添加劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響

王 燕，楊 丹，曾慶福，崔永明

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添加劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響

王 燕，楊 丹，曾慶福，崔永明*

（武漢紡織大學(xué) 紡織印染清潔生產(chǎn)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430073）

植物纖維餐具的生產(chǎn)是一項涉及化工、機械專業(yè)的綜合性技術(shù)，采用模壓成型的工藝方法，研究苧麻骨可降解餐具的成型工藝，對于提高苧麻資源綜合利用價值，緩解目前白色污染及霧霾問題都具有重要的意義。本研究是在最佳工藝參數(shù)的條件下探討各種添加劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響，為苧麻骨植物纖維餐具模壓成型的進一步試驗研究提供依據(jù)。實驗表明：液態(tài)石蠟比硬脂酸更適合作為苧麻骨植物纖維餐具的防水劑，且最佳添加量為3%左右；海藻酸鈉和羧甲基纖維素鈉對餐具使用性能改善并不明顯；單獨加入碳酸鈣、滑石粉和高嶺土三種填充劑都可以在一定程度上增強苧麻骨植物纖維餐具的使用性能，且當(dāng)添加復(fù)合填充劑時，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土添加量分別是4%、2%和3%，此時餐具耐油性能最強。

苧麻骨植物纖維餐具；使用性能；補強劑；填充劑

餐具是人們?nèi)粘Ｉ钪胁荒苋鄙俚纳钣闷?。由有機材料制成的傳統(tǒng)塑料一次性快餐具，使用完后不僅不易降解，其燃燒又會危害環(huán)境，形成了非常嚴重“白色污染”，給人們的生活和健康帶來了極大的困擾。如何消除“白色污染”，尋找一種質(zhì)優(yōu)價廉且環(huán)境友好的塑料發(fā)泡餐具代替品己成為當(dāng)今社會發(fā)展的必然趨勢[1-5]。

植物纖維餐具生產(chǎn)過程無污染，產(chǎn)品綠色健康，成本低，原料來源廣泛，諸多優(yōu)點吸引了一批又一批科研工作者的關(guān)注。其次，植物纖維餐具的出現(xiàn)也順應(yīng)了當(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展的時代潮流，使其開發(fā)利用成為了必然[6]。植物纖維復(fù)合增強材料開始出現(xiàn)于20世紀50年代[7]。通過查閱文獻，近年來國內(nèi)外已經(jīng)有人對植物纖維餐具進行了深入研究，其中部分已經(jīng)投入了市場。V. Marechal[8]等人研究了利用向日葵的桿莖來制備包括快餐盒在內(nèi)的包裝產(chǎn)品。Huang Frank[9]等利用易分解和低成本的有機材料或草本植物作為原料來制備可降解的碗碟。胡志安等[10]利用植物纖維制作出的餐具成型時間不超過2秒，壓力為0.13噸左右。1990年，荷蘭瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出了完全不含石化產(chǎn)品的可降解生物塑料[11]。2007年在英國Brunel大學(xué)的研究報告會上指出采用經(jīng)過分離和提純的麥草纖維與熱塑性淀粉共混后再進行熱壓加工，制作熱成型制品可用作包裝材料和建筑材料[12]。王昌榮[13]利用各種植物秸稈，通過熱壓成型制成一次性植物纖維餐具。

我國的苧麻產(chǎn)量約占全世界苧麻總產(chǎn)量的90%以上，在國際上被譽為“中國草”，是最具中國特色的優(yōu)良紡織原材料[14]。我國苧麻常年種植面積20萬公頃左右，大部分麻骨被就地焚燒或廢棄，生物利用率很低，不僅造成資源的極大浪費，而且嚴重污染環(huán)境。苧麻骨纖維素含量和纖維形態(tài)類似闊葉樹種，理論上是理想的植物纖維餐具的制備原料?；谇捌谘芯康幕A(chǔ)[15-17]，本研究探討各種添加劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響，這對于提高苧麻資源綜合利用價值、緩解目前白色污染及霧霾問題都具有重要的意義。

