摘要
构建阳离子淀粉(CS)和纳米纤维素(NC)的CS/NC复合体系,探索其在食品软包材料中的应用价值。本研究选取打浆度24 °SR针叶木浆和打浆度36 °SR阔叶木浆作为基纸原料,系统研究了浆内/表面施胶CS/NC复合体系对纸张性能的影响。将CS/NC复合体系用于基纸的浆内施胶,当CS添加量为1.0%(相对于绝干浆,以下同)、纤维素纳米纤丝(J-CNF)添加量0.6%时,纸张的抗张指数和撕裂指数分别达68.6 N·m/g和7.79 mN·
“以纸代塑”背景下,具有可回收、可生物降解功能的纸质材料已成为食品包装领域的重要发展方
纳米纤维素(NC)是一种具有微纳米级尺寸的新型纤维材料,具有比表面积高、长径比大和强度高等优
本研究制备一种具有可再生和可生物降解功能的新型绿色CS/NC复合体系,NC与CS混合有利于形成更强的氢键交织网络,适用于纸张成形加工过程。本研究详细探究CS/NC复合体系在浆内和表面施胶过程中对滤水性能,以及纸张的抗张指数、撕裂指数、平滑度、透气度和防油等级的影响,进一步证实NC弥补CS作为单一造纸助剂不足的潜力,为CS/NC复合体系在食品包装纸的制备提供参考借鉴。
漂白阔叶木浆(桉木浆板)、漂白针叶木浆(松木浆板)、阳离子淀粉(CS),均购自广东冠豪高新技术股份有限公司;硫酸(H2SO4,质量分数95%~98%),购自成都市科隆化学品有限公司。实验用水均为去离子水。
Valley打浆机(2505,美国KRK公司);PFI磨浆机(MASKIN 621,挪威HAMJERNMASKIN公司);打浆度测定仪(ZDJ-100,瑞典L&W公司);纳米微射流均质机(Nano DeBEE,美国BEE公司);超声波细胞破碎器(VCX800,美国Sonics公司);标准疏解机(73-18,瑞典L&W公司);凯塞法自动抄纸系统(RK3AKWT,奥地利PTI公司);涂布机(S-CU5300,德国Zeiss公司);纤维质量分析仪(FQA,KAJAAN1FS300,芬兰Kajaani公司);原子力显微镜(AFM,Multimode-8,德国BTG公司);扫描电子显微镜(SEM,EVO18,德国Zeiss公司);TA流变仪(DHR-2,美国TA公司);Zeta电位分析仪(SZP-06,德国CMX公司);动态滤水留着仪(DFR04,德国BTG公司);标准厚度仪(SE051,瑞典L&W公司);抗张强度试验机(B0660005,瑞典L&W公司);撕裂度仪(009,瑞典L&W公司);别克平滑度仪(P62500,奥地利PTI公司);透气度仪(166,瑞典L&W公司)。
取上述浆浓10%的针叶木浆,在相同条件下继续磨浆70 000 r,然后用去离子水稀释至浆浓0.5%,充分分散后的浆料通过纳米微射流均质机重复均质处理8次,得到纤维素纳米纤丝,记为J-CNF。制备条件为压力138 MPa、喷嘴直径200 μm。
取20 g(绝干浆)针叶木浆,离心后与165 mL的质量分数64%硫酸混合,45 ℃下机械搅拌,水解45 min。反应后的悬浮液用水稀释15倍,离心去除多余酸后,用去离子水透析14天(透析袋规格为14 000 Da),最后经过超声波细胞破碎分散1 min,得到纤维素纳米晶体,记为J-CNC。
产物J-CNF和J-CNC均放入4 ℃冰箱中保存备用。
配制固含量分别为5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.5%的CS分散液,以及相同固含量的CS和J-CNC质量比为9∶1的混合分散液。在搅拌状态下,将上述分散液放入90 ℃水浴锅中糊化30 min后,制备不同胶料,60 ℃下保温备用。
将不同打浆度的针叶木浆和阔叶木浆按质量比2∶8混合,用标准疏解机疏解6 000 r,得到基纸纸浆;加入质量分数1.0%的CS(相对于绝干浆质量,以下同)和质量分数0.2%、0.4%、0.5%、0.6%的J-CNC或J-CNF,继续疏解6 000 r,得到手抄片纸浆;用凯塞法自动抄纸系统中制备手抄片(记为基纸)。手抄片定量50 g/
使用纤维质量分析仪检测不同打浆度的阔叶木浆与针叶木浆物理性能,并用光学显微镜观察其纤维形态。
使用AFM对J-CNF和J-CNC的微观形貌进行观察。将J-CNF、J-CNC稀释至质量浓度为1
使用SEM对纸张表面形貌进行观察。将适当大小的纸张样品粘贴在云母片上,经喷金处理后进行形貌特征观察。
分别制备质量分数0.1%的针叶木浆、阔叶木浆、CS、J-CNF和J-CNC的悬浮液,以及质量分数0.1%、质量比为1∶0.2、1∶0.4、1∶0.5、1∶0.6的CS/J-CNF、CS/J-CNC复合体系悬浮液,使用Zeta电位分析仪测试其Zeta电位。
纸浆种类 | 打浆度/°SR | 纤维长度/μm | 宽度/μm | 长宽比 | 扭结角度/(°) | 细小纤维面积百分比/% |
---|---|---|---|---|---|---|
针叶木浆 | 14 | 1 545 | 32.4 | 49.20 | 134 | 1.26 |
24 | 1 462 | 32.0 | 45.69 | 139 | 1.98 | |
34 | 1 441 | 31.7 | 45.46 | 139 | 1.95 | |
44 | 1 278 | 31.2 | 40.96 | 138 | 2.30 | |
阔叶木浆 | 16 | 657 | 17.3 | 44.57 | 131 | 4.51 |
26 | 657 | 17.2 | 38.19 | 138 | 3.98 | |
36 | 654 | 17.1 | 38.24 | 138 | 4.02 | |
46 | 639 | 17.0 | 37.59 | 138 | 4.62 |

