新型隔氧紙基復合材料的研究

王昊遠

摘 要：在目前的食品包裝材料中，紙是一種最為廣泛使用的包裝材料，其所占有的份額為40%～50%。過去人們通常采用在紙張表面涂布液體石蠟的方式來提高食品包裝紙的疏水性能，但是由于石蠟不耐熱的性質，限制了該類食品包裝紙的應用。而如果通過在紙張表面進行涂布具有隔氧隔水性能的乳液涂料，則既可以實現食品包裝紙抗水和阻隔氧氣的作用，同時，也可滿足使用時的溫度要求，為新型食品包裝材料的研制和生產開辟一條新途徑。本文采用刮涂的方式將穩定的復合乳液對食品包裝紙進行表面涂布改性。通過紙張透氣度測定儀、抗張強度儀、靜態接觸角測定儀等設備研究了NCC添加量以及NCC表面改性方法對涂布紙張的隔氧性、抗水性以及紙張抗張強度的影響。

關鍵詞：食品包裝紙 陽離子型聚丙烯酸酯乳液 納米結晶纖維素 氧氣阻隔性 硅烷偶聯劑

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0086-06

1 研究內容

由于采用常規方法制備的NCC表面通常帶有大量極性的官能團，因此，這類納米材料與極性較弱的合成高分子往往相容性差，且固體狀態下極易發生團聚。因此，本文選用自制丙烯酸酯聚合物乳液與這類材料在水相體系中進行復合，首先將NCC加入自制環保型水性樹脂中，采用Zeta電位儀研究上述納米材料在聚合物乳液中的分散性及其與聚合物的相容性；通過篩選適當的表面活性劑，改善納米材料在乳液中的分散性和該共混體系的懸浮穩定性；同時，可適當調整乳液聚合條件以及單體組成使納米材料/聚合物乳液懸浮體系具有良好的成膜性和物理力學性能。

在此基礎上，將上述改性NCC/聚合物乳液懸浮體系涂布于包裝紙張表面，選用OCA、透氣度儀以及相關的儀器設備研究共混體系在紙張表面成膜性、紙張表面修飾前后的抗水性和對氧氣/濕氣的阻隔性能。

通過本文的研究工作，以期拓展纖維素納米材料和環保型聚合物乳液在紙基包裝材料中的應用，為制備綠色環保的新型紙基包裝材料探索一條新途徑。

2 改性納米結晶纖維素的制備與測定

2.1 實驗材料與方法

2.1.1 實驗原料與試劑

實驗試劑：98%濃硫酸（上海，中國）、NCC、97%乙烯基三乙氧基硅烷（百靈威科技有限公司）、去離子水（實驗室自制）。

2.1.2 實驗儀器設備

主要實驗儀器設備見表1。

2.1.3 實驗方法

（1）硅烷偶聯劑對NCC的改性處理。

①先取一定體積經過超聲處理所得的上述NCC的水分散液倒入蒸餾燒瓶中，通過旋轉蒸發儀進行旋蒸以除去一定量的水分，最終得到濃度為1wt%、2wt%、4wt%的NCC水分散液。

②將納米結晶纖維素通過硅烷偶聯劑進行改性處理：將乙烯基三乙氧基硅烷溶于蒸餾水中，配制成體積分數為0.16%的乙烯基三乙氧基硅烷溶液，將溶液放在磁力攪拌機上通過磁子攪拌20min，讓乙烯基三乙氧基硅烷充分混合并水解而生成硅醇，之后將充分攪拌的溶液分別等體積地加入到1wt%、2wt%、4wt%的納米結晶纖維素懸浮液中，將加入硅烷偶聯劑之后的溶液放到磁力攪拌機上用磁子攪拌3h，最終得到硅烷偶聯劑改性的不同質量分數的納米結晶纖維素懸浮液。

（2）NCC及其改性產物的FTIR表征。

將改性前后的納米纖維素放入電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，取少量樣品與光譜級溴化鉀按質量比1∶100的比例混合、壓片后，放入傅立葉變換紅外光譜儀中進行測試。掃描波數范圍為400～4000cm-1。

