CN114921054A - 一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方及加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方及加工工艺，属于餐具材料技术领域。该木粉配方，按照重量份计包括：改性木粉30‑35份、密胺树脂45‑50份、玉米淀粉10‑12份、钛白粉4‑5份、碳酸钙9‑10份；本发明采用改性木粉作为餐具的主体原料之一，木粉在改性处理时，先经过预处理以除去杂质暴露更多的羟基基团；在后续改性中，表面裸露的‑OH能够接枝抗菌剂成分，能够改善现有技术中木粉作为餐具材料时易吸水和易滋生细菌的特性，同时，辅以玉米淀粉，增强餐具材料的可降解性能；另外，掺入钛白粉和碳酸钙，起到稳定产品的化学结构，增加产品重量的作用；通过本发明的木粉配方制得的餐具，具有更广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于餐具材料技术领域，具体地，涉及一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方及加工工艺。
背景技术
为了提高餐具使用的安全性和环保性能，现有技术中有利用植物纤维制备餐具。植物纤维餐具是以麦秸、导槽或玉米等为原料，经分解后得到植物纤维，再向植物纤维中混入适量助剂如粘结剂脱模剂等，后注入模具中，在高温高压下利用干压法压制成型。由于植物纤维具有良好的生物降解性能，且不会产生对人体有害的物质，因此植物纤维餐具愈来愈受到人们的关注。另外，相对于纸浆模具餐具，其原料来源广泛，完全不需消耗木材，有利于降低餐具的成本。
植物纤维餐具虽具备上述优点，但是其缺点在于：植物纤维餐具耐水性较差，当其与水长期接触后，容易吸水，水分渗入餐具内部，造成餐具软化而无法使用；此外，木粉等植物纤维制成的餐具容易滋生细菌，影响用户的身体健康，因此，严重限制了木粉在餐具行业的广泛应用。因此，需要提供一种耐水性能好且具有抗菌功能的植物纤维餐具。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方及加工工艺。
本发明通过对木粉进行改性处理，不仅能够改善木粉易吸水和易滋生细菌缺陷，而且能够改善木粉与密胺树脂的相容性，提高木粉型餐具的使用范围。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，按照重量份计包括：改性木粉30-35份、密胺树脂45-50份、玉米淀粉10-12份、钛白粉4-5份、碳酸钙9-10份；
进一步地，密胺树脂为A5型密胺树脂。
进一步地，改性木粉通过如下步骤制备：
S1、在装有温度计、搅拌器、冷凝器分水装置和进气管的四口烧瓶中，加入1,10-癸二醇和一定量的催化剂，保持300r/min匀速搅拌，经氮气吹扫后，通入氢气并升温(通过氢气还原催化剂)，达到190℃时，通入二甲胺，反应110-120min，再升温至210℃，继续反应170-190min，过滤，滤液减压蒸馏，得到中间体1；1,10-癸二醇和二甲胺的摩尔比为2.2:1，催化剂的用量为1,10-癸二醇质量的1.5％-3.5％，催化剂为Cu-Ni型三元或四元多组分载体催化剂；
1,10-癸二醇在催化剂作用下与二甲胺发生化学反应，得到中间体1，反应方程式如下：
S2、将中间体1和4-溴-1-丁醇加入反应釜中，再加入乙醇，200r/min匀速搅拌条件下，升温至80℃反应20h，反应结束后通过旋转蒸发仪除去乙醇，待产物冷却后，减压蒸馏除去未反应的4-溴-1-丁醇，继续冷却后，在产物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙酸乙酯进行重结晶，得到抗菌二元醇；中间体1和4-溴-1-丁醇的摩尔比为2.2:1；乙醇作为溶剂，加入量为4-溴-1-丁醇体积的20-30倍；
中间体1与4-溴-1-丁醇发生反应，得到两端是-OH的季铵盐型化合物，反应方程式如下所示：