图1 不同打浆度下阔叶木浆和针叶木浆形态
Fig. 1 Morphology of softwood pulp and hardwood pulp at different beating degrees

图2 J-CNF和J-CNC的AFM图及其粒径分布
Fig. 2 AFM images and particle size distribution of J-CNF and J-CNC
样品类型 | Zeta电位/mV |
---|---|
针叶木浆 | -13.20 |
阔叶木浆 | -15.47 |
J-CNF | -22.61 |
J-CNC | -51.76 |
CS | 12.66 |
1%CS/0.2%J-CNF | 9.37 |
1%CS/0.4%J-CNF | 7.51 |
1%CS/0.5%J-CNF | 7.31 |
1%CS/0.6%J-CNF | 7.09 |
1%CS/0.2%J-CNC | 7.41 |
1%CS/0.4%J-CNC | 5.00 |
1%CS/0.5%J-CNC | 4.37 |
1%CS/0.6%J-CNC | 3.89 |
打浆作为制浆处理过程中的重要步骤,极大程度地影响着纸张的物理性能。因此,本研究进一步探究了不同打浆度条件下制备的基纸物理性能变化,结果如

图3 纸浆打浆度对基纸性能的影响
Fig. 3 Effects of beating degree on the properties of base paper
纸张施胶前,基纸的基础阻隔性能和机械强度对包装纸尤为重要。如
综合分析不同打浆度对基纸结构性能(紧度和平滑度)、阻隔性能(透气度)和机械强度(抗张指数与撕裂指数)的影响,本研究最终选取打浆度36 °SR阔叶木浆与24 °SR针叶木浆为原料抄造基纸,以此探究浆内和表面施胶CS/NC复合体系对纸张性能的影响。
滤水性能是造纸过程中的一项重要参数,其结果直接影响纸机的生产效率。因此,在不降低纸浆滤水速度的前提下提升纸张性能,是一项有挑战的工

图4 浆内施胶对滤水性能的影响
Fig. 4 Effects of intra-slurry sizing on water filtration properties
进一步验证CS/J-CNC、CS/J-CNF添加量对纸张物理性能的影响,结果如

图5 CS/NC添加量对纸张性能的影响
Fig. 5 Effects of NC/CS addition amount on the properties of papers
如
如
上述结果表明,浆内施胶CS可以提高纸张的抗张指数,但会导致纸张的撕裂指数和平滑度下降,透气度上升。在此基础上,添加适量的NC有助于改善浆内施胶CS引起的不利影响。

图6 J-CNC对胶料的流变性能的影响
Fig. 6 Effects of J-CNC on the rheological properties of coatings
纸张阻隔性能受纤维间的孔隙影响。

图7 不同双面施胶纸张表面SEM图
Fig. 7 SEM images of different sized papers surface
不同固含量的胶料对双面施胶纸张性能的影响被进一步验证,结果如

图8 CS/J-CNC双面施胶对纸张物理性能的影响
Fig. 8 Effects of CS/J-CNC surface sizing on the physical properties of paper
CS或CS/J-CNC双面施胶对施胶纸张的透气度降低和抗油脂渗透效果尤为显著,如
为深入探讨CS/J-CNC复合体系表面施胶对施胶纸张抗油脂渗透能力的影响,本研究对CS/J-CNC单面施胶纸张的防油等级进行了检测,结果如

图9 CS/J-CNC单面施胶对纸张防油等级的影响
Fig. 9 Effect of single layer of CS/J-CNC on the oil-proof grade of paper
上述结果表明,在相同的固含量下,用CNC代替10%的CS,得到的CS/NC复合体系胶料黏度更高,可保证施胶量,进而有助于提升施胶纸张机械性能和阻隔性能等综合性能。
本研究以漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆混合浆料为原料制备基纸,利用机械法和硫酸水解法处理漂白针叶木浆,分别制得纤维素纳米纤丝(J-CNF)和纤维素纳米晶体(J-CNC),探究了阳离子淀粉(CS)/纳米纤维素(NC)复合体系浆内/表面施胶对基纸物理性能的影响。
3.1 CS/NC复合体系使纸浆滤水性能提升,当滤水时间为120 s时,浆内施胶CS/J-CNF和CS/J-CNC的浆料滤液质量分别为740.3和728.7 g,相较于基纸纸浆(700.1 g)分别提高5.7%和4.1%。
3.2 相比单独浆内施胶CS,浆内施胶CS/NC复合体系在优化纸张性能方面表现更为显著。当CS的添加量为0.1%,J-CNF的添加量0.6%时,纸张的抗张指数和撕裂指数分别达68.6 N·m/g和7.79 mN·
3.3 在表面施胶中,除机械性能提升外,J-CNC/CS复合体系显著改善了施胶纸张的透气度和防油性能。当胶料固含量为6.5%(双面施胶)时,施胶纸张透气度为0.061 μm/(Pa·s),较基纸下降99.4%。当施胶量为6.0 g/
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