CN114163833A - 一种纤维素类生物基材料的制备方法及含该材料的高阻隔全生物降解包装瓶 - Google Patents

Abstract

本发明属于可降解包装瓶加工技术领域。本发明提供了一种纤维素类生物基材料的制备方法，该纤维素类生物基材料原料组成成分，按重量份数由以下比例组成：氮化木质纤维素50~100份，纳米纤维素60~90份，聚乙烯醇20~30份，壳聚糖5~10份，甲基纤维素3~5份，消泡剂0.5~1.0份，增塑剂2~3份，甘油10~15份，热稳定剂0.1~0.2份，防霉剂0.1~1份，水0~30份。本发明还包括上述纤维素类生物基材料的制备方法，以及用该材料制备的包装瓶。本发明制备的包装瓶，具有防霉、抗菌、耐热、高阻隔、全降解的性能。

Description

一种纤维素类生物基材料的制备方法及含该材料的高阻隔全 生物降解包装瓶

技术领域

本发明属于可降解包装瓶加工技术领域，具体涉及一种纤维素类生物基材料的制备方法及含该材料的高阻隔全生物降解包装瓶。

背景技术

目前的包装瓶大都采用聚乙烯、聚酯为原料，这些包装瓶，存在对气体的透气性阻隔性能、对湿度的阻隔性能的差异，且对于透气量、透氧量的阻隔都需要进一步的提升；但是人们在研究如何降低透气量、透氧量时，使用了大量的不可降解生物材料，如果人们随意乱扔，就会造成环境污染，影响城市景观。随意丢弃和难以降解是造成白色污染的主要原因。白色污染不仅仅是视觉上的，更多的是对环境的压力和对其处理的高成本，不利于可持续发展。

生物降解塑料是指利用环境中的温度、湿度、矿物质和微生物(如细菌、真菌、藻类等)将聚合物材料水解或酶解为低分子物质，再由微生物吞噬完全分解，所分解的产物和残留对环境没有任何危害，从而引起了人们的高度关注，世界各国竞相发展生物降解塑料。目前发现的生物降解塑料有很多，但均因其自身或多或少的缺陷而极大限制了其作为材料单独使用的大规模应用。对生物降解材料进行共混改性，选取性能合适的生物降解材料组份，调节生物降解材料组份之间的配比，改善生物降解材料之间的相容性和采取适宜的材料加工手段，可以在各个生物降解材料之间取长补短，开发出高性能的包装瓶，这是目前包装瓶领域的热点研究问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素类生物基材料的制备方法及含有该材料的高阻隔全生物降解包装瓶，该纤维素类生物基材料的主要组分均可以全生物降解，制备的包装瓶，具有防霉、抗菌、耐热、高阻隔、基本全生物降解的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种纤维素类生物基材料的制备方法，该纤维素类生物基材料原料组成成分按重量份数由以下比例组成：氮化木质纤维素50~100份，纳米纤维素60~90份，聚乙烯醇20~30份，壳聚糖5~10份，甲基纤维素3~5份，消泡剂0.5~1.0份，增塑剂2~3份，甘油10~15份，热稳定剂0.1~0.2份，防霉剂0.1~1份，水0~30份。上述纤维素类生物基材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将上述重量份的氮化木质纤维素，纳米纤维素，聚乙烯醇和壳聚糖，依次加入高速混合机中搅拌1~3h，混合均匀；

（2）将上述重量份的甲基纤维素，消泡剂，增塑剂，甘油，热稳定剂，防霉剂和水，依次加入高速混合机中搅拌1~3h，混合均匀；

（3）将步骤（1）和步骤（2）得到的混合物，脱色、真空除水后，依次加入高速混合机中搅拌1~2h，混合均匀后，用80~130℃平面板热压2~6h后，得到纤维素类生物基材料。

进一步地，上述氮化木质纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将210~280目的木粉加入到水和乙醇质量比为100比5的混合溶液中，保持温度在25℃~40℃之间，然后进行搅拌研磨，时间为1h-5h，即得到木质纤维素分散液；

（3）在木质纤维素分散液中添加尿素，加热至65-74℃，搅拌均匀后，再添加过氧乙酸或者过碳酸酰胺，继续搅拌反应2小时，然后进行过滤，洗涤，干燥至恒重，得到氮化木质纤维素。

