添加剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响

王 燕，杨 丹，曾庆福，崔永明



添加剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响

王 燕，杨 丹，曾庆福，崔永明*

（武汉纺织大学 纺织印染清洁生产教育部工程研究中心，湖北 武汉 430073）

植物纤维餐具的生产是一项涉及化工、机械专业的综合性技术，采用模压成型的工艺方法，研究苎麻骨可降解餐具的成型工艺，对于提高苎麻资源综合利用价值，缓解目前白色污染及雾霾问题都具有重要的意义。本研究是在最佳工艺参数的条件下探讨各种添加剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响，为苎麻骨植物纤维餐具模压成型的进一步试验研究提供依据。实验表明：液态石蜡比硬脂酸更适合作为苎麻骨植物纤维餐具的防水剂，且最佳添加量为3%左右；海藻酸钠和羧甲基纤维素钠对餐具使用性能改善并不明显；单独加入碳酸钙、滑石粉和高岭土三种填充剂都可以在一定程度上增强苎麻骨植物纤维餐具的使用性能，且当添加复合填充剂时，碳酸钙、滑石粉和高岭土添加量分别是4%、2%和3%，此时餐具耐油性能最强。

苎麻骨植物纤维餐具；使用性能；补强剂；填充剂

餐具是人们日常生活中不能缺少的生活用品。由有机材料制成的传统塑料一次性快餐具，使用完后不仅不易降解，其燃烧又会危害环境，形成了非常严重“白色污染”，给人们的生活和健康带来了极大的困扰。如何消除“白色污染”，寻找一种质优价廉且环境友好的塑料发泡餐具代替品己成为当今社会发展的必然趋势[1-5]。

植物纤维餐具生产过程无污染，产品绿色健康，成本低，原料来源广泛，诸多优点吸引了一批又一批科研工作者的关注。其次，植物纤维餐具的出现也顺应了当今社会可持续发展的时代潮流，使其开发利用成为了必然[6]。植物纤维复合增强材料开始出现于20世纪50年代[7]。通过查阅文献，近年来国内外已经有人对植物纤维餐具进行了深入研究，其中部分已经投入了市场。V. Marechal[8]等人研究了利用向日葵的杆茎来制备包括快餐盒在内的包装产品。Huang Frank[9]等利用易分解和低成本的有机材料或草本植物作为原料来制备可降解的碗碟。胡志安等[10]利用植物纤维制作出的餐具成型时间不超过2秒，压力为0.13吨左右。1990年，荷兰瓦赫宁根农业大学研制出了完全不含石化产品的可降解生物塑料[11]。2007年在英国Brunel大学的研究报告会上指出采用经过分离和提纯的麦草纤维与热塑性淀粉共混后再进行热压加工，制作热成型制品可用作包装材料和建筑材料[12]。王昌荣[13]利用各种植物秸秆，通过热压成型制成一次性植物纤维餐具。

我国的苎麻产量约占全世界苎麻总产量的90%以上，在国际上被誉为“中国草”，是最具中国特色的优良纺织原材料[14]。我国苎麻常年种植面积20万公顷左右，大部分麻骨被就地焚烧或废弃，生物利用率很低，不仅造成资源的极大浪费，而且严重污染环境。苎麻骨纤维素含量和纤维形态类似阔叶树种，理论上是理想的植物纤维餐具的制备原料。基于前期研究的基础[15-17]，本研究探讨各种添加剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响，这对于提高苎麻资源综合利用价值、缓解目前白色污染及雾霾问题都具有重要的意义。

1 材料与设备

1.1 实验时间、地点

室内实验于2013年6—8月在武汉纺织大学印染清洁生产教育部工程研究中心进行。

1.2 实验材料

实验所需的主要材料如表1所示：

表1 实验主要材料

1.3 实验主要设备

纤维素粉碎机（天津市泰斯仪器有限公司）、混料机（南京沃玛电机有限公司）、液压成型机（闽东三友电机有限公司）、AE 240型电子分析天平（梅特勒·托利多仪器上海有限公司）、电热恒温鼓风干燥箱（上海跃进医疗器械厂）、电热恒温鼓风干燥箱（上海-恒科技有限公司）。

2 实验内容

2.1 餐具的制备

先将从市场购买的玉米粒和经过挑拣的苎麻麻骨初步粉碎和精粉碎制成粒度为80～100目的粉状物料，以此作为餐具的主要原料。在保证苎麻骨和玉米粉的比例为5:4时，在最优工艺参数（含水率5%、成型压力25 MPa、上模温度155℃、定型时间80s、粘胶剂含量25%）的条件下，加入不同比例的添加剂，在混料机中充分混合，再经热压处理、磨边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试验方法测试餐具的吸水量和吸油量，每个试验做三次，取平均值。

