附上一层高密度聚乙烯膜，通过辊压加固，设置工作温度为50～100℃，得到高韧性、防磨的纸质包装材料。
较为优化地，步骤S2的(2)中，BC发酵液中BC种子液的体积浓度为1％～5％。
较为优化地，步骤S2的(3)中，PAM溶液中PAM的浓度为0.01～0.1g/mL。
较为优化地，步骤S3的(1)中，烘干的温度为85～120℃。
较为优化地，步骤S3的(2)中，所述高密度聚乙烯膜的厚度为0.1～0.25mm。
本技术方案中，以回收处理的废纸纤维为主体，加入BC@PAM(细菌纤维素@聚丙烯酰胺)增加纸质包装材料的韧性、加入竹纤维增加纸质包装材料的耐磨性、加入聚六亚甲基胍盐酸盐作为抑菌剂，增加抑菌性，再于纸质包装材料表面通过卡宾胶水粘结高密度聚乙烯膜以增加防水性和耐磨性。具体如下：
高韧性材料一般取决于其分子结构中的分层结构和有序度。而细菌纤维素是由细菌以水凝胶形成的三维结构纤维素膜，由于分子内氢键和分子间氢键产生较高的拉伸强度和弹性模量。但其自然生长的BC是随机分布的，削弱了其拉伸强度和韧性，因此需要模板来规划BC的生长和分布，让其具有更高的韧性。因此，我们加入了聚丙烯酰胺，以其为模板，让BC在空气和液体的界面沿着聚丙烯酰胺交联的结构有序生长，提高韧性。
聚丙烯酰胺一种分子结构中富含氢键和碳碳双键的水溶性线性高分子聚合物。由于其分子结构中富含氢键，使得BC形成氢键的过程受到干扰，并且削弱了氢键的作用，从而导致BC的重排，使其可以沿着聚丙烯酰胺交联的结构想成螺旋型结构，增加了BC分子间的分层结构和有序度，从而提高了韧性强度；另一方面，由于其碳碳双键可以与硫醇基在紫外照射下产生光点击反应，增强了抑菌剂聚六亚甲基胍盐酸盐的附着力。具体：3-疏基丙酸中羧基与聚六亚甲基胍盐酸盐氨基产生缩合反应，使得聚六亚甲基胍盐酸盐分子链上含有疏基，疏基就是硫醇基，从而产生反应。当然，3-疏基丙酸与聚丙酰胺中的氨基也有反应，但由于位阻原因，反应较弱，而此副反应也增加了BC@PAM自身的交联度。同时，为避免副反应消耗3-疏基丙酸，我们加入的3-疏基丙酸也较多。而3-疏基丙酸溶于水，多余的3-疏基丙酸会在真空压榨脱水步骤中除去。聚六亚甲基胍盐酸盐的抑菌机制是破坏细菌细胞膜，从而导致细胞内成分泄漏死亡。
另外，由于所添加物质中大多含有亲水基团，为避免纸质包装材料的受潮，影响使用效果和耐久性，将所制备的纸质材料表面通过卡宾胶水粘结一层高密度聚乙烯膜，从而起到防水抗污的作用，其还与竹纤维协同增加纸质包装材料的防磨性。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明(1)利用聚丙烯酰胺中的丰富的氢键，让细菌纤维素形成过程中产生重排，从而形成具有更高韧性的螺旋型结构，有效增加纸质包装材料的韧性；(2)利用聚丙烯酰胺中的碳碳双键与硫醇基之间的光点击反应，增加抑菌剂的附着力，有效提高纸质包装材料的抑菌性；(3)通过卡宾胶水粘结高密度聚乙烯膜，防水抗污的同时，与竹纤维协同增加纸质包装材料的防磨性。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
S1：废纸纤维的制备：将回收的废弃纸质材料浸泡水中处理24小时，采用洗涤法脱墨，置于水力碎浆机中碎解成浆，筛选，疏解机二次碎解，过滤，干燥，得到废纸纤维，备用；
S2：BC@PAM的制备：(1)称取5g胰蛋白胨、5g酵母提取物、2.7g磷酸氢二钠、1.5g柠檬酸、20g葡萄糖超声分散在去离子水中，并定容至1L；灭菌后转移至培养皿中，得到培养基A；一模一样制备培养基B和培养基C，备用；(2)将木醋杆菌加入培养基A中，于27℃下静置3天，加入纤维素酶；所得混合液转移至振荡瓶中，设置振荡速度为110rmp，温度为30℃，振荡时间为12小时；将其于4℃下以3000rmp离心速度去除纤维素酶，得到BC种子液；并转移置于培养基B中，得到BC发酵液，备用；(3)将PAM粉末溶于培养基C中，形成PAM溶液；将其转移至微波反应器中，煮沸5分钟，自然冷却至30℃，循环“煮沸-冷却”3次；加入BC发酵液，于27℃下静态发酵8～10天；将其转移至塑料培养皿并置于冷藏室，设置工作温度为-20℃，冷冻时间为24小时；室温下解冻，循环“冷冻-解冻”3次；置于80℃热水中，加热1小时，过滤，洗涤，干燥，得到BC@PAM，备用；
