利用LiCl/DMAc溶解体系 制造绿色纤维素包装薄膜

时间:2009-04-16 12:24:43来源:科印传媒《印刷技术》作者:高珊珊、王建清

  纤维素是目前地球上最丰富的可再生有机资源,其本身无毒,抗水性强,制成的纤维素薄膜废弃后可在自然界中很快被生物降解为CO2和H2O,对环境无污染。工业上生产纤维素薄膜的传统方法为粘胶法,这种方法生产的纤维素薄膜(俗称“赛璐玢”)价格偏高、耐撕裂性差、坚固性不强,应用受到一定的限制,而且,其生产过程中还产生大量有毒废气、废液,严重污染环境。近年来,经研究发现,LiCl/DMAc(氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺)能很好地溶解纤维素,得到成膜性能良好的纤维素溶液,生成的纤维素薄膜在透明度、透气性、透水性、强度、化学稳定性等性能都较赛璐玢有很大提高,可广泛应用于食品、医药、服装的包装上,而且整个生产过程无污染,是一种很有发展前景的绿色高分子材料。

  纤维素在LiCl/DMAc中的溶解机理
  纤维素的分子结构如图1所示。它是由D-吡喃式葡萄糖基(即脱水葡萄糖)通过β-1,4糖苷键相互连接起来的线型高聚物。大分子中的每个葡萄糖基环均含有3个醇羟基,使纤维素分子间以及分子内具有极强的氢键作用,从而导致纤维素不溶于普通溶剂,难以被直接利用。

  DMAc(二甲基乙酰胺)中存在着电负性高的N原子和O原子。由于N原子和O原子含有孤对电子,因此易与具有空轨道的原子形成配位键。当DMAc与LiCl作用时,具有同时形成Li-O键与Li-N键的可能(从两者键能大小分析,产生Li-O的可能性大于Li-N)。由于Li-O配位键生成的同时,生成Li+(DMAc)x大阳离子,使Li与Cl之间的电荷分布发生变化,其中Cl带有更多的负电荷,从而增强了进攻纤维素羟基上的氢的能力,使纤维素与LiCl/DMAc之间形成强烈的氢键作用,从而使纤维素以大分子形式存在,形成溶液。其溶解机理如图2所示。


  LiCl/DMAc制膜工艺及特点
  用LiCl/DMAc来制取纤维素薄膜的工艺流程如图3所示。

  (1)原料
  该工艺中纤维素原浆粕可以使用木浆或棉浆,要求杂质含量低,分子量分布窄。
  (2)纤维素的活化
  纤维素活化的目的是削弱分子间的作用力,破坏纤维素的微细结构,使纤维素易于溶解在LiCl/DMAc体系中。其方法有4种。
  ①通过冷凝氨气将液氨加入到已知重量的纤维素中,同时将液氨缓慢蒸发1小时,再将NH3排除。
  ②将纤维素原浆粕加入DMAc中,在160℃油浴中加热30分钟以活化纤维素,然后压榨、低温烘干。
  ③将纤维素原浆粕加入DMAc中,在DMAc中加入少量CoCl2或KMnO4,然后在160℃油浴中加热30分钟以活化纤维素,然后压缩,不需要烘干。
  ④使纤维素在NaOH溶液中溶胀后,分别用H2O、CH3OH与DMAc洗涤,然后低温烘干。
  (3)纤维素的溶解
  先将LiCl·H2O在真空烘箱中抽真空烘干。准确称取一定量LiCl在DMAc中完全溶解后,加入活化后的纤维素原浆粕,在100℃下加热搅拌一定时间,至凝胶状为止。在室温下放置即溶解成透明的溶液。
  (4)薄膜的成型方法
  薄膜的用途不同,其成型方法也不同。对于包装用薄膜来说,目前国内外使用的方法是挤出成型法,且都是湿法成型。主要的工艺过程是溶解后的纤维素溶液经过滤后加热至80~100℃,再经过脱泡、加压、吹气,然后输送至吹膜机吹膜。进入吹膜机后,先经一段空气间隙进入凝固浴(清水)中凝固,在空气间隙中可以通过改变拉伸速率和吹胀比来得到不同性能的双向拉伸薄膜。在凝固浴中,薄膜经过卷绕辊折为平幅膜,之后再经过水洗、后处理、干燥等工艺而最终成型。

  总之,LiCl/DMAc制膜工艺工序简单,生产过程完全是物理过程,降低了化学原料使用量和能量的消耗,所用溶剂LiCl/DMAc的生化毒性是良性的,不会导致变异,且99.5%~99.7%能回收,可以循环使用,不污染环境。此外,生产过程中,还可通过改变以下工艺参数制得不同阻隔性能的纤维素包装薄膜,如调节纤维素原浆粕的种类与浓度、管状薄膜的拉伸比和吹胀比、凝固浴的温度、增塑剂的种类等。薄膜厚度也可在5~100μm的范围内依据不同用途加以控制。
  LiCl/DMAc纤维素包装薄膜的应用
  食品包装的透气性在延长食品保存期或保持新鲜度方面具有重要的作用。利用LiCl/DMAc溶解体系制造的纤维素包装薄膜具有良好的透气性,可以防止因蔬菜、水果、肉肠等呼吸性食品代谢产生的CO2滞留在包装袋内,引起食品的发酵和腐败,可用于制作水果、糖果、糕点、药品等的包装材料。用该薄膜做成的果套可保护水果免遭虫害和鸟害,还可防止农药与水果直接接触,保证水果的品味,对水果和环境都没有污染。此外,纤维素薄膜具有可降解性,大大减少了对环境造成的“白色污染”,为绿色环保包装行业的发展带来巨大机遇。


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