CN1610783A - 可降解农作物纤维环保包装材料制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

环保及可生物降解是当今考量包装材料商业价值的重要因素之一。本发明涉及一种使用非化学处理农作物纤维的方法，和一种淀粉粘合剂的配制方法。本发明也涉及使用非化学法制取农作物纤维，结合淀粉粘合剂来生产环保、可生物降解包装产品的方法。本发明的农作物纤维经高温过热蒸汽蒸煮，突发减压***所得。处理过的农作物纤维与计量的淀粉粘合剂混合，经适当搅拌后制成理想农作物纤维浆，以此作为生产环保包装产品的进料。本发明的农作物纤维浆适于生产农作物纤维模塑包装制品和农作物纤维箱板纸等包装材料。本发明中的淀粉粘合剂以天然原料制成，可生物降解，并具有自留和助留功能。

Description

可降解农作物纤维环保包装材料制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种使用高温过热蒸汽蒸煮、突发减压***法制作农作物纤维的方法。利用成熟的造纸工艺，或纸浆模塑生产工艺，可将此农作物纤维浆转化成环保，可生物降解的农作物纤维模塑包装制品及箱板纸。
背景技术
可生物降解环保包装材料及生产技术为目前迅速发展的工业领域。在有限的几种环保包装替代物中，纸浆模塑包装制品、淀粉包装和光降解塑料包装材料尤为瞩目。如果综观以上几种环保包装材料，从原材料到生产工艺，从生产过程耗能量到生产尾气和废水处理，从整体设备投资到生产费用，每一种材料都有其独特的缺限，技术改良、以加强产品竞争性是每一种环保包装新材料必面临的挑战。
以纸浆模塑包装制品为例，纸制品可生物降解，但纸制品生产却常常给环境带来诸多污染问题，尤其是以氯化物漂白纸浆的生产工艺过程。从商业角度来看，以纸浆模塑包装制品取代塑料食品包装，面临最大的挑战为生产成本和价格竞争力。
淀粉包装材料和生产技术日趋成熟，其优势在于淀粉包装材料具有较好的机械加工特性。但是，淀粉制品的可食性限制了它的应用。光降解塑料与普通塑料生产工艺类似，一旦其光降解性被证实，它将成为一种极具竞争性的新型环保包装材料。然而，日趋减少的地球石油储存量给光降解塑料的市场化带来新的挑战——即取代石油的塑料来源的商业化进程。
近来，一种基于淀粉和热塑性树脂为粘合剂，以无机盐如碳酸钙和农作物纤维为填充剂的新型包装材料正陆续投放小型生产。这种包装材料具有较好的刚性，但热塑性树脂的使用影响其完全降解性，因此其环保性受到质疑。该种包装材料配方中农作物纤维含量少，一般在重量比的20～30％，粘合剂30～70％，其他组分包含功能性添加剂，如防油、防水剂等等，因此该配方产品竞争性尚待讨论。
挑战性的难题在于如何配制以农作物纤维为主要成分，以粘合剂和功能性化学试剂为辅助成分的全方位环保包装材料。如能配制出该种农作物纤维为主体的环保包装材料，不但为废弃农作物纤维提供了一种增值处理方法，也为包装工业提供一种具有竞争性的解决方案。由于该种包装材料取于丰富的可再生资源，为该产品的成本竞争性提供了必要条件。
解决以上问题的合理方案取决于对以下问题答案的寻求：(i)可再生农作物纤维的制备方法；(ii)淀粉粘合剂的配制；(iii)农作物纤维和淀粉粘合剂的优化配比；(iv)适于该材料配比的生产工艺。处理农作物纤维的关键在于纤维表面活化，以促进它与淀粉粘合剂间的结合力。结合使用现有生产技术，本发明的农作物纤维复合材料有待成为一种极具竞争性的环保包装替代品。
纸浆模塑生产工艺已相对成熟。其生产工艺的特点为：进料为低浓度、低稠度的纸浆液，模塑制品通过机械脱水和热定型制成。本发明重点提出经济可靠的非化学处理农作物纤维方法、淀粉粘合剂配方、及农作物纤维浆制造方法。本发明也披露用改进的纸浆模塑生产工艺生产农作物纤维模塑产品，如农作物纤维模塑餐具及多种食品包装、农作物纤维模塑电子产品及多种消费产品包装等等。另外，本发明的另一应用为利用现有造纸生产工艺，生产农作物纤维箱板纸。其经济效益比以原生纸和再生纸浆有大幅度提高。
本发明的目的在于提供一种利用低浓度农作物纤维浆(AgroFibre)制备多功能农作物纤维模塑包装和箱板纸的通用方法。
