CN114407162A - 一种无胶木吸管的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种无胶木吸管的制备方法，它涉及一种木吸管的制备方法。本发明要解决现有塑料吸管无法降解，纸吸管制备过程使用胶黏剂存在安全隐患、成本高、力学性能不佳，PLA吸管高温变形、成本高、无法自然降解的问题。制备方法：一、塑化；二、卷管并热压。本发明用于无胶木吸管的制备。

Description

一种无胶木吸管的制备方法

技术领域

本发明涉及一种木吸管的制备方法。

背景技术

吸管是餐饮行业最为常用的餐具之一，在饮品店更是必备用品。塑料吸管具有质轻、防水、耐用、生产技术成熟、使用方便和性价比高的优点，在全世界范围被广大消费者和商家使用。据统计，2020年，我国塑料吸管总使用量约为3万吨，超过460亿根，人均使用量超过30根，使用量巨大，并且在限塑令颁布之前，塑料吸管作为一次性用品，使用频率极高。然而，塑料作为一种不可降解材料，其造成的“白色污染”已经成为刻不容缓、亟待解决的棘手问题。例如，由于其不可降解性，地球累积的废弃塑料在逐年不断增多，不仅使城市环境美观变差，同时造成了土壤、海洋和空气的污染，尤其是随着时间的流逝，塑料会分解成微塑料，这些微塑料可以通过食物链的方式被吸入植物和动物体内，最终使得人体中微塑料的含量不断增加，给生态环境和人的健康带来了极大的威胁和危害。此外塑料吸管原料来源于不可再生石化资源，与当今可持续的大背景也并不相符。

纸吸管是以木纸浆为主要原料，由三层或四层纸涂胶、卷管、分切和干燥等步骤加工而成。生产工艺涉及了纸浆的制造和胶粘剂的使用，过程相对复杂、且胶黏剂存在安全隐患，成本是塑料吸管的20倍多。另外，纸吸管在使用过程中，由于其力学性能低，很难直接刺破封皮，纸吸管的头容易被折弯。PLA吸管是以可再生的植物资源乳酸为原料，通过挤出成型工艺制造而成，产品具有可降解、绿色安全和较好抗溶剂性等特点，其光泽度、透明性、手感性能与塑料吸管相近。然而，PLA吸管会在超过60℃的环境下发生变形，这导致PLA吸管在运输和储存过程中要特别注意温度，以防止长时间的高温导致PLA 吸管发生变形现象，产品性能不稳定，保质期短。此外，PLA吸管的成本为塑料吸管的 10倍左右，价格贵。

因此开发可降解、可持续、易规模化且成本低廉的木吸管来取代塑料吸管具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决现有塑料吸管无法降解，纸吸管制备过程使用胶黏剂存在安全隐患、成本高、力学性能不佳，PLA吸管高温变形、成本高、无法自然降解的问题，进而提供一种无胶木吸管的制备方法。

一种无胶木吸管的制备方法，它是按以下步骤进行的：

一、塑化：

将木材旋切得到薄单板，对薄单板进行脱木质素处理10min～12h，得到脱除部分木质素的薄单板；

二、卷管并热压：

将脱除部分木质素的薄单板卷一层至芯棒上且首尾叠压，得到卷有单层薄单板的芯棒，将卷有单层薄单板的芯棒置于模具中，最后热压，得到无胶木吸管；所述的首尾叠压宽度为1cm～3cm。

本发明的有益效果是：

(1)该无胶木吸管原料来自木材，原料无毒，可持续、可降解(在自然环境中100 天左右会完全降解)、绿色环保、来源广泛、强度高(压缩强度可达到31MPa)、拥有各向异性、水稳定性好(在水中浸泡6小时，形状不变，未出现界面开胶)、保留了木材的耐热性、硬度高、价格低廉(一根木吸管成本在0.02元)；

