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      微膠囊的研究進展及其在特種紙領(lǐng)域的應(yīng)用

      2018-08-25 02:00:50樓炳軒張秀梅
      造紙化學(xué)品 2018年1期
      關(guān)鍵詞:特種紙壁材芯材

      樓炳軒,張秀梅

      (浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院,浙江杭州 310018)

      微膠囊是21世紀的新興技術(shù),在醫(yī)學(xué)[1]、營養(yǎng)學(xué)[2]、紡織印染[3-5]等方面有著很多的應(yīng)用。根據(jù)微膠囊的生產(chǎn)制造方法以及微膠囊被添加在紙基材料中的研究,微膠囊在特種紙領(lǐng)域上具有廣泛的應(yīng)用前景。微膠囊可分芯材和壁材,芯材屬于被包裹物質(zhì),而壁材屬于包裹芯材的物質(zhì)。微膠囊是一種粒徑在1~1 000 μm,可控大小、形狀的表面改性技術(shù)。該技術(shù)形成的微膠囊有著保護、阻隔以及緩釋的作用。微膠囊技術(shù)結(jié)合紙基材料,在香味紙、阻燃紙、抗菌紙、無碳復(fù)寫紙、除垢紙、光敏紙和磁記錄紙等方面已有較多的研究開發(fā)利用[6]。微膠囊化技術(shù)可以通過對填料的表面改性,提高香精材料緩釋性能,增加材料間的相容性[7]。本文對微膠囊的制造技術(shù)的發(fā)展及在特種紙領(lǐng)域的用途進行了探討。

      1 微膠囊的制備方法概述

      制作微膠囊的材料分為芯材和壁材。微膠囊模型如圖1所示。其中,壁材主要以高分子材料為主,高分子材料具有成膜性良好且具有適當(dāng)?shù)淖韪粜?、溶解性、硬度等條件。壁材一般多使用可交聯(lián)的大分子材料,如明膠、殼聚糖、聚酰胺、三聚氰胺等材料[8-11]。芯材則為不同的功能性材料。例如,張臘等人應(yīng)用紅磷作為微膠囊芯材和甲基磷酸二甲酯進行復(fù)配,制備了復(fù)合阻燃劑阻燃硬質(zhì)聚氨酯塑料[12]。王愛瓊等人應(yīng)用薰衣草香精作為芯材,制備香精微膠囊[13]等。

      微膠囊是21世紀的高新技術(shù),有著近200種制造方法[14]。目前,應(yīng)用與生產(chǎn)的工藝主要可以分為三大類,有物理機械法、物理化學(xué)法、化學(xué)法,如圖2所示。

      圖1 微膠囊模型

      圖2 微膠囊制備方法

      還有一種方法是以生物細菌的細胞壁為壁材,將芯材通過注射的方式填入細胞壁內(nèi),得到可降解的環(huán)保微膠囊[15],應(yīng)用于紙基材料中,制備得到可降解的紙膜等產(chǎn)品。芯材通過適合的技術(shù)方法與壁材相結(jié)合,形成大小、形狀、表面性質(zhì)均可控的微粒,即微膠囊。應(yīng)用微膠囊化技術(shù),以無機材料為芯材,使用高分子材料壁材進行包裹,可以使無機材料在高分子材料中的相容性提高,并在高分子材料中有著更好的分散性,并且芯材不同時可以賦予高分子材料不同的特性。為高分子材料添加香味、阻燃、壓敏和熱敏等方面的特性,從而得到飄香紙、阻燃紙和無碳復(fù)寫紙等特種紙。

      2 微膠囊在特種紙領(lǐng)域中的應(yīng)用

      微膠囊化作為一種新型的生產(chǎn)工藝,制備得到的微膠囊在緩釋性、密封性、光敏性和熱敏性等方面相較于普通材料有著更好的表現(xiàn),微膠囊化還可以實現(xiàn)以液體為芯材,通過壁材對芯材的包裹將液體材料變?yōu)楣虘B(tài)粉末。塑料聚合物在生產(chǎn)加工的過程中需要添加很多的無機組分的填料,填料添加占比的多少會影響紙張的性能。無機組分常作為填料添加進入紙張的生產(chǎn)過程中,而無機組分在與大分子的紙基材料相容性較差,通過微膠囊的包覆無機組分,以高分子材料作為壁材,無機組分作為芯材,可提高無機組分在制備時與纖維素、木質(zhì)素的相容性、分散性。在特種紙領(lǐng)域,微膠囊還有可以應(yīng)用在阻燃紙、飄香紙、抗菌紙和無碳復(fù)寫紙等領(lǐng)域。

