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汉麻芯秆材料制作抑菌保鲜包装纸

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汉麻芯秆材料制作抑菌保鲜包装纸


张民贵

(中国管理科学研究院 北京 100020



摘要:包装纸材料在我国纸业产能中占比超过 60%,达到 7000 万吨,包装纸中的特种纸产量占比较小。尤其食品、生鲜包装纸具有天然保鲜、防腐、抑菌纸包装原材料少之又少。汉麻纤维是自身具有天然抑菌、防腐的材料很值得开发。在

≦80℃浸渍或预蒸<70min 情况下,得率 83%,叩解度 35°SR,定量 55g/m2,紧0.59g/m2,抗张指数 83.9 N·m/g   ,撕裂指数 8.55mN·m2/g,耐折度 1455 次。


关键词:大麻;汉麻芯秆;制浆;保鲜纸



包装纸是工农商业用途最广泛的包装材料之一,具有环保、可降解、轻便、廉价等;尤其在用于食品包装纸还要求卫生、无菌、无污染;国内外研究者还在不断研究用于防腐、抗菌、保鲜用途的特种纸,其大多研究为添加化学涂层来解决,使用天然植物纤维用于抗菌、防腐、保鲜的纸张并不多见。

汉麻,即人们通常所说的大麻,一种古老的植物。工业大麻

THC<0.3%被认为不具备毒品利用价值,但依旧全身是宝,自身含有多种特有化学成分,具有天然抗毒、杀菌作用,生长期内的植株具有较强的抑草、抑虫害功能,因此在其整个生长过程中与棉花种植不同不需要使用杀虫剂和除草剂,对环境没有任何污染。其应用至少包括纺织、造纸、食品、医药、卫生、日化、皮革、汽车、建筑、装饰、包装等领域。汉麻纤维独特的吸湿快干、


透气、抑菌、防霉、抗紫外线辐射、吸附自洁、天然绿色等功能将推动纺织服装行业的转型升级;将来还可能成为石油、煤等矿物替代品,减少能源消耗造成的环境污染。

汉麻韧皮纤维经过脱胶提取精干纤维后用于纺织外,剩余的汉麻秆芯产量较大,占整个汉麻产量的 7080%,通常被当做废料处理掉,既浪费了资源,又污染了环境。全国目前规模种植逾40 万亩,芯秆产量约 50-60 万吨。目前,开发的芯秆产品一般附加值较低,制浆造纸很少见,更不用说用于高附加值的特殊纸张方面的制造产品。

试验

原料

汉麻芯秆来自安徽六安,农户手工剥麻的芯秆,当地市场价400-600 /吨。芯秆最长达到 3m,根本直径达到 10mm,亩800-1300kg,平均亩产达到 160kg 纤维;云麻曾有在云南试验种植亩产达到 2400kg 全麻, 在六安试种的云麻纤维产量在153-179.4kg/亩。夏季大麻收割,秋后、冬季农闲时散户麻农开始剥麻,安徽六安与河南信阳市固始地区传统以来均为手工的干剥麻。出芯秆材料的时间多在来年的春季。与速生杨木比较其经济价值远远高于速生杨产值,制浆造纸用材的速生杨成熟砍伐期普遍要十年,每亩产量 8-10m3600 /m3,原木材产值 4800-6000元,年均 480-600 元,生产纸浆约 2 吨,其市场价值约 8000 元;

种汉麻的产值至少要高于其 2.5-3 倍以上,折算麻皮深加工、木


质芯秆部分制浆造纸的特殊价值也高于速生杨木浆纸。汉麻芯秆纤维比速生杨木更容易熟化分丝与打浆,备料设备比杨木材料的备料设备投资便宜的多。且大麻芯秆浆单独或配抄不同的优质工业纸张、居家生活用纸、文化用纸均有较好的表现。汉麻芯秆化学成分如表一。


1    汉麻芯秆中空图表一    汉麻芯秆化学成分




芯秆材质属于亚木质地,其芯秆的木质纤维成分与性能与阔叶木相差无几。(表一看出综合纤维率 83%,主要成分纤维素


含量高于速生阔叶木杨树等几种常见制浆造纸的阔叶木材。



2    汉麻芯秆原料



试验方法

采用新的清洁生产短流程高得率制浆方法。试验流程参考: 备料---破碎---复合制剂低温浸渍---提取回收复合制剂---打浆原料切短 2-3cm 或机械破碎成片状,便于原料对复合制剂药