进一步地，上述防霉剂为柠檬酸、香樟精油和孟宗竹提取物中的至少一种。

进一步地，上述防霉剂为孟宗竹提取物。

进一步地，上述纳米纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将木粉与质量百分含量为62～65%的硫酸混合，搅拌均匀，得到木粉硫酸混合液；

（3）将步骤（2）得到的混合液在光波反应器中预处理，反应温度60℃，处理时间30min；

（4）将经过光波预处理的反应混合液体在65~70℃下，添加5%的氯化钙溶液，水解2个小时；

（5）将水解后的混合液体，离心、过滤、洗涤；

（6）将洗涤后固体真空干燥后，用超声波粉碎，筛分，得到纳米纤维素。

进一步地，上述消泡剂为聚二甲基硅氧烷，增塑剂为环氧大豆油，热稳定剂为磷酸三苯酯。

通过采用上述原材料优选，本发明的纤维素类生物基材料主要组分为基本可以全生物降解的氮化木质纤维素，纳米纤维素，聚乙烯醇和壳聚糖等的特定比例配合，配以本发明独特的制备工艺，诱导纤维素分子链的重排，使得各成分的结合更加紧密，促进纤维素网格结构之间形成致密的纳米纤维，阻隔空气和水分的透入；且本发明制备的纤维素类生物基材料基本可以全生物降解，绿色环保性能显著提高，通过添加热稳定剂，本发明的包装瓶的耐热温度可以提高到120℃以上；通过添加防霉剂，本发明的包装瓶防霉抗菌性能显著提高，防霉等级均为0或者1级。

本发明还提供一种利用上述纤维素类生物基材料制备的高阻隔全生物降解包装瓶，其制备方法包括以下步骤：

（1）将上述纤维素类生物基材料在储料仓内减压处理1-2小时脱气，然后用挤出设备挤出加工得到母粒；

（2）将步骤（1）得到的母粒，经挤出或注塑成型后，得到管状型坯，趁热或加热到软化状态，吹塑置于合模中；

（3）模具合模冷却定型，开模后成品进入副模，在副模内切口去边，制得包装瓶。

本发明制得的包装瓶，由于原材料的优异性能和先进的制备工艺，使得本发明制备的安全瓶，具有防霉、抗菌、耐热、高阻隔的性能，使用后的包装瓶能够几乎全部降解形成小分子，并在光、氧气以及微生物的共同作用下分解形成二氧化碳和水，对环境的污染性大大降低，有利于提高与生物相容性。

本发明的包装瓶可以广泛应用于化工、化妆品、食品、医药等领域。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种纤维素类生物基材料的制备方法，该纤维素类生物基材料原料组成成分按重量份数由以下比例组成：氮化木质纤维素50份，纳米纤维素60份，聚乙烯醇20份，壳聚糖5份，甲基纤维素3份，聚二甲基硅氧烷0.5份，环氧大豆油2份，甘油10份，磷酸三苯酯0.1份，柠檬酸0.1份。

上述纤维素类生物基材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将上述重量份的氮化木质纤维素，纳米纤维素，聚乙烯醇和壳聚糖，依次加入高速混合机中搅拌1h，混合均匀；

（2）将上述重量份的甲基纤维素，消泡剂，增塑剂，甘油，热稳定剂和防霉剂，依次加入高速混合机中搅拌1h，混合均匀；

（3）将步骤（1）和步骤（2）得到的混合物，脱色、真空除水后，依次加入高速混合机中搅拌1~2h，混合均匀后，用80~130℃平面板热压2~6h后，得到纤维素类生物基材料。

上述氮化木质纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将210~280目的木粉加入到水和乙醇质量比为100比5的混合溶液中，保持温度在25~30℃之间，然后进行搅拌研磨，时间为1h，即得到木质纤维素分散液；

（3）在木质纤维素分散液中添加尿素，加热至65-70℃，搅拌均匀后，再添加过氧乙酸，继续搅拌反应2小时，然后进行过滤，洗涤，干燥至恒重，得到氮化木质纤维素。

上述纳米纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将木粉与质量百分含量为62～65%的硫酸混合，搅拌均匀，得到木粉硫酸混合液；