      2.1 微膠囊在阻燃紙中的應(yīng)用

      大多紙基材料熱穩(wěn)定性較弱,極限氧指數(shù)(Limiting Oxygen Index,簡稱LOI)較低,在受高溫影響下容易起火,這使得紙基材料的應(yīng)用范圍受到限制。應(yīng)用微膠囊化技術(shù),微膠囊可以包裹填料,提高填料的熱穩(wěn)定性。研究通過微膠囊包裹聚磷酸銨(Ammonium Polyphosphate,簡稱APP)阻燃劑作為填料添加,能提高塑料包裝整體的熱穩(wěn)定性[16]。Zi-Yue M O等人應(yīng)用三聚氰胺甲醛樹脂微膠囊化聚磷酸銨制備阻燃紙,提高紙張的LOI,并達到阻燃的標(biāo)準(zhǔn)[17],如圖3所示(圖中“極限氧氣濃度”是指聚合物在氧和氮混合氣體中當(dāng)剛能支撐其燃燒時氧的體積分數(shù))。

      圖3 聚磷酸銨微膠囊化極限氧氣濃度對比圖

      燃燒需要的3個條件是可燃物、氧氣、溫度達到燃點,燃燒的過程中會不斷發(fā)出光和熱,紙張燃燒的機理是高分子碳鏈在高溫下的熱解反應(yīng)。紙張要達到阻燃效果,就是要阻隔燃燒過程產(chǎn)生的熱或者在燃燒時能放出阻燃性氣體,抑制或是阻止熱解反應(yīng)的繼續(xù)。這可以通過添加阻燃物質(zhì)實現(xiàn)。紙張屬于碳基材料,其成分中的纖維素、木質(zhì)素都是易燃物質(zhì),常用到紅磷、氫氧化鎂、氫氧化鋁等阻燃物質(zhì)作為填料添加,提高紙張的LOI。目前阻燃技術(shù)正向著低煙、低毒、環(huán)保的方向發(fā)展。

      微膠囊技術(shù)與阻燃紙相結(jié)合,復(fù)配氫氧化鋁和紅磷制備得到阻燃微膠囊、微膠囊化聚磷酸銨能夠達到的極限氧指數(shù)較紅磷、氫氧化鋁、聚磷酸銨更高。因此,可以通過更少量阻燃劑的添加達到阻燃效果。填料阻燃劑添加量的減少,增加了纖維素在紙張中的占比,提高了紙張的強度與質(zhì)量。

      2.2 微膠囊在飄香紙中的應(yīng)用

      香精微膠囊是以香味物質(zhì)為芯材,通過微膠囊工藝的制造方法,制得的香味微膠囊。香精微膠囊有著緩釋的特性,能夠在很大程度上延長香精制品的香味釋放期,提升香精產(chǎn)品的性能[18-19]。塑料制品在熱熔擠出生產(chǎn)過程中,需要200℃以上的高溫,在這個條件下,香精會揮發(fā)大部分分子。而微膠囊化香精材料可以很好地提高香精材料的熱穩(wěn)定性。通過微膠囊化香精材料,提高了香精的耐熱性,使得香精在生產(chǎn)過程中的損耗降低,減少了香味塑料在生產(chǎn)過程中的成本。通過微膠囊的緩釋特性,延長香精散發(fā)香味的時間,提高飄香紙包裝的利用時長,也可以通過添加更少量的微膠囊化香精材料達到添加香精材料的效果。

      飄香紙配合包裝設(shè)計來提升感官體驗,對于產(chǎn)品銷量上的提升有著很大的作用[20]。圖4顯示了消費者購買意向影響因素[數(shù)據(jù)來源:pro carton協(xié)會(歐洲紙盒和紙板制造商協(xié)會)]。

      通常使用的禮品、禮盒包裝,是通過包裝的顏色、

      圖4 消費者購買意向影響因素

      氣味、造型設(shè)計來達到提升產(chǎn)品檔次的效果。飄香紙能夠散發(fā)添加的香型香味,引起人體的嗅覺系統(tǒng)的關(guān)注,香味包裝的主要特性是能夠喚起人腦中對于氣味的回憶。傳統(tǒng)添加花香香型就是通過氣味喚起人們對花朵的感官感受,刺激大腦皮層中的多巴胺分泌,讓人有一種愉悅的感受,從而提升產(chǎn)品的競爭力[21]。在商品包裝上應(yīng)用飄香紙,給商品添加一層獨特的香味,在消費者重復(fù)購買商品時,可以通過香味喚起消費者對于商品的感官,達到增強客戶黏性的目的。微膠囊技術(shù)可以將液體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為粉末狀固態(tài)物質(zhì),應(yīng)用到飄香紙中,能夠像液體香精材料添加到纖維素之間,使得添加到紙張中香型選擇更加多樣。并且微膠囊緩釋的效果也能夠使得飄香紙的使用時長得到延長,提高產(chǎn)品的利用效率。