德国专利DE19949975披露了一种使用干木质纤维来制备绝缘建筑面板及模塑部件的生产工艺。该木质纤维经过多阶段湿化，并在湿化过程中加入干粉粘合剂。该面板/部件是用可生物降解的材料模制而成，比如木质纤维和天然的含有淀粉的粘合剂。干纤维通过单一或多阶段加水湿化，水含量控制在13～33％范围内。干粉粘合剂在湿化阶段后加入纤维中。绝缘建筑面板或模塑部件的表面处理通过喷洒水或者水-粘合剂悬浮液来完成。绝缘建筑面板或模塑部件最终定型在热压或干燥器中完成。使用的粘合剂包括马铃薯淀粉，纤维材料包括木纤维、小麦、大麦或稻草纤维、油菜籽和***、或者它们的混合物。
GUO KANGQUAN，YANG ZHONGPING和ZHU XINHUA提交的中国专利CN1312158中披露了生产多层模塑纤维材料的方法。该发明使用软薄层产品作为面层材料，利用胶合纤维为中心层材料，它们二者粘合后，经过热压在模具中成形，然后经过模切和表明处理工艺制成纤维合成物模塑产品。此发明宜于生产薄壁、深度较高和倾斜度大的模塑产品。
Khashoggi E lnd等申报的美国专利US5679145中披露了一种材料配方、生产方法和工艺***，用于生产多种包装产品。该发明的材料配方以淀粉粘合剂和均匀分散的纤维为主要成分，通过特殊生产工艺制成强化淀粉-纤维复合材料。
中国专利CN1230386披露了一种用植物纤维生产餐具的方法。该专利使用植物纤维和粘合剂。生产工艺流程在几乎无水条件下进行。产品在高温和高压模具中模塑成型。
中国专利CN1257089披露了一种制作发泡植物纤维包装材料的制备方法。该发泡植物纤维包装材料含有植物纤维、起泡剂、淀粉添加剂，产品模塑而成。
美国专利US5849152(PCT/EP95/00285)披露了一种生产可生物降解模塑形体的方法。将纤维、水、淀粉等混合物质在烘烤模具中烘烤成形。淀粉量占纤维材料干重的15～200wt％。
发明内容
本发明披露了一种使用低浓度农作物纤维(AgroFibre)浆来生产可生物降解环保模塑包装产品和箱板纸的方法。
农作物纤维浆由适当配比的特制农作物纤维(AgroFibre)、天然粘合剂(AgroBinder)、及功能性添加剂组成。
本发明披露了一种天然粘合剂(AgroBinder)配方。该天然粘合剂(AgroBinder)由多种淀粉在碱性条件下配制而成。它为天然的聚合物，粘度稳定，并可生物降解。
本发明也披露了一种以非化学处理废弃农作物纤维、制造农作物纤维浆的方法。通过使用淀粉粘合剂(AgroBinder)，农作物纤维浆有广泛的应用领域，如取代原纸浆，或再生纸浆制造箱板纸。由于采用非化学处理方法，从根本上避免生产工艺造成的污染等问题。本发明所指农作物纤维包括稻杆、麦杆、棕榈空果蹿及椰壳纤维、玉米杆、亚麻杆等等。
本发明披露，淀粉粘合剂(AgroBinder)具有自留和助留特性。它的存在使得农作物纤维浆(AgroFibre)产品具有防油、防水、强湿等作为包装产品必备的功能特性。
本发明也披露，农作物纤维(AgroFibre)是通过非化学处理方法制备而得，其中农作物纤维在高压釜中蒸煮，操作条件为，温度150～250℃、压力为0.3～3Mpa，蒸煮时间为10～120分钟。
本发明也披露，模塑包装制品和箱板纸由农作物纤维(AgroFibre)和淀粉粘合剂(AgroBinder)制成，分别利用类似纸浆模塑生产工艺和纸板生产工艺制成。农作物纤维浆由农作物纤维(AgroFibre)、水、淀粉粘合剂(AgroBinder)和功能添加剂混合所得。农作物纤维模塑包装制品经过机械脱水和热定型处理达制得。农作物纤维(AgroFibre)占产品重量百分比约90～95％，而淀粉粘合剂(AgroBinder)和功能添加剂则占余量。
淀粉粘合剂(AgroBinder)由下述成分制成：水、淀粉载体、未成胶淀粉、改性淀粉、胶联剂和防腐剂。淀粉粘合剂(AgroBinder)制作方法：淀粉载体相在pH＝12-14介质中蒸煮成胶，然后在连续加热和搅拌条件下向其中加入未成胶淀粉和胶联剂。持续混合约30分钟，制得均匀状胶质物。
本发明也披露，农作物纤维浆配方使农作物纤维(AgroFibre)箱板纸的制备成为可能，为建立无污染造纸提供一种可行途径。