(2)该无胶木吸管制备工艺简单，利用设计的模具即可压成，适用于大规模生产；

(3)从自然降解性、经济性、力学性能与塑料吸管、纸吸管及PLA吸管进行了综合比较，均展示出了优势，应用前景大。

附图说明

说明书附图

图1为本发明制备无胶木吸管的流程图；

图2为本发明模具和芯棒的结构示意图，1为模具，2为芯棒；

图3为实施例一制备的无胶木吸管成本价格对比图；

图4为实施例一制备的无胶木吸管室温耐水性测试实物图，(a)为浸泡之前的无胶木吸管，(b)为无胶木吸管在水中浸泡6h，(c)为浸泡6h自然干燥后的无胶木吸管；

图5为实施例一制备的无胶木吸管室温浸泡于牛奶、果汁和冰饮4h的实物图，1为牛奶，2为橙汁，3为温度为0℃的冰水；

图6为压缩性能对比图，a为纸吸管，b为PP塑料吸管，c为PLA吸管，d为实施例一制备的无胶木吸管；

图7为吸管刺破饮品封皮的实物照片，1为刺破前的端面，2为刺破饮品封皮，3为刺破后的端面；

图8为实施例一制备的无胶木吸管降解性能图；

图9为实施例一制备的无胶木吸管首尾叠压处电镜图片；

图10为实施例一制备的无胶木吸管沿长度方向电镜图片。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2具体说明，本实施方式一种无胶木吸管的制备方法，它是按以下步骤进行的：

一、塑化：

将木材旋切得到薄单板，对薄单板进行脱木质素处理10min～12h，得到脱除部分木质素的薄单板；

二、卷管并热压：

将脱除部分木质素的薄单板卷一层至芯棒上且首尾叠压，得到卷有单层薄单板的芯棒，将卷有单层薄单板的芯棒置于模具中，最后热压，得到无胶木吸管；所述的首尾叠压宽度为1cm～3cm。

木材是地球上最古老且最丰富的资源之一，具有可在生、轻质高强、原料易得和成本低廉的独特优势。木材是由纤维素、半纤维素和木质素三大主要成分组成，纤维素起着骨架作用，半纤维素作为填充物，木质素作为结壳物质对纤维素和半纤维起到加固和粘接作用。在干燥的条件下，木材因具有“硬而脆”且疏水性的结壳物质木质素的存在，在卷管弯曲过程中，容易破裂。

本实施方式开发出了一种自上而下的“塑化—热模压”工艺，成功制备出了无胶木吸管。即，以天然木材为原材料，通过旋切获得预先设定的薄单板，部分脱除“硬而脆”疏水性木质素使木材软化易于卷管，纤维素和半纤维素的羟基更多被暴露，在热模压时产生更多氢键，提高界面结合力，卷管，分切、热模压干燥定型等步骤加工而成。成型过程中需要注意调控热模压工艺，热模压工艺关系着无胶木吸管的性能甚至关系到能否制造出无胶木吸管。吸管壁的厚度由薄单板厚度和模压工艺而定，吸管的口径由芯棒的尺寸来调节。与纸吸管相比，不涉及纸浆复杂制造工艺，无胶木吸管属于自上而下法，工艺相对更简单。制造过程中无需添加任何胶黏剂，由热模压过程原料自胶合而成，属于无胶胶合过程。进一步，该无胶木吸管通过热压后结构变得更加致密，且保留了木材的各向异性纤维骨架特征，制造的无胶木吸管具有优异的机械性能，在使用时容易直接刺破饮品封皮。另外，本实施方式之前的处理工艺仅仅脱除了部分木质素以及热压，吸管依然保留了木材的耐热性，因此，与PLA吸管相比，无胶木吸管耐热稳定性优异，存储和运输方便，保质期长。无胶木吸管由于其生产工艺不复杂，可以实现大规模生产。最后无胶木吸管的成本低廉，甚至低于当前塑料吸管。综上，无胶木吸管兼具可降解、可持续、工艺简单易规模化、机械性能高、且成本低的优势，是一种具有巨大潜力替代塑料吸管的木质新产品。

无胶木吸管结合界面是通过热模压自胶合而成，无胶机理为：在热压过程，木材三大组分的羟基形成大量氢键和分子间作用力，木质素在热压过程会塑化熔融，冷却硬化产生大量胶钉，产生了机械互锁的作用。

本实施方式模具由两块中间设置半圆柱形凹槽的板材(长宽为1mm～100mm)组成，芯棒为一根适宜长度和直径的不锈钢柱。不锈钢柱可以放入模具中间的凹槽中，并与模具相差适宜厚度。改变模具凹槽直径大小或改变不锈钢铁柱的直径可以压制出不同壁厚、不同长度的吸管。除此之外，由于模具只是对吸管起到热压作用，并不会对吸管形状产生影响，因此，可以将木材原材料裁减成不同角度，将其在模具中热压，即可获得尖头的吸管。

