CN113529495A - 一种高水稳定性的生物质基餐具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高水稳定性的生物质基餐具的制备方法，本发明方法是将生物质颗粒分别经过化学软化处理、机械细化处理、纸浆模塑机成型、高温高压干燥处理，制成生物质基餐具。本发明方法制备的生物质基餐具在水中浸泡3个月以上其结构不发生崩溃，填埋在潮湿土壤中两个月内被完全降解。本发明方法工艺简便，条件温和，所使用的化学试剂易得廉价，制得的生物质基餐具具有高水稳定性和可自然降解性，在生鲜冷藏、餐饮、包装等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种高水稳定性的生物质基餐具的制备方法
技术领域
本发明属于绿色餐具技术领域，特别是一种在潮湿环境或水中具有结构稳定性的生物质基餐具的制备方法。
背景技术
一次性餐具是一种方便、流行的器具，广泛应用于酒店、车站、码头、办公室、家庭、火车、飞机和船舶。每年一次性塑料饭盒消费量超过400亿只。考虑到经济的强劲增长，以及随后的外卖订单数量，未来一次性餐具的消费量将大幅增长。塑料餐具重量轻、价格便宜，但不易分解；也就是说，自然退化可能需要数百年。当这些塑料被丢弃并暴露在自然环境中时，它们逐渐分解成较小的尺寸，并不断地从陆地转移到水体，最终进入食物链，威胁人类健康和环境。因此，迫切需要一种制造全绿色替代品的解决方案。
生物质是地球上最丰富的绿色资源。使用自上而下的方法可以从植物中获得大量的结构组件。例如，通过成熟的纸浆加工从木材中提取的纤维是最常见的。用纤维制造的餐具，通常被称为纸餐具，具有规模化生产、资源广泛、低成本效益和生物降解性等优点。然而，纸餐具仍然面临着一些巨大的挑战：(1)纤维中固有的极性羟基容易吸附水分子，导致纸餐具在潮湿条件下机械强度退化；(2)由随机分布的纤维网络存在大量通道，使得水很容易渗透进纸餐具内部，进而使其结构崩解。
为了提高纸餐具的水稳定性，已经开展了大量研究，通过使用各种技术防止液体渗透，如聚乙烯塑料薄膜，颜料涂层，以及使用抗水剂。这些技术确保纸餐具表面抗液体渗透，但不能阻止液体从边缘渗透。此外，浆料过多添加剂的掺入只能延缓一段时间液体的渗透。此外，这些策略往往很复杂，需要昂贵的化学品，这抬高了纸餐具的商业应用的成本。例如，一种策略是使用聚乙烯塑料薄膜，并通过设备后处理在纸板的边缘涂覆疏水剂。在大多数情况下，这种处理必须进行两次才能成功，既不经济，也不环保。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高水稳定性的生物质基餐具的制备方法。本发明方法是将生物质颗粒分别经过化学软化处理、机械细化处理、纸浆模塑机成型、高温高压干燥处理，制成生物质基餐具。
本发明解决的技术问题及其技术方案如下：
(1)木素是一种天然的疏水剂和粘结剂，可以提高植物细胞的水稳定性。然而，含有木素的常见产品，如未漂白的纸浆和碱性过氧化氢机械浆(APMP)，不能提供预期的水稳定性结果。这可能是由于疏水的木素和亲水的纤维素之间的不相容，导致纤维之间结合力弱。例如，APMP机械浆化学处理策略是为了提高纸浆的白度，木素在处理过程中往往是被还原，损失了残余木素的亲水性。本发明使用硝酸和过氧化氢水溶液对生物质颗粒进行化学软化处理。由于硝酸具有氧化性，木素在软化处理过程适当脱除，有利于暴露更多的纤维素。另外，残余木素被氧化，其亲水性增加，这增强了木素与纤维素之间的结合力，使得纤维间的结合强度提高。过氧化氢的作用可以将硝酸与木素反应的产物之一亚硝酸重新转化为硝酸，有利于稳定软化处理过程中硝酸的浓度，同时减少亚硝酸分解释放二氧化氮气体而损失。