S3、将对苯二甲酰氯溶于乙醚中，配置成浓度为12-13g/L的对苯二甲酰氯溶液，再加入N,N-二甲基乙酰胺，按比例加入2g预处理木粉，室温反应110-120min，继续加入制备的抗菌二元醇，继续搅拌反应110-120min，过滤，烘干后得到改性木粉；预处理木粉、对苯二甲酰氯溶液和N,N-二甲基乙酰胺的用量比为1g:30-40mL:20-30mL，抗菌二元醇的加入量为预处理木粉质量的1.5-2％；
木粉经过预处理后，裸露出表面的-OH，与对苯二甲酰氯上的酰氯基团发生反应，在木粉纤维分子链上引入对苯二甲酰氯，在位阻的作用下，对苯二甲酰氯上只有一个酰氯基优先与木粉纤维反应，剩余一个未反应的酰氯基团，再与后续加入的抗菌剂进行反应，使抗菌剂分子接枝与纤维分子链上；一方面，对苯二甲酰氯作为桥梁，使抗菌剂分子通过化学键合作用接枝于木粉分子链，使木粉纤维表面的亲水性羟基基团数量大幅减少，而引入长链烷基，能够有效改善木粉的疏水性能，并且抗菌剂含有的长链烷基能够与聚合物分子链发生缠绕，提高木粉与聚合物的结合性能，进而提高餐具成品的物理力学性能；另一方面，自制的抗菌剂为季铵盐型抗菌剂，具备良好的抗菌性能，通过化学键合的方式接枝于木粉上，能够避免迁移，提高抗菌的持久性。
进一步地，木粉采用如下步骤进行预处理：
将木粉与氢氧化钠溶液(质量分数为3％)按照固液比1g：30-40mL进行混合后，在200r/min匀速搅拌下处理30-40min，过滤、反复洗涤、干燥，再放入乙醇水溶液中浸泡处理3-4h，过滤、洗涤、烘干，得到预处理木粉；
先经过碱洗处理，除去木粉表面含有的杂质，如：蜡质、果胶、脂肪等；木粉中含有大量的极性羟基基团，使用NaOH溶液处理木粉时间相对较短，只能除去木粉粒子表面少部分的杂质，再使用乙醇水溶液浸泡木粉的时间长达3-4h，木粉粒子中更多的可溶性物质会缓慢溶解在乙醇水溶液中，并随过滤液带走，使木粉裸露出更多的羟基基团。
环保型植物纤维餐具生产用木粉的加工工艺，包括如下步骤：
第一步、改性木粉和密胺树脂预先在60℃条件下干燥20-24h，以去除水分；去除水分的目的在于后续防止形成材料空隙；
第二步、在50-75℃条件下将改性木粉、密胺树脂、玉米淀粉置于捏合机中捏合60-80min，然后置于100-120℃烘箱中烘干得捏合料；
第三步、将捏合料与钛白粉和碳酸钙混合后球磨10-20h，制得餐具用木粉。
本发明的有益效果：
本发明采用改性木粉作为餐具的主体原料之一，木粉在改性处理时，先经过预处理以除去表面含有的蜡质、果胶杂质等，以暴露更多的羟基基团；在后续改性中，表面裸露的-OH与对苯二甲酰氯上的酰氯基团发生反应，在木粉纤维分子链上引入对苯二甲酰氯，在位阻的作用下，对苯二甲酰氯上只有一个酰氯基优先与木粉纤维反应，剩余一个未反应的酰氯基团，再与后续加入的抗菌剂进行反应，使抗菌剂分子接枝与纤维分子链上；一方面，对苯二甲酰氯作为桥梁，使抗菌剂分子通过化学键合作用接枝于木粉分子链，使木粉纤维表面的亲水性羟基基团数量大幅减少，而引入长链烷基，能够有效改善木粉的疏水性能，并且抗菌剂含有的长链烷基能够与聚合物分子链发生缠绕，提高木粉与聚合物的结合性能，进而提高餐具成品的物理力学性能；另一方面，自制的抗菌剂为季铵盐型抗菌剂，具备良好的抗菌性能，通过化学键合的方式接枝于木粉上，能够避免迁移，提高抗菌的持久性；
本发明的餐具配方采用密胺树脂和改性木粉作为餐具主体，能够改善现有技术中木粉作为餐具材料时易吸水和易滋生细菌的特性，同时，辅以玉米淀粉，增强餐具材料的可降解性能；另外，掺入钛白粉和碳酸钙，起到稳定产品的化学结构，增加产品重量的作用；综上，通过本发明的木粉配方制得的餐具，具有更广泛的应用范围。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备改性木粉：
S1、将木粉与氢氧化钠溶液(质量分数为3％)按照固液比1g：30mL进行混合后，在200r/min匀速搅拌下处理30min，过滤、反复洗涤、干燥，再放入乙醇水溶液中浸泡处理3h，过滤、洗涤、烘干，得到预处理木粉；
S2、在装有温度计、搅拌器、冷凝器分水装置和进气管的四口烧瓶中，加入1,10-癸二醇和一定量的催化剂，保持300r/min匀速搅拌，经氮气吹扫后，通入氢气并升温(通过氢气还原催化剂)，达到190℃时，通入二甲胺，反应110min，再升温至210℃，继续反应170min，过滤，滤液减压蒸馏，得到中间体1；催化剂的用量为1,10-癸二醇质量的1.5％，催化剂为Cu-Ni型三元或四元多组分载体催化剂；
