CN114196222A - 利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料及制备和应用 - Google Patents
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Abstract
利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料及制备和应用，所述生物降解材料包括以下质量份的组分：酸角果壳10‑30份、酸角果实纤维10‑40份、粘合剂1‑5份、赋形剂10‑50份、脱模剂0.5‑3份、结构调整剂0‑10份、塑化剂1‑10份。本发明的生物降解材料带有酸角风味，易降解，对环境无污染且生产成本低，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种基于酸角果壳、纤维可降解复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
塑料具有重量轻、强度高、化学性质稳定和价格低廉等优点，塑料在给人们带来生活便利、改善生活品质的同时，其使用后的大量废弃物也与日剧增，给人类赖以生存的环境造成不可忽视的负面影响。另外，用于制造塑料等高分子材料的原料-石油资源也逐渐减少。因此不断开发环境友好型的环保材料，具有较高的经济价值和社会价值。
生物降解材料也被称为“绿色生态材料”，是环境友好型的环保材料。但目前的生物可降解材料的价格是通用塑料的2倍以上，增加了生产制造成本。为了降低成本，人们不断研究采用如淀粉、纤维素、木粉和玉米、小麦秸秆粉等生物基作为填充物质，利用PLA(聚乳酸)、PBAT(聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯)、PBS(丁二酸丁二酯)和PCL(聚己内酯)等生物降解材料为主体材料，制备填充型可降解材料。
酸角果壳约占酸角果实重量的15％-25％，含有丰富的纤维素、槲皮素、山奈素、木犀草素等成分，组织结构疏松多孔。此外，包裹在酸角果实外的酸角果实纤维约占酸角果实重量的10-15％。在酸角制品加工中酸角果壳和纤维常常被用于制做作有机肥或者丢弃，造成资源的浪费，并对环境造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种带有酸角风味、对环境友好且生产成本低的利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料及其制备方法。
本发明采取的技术方案如下：
一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，包括以下质量份的组分：酸角果壳10-30份、酸角果实纤维10-40份、粘合剂1-5份、赋形剂10-50份、脱模剂0.5-3份、结构调整剂0-10份、塑化剂1-10份。
进一步地，所述粘合剂为罗望子多糖、普鲁兰多糖、瓜尔胶、羧甲基纤维素钠、羟丙基纤维素、杜仲胶中的一种或者多种的组合物。
进一步地，所述赋形剂为聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚3-羟基丁酸酯(PHB)、3-羟基丁酸酯/3-羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)、3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯的共聚物(PHBH)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚己二酸/丁二酸丁二醇酯共聚物(PBSA)中的一种或多种的组合物。
进一步地，所述脱模剂为蜂蜡、小烛树蜡、巴西棕榈蜡、氢化椰子油中的一种。
进一步地，所述结构调整剂为轻质碳酸钙、膨润土、硅藻土、重质碳酸钙中的一种或多种的组合物。
进一步地，所述塑化剂为丙二醇、甘油、三醋酸甘油酯、乙酸乙酯中的一种或多种的组合物。
本发明所述生物降解材料的制备方法如下：
a.将酸角果壳和纤维分别进行前处理，制成200-800目的酸角果壳超细微粉和纤维浆；
b.将酸角果壳超细微粉、纤维浆与粘合剂、赋形剂、结构调整剂和塑化剂混合，形成混合组分A；
c.将混合组分A与脱模剂混合，于80-120℃持续加热搅拌，形成均质的熔融体，再真空去除水分和气泡；
d.将熔融体压延成型，得到厚度0.1mm-1mm的生物降解材料。
优选地，上述步骤a中所述的物料前处理方法如下：将酸角果壳干燥后研磨至200-800目，制成酸角果壳超细微粉；将酸角纤维加入10倍质量浓度2％-5％的氢氧化钠溶液，于80℃持续加热蒸煮40-180min，使酸角纤维充分软化后，压榨分离氢氧化钠溶液，得到软化固渣，再加入固渣绝干重量15倍的水，使用瓦力打浆机将固渣打浆至65-900SR，得到酸角纤维浆。
优选地，上述步骤b中各组分材料的加入顺序为，先加入酸角纤维超细微粉和纤维浆混合均匀，再依次加入粘合剂、赋形剂、塑化剂和结构调整剂。
本发明所述生物降解材料应用于制作酸角食品的外包装袋。