1 材料與設(shè)備

1.1 實驗時間、地點

室內(nèi)實驗于2013年6—8月在武漢紡織大學(xué)印染清潔生產(chǎn)教育部工程研究中心進行。

1.2 實驗材料

實驗所需的主要材料如表1所示：

表1 實驗主要材料

1.3 實驗主要設(shè)備

纖維素粉碎機（天津市泰斯儀器有限公司）、混料機（南京沃瑪電機有限公司）、液壓成型機（閩東三友電機有限公司）、AE 240型電子分析天平（梅特勒·托利多儀器上海有限公司）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海躍進醫(yī)療器械廠）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海-恒科技有限公司）。

2 實驗內(nèi)容

2.1 餐具的制備

先將從市場購買的玉米粒和經(jīng)過挑揀的苧麻麻骨初步粉碎和精粉碎制成粒度為80～100目的粉狀物料，以此作為餐具的主要原料。在保證苧麻骨和玉米粉的比例為5:4時，在最優(yōu)工藝參數(shù)（含水率5%、成型壓力25 MPa、上模溫度155℃、定型時間80s、粘膠劑含量25%）的條件下，加入不同比例的添加劑，在混料機中充分混合，再經(jīng)熱壓處理、磨邊之后消毒干燥得到成品。然后按照制定的耐水性能和耐油性能的試驗方法測試餐具的吸水量和吸油量，每個試驗做三次，取平均值。

生產(chǎn)工藝流程如下所示：

原料→粉碎→配料→混合→裝模

↓

檢驗←后處理←脫?！麎褐?/p>

2.2 產(chǎn)品性能指標及測定方法：

本試驗根據(jù) GB18006.1—2009《一次性可降解餐具通用技術(shù)條件》中餐具的使用性能要求制定出耐水性能、耐油性能2個性能指標，分別以吸油量，吸水量來衡量。

2.2.1 吸水量的測定

取兩個試樣放在襯有濾紙的搪瓷盤上，注滿95℃±5℃的熱水，再移到60℃恒溫箱內(nèi)靜置30分鐘后觀察樣品有無變形，有無陰滲變色、漏的跡象，倒空(到餐具內(nèi)水不再下滴為止)餐具內(nèi)的水，用電子天平稱取加水前、后餐具的重量，計算出重量差，此重量差即為吸水量。

△mw=m11-m12（1）

其中△mw：吸水量；

m11：加水 30min 后倒空餐具內(nèi)水時餐具的重量；

m12：未加水前餐具的重量。

2.2.2 吸油量的測定

取兩個試樣放在襯有濾紙的搪瓷盤上，倒入15g、95℃±5℃的植物油靜置30分鐘后觀察樣品有無變形，有無陰滲變色、漏的跡象，倒空(到餐具內(nèi)水不再下滴為止)餐具內(nèi)的水，用電子天平稱取加水前、后餐具的重量，計算出重量差，此重量差即為吸油量。

△mo=m21-m22（2）

其中△mo：吸油量；

m21：加油 30min 后倒空餐具內(nèi)油時餐具的重量；

m22：未加油前餐具的重量。

3 防水劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響

為了改善餐具的防水性能，本課題選擇硬脂酸和液態(tài)石蠟為防水劑，設(shè)計配方研究其對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響。

3.1 防水劑對苧麻骨植物纖維餐具耐水性能的影響

圖1是防水劑添加量相同的情況下，硬脂酸和液態(tài)石蠟對餐具耐水性能影響的比較。由圖1可知，硬脂酸和液態(tài)石蠟都能夠使苧麻骨植物纖維餐具耐水性能增強。當(dāng)添加量為1%-3%時，隨著防水劑質(zhì)量的增加，液態(tài)石蠟和硬脂酸吸水量越來越小，即防水性能呈增強趨勢。當(dāng)硬脂酸和液態(tài)石蠟添加量為3%時，防水性能達到最強，吸水量分別是1.32g和1.21g，且液態(tài)石蠟比硬脂酸更能提高苧麻骨植物纖維餐具的防水性能。隨著防水劑含量的提高，兩種餐具吸水量都逐漸增大，當(dāng)添加量達到5%時，硬脂酸和液態(tài)石蠟餐具吸水量分別為1.49g和1.42g。從整個趨勢圖中可以看出，當(dāng)加入同等質(zhì)量的防水劑時，液態(tài)石蠟的耐水性能比硬脂酸的耐水性能更好，且在加入量為3%時達到最佳。