液的吸收,在恒温浴锅 80℃环境下 60-90min 的浸渍时间即可达到所要求不同的料片软化、润涨结果,浸渍药液挤压提取回收后, 常压打浆、分丝,至打浆度 35°SR,纸浆得率达到 83.4%,原浆白度 50.7%,定量 55g/m2,紧度 0.59g/m2,抗张指数 83.9 N·m/g   撕裂指数 8.55mN·m2/g,耐折度 1455 次。在打浆度 30-50°SR


的不同情况下浆样抄片测得机械性能均符合标准要求。

汉麻芯秆的抗菌性能

芯秆结构

汉麻秆芯的抗菌作用与其结构和化学成分密切相关。从结构上看汉麻的微孔结构,汉麻杆芯中木质素结构是一种网状结构, 沿径向形成“纤维束”群体,其横截面是不规则的三角形、多边形和扁圆形等,表面粗糙,有许多裂纹和孔洞,纤维有中腔,中腔体积常占纤维细胞总体积的 1/31/2,汉麻纤维比表面积大, 孔洞大,多缝隙,空隙率高,且与纤维表面纵向分布着的许多缝隙和孔洞相连,“纤维束”内部和“纤维束”群体之间也同样分布着的许多缝隙和孔洞。这种特殊的结构使其富含氧气,具有卓越的吸湿性和透气性。这就使在潮湿情况下,生存繁殖的厌氧霉菌类代谢作用和生理活动受到抑制,难以生存,有效地抑制微生物的氧化磷酸化,影响有丝分裂,阻碍微生物呼吸。



图 3    汉麻芯秆纤维形态图谱

汉麻芯秆的抑菌机理


汉麻秆芯含有多种活性酚类物质四氢大麻酚 THC、大麻二CBD、大麻酚 CBN、有机酸齐墩果酸、熊果酸、十六烷酸和无机盐NaCl),这些物质对金黄葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌等有明显的杀灭和抑制作用。大麻酚类物质水溶性差,是一种非溶出性的、天然的抗菌物质,即使碱煮后仍有酚类物质存在。通过 ICP-AES 分析获得了汉麻植株中各种元素含量,发现其中含有 AgCuZnCr 等多种抑菌性金属元素,抗菌金属元素接触到细菌时,破坏其细胞壁或穿过细胞壁进入细菌内破坏其传导组织,从而使细菌死亡,起到抗菌作用等金属离子的抗菌力很强,汉麻杆芯中含有极微量的银、铜、锌等金属离子可能是抗菌性的一方面原因。


4    汉麻芯秆纤维浆抄片定量 55g/m2 纸样



芯秆浆粕制造黏胶长丝的抑菌、抗菌作用

汉麻芯秆制作的浆粕生产黏胶纤维采用JIS L1902-2002   标准


测试汉麻芯秆纤维抗菌性,抑菌值大于 2.0 表示测试样有抑菌效

果,杀菌值大于 0 表示测试样有杀菌效果;金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌、绿脓杆菌等四菌有较明显抑制和作用。其芯秆浆粕内含的酚类物资化学成分的抗菌,在经过高温碱液蒸煮、漂白化学处理、制胶及纺丝工艺后,相当部分酚类物资随之被去除,但仍微量的、化学有稳定的酚类物资即使经过苛刻条件, 仍然能够残留在汉麻黏胶纤维中,以纤维素、木质素为载体,结合在纤维素、木质素的分子链上,是汉麻黏胶纤维具有抗菌、抑菌性;微量金属元素成分的抗菌。汉麻芯秆浆粕中甲纤含量成分只能做到 92%左右,另有 8%的其它物资存在,除灰分、铁分外还有还有微量的金属元素(表二存在,这些微量元素可能以木质素、纤维素为载体存在,也可能与木质素分和汉麻纤维素内的酚类物资分子形成金属螯合物。汉麻芯秆浆粕获得的黏胶纤维微量元素 Fe、Zn、Cr、Ag 均为抗菌元素,当抗菌金属元素接触到细菌时破坏其细胞壁或穿过其细胞壁进入细菌内破坏传播组织,从容使细菌死亡,起到抗菌作用。获得的芯秆浆粕黏胶纤维仍然具有汉麻本身的抑菌性优越性,说明一些与纤维素结合的化学物质和微量有效成分元素难以完全与纤维素本身分离。正是这些物质的存在,在制取得到了汉麻黏胶纤维的同时,也为其特殊抗菌性的实现提供了可能。