生产工艺流程如下所示：

原料→粉碎→配料→混合→装模

↓

检验←后处理←脱模←压制

2.2 产品性能指标及测定方法：

本试验根据 GB18006.1—2009《一次性可降解餐具通用技术条件》中餐具的使用性能要求制定出耐水性能、耐油性能2个性能指标，分别以吸油量，吸水量来衡量。

2.2.1 吸水量的测定

取两个试样放在衬有滤纸的搪瓷盘上，注满95℃±5℃的热水，再移到60℃恒温箱内静置30分钟后观察样品有无变形，有无阴渗变色、漏的迹象，倒空(到餐具内水不再下滴为止)餐具内的水，用电子天平称取加水前、后餐具的重量，计算出重量差，此重量差即为吸水量。

△mw=m11-m12（1）

其中△mw：吸水量；

m11：加水 30min 后倒空餐具内水时餐具的重量；

m12：未加水前餐具的重量。

2.2.2 吸油量的测定

取两个试样放在衬有滤纸的搪瓷盘上，倒入15g、95℃±5℃的植物油静置30分钟后观察样品有无变形，有无阴渗变色、漏的迹象，倒空(到餐具内水不再下滴为止)餐具内的水，用电子天平称取加水前、后餐具的重量，计算出重量差，此重量差即为吸油量。

△mo=m21-m22（2）

其中△mo：吸油量；

m21：加油 30min 后倒空餐具内油时餐具的重量；

m22：未加油前餐具的重量。

3 防水剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响

为了改善餐具的防水性能，本课题选择硬脂酸和液态石蜡为防水剂，设计配方研究其对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响。

3.1 防水剂对苎麻骨植物纤维餐具耐水性能的影响

图1是防水剂添加量相同的情况下，硬脂酸和液态石蜡对餐具耐水性能影响的比较。由图1可知，硬脂酸和液态石蜡都能够使苎麻骨植物纤维餐具耐水性能增强。当添加量为1%-3%时，随着防水剂质量的增加，液态石蜡和硬脂酸吸水量越来越小，即防水性能呈增强趋势。当硬脂酸和液态石蜡添加量为3%时，防水性能达到最强，吸水量分别是1.32g和1.21g，且液态石蜡比硬脂酸更能提高苎麻骨植物纤维餐具的防水性能。随着防水剂含量的提高，两种餐具吸水量都逐渐增大，当添加量达到5%时，硬脂酸和液态石蜡餐具吸水量分别为1.49g和1.42g。从整个趋势图中可以看出，当加入同等质量的防水剂时，液态石蜡的耐水性能比硬脂酸的耐水性能更好，且在加入量为3%时达到最佳。

3.2 防水剂对苎麻骨植物纤维餐具耐油性能的影响

图2是防水剂添加量相同的情况下，硬脂酸和液态石蜡对餐具耐油性能影响的比较。由图2可知，随着液态石蜡加入量越大，餐具吸油量先增大后减小，在3%时耐油性能最差，吸油量达到1.23g。当硬脂酸加入量为1%-4%时，随着添加量越来越大，吸油量越来越小，餐具的耐油性能增强，当添加量为4%时，耐油性能最强，吸油量为1.21g。当添加量为5%时，吸油量升高到1.5g。由图比较得，当防水剂质量相同的情况下，液态石蜡比硬脂酸耐油性能要好。

图1 防水剂对餐具耐水性能的影响

图2 防水剂对餐具耐油性能的影响

图3 补强剂对餐具耐水性能的影响

3.3 补强剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响

补强剂用于增强原料中各种分子之间的交联，不同的补强剂，其物理特性和分子结构有区别，与苎麻骨的结合也会不同。本次试验选用海藻酸钠和羧甲基纤维素钠作为补强剂，研究其对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响，为苎麻骨植物纤维餐具的研发提供依据。

3.3.1 补强剂对苎麻骨植物纤维餐具耐水性能的影响

图3是补强剂添加量相同的情况下，羧甲基纤维素钠和海藻酸钠对餐具耐水性能影响的比较。由图3可知，随着添加量的增大，海藻酸钠的吸水量越来越大，即防水性能越来越弱。当添加量为5%时，防水性能最差，吸水量为2.65g。当补强剂含量为1%-5%时，随着羧甲基纤维素钠含量的增大，吸水量先变大后减小，在4%时达到最大值2.56g，此时耐水性能最差。