      2.3 微膠囊在無碳復(fù)寫紙中的應(yīng)用

      傳統(tǒng)的復(fù)寫紙是由上層紙、涂碳層、下層紙復(fù)合而成。而無碳復(fù)寫紙是由上層紙、微膠囊、顯色劑、下層紙復(fù)合而成[22]。無碳復(fù)寫紙的應(yīng)用非常廣泛,目前在電腦打印、企業(yè)發(fā)票、收據(jù)等領(lǐng)域有著很大的市場。微膠囊在無碳復(fù)寫紙中的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)很成熟,無碳復(fù)寫紙實質(zhì)是一種壓敏紙,在感受到壓力時微膠囊破裂,微膠囊包裹的成分與下層的顯色劑接觸,從而使字跡在紙張上顯現(xiàn)出。微膠囊是一種微包裝結(jié)構(gòu),微膠囊內(nèi)可加入不同材質(zhì)的油墨,可加入熒光防偽油墨、彩色油墨、熱敏油墨等。

      無碳復(fù)寫紙中應(yīng)用的微膠囊技術(shù)的關(guān)鍵在于微膠囊的粒徑控制[23],現(xiàn)大多無碳復(fù)寫紙中微膠囊粒徑在4~10 μm。適合大小的粒徑可以在微膠囊受到筆尖壓力的同時破裂,不會因為壓力過大或過小,對紙張的使用造成影響。因為無碳復(fù)寫紙防偽特性優(yōu)良,現(xiàn)今其主要發(fā)展方向為防偽方向。無碳復(fù)寫紙的壓敏特性不止在防偽方向,在新型包裝設(shè)計等很多新領(lǐng)域也可進行拓展[24]。

      2.4 微膠囊在其他特種紙中的應(yīng)用

      微膠囊技術(shù)目前主要有無碳復(fù)寫、阻燃、香味這3個應(yīng)用方向。除了這些,還可以制備磁性微膠囊,俄羅斯一家聯(lián)合企業(yè)研制出一種微膠囊化的磁性粒子,可將磁性微膠囊添加進入紙張當(dāng)中,復(fù)合形成磁記錄紙。該磁性粒子具有高磁性、力學(xué)性能好等特點,該技術(shù)可擴展應(yīng)用到聚合物微膠囊化的鋁粉、石墨、玻璃纖維等材料方向[25]。微膠囊技術(shù)在抗菌方向的應(yīng)用是,應(yīng)用肉桂精油微膠囊,通過涂布浸漬等方法將微膠囊添加到紙張上,制備得到抗菌紙[26],微膠囊通過將細菌中的酶失活來抑制細菌的生長繁殖,達到延長食物保質(zhì)期的目的。微膠囊包裹起泡加入紙張中時可以降低紙張的密度,制備得到低密度紙。此外,微膠囊的應(yīng)用范圍除特種紙領(lǐng)域外在醫(yī)學(xué)中的緩釋藥物微膠囊、食品領(lǐng)域的香味添加劑、化工等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[27-28]。

      3 結(jié)語

      微膠囊技術(shù)作為新興技術(shù)在很多領(lǐng)域都得到了研究和應(yīng)用。在特種紙領(lǐng)域,可以應(yīng)用到阻燃、復(fù)寫、香味、抗菌等產(chǎn)品上。通過微膠囊化材料,改善材料的阻隔性、微粒大小、微粒形態(tài)等特性,并能夠?qū)⒁簯B(tài)材料轉(zhuǎn)換成固態(tài)材料。微膠囊技術(shù)在特種紙上有著越來越多的應(yīng)用,在目前市場上,特種紙應(yīng)用微膠囊技術(shù)制備工藝還并不常見。隨著微膠囊技術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展,使用微膠囊化材料和技術(shù)給產(chǎn)品帶來性能上的提高、成本降低的作用將會不斷凸顯,這也將不斷推進企業(yè)的技術(shù)革新。在應(yīng)用方向上,飄香紙香味包裝在我國還較為少見。而產(chǎn)品的包裝設(shè)計花樣繁多,各種不斷奪人眼球的設(shè)計都是為了提升產(chǎn)品在終端市場的競爭力,而飄香紙能夠給產(chǎn)品賦予獨特的香氣,搭配外包裝設(shè)計,將會給包裝市場、特種紙市場的發(fā)展帶來新的驅(qū)動力。本文通過總結(jié)微膠囊的制備工藝,以及微膠囊技術(shù)在特種紙領(lǐng)域現(xiàn)有應(yīng)用,為微膠囊技術(shù)在特種紙領(lǐng)域的深入研究應(yīng)用提供參考,探索不同生產(chǎn)工藝、不同材料的微膠囊與特種紙領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用。

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