同样,黏胶再生纤维的浆粕制取与制浆的工艺雷同,在同样环境条件达到的结果,即可以抄造不同需求的产品如黏胶长丝纤


维、各种纸张等。如广泛用途的食品包装纸,延长生鲜瓜果保存运输周期是目前电商急需的包装材料,具备生态环保同时,价廉、

可再生、可自然降解。

表二    汉麻黏胶纤维中微量金属元素含量/ug.L-1


高得率制浆工业化生产应用

工艺流程



该工艺在生产实践中得到实际应用表明,浆样品质与传统化学高温高压蒸煮生产方式下的浆样区别不大,甚至有些指标还超过较多,以非木纤维原料的制浆得率水平提高到 50-100%,与其它高得率化机浆浆样质量相比有明显的优越性;所抄造纸品范围宽泛,包括生活纸、文化纸、工业包装纸等均可以直接抄造或添加于再生纸浆中用于提升产品质量。

产能规模

以汉麻芯秆为纤维原料,工艺流程为造纸车间提供原色纤维浆,工艺流程短,投资适中,耗用水少,自动化程度高,工人劳动强度适中,无高温高压蒸煮生产效率较高,所生产的原色纸浆


可抄造 30g/m2 以下的生活纸、轻克重包装原纸等,自然白度平均高达 50%ISO,无需添加其它漂白剂、增白剂。

实际产能规模主要考虑区域原料的产能。设计生产线生产规模可为日产 50-150 吨本色芯秆原料纤维浆,吨浆消耗汉麻芯秆

约 1.2-1.4 吨,造纸规模与制浆规模平行配套。



5    汉麻秆芯纤维浆定量 80g/m2 的抄片



生产方法特点

①技术特点和优势

清洁生产是一项国家对生产企业推广的有标准可寻的方案。清洁生产制浆造纸技术与传统的制浆方法相比,具有在生产过程中不需采用高温高压蒸煮设备,采用独立的分段水处理系统;不需添加高浓度酸碱化学药品等,消除对环境造成潜在污染;采用


改性生物有机过氧化酶复合助剂,具有对纤维原料适用范围广, 常温或低温快速发酵,投资少,能源消耗低,运营成本低,用水少, 后续分段回用水来自造纸生产线白水处理简单等特点。


6    汉麻芯秆纤维浆定量 117g/m2 抄片



第一,改变了传统酸、碱法制浆法的污染重、治理难、治理成本过高等不利因素;其二,整个生产过程中无有毒有味气体产生,无黑液排放,实现了循环用水不排水,无废水污染,安全低耗。从而彻底解决了制浆生产过程中的环境污染问题,达到清洁化生产和绿色化工过程;第三,与之传统的化学工艺生产技术比, 投资降低 70%,产品成本降低 31%,综合能耗减低 21%,无需投


资建设碱回收及扩建大型的终端水处理工程。

②流程设置原则

a、原料破碎、除尘、洗涤、补温发酵熟化、磨浆、除砂、筛选、输送造纸车间等基本工序,无需多段洗涤、漂白等,制浆前段采取高浓无水运行,中段采用造纸生产线回用水稀释中浓运行,形成最优组合的制浆系统。

b、尽可能加大疏解磨浆浓度。高浓梳磨最大限度的保留芯秆长纤维率,减少细小纤维组分增加的可能,提高成浆、成纸质量,节约能耗。

③ 原纸或模塑包装

⑴ 以原纸生产方案

造纸车间可采用国产 2400-3600mm 多缸造纸机装备,拟生产轻克重 50-90g/m2 原纸产品为宜,日产 50-150 吨。

⑵ 以纸浆生产模塑产品

直接以高浓疏磨机处理后的浆料,生产纸浆模热压产品,适用于定制一定规格一次成型的包装礼盒、套装成型包材等产品, 及适应 3D 打印的可再生基材。

结论

大麻秆木质部如图 12 所示,在 2000 倍显微镜下的芯秆单纤维如图 3 完整结构形态,由标准抄片器抄造的 5580117g/m2 本色纸样。

我国是纸及其制品产销世界第一大国。抗菌、保鲜等功能性天然原纸还是空白。具有化学涂层的抗菌、防腐的纸张市场售价高达 2-3 万元/吨,汉麻芯秆纤维制造这种功能性包装用


纸的成本约 3500/吨,诸如:粮油、瓜果、蔬菜、点心、面包、方便食品、牛奶及其制品、肉类、海鲜、茶叶、中药等 鲜品与干品的包装是电商急需解决应用的产品,其市场空间非常之大。

汉麻材料无论是韧皮、芯秆都具有优异的天然抗菌性能,可用于开发抗菌保健纺织品、涂层胶、芯秆纤维特种纸、芯秆纤维浆塑膜一次成型材料等多种产品,可减少化学抗菌剂的使用,对于保护生态环境、节约能源有重大意义。但其抗菌机理及对人体的安全性等问题还有待于进一步研究。


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