3.3.2 补强剂对苎麻骨植物纤维餐具耐油性能的影响

图4是补强剂添加量相同的情况下，羧甲基纤维素钠和海藻酸钠对餐具耐油性能影响的比较。由图4可知，随着海藻酸钠添加量的增大，吸油量先变大后减小，当添加量为4%时吸油量达到最大（1.23g），此时耐油性能最差。与海藻酸钠相反，随着补强剂添加量越来越大，羧甲基纤维素钠的吸油量先减小后增大，当添加量为4%时达到最小值（1.11g），此时餐具耐油性能最强。

3.4 填充剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响

填充剂即填料，加入物料中改善产品使用性能或降低成本的固体物质。滑石粉、碳酸钙和高岭土三种材料均是塑料制品生产的常用填充剂，具有良好可塑性和粘接性。本试验将设计试验研究以高岭土、碳酸钙和滑石粉作为苎麻骨植物纤维餐具填充剂对餐具使用性能的影响，为研发苎麻骨植物纤维餐具提供试验基础。

3.4.1 填充剂对苎麻骨植物纤维餐具耐水性能的影响

图5是填充剂添加量相同的情况下，碳酸钙、滑石粉和高岭土对餐具耐水性能影响的比较。由图5可知，碳酸钙、滑石粉和高岭土三种填充剂都可以增强苎麻骨植物纤维餐具的耐水性能。当添加量从1%增大到5%时，碳酸钙、滑石粉和高岭土吸水量都是先减小后增大，且当填充剂添加量为3%时，防水性能最强，吸水量分别为1.32g、1.24g和1.21g。比较这三种餐具吸水量趋势图可得，高岭土耐水性能最好，其次是滑石粉，碳酸钙最差。

图4 补强剂对餐具耐油性能的影响

图5 填充剂对餐具耐水性能的影响

图6 填充剂对餐具耐油性能的影响

3.4.2 填充剂对苎麻骨植物纤维餐具耐油性能的影响

图6是填充剂添加量相同的情况下，碳酸钙、滑石粉和高岭土对餐具耐油性能影响的比较。由图6可知，当填充剂添加量从1%增大到5%时，碳酸钙、滑石粉和高岭土三种餐具吸油量都是先减小后增大，且当填充剂添加量为3%时，防油性能最强，吸油量分别为0.96g、0.94g和1.02g。当碳酸钙、滑石粉和高岭土质量增加到5%时，吸油量分别为1.19g、1.34g和1.5g，此时耐油性能最差。

表2 L9(33)因素水平值

3.4.3 复合填充剂最佳条件的确定

由添加单一填充剂试验可知，碳酸钙、滑石粉和高岭土三种填充剂单独分别加入物料之后，苎麻骨植物纤维餐具耐水性能均有增强趋势，比不添加任何添加剂的餐具吸水量都要小。而其耐油性能则不能保证，下面将进一步研究同时加入这三种填充剂对餐具耐油性能的影响，探讨复合填充剂最佳配比。设计正交试验如表2，试验结果如表3。

表2是正交试验因素水平表，表3和表4是实验结果极差分析表和方差分析表，由表分析结果可知，影响复合填充剂不同配比的苎麻骨植物纤维餐具耐油性能的因素从强到弱依次是：滑石粉、高岭土、碳酸钙。从表4可得，三种填充剂对餐具耐油性能影响皆不显著。从影响因子直观图可得，对于碳酸钙来说，4%与2%、3%差别显著，2%与3%、4%差别不显著；对于滑石粉来说，2%与3%、4%差别不显著，3%与2%、4%差别显著；对于高岭土来说，3%与2%、4%差别不显著,2%、4%与5%差异显著。综合表3和表4和图7，碳酸钙、滑石粉和高岭土分别添加4%、2%和3%时，餐具耐油性能最强，即最佳配比为4:2:3。

表3 正交试验方差分析表

4 结论

本文研究了在最佳工艺参数的条件下各种添加剂对苎麻骨植物纤维餐具使用性能的影响，为苎麻麻骨等植物纤维模压成植物纤维餐具的进一步试验研究提供依据。实验表明：液态石蜡比硬脂酸更适合作为苎麻骨植物纤维餐具的防水剂，且最佳添加量为3%左右；海藻酸钠和羧甲基纤维素钠对餐具使用性能改善并不明显，需要再进一步探索其他更为合适的补强剂。单独加入碳酸钙、滑石粉和高岭土三种填充剂都可以在一定程度上增强苎麻骨植物纤维餐具的使用性能，且当添加复合填充剂时，碳酸钙、滑石粉和高岭土添加量分别是4%、2%和3%，此时餐具耐油性能最好。

图7 餐具吸油量直观图

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：苎麻清洁生产及其资源化利用.

S563.1

A

2095－414X(2014)03－0008－06