微纳米纤维素在环保食品卡纸中的应用

微纳米纤维素在环保食品卡纸中的应用

韩孝琴 黄晔 石忠收

五洲特种纸业集团股份有限公司 浙江 衢州 324000

摘要：本研究致力于探讨微纳米纤维素（CNF）在环保食品卡纸中的应用，特别是其通过淋膜技术提高纸张防油性和机械性能的潜力。通过使用Tempo氧化均质法制备的CNF，我们研究了不同淋膜量对食品卡纸性能的影响，包括防油性、防热油性和防溶剂性。实验结果表明，CNF能显著提高卡纸的阻隔性能和物理强度，尤其在对抗油脂和热油的应用中表现出色。此外，我们还分析了PLA/CNF复合淋膜的制备过程及其在食品安全包装中的应用潜力。研究结果对发展新型环保包装材料具有重要意义。

关键词：微纳米纤维素，环保食品卡纸，淋膜技术，防油性能

1引言

目前，随着环保意识的增强和可持续发展战略的推广，生物可降解材料的研究与应用在全球范围内受到了广泛关注。特别是在食品包装领域，传统塑料包装材料所带来的环境污染问题促使科研人员寻求新型环保材料的解决方案。在众多生物基材料中，微纳米纤维素（CNF）以其优异的机械性能和良好的生物降解性，展示出替代传统石油基塑料的巨大潜力。CNF不仅来源于自然，还可通过生物技术进行大规模生产，成为食品包装领域的理想选择。

本研究旨在探索微纳米纤维素在环保食品卡纸中的应用，特别是其在提升卡纸的环保性能方面的作用。采用Tempo氧化均质法从纸浆纤维中制备CNF，然后将其与聚乳酸（PLA）复合，形成PLA/CNF淋膜，进一步应用于食品卡纸的表面处理。这种新型淋膜技术不仅改善了纸张的防油性和防溶剂性能，还增强了纸张的物理强度，提供了一种既环保又高效的食品包装解决方案。

2纤维素纳米纤维的特性与制备

2.1 纤维素微纳米纤维的定义与分类

纤维素微纳米纤维（CNF）是从天然纤维素源通过物理或化学方法提取的一类高性能纤维材料。这些纤维因其尺寸极细，通常直径在几十到几百纳米之间，长度可达数微米，因而拥有极高的比表面积和独特的力学性能。CNF可以基于其尺寸、形态、制备方法和功能化程度进行分类，主要包括纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤丝两大类，其中CNC一般通过酸水解获得，而CNF则常见于机械或酶处理。

此外，这些分类各有其特定的应用领域。例如，纤维素纳米晶体因其结晶度高而常用于增强材料的制造，而纤维素纳米纤丝则因其较长的纤维链和灵活性而广泛应用于造纸、包装材料以及过滤材料等领域。这些纤维的生物兼容性和生物可降解性也使它们在医药和食品科技中具有巨大的潜力。

2.2 Tempo氧化均质法制备CNF的原理

Tempo氧化均质法是一种先进的化学处理技术，专门用于从原生纤维素中制备高质量的纤维素微纳米纤维。该方法的核心是利用Tempo代理作为催化剂，在碱性环境中氧化纤维素，特别是纤维素的C6位羟甲基。这种氧化不仅提高了纤维素分子链的负电荷密度，还引入了额外的羧基，使得纤维素链在水中的分散性大大增强。

此技术的优势在于能够在保持纤维素本身结构和聚合度的同时，生成具有高度解聚和均一性的纤维素纳米纤维。这样处理后的CNF展示出更好的形成膜的能力和改进的机械性能，使其成为制造高性能复合材料和功能性涂层的理想选择。此外，Tempo氧化均质法相比其他物理方法更加环保，消耗的能量较低，因而更符合绿色化学的原则。

2.3 CNF的物理和化学特性

如图1所示，纤维素微纳米纤维因其独特的物理和化学特性而在众多领域显示出广泛的应用潜力。从物理角度看，CNF具有高强度和模量、良好的障碍性能及优异的透明性。这些特性使CNF成为制造生物基复合材料、高性能纸张以及透明膜材料的理想候选者。CNF的高比表面积和强度使其在增强塑料和橡胶等复合材料中表现出色，显著提升了材料的综合性能。

化学特性方面，CNF表面的丰富羟基可以通过各种化学修饰来引入新的功能性团体，如羧基、酯基或酰胺基，从而拓展其在催化、生物医用材料及传感器等领域的应用。这些功能化的纤维素纳米纤维可以作为药物载体、生物医学支架或智能包装材料，展示其在现代科技中的重要作用。通过精确控制其化学修饰的类型和程度，科学家能够设计出满足特定需求的定制材料[1]。

图1 CNF的物理和化学特性

3微纳米纤维素淋膜技术的开发

3.1 PLA/CNF淋膜的制备过程

制备PLA/CNF淋膜的过程首先涉及将纤维素纳米纤维（CNF）均匀分散于聚乳酸（PLA）基质中。此过程通常使用溶剂铸造或熔融复合的方法，以确保CNF在PLA中的均匀分布。首先，CNF通过特定的化学处理或机械方法进行预处理，增强其与PLA的相容性。随后，将处理过的CNF与PLA颗粒混合，在高剪切力下进行熔融挤出，形成均匀的淋膜原料。这种淋膜材料不仅具有良好的机械性能，还能提高成品纸张的阻隔性能。

在实际的淋膜过程中，淋膜材料将以薄膜形式施加到纸张表面。此步骤通常在特制的淋膜机上进行，其中PLA/CNF混合物被加热至PLA的熔点以上，然后通过滚筒或刮刀均匀涂布在纸张上。冷却后，淋膜层形成坚固的保护层，显著提高了纸张的功能特性，如防水、防油和提升机械强度。

