一种导电加热食品包装纸及其制备方法与流程

本发明属于造纸行业中食品包装纸领域，具体涉及一种导电加热食品包装纸及其制备方法。

背景技术：

目前，现有文献报道所报道的自加热食品包装纸或容器主要通过附带的加热包发生化学反应以实现对食品的加热，这类自加热食品包装材料体积和重量较大，且操作过程中存在一定的泄露等食品安全问题。为解决上述问题，亟需开发一种新型食品加热方式，实现对食品快速保温加热的同时，确保食品安全，消除安全隐患。

导电加热食品包装纸是一种新型加热包装材料，具体是在食品包装原纸上进一步制作导电加热涂布层，并通过对加热层通电，将电能转换为热能，使加热层升温达到适合加热食物的温度。导电加热食品包装纸制备主要需要解决以下两个方面的核心问题：1)导电涂料的开发与制备，并使最终制备的导电加热层与原纸结合紧密、附着性能好，且电阻易于调控；2)采用涂布方式制备导电加热层，结合导电涂料的性能，确认合适的涂布工艺。而对于加热食品，最理想的状态是加热温度维持于70-80℃，可使食物处于良好的加热状态。此外，该包装纸的升温速率快慢直接影响到加热的效率。由此可见，加热食品包装纸在通电后的升温速率快慢和最终温度是否维持在70-80℃是衡量加热性能的两个主要技术指标，而目前的相关研究中，均未见有文献报道相关的解决方案。

基于上述理由，特提出本申请。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种导电加热食品包装纸及其制备方法。本发明所开发的食品包装纸可通过外部移动电源或电池组通电，实现对食物的快速保温加热，且可确保食品安全，并提高食用效率。

为了实现本发明的上述第一个目的，本发明采用的技术方案如下：

一种导电加热食品包装纸，包括从下至上依次层叠的包装原纸、导电加热层和pla淋膜层，其中，所述导电加热层是由改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料制成，所述导电加热层厚度为5-50μm。

进一步地，上述技术方案，所述包装纸定量为40-100g/m²。

进一步地，上述技术方案，所述导电加热层电阻为20-200ω，所述导电加热层面积为100-500cm²。

进一步地，上述技术方案，所述pla淋膜层定量为10-40g/m²。

进一步地，上述技术方案，所述包装原纸是将混合木浆、akd与阳离子淀粉按质量比1：0.01-0.03：0.01-0.04混合后磨浆，控制磨浆浓度为4-6％，打浆度为60-70°sr，再利用长网纸机抄造得到。

优选地，上述技术方案，所述混合木浆是由质量比为1：1-4的针叶木浆和阔叶木浆组成。

进一步地，上述技术方案，所述改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料由1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素(cnf)和水组成，其中：所述1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素和水的质量比为1：0.05-0.2：0.025-0.1：1-10。

更进一步地，上述技术方案，所述导电加热涂料的固含量优选为40-60％。

更进一步地，上述技术方案，所述1-萘甲酸改性多层石墨烯采用如下方法制得：按配比将1-萘甲酸溶于无水乙醇中，获得1-萘甲酸乙醇溶液，然后将多层石墨烯加入到所述1-萘甲酸乙醇溶液中，常温搅拌均匀，过滤得到非共价键改性的多层石墨烯，即1-萘甲酸改性多层石墨烯。

具体地，上述技术方案，所述常温是指四季中自然室温条件，不进行额外的冷却或加热处理，一般常温控制在10-30℃，最好是15-25℃。

优选地，上述技术方案，所述1-萘甲酸乙醇溶液中，1-萘甲酸的浓度为5-20g/l。

优选地，上述技术方案，所述多层石墨烯与1-萘甲酸的质量比为1：5-20。

优选地，上述技术方案，所述搅拌速度为300-600r/min，搅拌时间为20-40min。

本发明上述所述的改性多层石墨烯具体是非共价键改性的多层石墨烯。上述改性机理如下：1-萘甲酸通过π-π键吸附于石墨烯表面，羧基可使改性石墨烯在涂料体系中具有更好的分散性。

更进一步地，上述技术方案，所述绝干纳米纤维素是采用高压均质法制备而成，具体如下：将质量浓度为0.5-1％的漂白阔叶木浆或漂白针叶木浆进行充分打浆，使打浆度达到80-95°sr，然后利用均质机对所述漂白木浆进行均质处理，获得纳米纤维素悬浮液，最后将所得纳米纤维素悬浮液冷冻干燥，获得绝干纳米纤维素。

优选地，上述技术方案，所述均质处理的压力为80-100mpa，均质处理的次数为10-20次。

优选地，上述技术方案，所述冷冻干燥的温度为-40℃～-10℃，干燥时间为12～36h。

本发明上述所述改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料采用如下方法制得：将1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素和水按质量比为1：0.05-0.2：0.025-0.1：1-10的配比混合，超声分散后继续搅拌均匀，获得所述的改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料。

