CN112679971B - 一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具及其制备方法，其原料按重量份包括70‑90份复合纤维粉、15‑25份食品级碳酸钙超细粉体、2‑5份植物果胶、1‑5份紫胶树脂、1‑4份羧甲基壳聚糖和1‑3份硅烷偶联剂。本发明充分利用了植物纤维材料的自身优点，并通过加入食品级碳酸钙超细粉体作为填料，配合其他助剂的使用，改善了材料的力学性能，提升了其抗冲击强度，且有效阻止了水分、油分在材料表面附着、纤维壁腔内渗透现象，使制得的餐具强度高、不易开裂、耐摔、表面光泽度高、耐水耐油性能突出；另外所用原料来源广、成本低，且绿色环保、无毒害，十分适用于儿童餐具用品。
Description
技术领域
本发明涉及餐具材料技术领域，具体涉及一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具及其制备方法。
背景技术
植物纤维来源于农作物秸秆和快速再生植物，是自然界中取之不尽用之不竭的可再生资源，其具有强度高，表面纹理天然、质朴，颜色鲜艳，质感新颖等优点，适合制作多次、反复使用的物品，可以替代部分塑料、玻璃、陶、瓷等制品，例如最为常见的餐具用品，植物纤维材料因环保无毒害的特点，可以用于生产儿童餐具。
然而，植物纤维在制浆工艺中，细胞壁表面会产生很多微孔，导致餐具用品力学性能较差，尤其是抗冲击性能较差，另外表面润湿性过大，呈现出亲水性，耐水效果差。为此，在制备植物纤维材料时，需要对其材料成分以及工艺进行优化，加入合适的填料或助剂，起到填充作用，以减少“空穴”效应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具及其制备方法，其解决了传统植物纤维儿童餐具抗冲击性能差、耐水效果差的缺陷。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其原料按重量份包括70-90份复合纤维粉、15-25份食品级碳酸钙超细粉体、2-5份植物果胶、1-5份紫胶树脂、1-4份羧甲基壳聚糖和1-3份硅烷偶联剂。
进一步改进在于，所述复合纤维粉由纤维原料经5-70wt％有机酸溶液混合，再在40-120℃、2-8MPa环境下处理0.5-18h，最后烘干、研磨制得。
进一步改进在于，所述复合纤维粉的纤维原料包括秸秆纤维、木材纤维、稻壳纤维、蔗渣纤维、竹浆纤维中的至少两种。
进一步改进在于，所述有机酸选用苹果酸、酒石酸中的一种。
进一步改进在于，所述食品级碳酸钙超细粉体通过以下操作制得：
(1)一次处理：在搅拌的条件下将碳酸钙浆液加入到硬脂酸-乙醇溶液中，75-85℃条件下搅拌反应2-6h，抽滤后置于70-90℃真空烘箱中烘干，烘干后研磨得到碳酸钙超细粉体；
(2)二次处理：选取聚羧酸酯与钛酸酯并均匀混合，将碳酸钙超细粉体置于高速混合机中搅拌，喷雾状喷入聚羧酸酯与钛酸酯的混合液，喷完后通入50-70℃的空气，并持续搅拌至完全干燥，即得食品级碳酸钙超细粉体。
进一步改进在于，所述食品级碳酸钙超细粉体的粒径为10-50nm。
进一步改进在于，在一次处理中，所述碳酸钙浆液的固含量为40-80％，所述硬脂酸-乙醇溶液中硬脂酸与乙醇的体积比为2:1-1:3，且碳酸钙浆液与硬脂酸-乙醇溶液的体积比为1:1-3。
进一步改进在于，在二次处理中，混合液中聚羧酸酯与钛酸酯的质量比为1:8-15，且喷入混合液占碳酸钙超细粉体质量的0.5-5％。
进一步改进在于，所述硅烷偶联剂选用环氧基硅烷、氨基硅烷、苯乙烯基硅烷、丙烯酰氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、硫基硅烷中的一种或多种。
一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具的制备方法，取各原料共混混匀，于90-100℃预热1-2min，然后在145-155℃，压力为30-35MPa的条件下模压0.5-8min成型得到儿童餐具。
本发明的原理及有益效果在于：
(1)充分利用了植物纤维材料的自身优点，并通过加入食品级碳酸钙超细粉体作为填料，配合其他助剂的使用，改善了材料的力学性能，提升了其抗冲击强度，且有效阻止了水分、油分在材料表面附着、纤维壁腔内渗透现象，使制得的餐具强度高、不易开裂、耐摔、表面光泽度高、耐水耐油性能突出。