（3）将步骤（2）得到的混合液在光波反应器中预处理，反应温度60℃，处理时间30min；

（4）将经过光波预处理的反应混合液体在65~70℃下，添加5%的氯化钙溶液，水解2个小时；

（5）将水解后的混合液体，离心、过滤、洗涤；

（6）将洗涤后固体真空干燥后，用超声波粉碎，筛分，得到纳米纤维素。

利用上述纤维素类生物基材料制备的包装瓶，其制备方法包括以下步骤：

（1）将上述纤维素类生物基材料在储料仓内减压处理1-2小时脱气，然后用挤出设备挤出加工得到母粒；

（2）将步骤（1）得到的母粒，经挤出或注塑成型后，得到管状型坯，趁热或加热到软化状态，吹塑置于合模中；

（3）模具合模冷却定型，开模后成品进入副模，在副模内切口去边，制得包装瓶。

实施例2

一种纤维素类生物基材料的制备方法，该纤维素类生物基材料原料组成成分按重量份数由以下比例组成：氮化木质纤维素90份，纳米纤维素90份，聚乙烯醇30份，壳聚糖10份，甲基纤维素4份，聚二甲基硅氧烷1份，环氧大豆油3份，甘油15份，磷酸三苯酯0.2份，香樟精油和孟宗竹提取物的混合物1份，水25份。

上述纤维素类生物基材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将上述重量份的氮化木质纤维素，纳米纤维素，聚乙烯醇和壳聚糖，依次加入高速混合机中搅拌3h，混合均匀；

（2）将上述重量份的甲基纤维素，消泡剂，增塑剂，甘油，热稳定剂，防霉剂和水，依次加入高速混合机中搅拌3h，混合均匀；

（3）将步骤（1）和步骤（2）得到的混合物，脱色、真空除水后，依次加入高速混合机中搅拌1~2h，混合均匀后，用80~130℃平面板热压2~6h后，得到纤维素类生物基材料。

上述氮化木质纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将210~280目的木粉加入到水和乙醇质量比为100比5的混合溶液中，保持温度在35~40℃之间，然后进行搅拌研磨，时间为5h，即得到木质纤维素分散液；

（3）在木质纤维素分散液中添加尿素，加热至69-74℃，搅拌均匀后，再添加过氧乙酸，继续搅拌反应2小时，然后进行过滤，洗涤，干燥至恒重，得到氮化木质纤维素。

其中，纳米纤维素和包装瓶的制备方法同实施例1。

实施例3

一种纤维素类生物基材料的制备方法，该纤维素类生物基材料原料组成成分按重量份数由以下比例组成：氮化木质纤维素80份，纳米纤维素70份，聚乙烯醇25份，壳聚糖8份，甲基纤维素4份，聚二甲基硅氧烷1份，环氧大豆油3份，甘油15份，磷酸三苯酯0.3份，孟宗竹提取物0.5份，水10份。

上述纤维素类生物基材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将上述重量份的氮化木质纤维素，纳米纤维素，聚乙烯醇和壳聚糖，依次加入高速混合机中搅拌2h，混合均匀；

（2）将上述重量份的甲基纤维素，消泡剂，增塑剂，甘油，热稳定剂，防霉剂和水，依次加入高速混合机中搅拌2h，混合均匀；

（3）将步骤（1）和步骤（2）得到的混合物，脱色、真空除水后，依次加入高速混合机中搅拌1~2h，混合均匀后，用80~130℃平面板热压2~6h后，得到纤维素类生物基材料。

上述氮化木质纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将210~280目的木粉加入到水和乙醇质量比为100比5的混合溶液中，保持温度在35~40℃之间，然后进行搅拌研磨，时间为3h，即得到木质纤维素分散液；