本发明所述生物降解材料应用于加热不燃烧卷烟的烟支降温段。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明使用酸角果壳、纤维作为材料主体，通过罗望子多糖、瓜尔胶等天然胶体的粘合，在聚乳酸、聚乙烯醇等可生物降解的高分子材料赋形下形成基于酸角果壳、纤维的生物降解材料，具有良好的生物降解性，能够在自然环境下快速降解，不会残留大量的有害物质。
(2)本发明通过对酸角纤维进行高压碱化处理，可充分去除酸角纤维的外层木质素和半纤维素，使纤维在后续成型中不会出现发脆断裂的问题。软化后的纤维采用制浆造纸中的打浆工艺，使纤维充分的分丝帚化，纤维表面负载更多的羟基，对整个材料的成型起到了结构连接的作用。
(3)组分材料中大量使用罗望子多糖等天然胶体，大大加强了酸角果壳超细微粉分子间的界面粘结力。赋形剂的使用可大大加强酸角果壳超细粉和纤维为主体的材料强度、抗拉伸性能，使材料具有更好的可塑性。相较于全部使用聚乳酸等高分子材料制备的生物降解材料，本发明制备的材料大大减少了高分子材料的使用，降低了制造成本，并更有效地回收利用了酸角果壳、纤维，易于实现产业化，具有较好的商业前景。
(4)由于酸角果壳结构疏松多孔，纤维中纤维素含量较高，且含有一定的有机酸和酸角风味物质，将本发明制备的生物降解材料，用于制作酸角食品的包装袋，与当前在用的PE、PP类材料相比，不仅更加环保，还可降低包装袋生产成本。应用于制作加热不燃烧卷烟的烟支降温材料，不仅成本更低，而且在为加热不燃烧卷烟烟气降温的同时，还可释放出更多的酸角风味物质，改善卷烟的抽吸口感。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明的内容。
实施例1
一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，包括以下质量份的组分：酸角果壳20份、酸角果实纤维20份、罗望子多糖2份、瓜尔胶1份、聚乙烯醇(PVA)15份、聚乳酸(PLA)15份、蜂蜡1份、轻质碳酸钙10份、丙二醇5份、甘油1份。
上述生物降解材料的制备方法如下：
a.将酸角果壳和纤维分别进行前处理，处理方法如下：
将酸角果壳干燥后研磨至500目，制成酸角果壳超细微粉；
将酸角纤维加入10倍质量浓度3％的氢氧化钠溶液，于80℃持续加热蒸煮100min，使酸角纤维充分软化后，压榨分离氢氧化钠溶液，得到软化固渣，再加入固渣绝干重量15倍的水，使用瓦力打浆机将固渣打浆至600SR，得到酸角纤维浆。
b.将酸角果壳超细微粉、纤维浆与粘合剂、赋形剂、结构调整剂和塑化剂混合，充分搅拌，形成混合组分A。各组分材料的加入顺序为，先加入酸角纤维超细微粉和纤维浆混合均匀，再依次加入罗望子多糖和瓜尔胶的混合物、聚乙烯醇和聚乳酸的混合物、丙二醇和甘油的混合物、轻质碳酸钙。
c.将混合组分A与蜂蜡混合，于100℃持续加热搅拌，形成均质的熔融体，再真空去除水分和气泡；
d.将熔融体压延成型，得到厚度0.5mm的生物降解材料。
将上述生物降解材料用于制作酸角食品的外包装袋。
实施例2
一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，包括以下质量份的组分：酸角果壳30份、酸角果实纤维10份、罗望子多糖5份、3-羟基丁酸酯/3-羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)50份、巴西棕榈蜡3份、乙酸乙酯10份。
上述生物降解材料的制备方法如下：
b.将酸角果壳和纤维分别进行前处理，处理方法如下：
将酸角果壳干燥后研磨至800目，制成酸角果壳超细微粉；
将酸角纤维加入10倍质量浓度5％的氢氧化钠溶液，于80℃持续加热蒸煮40min，使酸角纤维充分软化后，压榨分离氢氧化钠溶液，得到软化固渣，再加入固渣绝干重量15倍的水，使用瓦力打浆机将固渣打浆至900SR，得到酸角纤维浆。
b.将酸角果壳超细微粉、纤维浆与罗望子多糖、3-羟基丁酸酯/3-羟基戊酸酯的共聚物、巴西棕榈蜡、乙酸乙酯混合，充分搅拌，形成混合组分A。各组分材料的加入顺序为，先加入酸角纤维超细微粉和纤维浆混合均匀，再依次加入罗望子多糖、3-羟基丁酸酯/3-羟基戊酸酯的共聚物、乙酸乙酯。
c.将混合组分A与巴西棕榈蜡混合，于120℃持续加热搅拌，形成均质的熔融体，再真空去除水分和气泡；
d.将熔融体压延成型，得到厚度1mm的生物降解材料。
将上述生物降解材料用于制作加热不燃烧卷烟的烟支降温段。
实施例3
一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，包括以下质量份的组分：酸角果壳10份、酸角果实纤维40份、普鲁兰多糖1份、3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯的共聚物(PHBH)10份、小烛树蜡0.5份、硅藻土3份、重质碳酸钙2份、三醋酸甘油酯1份。
上述生物降解材料的制备方法如下：
c.将酸角果壳和纤维分别进行前处理，处理方法如下：
将酸角果壳干燥后研磨至200目，制成酸角果壳超细微粉；
将酸角纤维加入10倍质量浓度2％的氢氧化钠溶液，于80℃持续加热蒸煮180min，使酸角纤维充分软化后，压榨分离氢氧化钠溶液，得到软化固渣，再加入固渣绝干重量15倍的水，使用瓦力打浆机将固渣打浆至65SR，得到酸角纤维浆。