本实施方式若采用一棵高2m、直径为1m的原木，经测算，可以压制出20万根长15cm的无胶木吸管。

本实施方式对于0.1mm厚的薄单板，处理时间在10分钟可以达到半脱木素的效果，时间过长或过短都会影响半脱木素的效果，同样，对于20mm厚的单板，处理时间在12 小时可以达到半脱木素的效果，时间过长或过短都会影响半脱木素的效果。

本实施方式的有益效果是：

(1)该无胶木吸管原料来自木材，原料无毒，可持续、可降解(在自然环境中100 天左右会完全降解)、绿色环保、来源广泛、强度高(压缩强度可达到31MPa)、拥有各向异性、水稳定性好(在水中浸泡6小时，形状不变，未出现界面开胶)、保留了木材的耐热性、硬度高、价格低廉(一根木吸管成本在0.02元)；

(2)该无胶木吸管制备工艺简单，利用设计的模具即可压成，适用于大规模生产；

(3)从自然降解性、经济性、力学性能与塑料吸管、纸吸管及PLA吸管进行了综合比较，均展示出了优势，应用前景大。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的木材材质为针叶材或阔叶材。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的薄单板厚度为0.1mm～20mm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中利用NaOH、NaOH+Na₂S、NaOH+Na₂SO₃、NaOH+Na₂S+Na₂SO₃、NaHSO₃+H₂O+SO₂、 NaOH+Anthraquinone、NaHSO₃+H₂O+SO₂+Anthraquinone、NaOH+Na₂SO₃+Anthraquinone、 NaHSO₃+Anthraquinone、NaOH+Na₂S+Na₂Sn、Na₂SO₃+NaOH+CH₃OH+Anthraquinone、H₂O₂、NaClO₂+CH₃COOH、ClO₂或Cl₂进行脱木质素处理。其它与具体实施方式一至三相同。

如步骤一中将薄单板浸渍于脱木素溶液中，沸腾加热1h；所述的脱木素溶液是由NaOH、Na₂SO₃、Na₂S及蒸馏水组成，且脱木素溶液中NaOH的浓度为2.5M，Na₂SO₃的浓度为0.4M，Na₂S的浓度为0.05M。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述无胶木吸管厚度为0.05mm～5mm，且无胶木吸管厚度小于薄单板厚度。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的芯棒直径为0.5mm～20mm。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的模具由两块中间设置半圆柱形凹槽的板材组成，且半圆柱形凹槽直径大于芯棒直径。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的热压具体是在温度为50℃～250℃及压力为0.1MPa～10MPa的条件下，热压 10s～24h。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中所述的无胶木吸管的一侧端部为平口或斜口；所述的斜口角度为1°～89°。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中对无胶木吸管进行后处理，所述的后处理为染色和防水处理中的一种或两种的组合。其它与具体实施方式一至九相同。

本具体实施方式各种颜色吸管的制备，可以利用各种可食性染料或带有颜色的蔬菜、果汁进行浸渍染色。

本具体实施方式防水处理，包括使用可食性疏水剂、木蜡油、食用油等制备的木吸管。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种无胶木吸管的制备方法，它是按以下步骤进行的：

一、塑化：

将椴木旋切得到薄单板，对薄单板进行脱木质素处理4h，得到脱除部分木质素的薄单板；

二、卷管并热压：

将脱除部分木质素的薄单板卷一层至芯棒上且首尾叠压，得到卷有单层薄单板的芯棒，将卷有单层薄单板的芯棒置于模具中，最后在温度为190℃及压力为0.5MPa的条件下，热压1min，得到无胶木吸管；所述的首尾叠压宽度为2cm。

步骤一中所述的薄单板厚度为0.5mm；

步骤一中将薄单板浸渍于脱木素溶液中，沸腾加热4h；所述的脱木素溶液是由NaOH、 Na₂SO₃及蒸馏水组成，且脱木素溶液中NaOH的浓度为2.5M，Na₂SO₃的浓度为0.4M；