S3：纸质包装材料的制备：(1)将42份废纸纤维、8份BC@PAM、5份竹纤维置于粉碎机中，将粉碎的原料转移至搅拌釜中，设置搅拌速度为140rmp，设置温度为60℃，边搅拌边加入去离子水，继续搅拌30分钟；加入2份聚六亚甲基胍盐酸盐，搅拌10分钟；加入1份3-疏基丙酸，搅拌10分钟，得到混合浆料；使用激光紫外照射，设置波长为365nm，照射8分钟；将其置于压塑机中，经过抄造，真空压榨脱水，烘干，切纸，得到纸质包装材料；(2)将纸质包装材料转移至涂料机上，其在表面均匀喷涂一层卡宾胶水，然后附上一层高密度聚乙烯膜，通过辊压加固，设置工作温度为50℃，得到高韧性、防磨的纸质包装材料。
本实施例中，步骤S2的(2)中，BC发酵液中BC种子液的体积浓度为1％；步骤S2的(3)中，PAM溶液中PAM的浓度为0.01g/mL；步骤S3的(1)中，烘干的温度为85℃；步骤S3的(2)中，所述高密度聚乙烯膜的厚度为0.1mm。
实施例2：
S1：废纸纤维的制备：将回收的废弃纸质材料浸泡水中处理36小时，采用洗涤法脱墨，置于水力碎浆机中碎解成浆，筛选，疏解机二次碎解，过滤，干燥，得到废纸纤维，备用；
S2：BC@PAM的制备：(1)称取5g胰蛋白胨、5g酵母提取物、2.7g磷酸氢二钠、1.5g柠檬酸、20g葡萄糖超声分散在去离子水中，并定容至1L；灭菌后转移至培养皿中，得到培养基A；一模一样制备培养基B和培养基C，备用；(2)将木醋杆菌加入培养基A中，于30℃下静置3天，加入纤维素酶；所得混合液转移至振荡瓶中，设置振荡速度为180rmp，温度为30℃，振荡时间为24小时；将其于4℃下以4000rmp离心速度去除纤维素酶，得到BC种子液；并转移置于培养基B中，得到BC发酵液，备用；(3)将PAM粉末溶于培养基C中，形成PAM溶液；将其转移至微波反应器中，煮沸5分钟，自然冷却至40℃，循环“煮沸-冷却”3次；加入BC发酵液，30℃下静态发酵10天；将其转移至塑料培养皿并置于冷藏室，设置工作温度为-20℃，冷冻时间为24小时；室温下解冻，循环“冷冻-解冻”3次；置于100℃热水中，加热2小时，过滤，洗涤，干燥，得到BC@PAM，备用；
S3：纸质包装材料的制备：(1)将66份废纸纤维、24份BC@PAM、10份竹纤维置于粉碎机中，将粉碎的原料转移至搅拌釜中，设置搅拌速度为200rmp，设置温度为80℃，边搅拌边加入去离子水，继续搅拌30分钟；加入6份聚六亚甲基胍盐酸盐，搅拌10分钟；加入5份3-疏基丙酸，搅拌10～20分钟，得到混合浆料；使用激光紫外照射，设置波长为365nm，照射8～10分钟；将其置于压塑机中，经过抄造，真空压榨脱水，烘干，切纸，得到纸质包装材料；(2)将纸质包装材料转移至涂料机上，其在表面均匀喷涂一层卡宾胶水，然后附上一层高密度聚乙烯膜，通过辊压加固，设置工作温度为50～100℃，得到高韧性、防磨的纸质包装材料。
本实施例中，步骤S2的(2)中，BC发酵液中BC种子液的体积浓度为5％；步骤S2的(3)中，PAM溶液中PAM的浓度为0.1g/mL；步骤S3的(1)中，烘干的温度为120℃；步骤S3的(2)中，所述高密度聚乙烯膜的厚度为0.25mm。
实施例3：
S1：废纸纤维的制备：将回收的废弃纸质材料浸泡水中处理30小时，采用洗涤法脱墨，置于水力碎浆机中碎解成浆，筛选，疏解机二次碎解，过滤，干燥，得到废纸纤维，备用；