b.将酸角果壳超细微粉、纤维浆与普鲁兰多糖、3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯的共聚物、硅藻土、重质碳酸钙、三醋酸甘油酯混合，充分搅拌，形成混合组分A。各组分材料的加入顺序为，先加入酸角纤维超细微粉和纤维浆混合均匀，再依次加入普鲁兰多糖、3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯的共聚物、三醋酸甘油酯、硅藻土和重质碳酸钙的混合物。
c.将混合组分A与小烛树蜡混合，于120℃持续加热搅拌，形成均质的熔融体，再真空去除水分和气泡；
d.将熔融体压延成型，得到厚度0.1mm的生物降解材料。
将上述生物降解材料用于制作酸角食品的包装膜。
本发明可用的粘合剂还可以为羧甲基纤维素钠、羟丙基纤维素、杜仲胶份等。可用的赋形剂还可以为聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚己二酸/丁二酸丁二醇酯共聚物(PBSA)等。脱模剂还可采用氢化椰子油。结构调整剂还可采用膨润土。
本发明所用粘合剂、赋形剂、脱模剂、结构调整剂、塑化剂等均可市购得到。
Claims (11)
1.一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，其特征在于，包括以下质量份的组分：酸角果壳10-30份、酸角果实纤维10-40份、粘合剂1-5份、赋形剂10-50份、脱模剂0.5-3份、结构调整剂0-10份、塑化剂1-10份。
2.根据权利要求1所述的一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，其特征在于，所述粘合剂为罗望子多糖、普鲁兰多糖、瓜尔胶、羧甲基纤维素钠、羟丙基纤维素、杜仲胶中的一种或者多种的组合物。
3.根据权利要求1所述的一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，其特征在于，所述赋形剂为聚乙烯醇、聚乳酸、聚3-羟基丁酸酯、3-羟基丁酸酯/3-羟基戊酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯的共聚物、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、聚己二酸/丁二酸丁二醇酯共聚物中的一种或多种的组合物。
4.根据权利要求1所述的一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，其特征在于，所述脱模剂为蜂蜡、小烛树蜡、巴西棕榈蜡、氢化椰子油中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，其特征在于，所述结构调整剂为轻质碳酸钙、膨润土、硅藻土、重质碳酸钙中的一种或多种的组合物。
6.根据权利要求1所述的一种利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料，其特征在于，所述塑化剂为丙二醇、甘油、三醋酸甘油酯、乙酸乙酯中的一种或多种的组合物。
7.如权利要求1-6任一项所述的利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料的制备方法，其特征在于，方法如下：
a.将酸角果壳和纤维分别进行前处理，制成200-800目的酸角果壳超细微粉和纤维浆；
b.将酸角果壳超细微粉、纤维浆与粘合剂、赋形剂、结构调整剂和塑化剂混合，形成混合组分A；
c.将混合组分A与脱模剂混合，于80-120℃持续加热搅拌，形成均质的熔融体，再真空去除水分和气泡；
d.将熔融体压延成型，得到厚度0.1mm-1mm的生物降解材料。
8.如权利要求7所述的利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料的制备方法，其特征在于，上述步骤a中所述的物料前处理方法如下：将酸角果壳干燥后研磨至200-800目，制成酸角果壳超细微粉；将酸角纤维加入10倍质量浓度2％-5％的氢氧化钠溶液，于80℃持续加热蒸煮40-180min，使酸角纤维充分软化后，压榨分离氢氧化钠溶液，得到软化固渣，再加入固渣绝干重量15倍的水，使用瓦力打浆机将固渣打浆至65-900SR，得到酸角纤维浆。
9.如权利要求7所述的利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料的制备方法，其特征在于，上述步骤b中各组分材料的加入顺序为，先加入酸角纤维超细微粉和纤维浆混合均匀，再依次加入粘合剂、赋形剂、塑化剂和结构调整剂。
10.利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料应用于制作酸角食品的外包装袋。
11.利用酸角果壳和纤维制备的生物降解材料应用于加热不燃烧卷烟的烟支降温段。
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