附图说明
图1说明通过非化学处理方法制备农作物纤维(AgroFibre)的生产流程。
图2说明了用于生产模塑包装体和箱板纸的低浓度农作物纤维浆(AgroFibre)的制备。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例使用棕榈空果蹿纤维(Empty FruitBunches)，它是天然棕榈油提取工艺的残渣物。棕榈空果蹿纤维(EFB)含有大量具有优良机械性能的纤维。以马来西亚为例，每年约有二千万吨的棕榈空果蹿纤维被焚烧、或掩埋。
棕榈空果蹿纤维20供料到螺旋压榨机21中，以进一步除去油分。螺旋压榨机21向棕榈空果蹿纤维20施加压力，以从棕榈空果蹿纤维20中挤出残留的油25和水份。残留油份25为棕榈油工厂带来额外利润。除去过量油和水份的棕榈空果蹿纤维供料到高压过热蒸煮罐22。高压过热蒸煮罐22通入过热蒸汽。蒸煮罐22的操作条件为温度150～250℃、压力为0.3～3MPa。在设定的温度和压力条件下，连续搅拌蒸煮罐22中的棕榈空果蹿纤维10～120分钟。过热蒸汽处理后的棕榈空果蹿纤维(EFB)从蒸 煮罐22中迅速排放，部分剥离目素。切割机23将***处理后的棕榈空果蹿纤维切成所需长度，一般在10-20mm。切割后的棕榈空果蹿纤维(EFB)送入热磨机24以制成所需的农作物纤维AgroFibre 30。热磨机24与纸浆工业常见的盘式精磨机类似。热磨机24出口处的农作物纤维(AgroFibre)30含水量较高，可直接作为生产进料，或者干燥后储存以延长储存寿命。棕榈空果蹿纤维(EFB)整套处理工艺，不含化学试剂，无污染排放，蒸汽在冷凝成水后循环使用。
本发明淀粉粘合剂(AgroBinder)可是载体类型、无载体类型、载体-无载体类型，这取决于原料的类型和生产淀粉粘合剂(AgroBinder)的工艺。
淀粉粘合剂(AgroBinder)成分中淀粉为粘合剂、其他组成包括驻留剂、胶联剂、防水剂、湿强剂，等等。加热熟化是保证淀粉粘合剂(AgroBinder)粘度的决定性步骤。
淀粉粘合剂(AgroBinder)由天然或改性淀粉制成。其优点为原料成本低，但制备工艺较冗长，且设备繁多。改性淀粉包括氧化淀粉、阳离子淀粉、酸性改良淀粉、淀粉衍生物等等也可用以制造淀粉粘合剂。实验证明改性淀粉的性能受淀粉来源的影响不明显，以木薯淀粉、玉米淀粉、高粱淀粉、马铃薯淀粉所制天然淀粉粘合剂(AgroBinder)性能类似。用改性淀粉为原料制备淀粉粘合剂(AgroBinder)优点在于其附加功能性，尤其在提高淀粉粘合剂溶解度、粘度稳定性、降低微生物活性、固相含量和控制电荷强度等方面。用改性淀粉为原料制备淀粉粘合剂(AgroBinder)的另一优点在于生产过程简易，无需昂贵的生产设备。本发明多使用Rouquette、Cerestar、Kalamazoo提供的多种淀粉原料。无载体相的未改性淀粉包括马铃薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉，等等。糊精是载体淀粉的理想原料之一。
驻留剂是淀粉粘合剂(AgroBinder)的重要组成之一。本发明优选实施例中使用氧化淀粉。它是淀粉粘合剂(AgroBinder)配方载体相的一部分。它的存在提高淀粉粘合剂与农作物纤维(AgroFibre)的结合力。
淀粉粘合剂(AgroBinder)的碱度以NaOH或KOH的水溶液调配。使用量和加入次序影响淀粉的成胶温度。适中的碱度利于粘合剂粘度调节。
胶联剂通常为多羟基化合物或含硼化合物。多羟基化合物的活性羟基和含硼化合物的氧硼键，助于粘合剂的粘度控制和粘度稳定性。含硼化合物的存在也为粘合剂的粘度和碱稳定性提供了缓冲效果。多羟基化合物和含硼化合物的共存使得淀粉粘合剂(AgroBinder)成胶迅速，使其在模塑包装制品及箱纸板生产过程中得以应用。
淀粉粘合剂(AgroBinder)的耐水性得于引入的耐水剂或树脂所带的与淀粉多羟基集团反应的活性集团。聚乙烯醇和聚乙酸乙烯、甲基羧基纤维等在内的化合物皆能满足这种要求。这些交联剂通过屏蔽亲水位点，来降低淀粉粘合剂的亲水性。
实施例