优选地，上述技术方案，所述搅拌时间为30-60min。

本发明的第二个目的在于提供上述所述导电加热食品包装纸的制备方法，具体是在所述包装原纸上涂布所述改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料，干燥后进一步进行pla淋膜，干燥，最后进行分切，得到所述导电加热食品包装纸。

优选地，上述技术方案，所述涂布方式为刮刀涂布。

本发明采用的各原料组分作用如下：

石墨烯是导电涂料的主要组成成分，其比重的大小决定了导电涂层的电阻，进而影响导电加热食品包装纸的升温性能；由于单纯石墨烯作为涂料与纸张之间的结合力不理想，本发明采用纳米纤维素作为粘结剂，一方面使石墨烯在纸张上形成涂层，另一方面纳米纤维素的比重多少可调节涂料的黏度，使涂料性能更易于调控；碳纳米管的作用是在片层状石墨烯之间构建更多的连接点，提升涂层整体通电性能，进而提升涂层的升温性能。

与现有技术相比，本发明涉及的一种导电加热食品包装纸及其制备方法具有如下有益效果：

(1)本发明对石墨烯进行了1-萘甲酸改性，该方法为非共价键改性法，具有效率高、成本低的优点，改性后的石墨烯表面有较多羧基，与碳纳米管、漂白后的木浆(含有羧基)可形成分散性优异的导电涂料，有益于产品导电性能的提升与控制。

(2)本发明中采用的纳米纤维素以及纸基材均采用天然可降解植物纤维原料，对比有机高分子膜，本产品对环境的污染较小。

(3)本发明制备的导电涂料可通过纳米纤维素的添加量调节涂料的黏度；且通过与造纸工艺的结合，产品的加工工艺成熟且成本较低；刮刀涂布工艺所制备的涂层厚度稳定，易于生产导电性能稳定的包装纸，且生产效率高。

(4)本发明使用的石墨烯、纳米纤维素和纸基材料三者之间有很好的附着性能，并进一步进行pla淋膜处理，该pla层可起到防水防油的目的，同时在食物与导电涂料中间起到屏障作用，使食品与导电涂料没有接触。由此制备的导电加热食品包装纸可在通电条件下用于食品加热，且对食品无危害。

(5)本发明所制备的食品包装纸可通过24v电源通电，实现对食物的快速保温加热，且可确保食品安全，并提高食用效率，此外该产品在驴友登山、野营以及部队行军等活动中有着较大的实用价值，避免生火加热所产生的火灾等潜在危害。

附图说明

图1为制备本发明导电加热食品包装纸的工艺流程图。

图2为本发明导电加热食品包装纸的升温性能与包装纸电阻及包装纸大小关系的数学模型图。

图3为本发明导电加热食品包装纸进行不同易撕线设计的四封边包装的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施案例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施案例。

根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。

为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。

本发明导电加热食品包装纸升温的快慢与最终所能达到的最高温度主要受加热层电阻影响，电阻越小，升温越快，所能达到的最高温度越高。涂层厚度是影响涂层电阻的主要因素之一，厚度越大则电阻越小。本发明拟控制导电加热涂层厚度在5-50μm，厚度过小会使温度无法达到要求，过高则对柔软性与生产成本等产生影响。

本发明还通过对涂料组分、涂层厚度、包装纸大小、供电电压等进行控制，开发出了可行的导电加热食品包装纸升温性能的调控技术，并建立一种系统的指导方案，可制备60-90℃范围内任意目标温度的恒温导电加热层，并兼具高效升温的性能，为加热食品提供良好的条件。

所述升温性能的调控技术方案：导电加热层的电阻在20ω～200ω为最佳，过高升温速度慢，温度达不到要求；过低升温速度过快，会使纸页燃烧；裁切后的包装纸不宜过大，100-500cm²且形状为正方形为最佳；为提升升温效率，升温至理想温度的时间应尽量小，可通过减小长宽比和增加涂层厚度来调控。此外，通过大量实验数据得出了以下调控数学模型(如图2所示)，其中r为裁切后包装纸电阻，a为包装纸大小，δt为最高恒定温度与起始温度之差。通过该模型，可通过确定目标产品-导电加热包装纸的大小与最终所希望升到的温度，计算出涂层的电阻大小，再根据电阻大小调整涂料配方与涂布工艺，即可确定理想的配方与工艺。

导电加热食品包装纸的使用：可在导电加热层上安装电极，使电极与导电加热层充分接触，从而通过导线和电极将导电加热层连接到外部电源上。另外，也可以通过本领域技术人员熟知的其他方式将导电加热层连接到外部电源上。外部电源可选用移动电源或电池组，对导电加热层通电加热即可，所述移动电源电压可以为12v或24v。

在实际使用中，将导电加热食品包装纸进行四封边包装(如图3所示)，并在封边上用划线机制作易撕线，撕开后纸业本身即可作为导线，固定在移动电源或电池组正负极可实现通电加热。图3左右两款不同的易撕线设计可实现不同的纸基导线长度，便于具体应用。此外，若电源本身配有鳄鱼夹，直接对包装纸对角线两端进行加热即可。