（3）NCC改性前后的粒徑及其分布的測定。

取適量的改性前后的NCC并將其稀釋到去離子水中，之后使用激光粒度分析儀在室溫下進行粒徑測試。

2.2 表征方法及結果討論

2.2.1 NCC及其改性產物的FTIR譜圖分析

改性前后的NCC的FTIR譜圖如圖1所示。經過乙烯基三乙氧基硅烷改性前后的NCC的FTIR譜圖基本相似。葡萄糖結構單元在3300有羥基伸縮振動，為一寬強峰；2980幾個中弱峰為C-H伸縮振動；1650左右為醛基峰；1100左右為C-O伸縮振動峰，劈裂為幾個峰；930弱峰為端基碳C-H彎曲振動峰；700到500為環呼吸峰等。而改性前后NCC的譜圖在3347cm-1處均有較明顯的吸收峰，這說明兩者結構中均存在羥基；2900cm-1附近對應的是亞甲基的C—H對稱伸縮振動吸收峰；1647cm-1處為C=O的伸縮振動吸收峰；1429cm-1為-CH2和-OCH的彎曲振動峰；1315cm-1為C-H彎曲振動特征峰；1031cm-1處為C-O-C伸縮振動峰；但兩個曲線在1000～1200cm-1處也有一些不同的地方。在改性后納米結晶纖維素的曲線中增加了1080cm-1處的Si-O-CH3鍵特征吸收峰。這是因為硅烷偶聯劑在水解時形成了Si-O-Si鍵與纖維素上的羥基發生反應。由此說明，硅烷偶聯劑通過與NCC結構中的羥基進行偶聯反應而被引入NCC的表面上，成功實現了對NCC的表面化學偶聯改性。

2.2.2 改性前后NCC的粒徑及其分布

取適量改性后的NCC，將其稀釋到去離子水中，之后使用激光粒度分析儀在室溫下進行粒徑測試。最終得到如圖2所示的圖像。從圖像中可以看出改性后的NCC的粒徑大小分布在50～60nm之間。而改性前的NCC粒徑為30～100nm。這說明硅烷偶聯劑的改性并未破壞納米結晶纖維素的納米結構。

3 改性NCC/陽離子型聚丙烯酸酯復合涂料對紙張性能的影響

3.1 實驗材料與方法

3.1.1 實驗原料

土黃色食品包裝紙（山東紙業），改性NCC/聚丙烯酸酯乳液復合涂料。

3.1.2 實驗儀器endprint

實驗所用儀器設備詳見表2。

3.1.3 實驗方法與紙張性能表征

首先將購買的食品包裝紙裁剪為300mm寬度的紙樣，之后將上一章制得的不同改性納米結晶纖維素濃度和混合比例復合涂料分別通過涂布機涂布于紙張表面，將涂布之后的紙張放入電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，烘干溫度設定為105℃，再分別將未改性的不同濃度與混合比例的混合涂料重復上述實驗，作為對比樣品。

3.2 結果與討論

3.2.1 紙張透氣度測試

由于空氣中含有氧氣、二氧化碳、氮氣等多種氣體，而其中對食品質量影響最大的就是氧氣，因此可以通過檢測紙張的透氣度來反映紙張對氧氣的阻隔程度。

首先通過透氣度儀檢測空白樣品的食品包裝紙的透氣度為6.74mL/min。之后將烘干之后的紙張裁剪為150mm×150mm的正方形，將裁剪之后的紙張樣品用透氣度儀檢測透氣度。每個濃度和混合比例的紙張樣品檢測4次并取平均值。最終測試結果如圖3、圖4、圖5和圖6所示。由圖中所示NCC質量分數與透氣度的關系曲線可以看出，改性前NCC/聚丙烯酸酯復合涂料的透氣度的范圍在0.03～0.12mL/min，而改性后復合涂料的透氣度范圍為0.005～0.01mL/min。乳液含量一定時，隨著未改性NCC質量分數的增高，氣體阻隔性能更好，而相同質量分數的NCC混合聚丙烯酸酯乳液，隨著乳液質量分數的增加，氣體阻隔性能越好。改性后的NCC/聚丙烯酸酯復合乳液隨著NCC質量分數的增高，氣體阻隔性增強。但是隨著乳液質量分數的增高，改性后的NCC復合涂料的氣體阻隔性能也變差。