(2)所用原料来源广、成本低，且绿色环保、无毒害，十分适用于儿童餐具用品。其中，原料中的植物果胶可在模压后保持良好粘结性，同时与植物纤维共混可进一步增加本发明的韧性，十分适用于儿童餐具这类经常摔落的用户用品；紫胶树脂可提高材料内粉体的均匀性和稳定性，使餐具表面光滑、光泽均匀；羧甲基壳聚糖可提升餐具的抗菌性。
(3)所采用的复合纤维粉经有机酸处理，提升了其吸附性以及自然降解性，同时增加了纤维韧性；所采用的食品级碳酸钙超细粉体，其先由碳酸钙浆液经与硬脂酸-乙醇溶液反应，制粒后再通过聚羧酸酯与钛酸酯混合液喷雾处理，改善了粉体在植物纤维中的流动性、分散性，增加了粉体与纤维材料的结合强度，最大限度的减少“空穴”效应。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其原料按重量份包括70份复合纤维粉、15份食品级碳酸钙超细粉体、2份植物果胶、1份紫胶树脂、1份羧甲基壳聚糖和1份环氧基硅烷。取各原料共混混匀，于90℃预热2min，然后在145℃，压力为30MPa的条件下模压8min成型得到儿童餐具。
其中，复合纤维由秸秆纤维和木材纤维混合制成，复合纤维粉由纤维原料经5wt％苹果酸溶液混合，再在40℃、2MPa环境下处理18h，最后烘干、研磨制得。
其中，食品级碳酸钙超细粉体通过以下操作制得：
(1)一次处理：在搅拌的条件下将固含量为40％的碳酸钙浆液加入到硬脂酸-乙醇溶液中，硬脂酸-乙醇溶液中硬脂酸与乙醇的体积比为2:1，且碳酸钙浆液与硬脂酸-乙醇溶液的体积比为1:1，加入后在75℃条件下搅拌反应6h，抽滤后置于70℃真空烘箱中烘干，烘干后研磨得到碳酸钙超细粉体；
(2)二次处理：选取聚羧酸酯与钛酸酯并均匀混合，将碳酸钙超细粉体置于高速混合机中搅拌，喷雾状喷入聚羧酸酯与钛酸酯的混合液，混合液中聚羧酸酯与钛酸酯的质量比为1:8，且喷入混合液占碳酸钙超细粉体质量的0.5％，喷完后通入50℃的空气，并持续搅拌至完全干燥，即得粒径为10-30nm的食品级碳酸钙超细粉体。
实施例2
一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其原料按重量份包括80份复合纤维粉、20份食品级碳酸钙超细粉体、4份植物果胶、3份紫胶树脂、2份羧甲基壳聚糖和2份苯乙烯基硅烷。取各原料共混混匀，于95℃预热1.5min，然后在150℃，压力为32MPa的条件下模压6min成型得到儿童餐具。
其中，复合纤维由秸秆纤维和蔗渣纤维混合制成，复合纤维粉由纤维原料经35wt％酒石酸溶液混合，再在80℃、5MPa环境下处理10h，最后烘干、研磨制得。
其中，食品级碳酸钙超细粉体通过以下操作制得：
(1)一次处理：在搅拌的条件下将固含量为60％的碳酸钙浆液加入到硬脂酸-乙醇溶液中，硬脂酸-乙醇溶液中硬脂酸与乙醇的体积比为1:1，且碳酸钙浆液与硬脂酸-乙醇溶液的体积比为1:2，加入后在80℃条件下搅拌反应4h，抽滤后置于80℃真空烘箱中烘干，烘干后研磨得到碳酸钙超细粉体；
(2)二次处理：选取聚羧酸酯与钛酸酯并均匀混合，将碳酸钙超细粉体置于高速混合机中搅拌，喷雾状喷入聚羧酸酯与钛酸酯的混合液，混合液中聚羧酸酯与钛酸酯的质量比为1:12，且喷入混合液占碳酸钙超细粉体质量的3％，喷完后通入60℃的空气，并持续搅拌至完全干燥，即得粒径为20-30nm的食品级碳酸钙超细粉体。
实施例3
一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其原料按重量份包括90份复合纤维粉、25份食品级碳酸钙超细粉体、5份植物果胶、5份紫胶树脂、4份羧甲基壳聚糖和3份乙烯基硅烷。取各原料共混混匀，于100℃预热1min，然后在155℃，压力为35MPa的条件下模压0.5min成型得到儿童餐具。
其中，复合纤维由蔗渣纤维、竹浆纤维混合制成，复合纤维粉由纤维原料经70wt％苹果酸溶液混合，再在120℃、8MPa环境下处理0.5h，最后烘干、研磨制得。
其中，食品级碳酸钙超细粉体通过以下操作制得：
(1)一次处理：在搅拌的条件下将固含量为80％的碳酸钙浆液加入到硬脂酸-乙醇溶液中，硬脂酸-乙醇溶液中硬脂酸与乙醇的体积比为1:3，且碳酸钙浆液与硬脂酸-乙醇溶液的体积比为1:3，加入后在85℃条件下搅拌反应2h，抽滤后置于90℃真空烘箱中烘干，烘干后研磨得到碳酸钙超细粉体；
