一種生物降解秸稈餐具及其加工工藝

胡婉玉　蔣成義

摘要 農(nóng)業(yè)秸稈的綜合利用能緩解資源使用壓力，減少“白色污染”以及秸稈焚燒帶來的環(huán)境危害。將秸稈和聚乳酸（PLA）進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可生產(chǎn)出一種原料低廉、生物降解速度快、產(chǎn)品無毒環(huán)保、性能良好的秸稈餐具或器皿，并給出了該種餐具或器皿的加工工藝。

關(guān)鍵詞 秸稈餐具；聚乳酸（PLA）；生物降解；生產(chǎn)方法

中圖分類號(hào) S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）05-01515-02

我國(guó)的一次性餐具需求量巨大，且大都是塑料制品或紙制品。工業(yè)化生產(chǎn)的塑料制品大部分難以降解，在消耗化石能源的同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]；一次性紙制品的生產(chǎn)又會(huì)帶來森林資源被砍伐、涂膜難降解、水資源浪費(fèi)等問題，而且成本較高[2]。

作為可再生資源的秸稈，在我國(guó)產(chǎn)量巨大，每年有大量的剩余秸稈因沒有得到合理利用而被焚燒處理，不但浪費(fèi)資源，而且造成嚴(yán)重的空氣污染[3]。因此，在一次性餐具生產(chǎn)中使用秸稈材料已被重點(diǎn)關(guān)注[4-7]。

中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?8124818.7公開的一種秸稈餐具，由秸稈、電玉粉、填充劑或硬脂酸鈣（或面粉）經(jīng)過攪拌、混勻、加壓成型而制得；該餐具重量輕、抗壓強(qiáng)、加工工藝簡(jiǎn)單，但因缺少黏合劑導(dǎo)致韌性不足，易碎[8]。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?9115359.6公開了一種以植物莖稈及果實(shí)外殼為原料生產(chǎn)可降解餐具的方法，該餐具是先將植物莖稈及果實(shí)外殼處理后加入黏合劑并混合，加入石膏模成型后烘干，再經(jīng)表面涂膠烘干制成，成品的降解性能良好，無毒無害，但原料的成型方法決定了產(chǎn)品強(qiáng)度不好，且加工工藝復(fù)雜[9]。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1127386.0公開了一種一次性降解餐具及其制造方法，餐具由可降解主料、黏合劑、填充劑打漿混合后經(jīng)真空煉泥機(jī)煉制，常溫液壓成型，烘干處理，表面噴涂隔離劑制成；該餐具剛性高且可通過配比調(diào)整進(jìn)行調(diào)節(jié)，降解性能和韌性較好，但其使用玉米粉和白芨粉做黏合劑，烘干后產(chǎn)品韌性不好，產(chǎn)品所用水基聚氨酯等隔離劑在固化前有有毒氣體釋放[10]。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1108832.X公開了一種以淀粉為主要原料制成的一次性易降解餐具，餐具的70%～90%為淀粉，再輔以少量秸稈纖維、植物油和添加劑，經(jīng)一次熱壓成型，成型后進(jìn)行表面防水膠的涂覆；該餐具主要成分為淀粉因此降解性能好、成本低、無毒、無味，但其主要的缺點(diǎn)是固化后淀粉呈現(xiàn)的脆性導(dǎo)致產(chǎn)品抗拉伸強(qiáng)度差，易破碎[11]。

為積極響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及相關(guān)政策，解決新農(nóng)村建設(shè)中秸稈綜合利用問題，緩解全球資源使用壓力，促進(jìn)綠色塑料聚乳酸（PLA）在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用，從源頭上有效地減少“白色污染”以及秸稈焚燒帶來的環(huán)境危害，筆者將秸稈和聚乳酸（PLA）進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以期生產(chǎn)出一種原料低廉、生物降解速度快、產(chǎn)品無毒環(huán)保、性能良好的秸稈餐具或器皿。

1 材料與配方設(shè)計(jì)

1.1 材料

1.1.1 主要原料。

秸稈粉，自制，將秸稈原料在飼料粉碎機(jī)上粉碎制得；聚乳酸，深圳光華偉業(yè)實(shí)業(yè)有限公司；玉米淀粉，晉城市鴻生淀粉有限公司；滑石粉，湖北省興銀河化工有限公司；KH550w（硅烷偶聯(lián)劑），南京能德化工有限公司；乙基纖維素，杭州恒源化工有限公司。

1.1.2 主要加工設(shè)備。

餐具加工時(shí)，主要采用深圳市鑫臺(tái)銘機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XTM105F30T型號(hào)熱壓成型機(jī)進(jìn)行熱壓成型。

1.2 配方設(shè)計(jì)