上述的現象說明改性前后的NCC/聚丙烯酸酯復合涂料對紙張的透氣性均有較明顯的阻隔作用并且阻隔能力比空白原紙的阻隔能力有著明顯的增強。此外，經過改性的NCC復合涂料的透氣性阻隔效果明顯強于未經過改性NCC的復合涂料。由上一章所得的結論可以看出NCC在經過硅烷偶聯劑改性之后其在陽離子聚合物乳液中的分散性和穩定性得到了增強，因此也增強了陽離子乳液的涂布效果。因此隨著陽離子乳液在復合涂料中的質量分數不斷減少，改性后的NCC所占質量分數不斷增加，涂料對紙張的透氣性能也不斷增強。

3.2.2 復合涂層對紙張性能的影響

首先用抗張強度儀檢測空白樣品的食品包裝紙的抗張強度為1.2kN/m，之后將涂布烘干過后的紙張樣品用裁紙機裁剪為100mm×10mm的條形紙條，將裁剪后的紙條用抗張強度儀測試其紙張強度，將以1%、2%、4%NCC質量分數的復合乳液涂布后的紙張樣品以及10%、20%、30%陽離子乳液質量分數的復合乳液涂布后的紙張樣品分別檢測4次并取平均值，測力傳感值設置為2000N。最終得到的結果如圖7、圖8、圖9、圖10所示。由圖像可以看出，未改性的NCC/聚丙烯酸酯乳液涂布紙張的抗張強度在1.3～2.3kN/m之間，改性之后的復合涂料涂布紙張的抗張強度在2.0～3.8kN/m之間，而且在陽離子乳液質量分數不變的情況下，隨著NCC質量分數的提高，未改性的復合涂料涂布紙張的抗張強度均發生減弱，而改性的復合涂料涂布紙張的抗張強度增強。另外，在NCC質量分數不變的情況下，隨著陽離子乳液質量分數的提高，未改性的復合涂料的抗張強度發生減弱，而改性的復合涂料的抗張強度呈現出峰的形狀。

纖維之間的結合力以及纖維自身的強度決定了紙張的抗張強度。上述現象說明改性前后的復合涂料對紙張的抗張性均有增強作用，這是因為NCC高的比表面積使纖維之間的結合面積和結合強度提高，增強了紙張的抗張強度。但是由于未改性的NCC分散性弱，在陽離子型乳液中易團聚，因此隨著未改性NCC濃度的增高，抗張強度減弱。而改性后的復合涂料涂布的紙張隨著濃度的增大而的增強，而且作用更加明顯，這是由于硅烷偶聯劑改性后的NCC在陽離子聚丙烯酸酯乳液中的分散性和穩定性更強，使NCC與涂料之間結合更加充分，紙張的力學性能增強。隨著混合比例的繼續增加，由于硅烷偶聯劑的改性，疏水性納米結晶纖維素的比例增加，阻礙了與紙張纖維的結合以及纖維之間的結合，從而降低了紙張的抗張強度。

3.2.3 涂層對紙張抗水性的影響

將空白原紙、未改性復合涂料涂布的紙張、改性復合涂料涂布的紙張分別用接觸角測定儀進行測定，最終得到的結果如圖11、圖12、圖13所示。從圖11～13中可以看出，改性后復合涂料涂布紙張的接觸角為92.3°，未改性復合涂料涂布紙張的接觸角為83.1°，空白原紙的接觸角為74.4°。

上述現象說明NCC/陽離子型聚丙烯酸酯乳液可增強紙張的抗水性能，而且改性之后的復合乳液抗水性能比未改性的復合乳液更好。這是因為硅烷偶聯劑在水解之后分子的一端生成可以和纖維素表面羥基發生反應的硅醇，而引入疏水基團。同時改性后減少了纖維素表面的極性的羥基，而且帶來了非極性基團，從而降低了纖維素表面的極性，因此親水基團的含量下降，親水能力大大降低，從而導致涂布紙張的抗水能力增強，對水的靜態接觸角增大。