S2：BC@PAM的制备：(1)称取5g胰蛋白胨、5g酵母提取物、2.7g磷酸氢二钠、1.5g柠檬酸、20g葡萄糖超声分散在去离子水中，并定容至1L；灭菌后转移至培养皿中，得到培养基A；一模一样制备培养基B和培养基C，备用；(2)将木醋杆菌加入培养基A中，于29℃下静置3天，加入纤维素酶；所得混合液转移至振荡瓶中，设置振荡速度为145rmp，温度为30℃，振荡时间为18小时；将其于4℃下以3500rmp离心速度去除纤维素酶，得到BC种子液；并转移置于培养基B中，得到BC发酵液，备用；(3)将PAM粉末溶于培养基C中，形成PAM溶液；将其转移至微波反应器中，煮沸5分钟，自然冷却至30～40℃，循环“煮沸-冷却”3次；加入BC发酵液，于29℃下静态发酵9天；将其转移至塑料培养皿并置于冷藏室，设置工作温度为-20℃，冷冻时间为24小时；室温下解冻，循环“冷冻-解冻”3次；置于90℃热水中，加热1.5小时，过滤，洗涤，干燥，得到BC@PAM，备用；
S3：纸质包装材料的制备：(1)将54份废纸纤维、16份BC@PAM、8份竹纤维置于粉碎机中，将粉碎的原料转移至搅拌釜中，设置搅拌速度为170rmp，设置温度为70℃，边搅拌边加入去离子水，继续搅拌30分钟；加入4份聚六亚甲基胍盐酸盐，搅拌10分钟；加入3份3-疏基丙酸，搅拌15分钟，得到混合浆料；使用激光紫外照射，设置波长为365nm，照射9分钟；将其置于压塑机中，经过抄造，真空压榨脱水，烘干，切纸，得到纸质包装材料；(2)将纸质包装材料转移至涂料机上，其在表面均匀喷涂一层卡宾胶水，然后附上一层高密度聚乙烯膜，通过辊压加固，设置工作温度为75℃，得到高韧性、防磨的纸质包装材料。
本实施例中，步骤S2的(2)中，BC发酵液中BC种子液的体积浓度为3％；步骤S2的(3)中，PAM溶液中PAM的浓度为0.05g/mL；步骤S3的(1)中，烘干的温度为100℃；步骤S3的(2)中，所述高密度聚乙烯膜的厚度为0.18mm。
实施例4：与实施例3相同，仅不加入聚丙烯酰胺。
实施例5：与实施例3相同，仅不加入细菌纤维素。
实施例6：与实施例2相同，仅不粘结高密度聚乙烯膜。
实验1：取实施例1～6制备的高韧性、防磨的纸质包装材料，采用万能材料测试仪进行测试，通过得到的断裂伸长率和耐破指数综合来判断韧性和纸质包装材料的耐磨性，所得结果如表1所示；
实验2：取实施例1～6制备的高韧性、防磨的纸质包装材料，参照GB/T20944.3-2008测试标准，取大小为10mm×10mm的纸质包装材料，采用振荡烧瓶法进行抑菌性能测试，通过公式：抑菌率＝(振荡前菌落数-振荡后菌落数)/振荡前菌落数，计算出抑菌率。菌落为常见的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。所得结果如表1所示；
实验3：取实施例1～6制备的高韧性、防磨的纸质包装材料，参照ASTM D986-05测试标准，取大小为10mm×10mm的纸质包装材料，粘结在载玻片上，使用JY-82视频接触角测量仪，以静态接触角的方式，测试接触角，重复测试三次，取平均值，所得结果如表1所示；
表1
Figure BDA0002781665910000071
结论：通过实施例1-3的数据，可以发现所制备的纸质包装材料的断裂伸长率都大于18％以上，表明所制备的纸质包装材料具有较高的韧性。同时具有优异的耐磨性、抑菌性、防水性。
从实施例4的数据可以发现不加入聚丙烯酰胺，使得所制备的纸质材料的断裂伸长率大幅下降，因为聚丙烯酰胺中丰富的氢键会使细菌纤维素重排形成具有更高韧性的螺旋结构。此外，抑菌率也有大幅度下降，因为聚丙烯酰胺中的双键会增加抑菌剂的附着力和负载量。
从实施例5的数据可以看出，断裂伸长率有大幅下降，因为细菌纤维素是主要的增韧来源，但其仍然具有韧性，是因为聚丙烯酰胺会在3-疏基丙酸下产生交联，这也影响了抑菌剂的附着，所以抑菌率有小幅下降。