S3、将中间体1和4-溴-1-丁醇加入反应釜中，再加入乙醇，200r/min匀速搅拌条件下，升温至80℃反应20h，反应结束后通过旋转蒸发仪除去乙醇，待产物冷却后，减压蒸馏除去未反应的4-溴-1-丁醇，继续冷却后，在产物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙酸乙酯进行重结晶，得到抗菌二元醇；中间体1和4-溴-1-丁醇的摩尔比为1:2.2；乙醇作为溶剂，加入量为4-溴-1-丁醇体积的20倍；
S4、将对苯二甲酰氯溶于乙醚中，配置成浓度为12g/L的对苯二甲酰氯溶液，再加入N,N-二甲基乙酰胺，按比例加入2g预处理木粉，室温反应110min，继续加入制备的抗菌二元醇，继续搅拌反应110min，过滤，烘干后得到改性木粉；预处理木粉、对苯二甲酰氯溶液和N,N-二甲基乙酰胺的用量比为1g:30mL:20mL，抗菌二元醇的加入量为预处理木粉质量的1.5％。
实施例2
制备改性木粉：
S1、将木粉与氢氧化钠溶液(质量分数为3％)按照固液比1g：35mL进行混合后，在200r/min匀速搅拌下处理35min，过滤、反复洗涤、干燥，再放入乙醇水溶液中浸泡处理3.5h，过滤、洗涤、烘干，得到预处理木粉；
S2、在装有温度计、搅拌器、冷凝器分水装置和进气管的四口烧瓶中，加入1,10-癸二醇和一定量的催化剂，保持300r/min匀速搅拌，经氮气吹扫后，通入氢气并升温(通过氢气还原催化剂)，达到190℃时，通入二甲胺，反应115min，再升温至210℃，继续反应180min，过滤，滤液减压蒸馏，得到中间体1；催化剂的用量为1,10-癸二醇质量的2.5％，催化剂为Cu-Ni型三元或四元多组分载体催化剂；
S3、将中间体1和4-溴-1-丁醇加入反应釜中，再加入乙醇，200r/min匀速搅拌条件下，升温至80℃反应20h，反应结束后通过旋转蒸发仪除去乙醇，待产物冷却后，减压蒸馏除去未反应的4-溴-1-丁醇，继续冷却后，在产物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙酸乙酯进行重结晶，得到抗菌二元醇；中间体1和4-溴-1-丁醇的摩尔比为1:2.2；乙醇作为溶剂，加入量为4-溴-1-丁醇体积的25倍；
S4、将对苯二甲酰氯溶于乙醚中，配置成浓度为13g/L的对苯二甲酰氯溶液，再加入N,N-二甲基乙酰胺，按比例加入2g预处理木粉，室温反应115min，继续加入制备的抗菌二元醇，继续搅拌反应115min，过滤，烘干后得到改性木粉；预处理木粉、对苯二甲酰氯溶液和N,N-二甲基乙酰胺的用量比为1g:35mL:25mL，抗菌二元醇的加入量为预处理木粉质量的1.8％。
实施例3
制备改性木粉：
S1、将木粉与氢氧化钠溶液(质量分数为3％)按照固液比1g：40mL进行混合后，在200r/min匀速搅拌下处理40min，过滤、反复洗涤、干燥，再放入乙醇水溶液中浸泡处理4h，过滤、洗涤、烘干，得到预处理木粉；
S2、在装有温度计、搅拌器、冷凝器分水装置和进气管的四口烧瓶中，加入1,10-癸二醇和一定量的催化剂，保持300r/min匀速搅拌，经氮气吹扫后，通入氢气并升温(通过氢气还原催化剂)，达到190℃时，通入二甲胺，反应120min，再升温至210℃，继续反应190min，过滤，滤液减压蒸馏，得到中间体1；催化剂的用量为1,10-癸二醇质量的3.5％，催化剂为Cu-Ni型三元或四元多组分载体催化剂；
S3、将中间体1和4-溴-1-丁醇加入反应釜中，再加入乙醇，200r/min匀速搅拌条件下，升温至80℃反应20h，反应结束后通过旋转蒸发仪除去乙醇，待产物冷却后，减压蒸馏除去未反应的4-溴-1-丁醇，继续冷却后，在产物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙酸乙酯进行重结晶，得到抗菌二元醇；中间体1和4-溴-1-丁醇的摩尔比为1:2.2；乙醇作为溶剂，加入量为4-溴-1-丁醇体积的30倍；