4 結論

本文通過硅烷偶聯劑對不同濃度的NCC進行改性。使用FT-IR測量改性前后的NCC紅外吸收譜圖，使用激光粒徑分析儀測量改性后NCC粒徑及分布。將改性后的NCC分別以10%、20%、30%的質量分數添加到乳液中。最后將復合涂料涂布于食品包裝紙上。最后通過透氣性儀、抗張強度儀、靜態接觸角測定儀分析改性前后的涂料涂布紙張的氣體透過性、抗水性、抗張強度，分析不同NCC質量分數及不同乳液質量分數的復合材料涂布對紙張性能的影響。通過實驗和測定，最終得出以下結論。

（1）采用硫酸水解法制備出表面帶負電荷的NCC。由于所制備的NCC表面呈負電性，同種電荷的相斥作用使其能夠穩定地分散于水中。激光光散射測試的結果表明，改性后的NCC的平均粒徑在50～60nm之間，而由酸水解法制備的NCC粒徑在30～100nm，因此改性后的NCC仍保持納米結構。endprint

以硅烷偶聯劑，乙烯基三乙氧基硅烷對NCC進行表面改性。從改性前后NCC的FTIR表征結果顯示，改性后NCC的FTIR譜圖中，在1080cm-1處產生了新的吸收峰，該吸收峰歸屬于硅烷偶聯劑中Si-O-CH3鍵的特征吸收峰。上述結果顯示NCC表面的羥基與硅烷偶聯劑水解之后產生的硅醇發生了脫水縮合而形成C-O-Si鍵。由此說明，硅烷偶聯劑通過與纖維素中的羥基反應而被成功引入到NCC表面。

（2）當乳液的質量分數一定時，隨著改性前后的NCC質量分數的增加，紙張在涂布后的氧氣阻隔性能均有提高，并且改性后的涂布紙張的氧氣阻隔性能更強。而當改性NCC質量分數一定時，隨著乳液質量分數的增加，涂布紙張的氧氣阻隔性能降低。這是由于NCC具有很大的比表面積以及表面豐富的羧基，可以與紙張纖維形成交織的網絡系統，使紙張纖維之間的孔隙率降低。同時紙張纖維具有負電荷，易與陽離子乳液發生相互吸引，從而使復合涂料更加緊密的結合在紙張表面并與紙張纖維結合。而經過改性之后的NCC在乳液中更加分散，因此與紙張纖維的交聯率更大，能更好的與紙張纖維結合，從而使紙張的氧氣阻隔性能更強。

改性前后的復合涂料對紙張的抗張性均有增強作用。這是因為納米結晶纖維素高的比表面積使纖維之間的結合面積和結合強度提高，增強了紙張的抗張強度。但是由于未改性的納米結晶纖維素分散性弱，在陽離子型乳液中易團聚，因此隨著未改性納米結晶纖維素濃度的增高，抗張強度減弱。而改性后的復合涂料涂布的紙張隨著濃度的增大而的增強，而且作用更加明顯，這是由于硅烷偶聯劑改性后的納米結晶纖維素在陽離子聚丙烯酸酯乳液中的分散性和穩定性更強，使NCC與涂料之間結合更加充分，紙張的力學性能增強。隨著混合比例的繼續增加，由于硅烷偶聯劑的改性，疏水性NCC的比例增加，阻礙了與紙張纖維的結合以及纖維之間的結合，從而降低了紙張的抗張強度。

NCC/聚丙烯酸酯乳液對紙張的抗水性有增強的效果，而且改性后的復合乳液的增強效果更好。這是因為硅烷偶聯劑在水解之后分子的一端生成可以和纖維素表面羥基發生反應的硅醇，同時改性后減少了纖維素表面的極性羥基，而且帶來了非極性基團，從而降低了纖維素表面的極性，因此親水基團的含量下降，親水能力大大降低，從而導致涂布紙張的抗水能力增強，對水的靜態接觸角增大。

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