步骤二中所述无胶木吸管厚度为0.3mm；

步骤二中所述的芯棒直径为10.7mm，材质为不锈钢；

步骤二中所述的模具由两块中间设置半圆柱形凹槽的板材组成，半圆柱形凹槽直径为 11mm，材质为不锈钢。

步骤二中所述的无胶木吸管的一侧端部为平口。

步骤二中利用可食用色素对无胶木吸管进行染色处理。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤一中将云杉旋切得到薄单板。其它与实施例一相同。

实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤一中将薄单板浸渍于脱木素溶液中，沸腾加热4h；所述的脱木素溶液是由NaOH、Na₂S及蒸馏水组成，且脱木素溶液中NaOH 的浓度为2.5M，Na₂S的浓度为0.05M。其它与实施例一相同。

实施例四：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为200℃及压力为0.9MPa 的条件下，热压30s；步骤二中所述的芯棒直径为8mm；步骤二中半圆柱形凹槽直径为 8.3mm。其它与实施例一相同。

实施例五：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为200℃及压力为0.6MPa 的条件下，热压1min；步骤二中所述的芯棒直径为10mm；步骤二中半圆柱形凹槽直径为10.3mm。其它与实施例一相同。

实施例六：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为190℃及压力为0.9MPa 的条件下，热压2min；步骤二中所述的芯棒直径为8mm；步骤二中半圆柱形凹槽直径为 8.3mm。其它与实施例一相同。

实施例七：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为190℃及压力为0.8MPa 的条件下，热压5min；步骤二中所述的芯棒直径为10mm；步骤二中半圆柱形凹槽直径为10.3mm。其它与实施例一相同。

实施例八：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为200℃及压力为0.8MPa 的条件下，热压3min；步骤二中所述的芯棒直径为12mm；步骤二中半圆柱形凹槽直径为12.3mm。其它与实施例一相同。

实施例一至八制得的吸管无缺陷，压制成功。

对比例一：本对比例与实施例一不同的是：取消步骤一中的脱木素；步骤二中将薄单板卷一层至芯棒上且首尾叠压；步骤二中在温度为190℃及压力为1MPa的条件下，热压5min；步骤二中所述的芯棒直径为10mm；步骤二中半圆柱形凹槽直径为10.3mm。其它与实施例一相同。

对比例二：本对比例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为45℃及压力为11MPa的条件下，热压5min；步骤二中所述的芯棒直径为10mm；步骤二中半圆柱形凹槽直径为10.3mm。其它与实施例一相同。

由对比例一制得的吸管水稳定性十分差，不满足使用；由对比例二制得的吸管存在缺陷，吸管壁破裂等，无法使用。

根据调研，氢氧化钠(＞97％)价格为一吨1900元，亚硫酸钠(＞98％)价格为一吨1900元，椴木价格为一立方米2500元。因此，实施例一中一根木吸管成本约在0.02 元。不仅如此，配置的碱液还可以重复利用5次左右，这样会使木吸管的成本进一步降低。图3为实施例一制备的无胶木吸管成本价格对比图；由图可知，一根木吸管成本在0.02 元，低于一根成本为0.24元的纸吸管和一根成本为0.12元的PLA吸管，略高于一根成本为0.012元的塑料吸管。

对实施例一制备的无胶木吸管进行耐水性能、压缩强度性能及可降解性能测试。

图4为实施例一制备的无胶木吸管室温耐水性测试实物图，(a)为浸泡之前的无胶木吸管，(b)为无胶木吸管在水中浸泡6h，(c)为浸泡6h自然干燥后的无胶木吸管；图5为实施例一制备的无胶木吸管室温浸泡于牛奶、果汁和冰饮4h的实物图，1为牛奶， 2为橙汁，3为温度为0℃的冰水。吸管是要在饮品中进行使用的，良好的疏水性能对吸管尤为重要。由图可知，无胶木吸管在水中浸泡6小时，在水中吸管保持形状不变，未出现界面开胶，保持正常使用状态。此外，浸泡6小时后进一步在空气中室温干燥后，也未在结合界面处发现任何开缝，表明了无胶木吸管具有良好的耐水性能，能够在饮品中使用。而不是像纸吸管，在水中浸泡久了便会出现变软，影响正常使用的情况。无胶木吸管还可以在牛奶、果汁、冰饮中保持4小时不会散开，完全足够日常生活的使用。