3.2 防水劑對苧麻骨植物纖維餐具耐油性能的影響

圖2是防水劑添加量相同的情況下，硬脂酸和液態(tài)石蠟對餐具耐油性能影響的比較。由圖2可知，隨著液態(tài)石蠟加入量越大，餐具吸油量先增大后減小，在3%時耐油性能最差，吸油量達到1.23g。當(dāng)硬脂酸加入量為1%-4%時，隨著添加量越來越大，吸油量越來越小，餐具的耐油性能增強，當(dāng)添加量為4%時，耐油性能最強，吸油量為1.21g。當(dāng)添加量為5%時，吸油量升高到1.5g。由圖比較得，當(dāng)防水劑質(zhì)量相同的情況下，液態(tài)石蠟比硬脂酸耐油性能要好。

圖1 防水劑對餐具耐水性能的影響

圖2 防水劑對餐具耐油性能的影響

圖3 補強劑對餐具耐水性能的影響

3.3 補強劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響

補強劑用于增強原料中各種分子之間的交聯(lián)，不同的補強劑，其物理特性和分子結(jié)構(gòu)有區(qū)別，與苧麻骨的結(jié)合也會不同。本次試驗選用海藻酸鈉和羧甲基纖維素鈉作為補強劑，研究其對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響，為苧麻骨植物纖維餐具的研發(fā)提供依據(jù)。

3.3.1 補強劑對苧麻骨植物纖維餐具耐水性能的影響

圖3是補強劑添加量相同的情況下，羧甲基纖維素鈉和海藻酸鈉對餐具耐水性能影響的比較。由圖3可知，隨著添加量的增大，海藻酸鈉的吸水量越來越大，即防水性能越來越弱。當(dāng)添加量為5%時，防水性能最差，吸水量為2.65g。當(dāng)補強劑含量為1%-5%時，隨著羧甲基纖維素鈉含量的增大，吸水量先變大后減小，在4%時達到最大值2.56g，此時耐水性能最差。

3.3.2 補強劑對苧麻骨植物纖維餐具耐油性能的影響

圖4是補強劑添加量相同的情況下，羧甲基纖維素鈉和海藻酸鈉對餐具耐油性能影響的比較。由圖4可知，隨著海藻酸鈉添加量的增大，吸油量先變大后減小，當(dāng)添加量為4%時吸油量達到最大（1.23g），此時耐油性能最差。與海藻酸鈉相反，隨著補強劑添加量越來越大，羧甲基纖維素鈉的吸油量先減小后增大，當(dāng)添加量為4%時達到最小值（1.11g），此時餐具耐油性能最強。

3.4 填充劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響

填充劑即填料，加入物料中改善產(chǎn)品使用性能或降低成本的固體物質(zhì)?；邸⑻妓徕}和高嶺土三種材料均是塑料制品生產(chǎn)的常用填充劑，具有良好可塑性和粘接性。本試驗將設(shè)計試驗研究以高嶺土、碳酸鈣和滑石粉作為苧麻骨植物纖維餐具填充劑對餐具使用性能的影響，為研發(fā)苧麻骨植物纖維餐具提供試驗基礎(chǔ)。

3.4.1 填充劑對苧麻骨植物纖維餐具耐水性能的影響

圖5是填充劑添加量相同的情況下，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土對餐具耐水性能影響的比較。由圖5可知，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土三種填充劑都可以增強苧麻骨植物纖維餐具的耐水性能。當(dāng)添加量從1%增大到5%時，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土吸水量都是先減小后增大，且當(dāng)填充劑添加量為3%時，防水性能最強，吸水量分別為1.32g、1.24g和1.21g。比較這三種餐具吸水量趨勢圖可得，高嶺土耐水性能最好，其次是滑石粉，碳酸鈣最差。