(2)影响纤维间结合强度的因素除了单位面积结合强度外，还包括纤维间的有效结合面积。随机分布的纤维形成的纤维网络存在固有的结构缺陷，导致纤维间有效结合面积小，以及存在大量水通道，这不利于湿环境下或水中的稳定性。本发明使用盘磨机对软化处理后的生物质颗粒进行细化处理，增加细小纤维的含量，提高纤维的比表面积。细小纤维填充了纤维网络固有的空隙，使其致密化，提高纤维间的有效结合面积，以及减少水通道。
(3)木素具有在高温下软化和玻璃化转变的特性。本发明利用在160℃下湿压榨使木素软化和玻璃化，增强木素在纤维间的粘合力，以及玻璃化转变后的木素赋予餐具更好的疏水性，从而形成不易被水分子破坏的水稳定性结构。
在生物质颗粒使用硝酸和过氧化氢软化处理过程中发生脱木素反应，脱木素反应机理如下：硝酸分子(HNO3)在氢离子(H+)的诱导作用下发生异裂反应，产生水合氢离子(OH+)和亚硝酸分子(HNO2)。OH+与木素分子中的负电性基团发生反应，导致木素大分子降解而被脱除。过氧化氢(H2O2)抑制HNO2释放棕色的气体，是由于HNO2被H2O2转化为HNO3。H2O2在软化处理过程中被消耗，硝酸的浓度保持稳定。软化处理后的滤液补充损失的硝酸后被重复使用，制备的生物质基餐具无明显差异。
本发明提供一种在潮湿环境或水中具有结构稳定性的生物质基餐具的制备方法，包括如下操作步骤：(1)将生物质颗粒浸泡在质量浓度为10％的硝酸水溶液中，按过氧化氢与生物质颗粒的质量比值为2％-8％添加过氧化氢，软化处理2-4天；(2)将软化处理后的生物质颗粒滤出，洗净，加水调节生物质颗粒的质量浓度为10-15％使用盘磨机进行细化处理，分别制成粗纤维浆料和细纤维浆料；(3)将粗纤维浆料和细纤维浆料混合，加水制成质量浓度为0.6％的悬浮液，取适量浆料悬浮液，在0.1MPa条件下，过滤成型；然后将湿餐具转移至压榨干燥机，在160℃和0.5MPa下干燥5min，制成高水稳定性的生物质基餐具。
其中，步骤(2)中制备粗纤维浆料的工艺为：盘磨机的盘间距为0.2mm，处理3遍；制备细纤维浆料的工艺为：盘磨机的盘间距为0.05mm，处理3遍。
其中，步骤(3)中粗纤维浆料和细纤维浆料按质量比为20-70％:30-80％混合。
本发明所制备的生物质基餐具，在潮湿土壤中填埋两个月内可被完全降解，在有白蚁的潮湿土壤中一周内被白蚁完全消化。
本发明所述生物质颗粒包括但不限于甘蔗渣、竹粉、木粉，是通过将生物质原料粉碎成能通过30目筛的生物质颗粒。
相对于现有技术，本发明方法具有如下有益效果：
(1)本发明所制得的生物质基餐具在高湿环境下或水中具有结构稳定性，在生鲜冷藏、餐饮、包装等领域具有广泛的应用前景。
(2)本发明所制得的生物质基餐具在潮湿土壤中两个月内被完全降解，在有白蚁的潮湿土壤中一周内被白蚁完全消化。
(3)本发明所用原料来源广泛，例如，甘蔗渣、竹粉、木粉，还可以包括未被充分利用的低价值的农林剩余物。
(4)本发明制备工艺简单，所使用的化学试剂廉价易得，条件温和，适合于规模化工业生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将600g尺寸小于30目的甘蔗渣、3000mL质量浓度为10％的硝酸水溶液、40g质量浓度为30％的双氧水置入塑料桶中浸泡2天，过滤，洗净，脱水，得到软化处理后的生物质颗粒。取软化处理后的生物质颗粒加水调节至质量浓度为10-15％，使用盘磨机在盘间距为0.2mm下处理3遍，制成粗纤维浆料；另取软化处理后的生物质颗粒加水调节至质量浓度为10-15％，使用盘磨机在盘间距为0.05mm下处理3遍，制成细纤维浆料。将粗纤维浆料和细纤维浆料以质量比为70％:30％混合加水制成质量浓度为0.6％的悬浮液，取含有20g浆料的悬浮液，在0.1MPa条件下，过滤成型；然后将湿餐具转移至高温压榨干燥机，在160℃、0.5MPa下干燥5min，制成高水稳定性的生物质基餐具。