(2)二次处理：选取聚羧酸酯与钛酸酯并均匀混合，将碳酸钙超细粉体置于高速混合机中搅拌，喷雾状喷入聚羧酸酯与钛酸酯的混合液，混合液中聚羧酸酯与钛酸酯的质量比为1:15，且喷入混合液占碳酸钙超细粉体质量的5％，喷完后通入70℃的空气，并持续搅拌至完全干燥，即得粒径为40-50nm的食品级碳酸钙超细粉体。
对比例1
其与实施例2的步骤基本相同，唯一区别在于：复合纤维粉在制备时未使用酒石酸溶液处理，直接混合烘干、研磨制得。
对比例2
其与实施例2的步骤基本相同，唯一区别在于：食品级碳酸钙超细粉体在一次处理时，未使用硬脂酸-乙醇溶液反应，直接抽滤、烘干、研磨得到碳酸钙超细粉体，然后进行同样的二次处理。
对比例3
其与实施例2的步骤基本相同，唯一区别在于：食品级碳酸钙超细粉体在二次处理时，仅喷入等质量的钛酸酯。
对比例4
其与实施例2的步骤基本相同，唯一区别在于：食品级碳酸钙超细粉体在二次处理时，仅喷入等质量的聚羧酸酯。
对比例5
其与实施例2的步骤基本相同，唯一区别在于：食品级碳酸钙超细粉体在制备时未进行二次处理中的操作。
将上述实施例1-3以及对比例1-5分别制成尺寸为5cm×20cm×0.5cm的试样，对试样分别进行力学性能测试以及耐水、耐油性能测试，具体包括：参照ASTM标准，分别测试其抗冲击强度、拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率、水接触角、油接触角。测试结果统计成下表：
从上表可以看出，本发明实施例1-3制得的试样，其抗冲击强度≥57.9J/m2、拉伸强度≥1492.39MPa、弹性模量≥29.49GPa、断裂伸长率≥4.09％、水接触角≥142.4°、油接触角≥122.5°，综合力学性能以及耐油、耐水性能突出。具体因素来看，所采用的复合纤维粉经有机酸处理，对试样的力学性能有提升作用；所采用的食品级碳酸钙超细粉体，其先由碳酸钙浆液经与硬脂酸-乙醇溶液反应，制粒后再通过聚羧酸酯与钛酸酯混合液喷雾处理，每个步骤之间相互协同，才能发挥最佳的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其特征在于：其原料按重量份包括70-90份复合纤维粉、15-25份食品级碳酸钙超细粉体、2-5份植物果胶、1-5份紫胶树脂、1-4份羧甲基壳聚糖和1-3份硅烷偶联剂；
所述复合纤维粉由纤维原料经5-70 wt%有机酸溶液混合，再在40-120 ℃、2-8 MPa环境下处理0.5-18 h，最后烘干、研磨制得，所述有机酸选用苹果酸、酒石酸中的一种；
所述食品级碳酸钙超细粉体通过以下操作制得：
（1）一次处理：在搅拌的条件下将碳酸钙浆液加入到硬脂酸-乙醇溶液中，75-85 ℃条件下搅拌反应2-6 h，抽滤后置于70-90 ℃真空烘箱中烘干，烘干后研磨得到碳酸钙超细粉体；在一次处理中，所述碳酸钙浆液的固含量为40-80 %，所述硬脂酸-乙醇溶液中硬脂酸与乙醇的体积比为2:1-1:3，且碳酸钙浆液与硬脂酸-乙醇溶液的体积比为1:1-3；
（2）二次处理：选取聚羧酸酯与钛酸酯并均匀混合，将碳酸钙超细粉体置于高速混合机中搅拌，喷雾状喷入聚羧酸酯与钛酸酯的混合液，喷完后通入50-70 ℃的空气，并持续搅拌至完全干燥，即得食品级碳酸钙超细粉体；在二次处理中，混合液中聚羧酸酯与钛酸酯的质量比为1:8-15，且喷入混合液占碳酸钙超细粉体质量的0.5-5 %。
2.根据权利要求1所述的一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其特征在于：所述复合纤维粉的纤维原料包括秸秆纤维、木材纤维、稻壳纤维、蔗渣纤维、竹浆纤维中的至少两种。
3.根据权利要求1所述的一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其特征在于：所述食品级碳酸钙超细粉体的粒径为10-50 nm。
4.根据权利要求1所述的一种碳酸钙改性植物纤维儿童餐具，其特征在于：所述硅烷偶联剂选用环氧基硅烷、氨基硅烷、苯乙烯基硅烷、丙烯酰氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、硫基硅烷中的一种或多种。
5.一种如权利要求1-4任一项所述碳酸钙改性植物纤维儿童餐具的制备方法，其特征在于：取各原料共混混匀，于90-100 ℃预热1-2 min，然后在145-155 ℃，压力为30-35 MPa的条件下模压0.5-8 min成型得到儿童餐具。
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