称取65克水，向其中缓慢加入9克天然淀粉和阳离子淀粉的混合物(冷水可溶型)。混合物在混合器中搅拌约10分钟后，滴加NaOH水溶液，调节pH至12～14。所得混合物维持在65～75℃下搅拌至浅黄色匀质凝胶。接着，向匀质凝胶中加入155毫升水和1.6克Na2B4O7·10H2O，再加入40克天然淀粉。得到的混合物在35～45℃搅拌30分钟。如需调节淀粉粘合剂的防水性能，可向匀质凝胶中加入耐水树脂和其他功能性试剂，以达到特定性能要求。
如以天然淀粉为原料，蒸汽压力锅可提供良好的制备条件，助于淀粉溶解。KOH或NaOH水溶液皆可用来调节粘合剂的碱度。硼酸、硼砂和其他含硼化合物可用来制备淀粉粘合剂使用。
使用马铃薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉制备的淀粉粘合剂，通过实验证明性能稳定。
以下描述农作物纤维浆的制备过程。农作物纤维30加入盛有水50的混合罐65中，农作物纤维在搅拌过程中得以分散。农作物纤维浆的浓度通常控制在2～6wt％范围内。农作物纤维在水的溶剂化作用下产生膨胀，浆浓度过高会影响农作物纤维的膨胀效果在连续搅拌条件下向混合罐65中加入淀粉粘合剂10。混合10～60分钟后制得所需农作物纤维浆80。如需强化农作物纤维浆某些功能51，如防水、强湿性能等，可使用功能性试剂。制作过程需尽量避免强烈搅拌，以保证功能性试剂的作用效果。农作物纤维浆含有80～95wt％的农作物纤维，5～10wt％的淀粉粘合剂，少量的功能性添加剂。农作物纤维浆的主要成分为农作物纤维，来源于非化学方法处理过的农作物秆结。
农作物纤维浆80浓度可通过加水量进一步调制，制得低浓度浆(0.1～3wt％)。如利用类似纸浆模塑生产工艺制作农作物纤维模塑包装，农作物纤维浆浓度需在0.3～1.5wt％。农作物纤维模塑制品以下述方法制成：真空除水，机械除水，热压定型，压力0.2～2MPa、温度120～200℃。在此条件下加工制成的农作物纤维模塑包装制品的机械性能优宜。
农作物纤维浆的另一个实施例为用类似低浓度纸浆生产工艺生产箱板纸。低浓度的纸浆可以确保制出的箱板纸的厚度均一和性能稳定。

Claims (12)

1.一种农作物纤维浆，含有农作物纤维、淀粉粘合剂及功能性添加剂等主要成份，其中所述的农作物纤维以非化学方法处理所得，处理方法包括机械压榨除油、过饱和蒸汽蒸煮软化、突发降压***、切割、精磨；该发明中淀粉粘合剂可为载体型、无载体型、载体-无载体型淀粉胶，呈碱性，粘度稳定，可生物降解，且具自留、驻留和耐水性能。
2.根据权利要求1所述的农作物纤维浆，其中的农作物纤维以过饱和蒸汽蒸煮及突发降压***法制得，条件为：温度150～250℃、压力为0.3～3MPa、时间为10～120分钟。
3.根据权利要求1所述的农作物纤维浆，其中的淀粉粘合剂由水、淀粉载体、未胶化淀粉、改性淀粉、胶联剂、憎水剂等制成，该淀粉粘合剂呈碱性。
4.根据权利要求3所述的农作物纤维浆，其中的淀粉粘合剂于pH12-14条件制得，制备工艺包括：淀粉载体相制备、未胶化淀粉及胶联剂引入等，匀质凝胶状混合物在连续加热和搅拌至少30分钟的条件下完成。
5.根据权利要求4所述的农作物纤维浆，其中淀粉粘合剂能自留于农作物纤维上，淀粉粘合剂配方中含有驻留剂，优选的是氧化淀粉。
6.根据权利要求5所述的农作物纤维浆，其中淀粉粘合剂呈碱性，优选的是水溶液。
7.根据权利要求6所述的农作物纤维浆，其中淀粉粘合剂含有胶联剂，优选的是含硼化合物。
8.根据权利要求7所述的农作物纤维浆，其中选择加入功能添加剂如防水、湿强、防油剂等以强化特定功能。
9.根据权利要求1所述的农作物纤维浆，它是通过混合适量配比的农作物纤维、天然粘合剂、水以及功能添加剂等制成。
10.根据权利要求9所述的农作物纤维浆，用水稀释到浓度为0.1～3％作为生产模塑包装制品和箱板纸的进料。
11.根据权利要求10所述的农作物纤维浆，其中利用真空成形和热定型生产工艺来制作模塑包装制品。
12.根据权利要求11所述的农作物纤维浆，其中的低浓度纸浆替换为低浓度农作物纤维浆，利用纸板生产工艺生产农作物纤维箱板纸。
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