3.2 淋膜技术在食品卡纸上的应用

淋膜技术在食品卡纸的应用主要是为了提高卡纸的防护性能和延长其使用寿命。将PLA/CNF淋膜应用于食品卡纸，可以有效地阻挡油脂、水分和其他可能引起纸张变质的物质。这种技术特别适用于需要直接接触食品的包装材料，如快餐盒、烘焙用纸和其他一次性食品容器。淋膜不仅增强了纸张的物理障碍特性，还因其来源于可再生和生物降解材料，增强了产品的环保属性。

此外，淋膜技术还使得纸张表面更加光滑、具有更高的打印适应性，这对于商业包装而言尤为重要。通过调整淋膜的厚度和成分，可以为特定的包装需求定制物理和化学性能，例如提高抗紫外线能力或改善印刷效果。因此，PLA/CNF淋膜技术不仅提升了食品卡纸的功能性，还拓宽了其在高端包装市场中的应用。

3.3 淋膜量对卡纸性能的影响

淋膜量是影响纸张性能的一个关键因素，适当的淋膜量可以显著提升纸张的防护性能和物理强度。研究表明，增加淋膜量通常会增强纸张的防水和防油性能，但同时也可能影响纸张的柔韧性和透气性。因此，在实际应用中需要根据纸张的最终用途来优化淋膜量，以达到最佳的性能平衡。

例如，在需要极高防护性能的食品包装中，较厚的淋膜层可以有效阻隔油脂和水分的渗透。然而，在要求纸张保持一定透气性的应用中，如鲜果包装，过厚的淋膜可能会降低包装的透气性，影响食品的保鲜效果。此外，淋膜量的增加也会提高生产成本，因此在商业生产中需要综合考虑成本效益和性能要求，通过实验和实践不断优化淋膜工艺[2]。

4环保食品卡纸的性能评估

4.1 防油性能的评估方法

在环保食品卡纸的性能评估中，防油性能是一个核心指标。评估方法通常包括油脂渗透测试，该测试通过测量油脂在特定时间内通过纸张的面积来评定纸张的防油等级。实验室里，通常使用标准油脂施加在纸张样本上，通过观察和测量油斑的扩散范围来评估其防油性能。此外，也可采用定量的Kit测试法来评定，该法通过对油脂渗透量的精确测量来确定纸张的防油级别，为生产环保食品卡纸提供科学依据。

另一种评估方法是使用染色剂测试，染色剂能与油脂发生反应，显示出明显的颜色变化。通过比较未处理纸张和处理后纸张对染色剂的反应差异，可以直观地评估纸张的防油效果。这种方法简便、直观，适合快速检测和生产线上的即时质量控制，帮助制造商即时调整生产参数，以达到更高的产品质量标准。

4.2 防热油和防溶剂性能的评估

对于环保食品卡纸而言，防热油和防溶剂性能同样重要。这些性能的评估通常涉及将卡纸暴露于高温油脂和各种溶剂中，观察其结构和功能的变化。评估方法包括热稳定性测试，其中纸张样本被置于高温油中一定时间，之后检查其物理强度的变化，如撕裂强度和抗折强度，从而评估纸张能否承受热油的长期作用。

溶剂阻隔性能的评估则通过将纸张样本浸入不同化学溶剂中，测试其对溶剂的抵抗力。这包括测量纸张的质量、厚度和颜色变化等，以确定溶剂对纸张的影响。通过这些测试，研究人员可以了解不同处理条件下纸张的防护性能，优化其制备工艺，确保产品在实际使用中的性能符合预期标准。

4.3 总体性能提升的分析

环保食品卡纸的总体性能提升分析涉及综合考量其防油、防热油、防溶剂以及其他相关功能性的改善。这种分析通过对比原始材料和处理后的纸张性能数据来进行，不仅关注单一性能的改善，还考虑多种性能的综合效果。例如，淋膜技术如何同时提升纸张的机械强度和阻隔性，以及这些改进如何影响纸张的可回收性和生物降解性。

此外，总体性能提升还要评估环保性能，包括使用的原材料是否可持续、生产过程的能源效率以及产品的生命周期影响。通过系统评估和持续的研发，可以不断提升食品卡纸的性能，满足市场对高性能环保包装材料的需求。这种全面的性能分析帮助制造商优化产品设计，实现环保和功能性的最佳平衡，推动环保食品卡纸技术的市场应用和行业标准的提升[3]。

5 结论

在本研究中，通过对微纳米纤维素（CNF）在环保食品卡纸中的应用进行深入分析，我们得出了若干重要结论。首先，CNF作为一种优越的增强材料，其独特的纳米级尺寸和高比表面积赋予了卡纸显著的性能提升，特别是在防油性和机械强度方面。通过PLA/CNF复合淋膜技术的应用，不仅成功地提高了食品卡纸的阻隔性能，还增强了其对热油和常见溶剂的抵抗力。此外，CNF的加入优化了卡纸的环保特性，使其在可持续发展的包装材料领域中具有更广阔的应用前景。

参考文献

[1]蔡成基.淋膜卡纸回收破局助力薄膜降解难题解决[J].印刷杂志, 2022(2):9-16.

[2]王盛德.食品卡纸生产中的化工药品应用[C]//'2005(第十二届)全国造纸化学品开发应用技术研讨会论文集.2005.

[3]李永梅.新型环保包装材料——镭射镀铝卡纸之特性分析[J].广东包装, 2008(2):3.

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