S4、将对苯二甲酰氯溶于乙醚中，配置成浓度为13g/L的对苯二甲酰氯溶液，再加入N,N-二甲基乙酰胺，按比例加入2g预处理木粉，室温反应120min，继续加入制备的抗菌二元醇，继续搅拌反应120min，过滤，烘干后得到改性木粉；预处理木粉、对苯二甲酰氯溶液和N,N-二甲基乙酰胺的用量比为1g:40mL:30mL，抗菌二元醇的加入量为预处理木粉质量的2％。
对比例1
制备改性木粉，与实施例1相比，不同的是，不对木粉进行预处理，其余原料与制备步骤与实施例1相同。
对比例2
未经过任何处理的木粉。
实施例4
制备餐具用木粉配方：
第一步、实施例1制得的改性木粉和密胺树脂预先在60℃条件下干燥20h，以去除水分；
第二步、在50℃条件下将30份改性木粉、45份密胺树脂、10份玉米淀粉置于捏合机中捏合60min，然后置于100℃烘箱中烘干得捏合料；
第三步、将捏合料与4份钛白粉和9份碳酸钙混合后球磨10h，制得餐具用木粉。
实施例5
制备餐具用木粉配方：
第一步、改性木粉和密胺树脂预先在60℃条件下干燥22h，以去除水分；
第二步、在65℃条件下将33份改性木粉、48份密胺树脂、11份玉米淀粉置于捏合机中捏合70min，然后置于110℃烘箱中烘干得捏合料；
第三步、将捏合料与4.5份钛白粉和9.5份碳酸钙混合后球磨15h，制得餐具用木粉。
实施例6
制备餐具用木粉配方：
第一步、改性木粉和密胺树脂预先在60℃条件下干燥24h，以去除水分；
第二步、在75℃条件下将35份改性木粉、50份密胺树脂、12份玉米淀粉置于捏合机中捏合80min，然后置于120℃烘箱中烘干得捏合料；
第三步、将捏合料与5份钛白粉和10份碳酸钙混合后球磨20h，制得餐具用木粉。
对比例3
将实施例4中的改性木粉换成对比例1制得的木粉，其余原料剂制备步骤不变。
对比例4
将实施例4中的改性木粉换成对比例2的木粉，其余原料剂制备步骤不变。
将实施例4-6和对比例2-3的木粉配方分别放入双螺杆挤出机挤出，制成测试样条，对测试样条进行如下性能测试：根据GB/T 3403.2-2013的标准测试冲击强度；按照ASTMG21对材料进行抗菌性能测试(黑霉菌和曲霉菌)；将测试样条在水中浸泡24h后，检测其吸水率；
由上表数据可知，实施例4-6制得的餐具木粉配方，具备良好的力学性能，通过木粉改性，具有极低的吸水率以及较高的抗菌性能；通过对比例3的数据可知，木粉未经过预处理而直接改性处理，会影响木粉表面裸露的-OH数量，降低接枝量，从而一定程度上降低吸水性能和抗菌性能；对比例4的数据可知，木粉经过改性处理后，能够有效提高其的吸水性能和抗菌性能；
本发明的木粉在改性处理时，先经过预处理以除去表面含有的蜡质、果胶杂质等，以暴露更多的羟基基团；在后续改性中，表面裸露的-OH与对苯二甲酰氯上的酰氯基团发生反应，在木粉纤维分子链上引入对苯二甲酰氯，在位阻的作用下，对苯二甲酰氯上只有一个酰氯基优先与木粉纤维反应，剩余一个未反应的酰氯基团，再与后续加入的抗菌剂进行反应，使抗菌剂分子接枝与纤维分子链上；一方面，对苯二甲酰氯作为桥梁，使抗菌剂分子通过化学键合作用接枝于木粉分子链，使木粉纤维表面的亲水性羟基基团数量大幅减少，而引入长链烷基，能够有效改善木粉的疏水性能，并且抗菌剂含有的长链烷基能够与聚合物分子链发生缠绕，提高木粉与聚合物的结合性能，进而提高餐具成品的物理力学性能；另一方面，自制的抗菌剂为季铵盐型抗菌剂，具备良好的抗菌性能，通过化学键合的方式接枝于木粉上，能够避免迁移，提高抗菌的持久性。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，按照重量份计包括以下组分：改性木粉30-35份、密胺树脂45-50份、玉米淀粉10-12份、钛白粉4-5份、碳酸钙9-10份。
2.根据权利要求1所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，所述密胺树脂为A5型密胺树脂。
3.根据权利要求1所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，所述改性木粉通过如下步骤制备：