（3）在木质纤维素分散液中添加尿素，加热至69-74℃，搅拌均匀后，再添加过氧乙酸，继续搅拌反应2小时，然后进行过滤，洗涤，干燥至恒重，得到氮化木质纤维素。

其中，纳米纤维素和包装瓶的制备方法同实施例1。

对比例1

一种包装瓶的制备方法，该包装瓶原材料组成成分按重量份数由以下比例组成：聚乙烯100份，消泡剂0.5~1.0份，增塑剂2~3份，包装瓶的制备方法同实施例1。

性能测试

对以上实施例和对比例制得的包装瓶进行性能测试，测试结果见表1。

表1 包装瓶性能测试结果

以上数据表明，由于采用独特的原材料和特殊的制备工艺过程，使得本发明制备的包装瓶的氧气通过量，水蒸汽透过量，耐压强度等指标均明显优于对比例，本发明采用可降解的原材料，使得本发明制得的包装瓶降解率为98%；采用热稳定剂磷酸三苯酯后，本发明制得的包装瓶热稳定性显著提高，耐热温度提高到120℃以上，但是添加量没有随着添加量的增加对包装瓶的热稳定性而增加，0.2份的添加量为最合适的量；添加防霉剂孟宗竹提取物后，本发明的安全瓶防霉等级均为0级，表明在本发明中孟宗竹提取物的防霉效果更好。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种纤维素类生物基材料的制备方法，其特征在于，所述纤维素类生物基材料由如下重量份的原料制备而成，氮化木质纤维素50~100份，纳米纤维素60~90份，聚乙烯醇20~30份，壳聚糖5~10份，甲基纤维素3~5份，消泡剂0.5~1.0份，增塑剂2~3份，甘油10~15份，热稳定剂0.1~0.2份，防霉剂0.1~1份，水0~30份，所述纤维类生物基材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将上述重量份的氮化木质纤维素，纳米纤维素，聚乙烯醇和壳聚糖，依次加入高速混合机中搅拌1~3h，混合均匀；

（2）将上述重量份的甲基纤维素，消泡剂，增塑剂，甘油，热稳定剂，防霉剂和水，依次加入高速混合机中搅拌1~3h，混合均匀；

（3）将步骤（1）和步骤（2）得到的混合物，脱色、真空除水后，依次加入高速混合机中搅拌1~2h，混合均匀后，用80~130℃平面板热压2~6h后，得到纤维素类生物基材料。

2.根据权利要求1所述的一种纤维素类生物基材料的制备方法，其特征在于，所述氮化木质纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将210~280目的木粉加入到水和乙醇质量比为100比5的混合溶液中，保持温度在25~40℃之间，然后进行搅拌研磨，时间为1h-5h，即得到木质纤维素分散液；

（3）在木质纤维素分散液中添加尿素，加热至65-74℃，搅拌均匀后，再添加过氧乙酸或者过碳酸酰胺，继续搅拌反应2小时，然后进行过滤，洗涤，干燥至恒重，得到氮化木质纤维素。

3.根据权利要求1所述的一种纤维素类生物基材料的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取棉花或玉米茎切割，除杂，粉碎，过筛，得到210~280目的木粉；

（2）将木粉与质量百分含量为62～65%的硫酸混合，搅拌均匀，得到木粉硫酸混合液；

（3）将步骤（2）得到的混合液在光波反应器中预处理，反应温度60℃，处理时间30min；

（4）将经过光波预处理的反应混合液体在65~70℃下，添加5%的氯化钙溶液，水解2个小时；

（5）将水解后的混合液体，离心、过滤、洗涤；

（6）将洗涤后固体真空干燥后，用超声波粉碎，筛分，得到纳米纤维素。

4.根据权利要求1所述的一种纤维素类生物基材料的制备方法，其特征在于：所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷，增塑剂为环氧大豆油，热稳定剂为磷酸三苯酯。

5.根据权利要求1所述的一种纤维素类生物基材料的制备方法，其特征在于：所述防霉剂为柠檬酸、香樟精油和孟宗竹提取物中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的一种纤维素类生物基材料的制备方法，其特征在于：所述防霉剂为孟宗竹提取物。

7.一种利用权利要求1至6之一所述的纤维素类生物基材料制备的高阻隔全生物降解包装瓶，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

（1）将上述纤维素类生物基材料在储料仓内减压处理1-2小时脱气，然后用挤出设备挤出加工得到母粒；

（2）将步骤（1）得到的母粒，经挤出或注塑成型后，得到管状型坯，趁热或加热到软化状态，吹塑置于合模中；

（3）模具合模冷却定型，开模后成品进入副模，在副模内切口去边，制得包装瓶。