餐具各原料的配比按重量份計(jì)包括：秸稈粉40～50份，黏合劑30～40份，填充劑8～10份，助劑0.10～0.15份，水11～18份。餐具所使用的填料為秸稈粉，如小麥秸稈粉、玉米秸稈粉或油菜秸稈粉等。為了在保持一定纖維長(zhǎng)度的同時(shí)，使秸稈粉在終產(chǎn)物秸稈餐具中分散更均勻，秸稈餐具的外觀更光滑細(xì)膩，所選秸稈粉的粒度優(yōu)選為60～80目。

餐具所使用的黏合劑為聚乳酸（PLA）和淀粉混合物，兩者的共混效果好，且使用該混合型黏合劑得到的秸稈餐具可實(shí)現(xiàn)生物全降解。為降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和韌性，所選黏合劑中聚乳酸和淀粉的質(zhì)量比優(yōu)選為（10～15）∶（20～25）。

餐具所使用的聚乳酸（PLA）為綠色塑料，其制品具有可完全生物降解的特性，已被世界各國(guó)作為可再生資源進(jìn)行重點(diǎn)研究[12]。加工過程可使用任意分子量的聚乳酸，為了提高聚乳酸與其他原料的混合效果，所述黏合劑中聚乳酸的粒度優(yōu)選為80～100目，進(jìn)一步地，為了降低生產(chǎn)成本，可使用分子量在8萬以下的聚乳酸；所選淀粉可為玉米淀粉或糯米粉等，優(yōu)先選用糊化后黏性更強(qiáng)的玉米淀粉，使用玉米淀粉也可使秸稈餐具的成品更具光澤，觀感和使用感更佳。

填充劑的加入可有效提高秸稈餐具的剛性強(qiáng)度，該餐具所使用的填充劑為色白、安全環(huán)保且成本較低的滑石粉，其粒徑為200～500目。

助劑的作用是偶聯(lián)有機(jī)黏合劑與無機(jī)填充劑，以增強(qiáng)黏合劑和填充劑之間的黏結(jié)性，所述助劑優(yōu)選為通用性強(qiáng)的硅烷偶聯(lián)劑，更具體地，可選用KH550w型硅烷偶聯(lián)劑。在實(shí)際應(yīng)用中，常將KH550w型硅烷偶聯(lián)劑配制成2%～5%的水溶液以方便使用。

2 秸稈餐具加工工藝步驟

該秸稈餐具的加工主要采用一次熱壓成型的方法，包括如下步驟：

①將按重量份計(jì)40～50份秸稈粉、30～40份黏合劑、8～10份填充劑、0.10～0.15份助劑和11～18份水混合并攪拌混勻，得到混合料，其中所述黏合劑為聚乳酸和淀粉的混合物。②將“步驟①”中得到的混合料放入模具中一次熱壓成型，即得到秸稈餐具。

在生產(chǎn)秸稈餐具時(shí)，在所述“步驟①”中可將秸稈粉、黏合劑、填充劑、助劑和水一次性混合；也可先將固態(tài)原料攪拌，再加入液態(tài)原料。優(yōu)選地，先將秸稈粉、黏合劑和填充劑攪拌，再以噴霧形式加入助劑和水繼續(xù)攪拌，這樣更有利于秸稈粉、黏合劑和填充劑混合均勻，且以噴霧形式加入助劑和水有利于增加液態(tài)原料和固態(tài)原料的接觸面積，提高秸稈餐具的穩(wěn)定性和韌性。在實(shí)際生產(chǎn)中，攪拌的時(shí)間和速度視原料的重量而定，以40 W攪拌電機(jī)攪拌1 kg物料為例，在攪拌20～30 min后，再以噴霧形式加入助劑和水?dāng)嚢?5～20 min。

在該餐具的加工中，“步驟②”中熱壓成型的具體條件為：180～200 ℃恒溫中在30～40 t的壓力下保壓30～50 s。

為了提高該方法所制得的秸稈餐具的防水防油效果，還可對(duì)秸稈餐具進(jìn)行防水處理。優(yōu)選地，進(jìn)行乙基纖維素防水涂層處理以使秸稈餐具更易降解，為了降低成本，可僅對(duì)秸稈餐具內(nèi)表面進(jìn)行防水處理。

3 結(jié)論與討論

使用秸稈粉40～50份，黏合劑30～40份，填充劑8～10份，助劑0.10～0.15份，水11～18份，經(jīng)一次熱壓成型得到的餐具產(chǎn)品原料低廉，餐具整體可自行降解為有機(jī)肥料，且降解速度快，無毒無害，安全環(huán)保。一次熱壓成型比常壓成型得到的產(chǎn)品強(qiáng)度更高，工藝簡(jiǎn)單，可操作性高，易于推廣；并且可方便得到不同尺寸、形狀和厚度的餐具。根據(jù)模具的不同，采用該研究所述方法可制備各種尺寸和形狀的餐具或器皿，比如盤子、碗、筷、勺子、餐盒、育苗盒等。秸稈-聚乳酸復(fù)合材料是一種新型降解材料，建議加大對(duì)此材料的研究和開發(fā)應(yīng)用力度，為環(huán)保做更大的貢獻(xiàn)。

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