圖4 補強劑對餐具耐油性能的影響

圖5 填充劑對餐具耐水性能的影響

圖6 填充劑對餐具耐油性能的影響

3.4.2 填充劑對苧麻骨植物纖維餐具耐油性能的影響

圖6是填充劑添加量相同的情況下，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土對餐具耐油性能影響的比較。由圖6可知，當(dāng)填充劑添加量從1%增大到5%時，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土三種餐具吸油量都是先減小后增大，且當(dāng)填充劑添加量為3%時，防油性能最強，吸油量分別為0.96g、0.94g和1.02g。當(dāng)碳酸鈣、滑石粉和高嶺土質(zhì)量增加到5%時，吸油量分別為1.19g、1.34g和1.5g，此時耐油性能最差。

表2 L9(33)因素水平值

3.4.3 復(fù)合填充劑最佳條件的確定

由添加單一填充劑試驗可知，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土三種填充劑單獨分別加入物料之后，苧麻骨植物纖維餐具耐水性能均有增強趨勢，比不添加任何添加劑的餐具吸水量都要小。而其耐油性能則不能保證，下面將進一步研究同時加入這三種填充劑對餐具耐油性能的影響，探討復(fù)合填充劑最佳配比。設(shè)計正交試驗如表2，試驗結(jié)果如表3。

表2是正交試驗因素水平表，表3和表4是實驗結(jié)果極差分析表和方差分析表，由表分析結(jié)果可知，影響復(fù)合填充劑不同配比的苧麻骨植物纖維餐具耐油性能的因素從強到弱依次是：滑石粉、高嶺土、碳酸鈣。從表4可得，三種填充劑對餐具耐油性能影響皆不顯著。從影響因子直觀圖可得，對于碳酸鈣來說，4%與2%、3%差別顯著，2%與3%、4%差別不顯著；對于滑石粉來說，2%與3%、4%差別不顯著，3%與2%、4%差別顯著；對于高嶺土來說，3%與2%、4%差別不顯著,2%、4%與5%差異顯著。綜合表3和表4和圖7，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土分別添加4%、2%和3%時，餐具耐油性能最強，即最佳配比為4:2:3。

表3 正交試驗方差分析表

4 結(jié)論

本文研究了在最佳工藝參數(shù)的條件下各種添加劑對苧麻骨植物纖維餐具使用性能的影響，為苧麻麻骨等植物纖維模壓成植物纖維餐具的進一步試驗研究提供依據(jù)。實驗表明：液態(tài)石蠟比硬脂酸更適合作為苧麻骨植物纖維餐具的防水劑，且最佳添加量為3%左右；海藻酸鈉和羧甲基纖維素鈉對餐具使用性能改善并不明顯，需要再進一步探索其他更為合適的補強劑。單獨加入碳酸鈣、滑石粉和高嶺土三種填充劑都可以在一定程度上增強苧麻骨植物纖維餐具的使用性能，且當(dāng)添加復(fù)合填充劑時，碳酸鈣、滑石粉和高嶺土添加量分別是4%、2%和3%，此時餐具耐油性能最好。

圖7 餐具吸油量直觀圖

表4 方差分析表

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Different Additives on the Influence of the Plan-Fiber Tableware Made of Ramie Sticks

WANG Yan, YANG Dan, ZENG Qing-fu, CUI Yong-ming

(Engineering Research Center for Clean Production of Textile Printing, Ministry of Education, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

The production of plant–fiber tableware is a kind of comprehensive technology involved chemical engineering and machinery, using the method of compression molding forming. The research of Plant-Fiber tableware made of ramie sticks is of great significance to enhance the comprehensive utilization of ramie resource and to relieve the white pollution and the hazy weather. The impacts of different additives on the plan-fiber tableware are studied under the best process conditions of molding. The result shows that liquid paraffin is a better waterproof compared to stearic acid, and the best volume of addition is around 3%. The effects of sodium alga acid and sodium carboxymethyl cellulose on the usability of the plan-fiber tableware are not obvious. Calcium carbonate, talcum powder and kaolin can all improve the usability of the ramie stick plan-fiber tableware to some extant. And the best ratio is 4:3:2 while adding the three kinds of fillers at the same time.

Plant-Fiber Tableware Made of Ramie Sticks; Usability; Reinforcing Agent; Filler

崔永明（1978-），男，副教授，博士，研究方向：苧麻清潔生產(chǎn)及其資源化利用.

S563.1

A

2095－414X(2014)03－0008－06