从实施例6来看，高密度聚乙烯膜的缺少，确实影响了防水性和防磨性，从耐破指数和接触角数据可以看出。但由于纸质材料中还添加了耐磨的竹纤维，因此还是具有一定防磨性的。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高韧性、防磨的纸质包装材料，其特征在于：纸质包装材料的原料包括以下成分：按重量计，废纸纤维42～66份、BC@PAM 8～24份、竹纤维5～10份、聚六亚甲基胍盐酸盐2～6份、3-疏基丙酸1～5份。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性、防磨的纸质包装材料，其特征在于：BC@PAM(细菌纤维素@聚丙烯酰胺)是以聚丙烯酰胺为模板生长螺旋型细菌纤维素制备的。
3.一种高韧性、防磨的纸质包装材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1：废纸纤维制备；
S2：BC@PAM的制备；
S3：纸质包装材料的制备。
4.根据权利要求3所述的一种高韧性、防磨的纸质包装材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1：废纸纤维的制备：将回收的废弃纸质材料浸泡水中处理24～36小时，采用洗涤法脱墨，置于水力碎浆机中碎解成浆，筛选，疏解机二次碎解，过滤，干燥，得到废纸纤维，备用；
S2：BC@PAM的制备：
(1)称取5g胰蛋白胨、5g酵母提取物、2.7g磷酸氢二钠、1.5g柠檬酸、20g葡萄糖超声分散在去离子水中，并定容至1L；灭菌后转移至培养皿中，得到培养基A；一模一样制备培养基B和培养基C，备用；
(2)将木醋杆菌加入培养基A中，于27～30℃下静置3天，加入纤维素酶；所得混合液转移至振荡瓶中，设置振荡速度为110～180rmp，温度为30℃，振荡时间为12～24小时；将其于4℃下以3000～4000rmp离心速度去除纤维素酶，得到BC种子液；并转移置于培养基B中，得到BC发酵液，备用；
(3)将PAM粉末溶于培养基C中，形成PAM溶液；将其转移至微波反应器中，煮沸5分钟，自然冷却至30～40℃，循环“煮沸-冷却”3次；加入BC发酵液，于27～30℃下静态发酵8～10天；将其转移至塑料培养皿并置于冷藏室，设置工作温度为-20℃，冷冻时间为24小时；室温下解冻，循环“冷冻-解冻”3次；置于80～100℃热水中，加热1～2小时，过滤，洗涤，干燥，得到BC@PAM，备用；
S3：纸质包装材料的制备：
(1)将42～66份废纸纤维、8～24份BC@PAM、5～10份竹纤维置于粉碎机中，将粉碎的原料转移至搅拌釜中，设置搅拌速度为140～200rmp，设置温度为60～80℃，边搅拌边加入去离子水，继续搅拌30分钟；加入2～6份聚六亚甲基胍盐酸盐，搅拌10分钟；加入1～5份3-疏基丙酸，搅拌10～20分钟，得到混合浆料；使用激光紫外照射，设置波长为365nm，照射8～10分钟；将其置于压塑机中，经过抄造，真空压榨脱水，烘干，切纸，得到纸质包装材料；
(2)将纸质包装材料转移至涂料机上，其在表面均匀喷涂一层卡宾胶水，然后附上一层高密度聚乙烯膜，通过辊压加固，设置工作温度为50～100℃，得到高韧性、防磨的纸质包装材料。
5.根据权利要求4所述的一种高韧性、防磨的纸质包装材料的制备工艺，其特征在于：步骤S2的(2)中，BC发酵液中BC种子液的体积浓度为1％～5％。
6.根据权利要求4所述的一种高韧性、防磨的纸质包装材料的制备工艺，其特征在于：步骤S2的(3)中，PAM溶液中PAM的浓度为0.01～0.1g/mL。
7.根据权利要求4所述的一种高韧性、防磨的纸质包装材料的制备工艺，其特征在于：步骤S3的(1)中，烘干的温度为85～120℃。
8.根据权利要求4所述的一种高韧性、防磨的纸质包装材料的制备工艺，其特征在于：步骤S3的(2)中，所述高密度聚乙烯膜的厚度为0.1～0.25mm。
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