本实施例得到的生物质基餐具在水中浸泡3个月后，取出自然干燥，与未浸泡过的生物质基餐具相比，其结构完整性被保留。
本实施例得到的生物质基餐具，填埋在有白蚁的潮湿土壤中一周内被完全降解。
实施例2
将1000g尺寸小于30目的竹子粉、6000mL质量浓度为10％的硝酸水溶液、200g质量浓度为30％的双氧水置入塑料桶中浸泡3天，过滤，洗净，脱水，得到软化处理后的生物质颗粒。取软化处理后的生物质颗粒加水调节至质量浓度为10-15％，使用盘磨机在盘间距为0.2mm下处理3遍，制成粗纤维浆料；另取软化处理后的生物质颗粒加水调节至质量浓度为10-15％，使用盘磨机在盘间距为0.05mm下处理3遍，制成细纤维浆料。将粗纤维浆料和细纤维浆料以质量比为20％:80％混合加水制成质量浓度为0.6％的悬浮液，取含有25g浆料的悬浮液，在0.1MPa条件下，过滤成型；然后将湿餐具转移至高温压榨干燥机，在160℃、0.5MPa下干燥5min，制成高水稳定性的生物质基餐具。
本实施例得到的生物质基餐具在水中浸泡6个月后，取出自然干燥，与未浸泡过的生物质基餐具相比，其结构完整性被保留。
本实施例得到的生物质基餐具，填埋在潮湿的土壤中两个月内被完全降解。
实施例3
将1000g尺寸小于30目的松木粉、5000mL质量浓度为10％的硝酸水溶液、267g质量浓度为30％的双氧水置入塑料桶中浸泡4天，过滤，洗净，脱水，得到软化处理后的生物质颗粒。取软化处理后的生物质颗粒加水调节至质量浓度为10-15％，使用盘磨机在盘间距为0.2mm下处理3遍，制成粗纤维浆料；另取软化处理后的生物质颗粒加水调节至质量浓度为10-15％，使用盘磨机在盘间距为0.05mm下处理3遍，制成细纤维浆料。将粗纤维浆料和细纤维浆料以质量比为50％:50％混合加水制成质量浓度为0.6％的悬浮液，取含有30g浆料的悬浮液，在0.1MPa条件下，过滤成型；然后将湿餐具转移至高温压榨干燥机，在160℃、0.5MPa下干燥5min，制成高水稳定性的生物质基餐具。
本实施例得到的生物质基餐具在水中浸泡3个月后，取出自然干燥，与未浸泡过的生物质基餐具相比，其结构完整性被保留。
本实施例得到的生物质基餐具，填埋在有白蚁存在的潮湿的土壤中一周内被白蚁完全消化。

Claims (3)

1.一种高水稳定性的生物质基餐具的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
(1)将生物质颗粒浸泡在质量浓度为10％的硝酸水溶液中，按过氧化氢与生物质颗粒的质量比值为2％-8％添加过氧化氢，软化处理2-4天；
(2)将软化处理后的生物质颗粒滤出，洗净，加水调节生物质颗粒的质量浓度为10-15％，使用盘磨机进行细化处理，分别制成粗纤维浆料和细纤维浆料；
(3)将粗纤维浆料和细纤维浆料混合，加水制成质量浓度为0.6％的悬浮液，取适量浆料悬浮液，在0.1MPa条件下，过滤成型；然后将湿餐具转移至压榨干燥机，在160℃和0.5MPa下干燥5min，制成高水稳定性的生物质基餐具。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中制备粗纤维浆料的工艺为：盘磨机的盘间距为0.2mm，处理3遍；制备细纤维浆料的工艺为：盘磨机的盘间距为0.05mm，处理3遍。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中粗纤维浆料和细纤维浆料按质量比为20-70％:30-80％混合。
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