S1、在装有温度计、搅拌器、冷凝器分水装置和进气管的四口烧瓶中，加入1,10-癸二醇和一定量的催化剂，保持300r/min匀速搅拌，经氮气吹扫后，通入氢气并升温，达到190℃时，通入二甲胺，反应110-120min，再升温至210℃，继续反应170-190min，过滤，滤液减压蒸馏，得到中间体1；
S2、将中间体1和4-溴-1-丁醇加入反应釜中，再加入乙醇，200r/min匀速搅拌条件下，升温至80℃反应20h，反应结束后通过旋转蒸发仪除去乙醇，待产物冷却后，减压蒸馏除去未反应的4-溴-1-丁醇，继续冷却后，在产物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙酸乙酯进行重结晶，得到抗菌二元醇；
S3、将对苯二甲酰氯溶于乙醚中，配置成浓度为12-13g/L的对苯二甲酰氯溶液，再加入N,N-二甲基乙酰胺，按比例加入2g预处理木粉，室温反应110-120min，继续加入制备的抗菌二元醇，继续搅拌反应110-120min，过滤，烘干后得到改性木粉。
4.根据权利要求3所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，步骤S1中催化剂的用量为1,10-癸二醇质量的1.5％-3.5％，催化剂为Cu-Ni型三元或四元多组分载体催化剂。
5.根据权利要求3所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，步骤S2中中间体1和4-溴-1-丁醇的摩尔比为2.2:1；乙醇作为溶剂，加入量为4-溴-1-丁醇体积的20-30倍。
6.根据权利要求3所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，步骤S3中预处理木粉、对苯二甲酰氯溶液和N,N-二甲基乙酰胺的用量比为1g:30-40mL:20-30mL，抗菌二元醇的加入量为预处理木粉质量的1.5-2％。
7.根据权利要求3所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，木粉采用如下步骤进行预处理：
将木粉与氢氧化钠溶液按照固液比1g：30-40mL进行混合后，在200r/min匀速搅拌下处理30-40min，过滤、反复洗涤、干燥，再放入乙醇水溶液中浸泡处理3-4h，过滤、洗涤、烘干，得到预处理木粉。
8.根据权利要求7所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉配方，其特征在于，氢氧化钠溶液的质量分数为3％。
9.根据权利要求1所述的一种环保型植物纤维餐具生产用木粉的加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
第一步、改性木粉和密胺树脂预先在60℃条件下干燥20-24h；
第二步、在50-75℃条件下将改性木粉、密胺树脂、玉米淀粉置于捏合机中捏合60-80min，然后置于100-120℃烘箱中烘干得捏合料；
第三步、将捏合料与钛白粉和碳酸钙混合后球磨10-20h，制得餐具用木粉。
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| JP2001026438A (ja) * | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Toagosei Co Ltd | 抗菌剤 |
| CN103937153A (zh) * | 2014-04-01 | 2014-07-23 | 常州乔尔塑料有限公司 | 一种广谱高效抗菌氨基模塑料 |
| CN107129580A (zh) * | 2016-02-26 | 2017-09-05 | 翁秋梅 | 一种动态聚合物材料及其应用 |
| CN109456572A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-03-12 | 广州简米餐具有限公司 | 一种橡木木粉复合树脂及其制备方法 |
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