图6为压缩性能对比图，a为纸吸管，b为PP塑料吸管，c为PLA吸管，d为实施例一制备的无胶木吸管。图7为吸管刺破饮品封皮的实物照片，1为刺破前的端面，2为刺破饮品封皮，3为刺破后的端面。由图可知，在吸管的使用中，经常会遇到无法刺破封皮从而导致吸管变形无法使用的情况，因此吸管的机械性能是需要重点关注的性能。通过万能力学试验机，在2mm/min的速度下测试，试样长度为30mm，宽为11mm，壁厚为0.3mm，测试了压缩性能。实施例一制备的无胶木吸管压缩性能可以达到31MPa，高于PLA吸管 (22MPa)、纸吸管(14MPa)和塑料吸管(16MPa)，表明无胶木吸管的压缩强度很高。优异的压缩性能，使得木胶木吸管即使使用圆头设计，也能轻易刺穿封皮，刺穿后的接头未发现任何破坏，展示优异的刺穿能力，作为对比，纸吸管会出现端头局部变皱，塑料和 PLA吸管会出现接头变形的情况。良好的刺穿性能，源于无胶木吸管充分发挥平行木材纤维方向的高机械性能。

图8为实施例一制备的无胶木吸管降解性能图；吸管由于为一次性用品，因此其降解性能十分重要。为了进行无胶木吸管的自然降解性能评估，室温条件下，将实施例一制备的无胶木吸管埋入土中10天，称得质量减少为0.0835g，降解速率为9.53％。通过推算，无胶木吸管在自然环境中100天左右便会完全降解，其不会产生如塑料吸管无法降解和产生“微塑料”等问题。综上，无胶木吸管在自然环境下很快便会降解，不会对自然环境和生态系统产生影响。

图9为实施例一制备的无胶木吸管首尾叠压处电镜图片，由图可知，木材细胞壁经软化后再经过热压，结构不仅变得致密，而且叠压处贴合紧密，难以看出叠压处的分界线。

图10为实施例一制备的无胶木吸管沿长度方向电镜图片，由图可知，木材纤维经软化后热压，结构变得更加致密，而且保留着天然木材的各向异性结构。

Claims (10)

1.一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

一、塑化：

将木材旋切得到薄单板，对薄单板进行脱木质素处理10min～12h，得到脱除部分木质素的薄单板；

二、卷管并热压：

将脱除部分木质素的薄单板卷一层至芯棒上且首尾叠压，得到卷有单层薄单板的芯棒，将卷有单层薄单板的芯棒置于模具中，最后热压，得到无胶木吸管；所述的首尾叠压宽度为1cm～3cm。

2.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤一中所述的木材材质为针叶材或阔叶材。

3.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤一中所述的薄单板厚度为0.1mm～20mm。

4.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤一中利用NaOH、NaOH+Na₂S、NaOH+Na₂SO₃、NaOH+Na₂S+Na₂SO₃、NaHSO₃+H₂O+SO₂、NaOH+Anthraquinone、NaHSO₃+H₂O+SO₂+Anthraquinone、NaOH+Na₂SO₃+Anthraquinone、NaHSO₃+Anthraquinone、NaOH+Na₂S+Na₂Sn、Na₂SO₃+NaOH+CH₃OH+Anthraquinone、H₂O₂、NaClO₂+CH₃COOH、ClO₂或Cl₂进行脱木质素处理。

5.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤二中所述无胶木吸管厚度为0.05mm～5mm，且无胶木吸管厚度小于薄单板厚度。

6.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤二中所述的芯棒直径为0.5mm～20mm。

7.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤二中所述的模具由两块中间设置半圆柱形凹槽的板材组成，且半圆柱形凹槽直径大于芯棒直径。

8.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤二中所述的热压具体是在温度为50℃～250℃及压力为0.1MPa～10MPa的条件下，热压10s～24h。

9.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤二中所述的无胶木吸管的一侧端部为平口或斜口；所述的斜口角度为1°～89°。

10.根据权利要求1所述的一种无胶木吸管的制备方法，其特征在于步骤二中对无胶木吸管进行后处理，所述的后处理为染色和防水处理中的一种或两种的组合。

Images