为保障使用性能，应控制包装纸定量40-100g/m²，pla淋膜层定量10-40g/m²。

下面通过具体实施例说明本发明的导电加热食品包装纸的升温性能。

需要进一步说明的是，12v与24v为常用的户外电源电压，本发明配合24v电源电压使用，可实现理想的升温性能。

另外，利用本发明的导电加热涂料制备的食品包装纸可通过24v电源通电，实现对食物的快速保温加热，且可确保食品安全，并提高食用效率，此外该产品在驴友登山、野营以及部队行军等活动中有着较大的实用价值，避免生火加热所产生的火灾等潜在危害。

实施例1

本实施例的一种导电加热食品包装纸，包括从下至上依次层叠的包装原纸、导电加热层和pla淋膜层，其中：所述包装纸定量为100g/m²，所述导电加热层电阻为56.8ω，导电加热层面积为200cm²，所述pla淋膜层定量为40g/m²；所述导电加热层是由改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维导电发热涂料制成；所述改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料，固含量为50％，由质量比为1：0.05：0.025：1.075的1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素(cnf)和水组成。

本实施例上述所述的导电加热食品包装纸的具体制备方法如下：

(1)制备包装原纸

将混合木浆、akd及阳离子淀粉按质量比1：0.025：0.02混合，然后用单长网纸机抄造食品包装原纸；其中：所述混合木浆是由质量比为1：3的针叶木浆和阔叶木浆混合后磨浆形成，磨浆浓度控制在6％，打浆度控制在65°sr。

(2)制备导电加热层

(a)将1-萘甲酸溶于无水乙醇，控制1-萘甲酸浓度在10g/l。然后将多层石墨烯加入到1-萘甲酸乙醇溶液，在室温、400r/min条件下搅拌30min，过滤得到非共价键改性的多层石墨烯，即1-萘甲酸改性的多层石墨烯；其中：所述多层石墨烯与1-萘甲酸的质量比为1：10。

(b)将质量浓度为0.5％的漂白阔叶木浆进行充分打浆，使打浆度达到90°sr，然后利用均质机对所述漂白木浆进行均质处理，设置均质压力为100mpa，进行20次均质循环处理，制备得到纳米纤维素悬浮液，再将所得纳米纤维素悬浮液置于冷冻干燥机中，于-40℃条件下冷冻干燥12h，获得绝干纳米纤维素。

(c)将质量比为1：0.05：0.025：1.075的所述1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素和水混合，用普通超声波清洗机与搅拌机均匀分散50min，制备得改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料，所述导电涂料的固含量为50％。

(3)制备pla淋膜层

在步骤(1)得到的食品包装原纸上用刮刀涂布机涂布步骤(2)制备好的改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料，然后在-20℃冷冻干燥箱中冷冻干燥2h，干燥后获得导电加热层；然后在所述导电加热层表面进一步进行pla淋膜，继续在-20℃冷冻干燥箱中冷冻干燥2h，最后进行分切，得到所述的导电加热食品包装纸，定量控制在100g/m²。

本实施例上述制得的导电加热食品包装纸的使用：选用普通24v移动电源，对导电加热层通电加热，可使食品包装纸升温55℃，在常温23.1℃条件下，可达到最高恒定温度78.1℃。

实施例2

本实施例的一种导电加热食品包装纸，包括从下至上依次层叠的包装原纸、导电加热层和pla淋膜层，其中：所述包装纸定量为80g/m²，所述导电加热层电阻为20ω，导电加热层面积为500cm²，所述pla淋膜层定量为30g/m²；所述导电加热层由改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维导电发热涂料制成；所述改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料，固含量为40％，由质量比为1：0.1：0.1：1.8的1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素(cnf)和水组成。

本实施例上述所述的导电加热食品包装纸的具体制备方法如下：

(1)制备包装原纸

将混合木浆、akd及阳离子淀粉按质量比1：0.01：0.01混合，然后用单长网纸机抄造食品包装原纸；其中：所述混合木浆是由质量比为1：1的针叶木浆和阔叶木浆混合后磨浆形成，磨浆浓度控制在4％，打浆度控制在70°sr。

(2)制备导电加热层

(a)将1-萘甲酸溶于无水乙醇，控制1-萘甲酸浓度在5g/l。然后将多层石墨烯加入到1-萘甲酸乙醇溶液，在室温、300r/min条件下搅拌40min，过滤得到非共价键改性的多层石墨烯，即1-萘甲酸改性的多层石墨烯；其中：所述述多层石墨烯与1-萘甲酸的质量比为1：5。

(b)将质量浓度为0.5％的漂白针叶木浆进行充分打浆，使打浆度达到85°sr，然后利用均质机对所述漂白木浆进行均质处理，设置均质压力为80mpa，进行20次均质循环处理，制备得到纳米纤维素悬浮液，再将所得纳米纤维素悬浮液置于冷冻干燥机中，于-20℃条件下冷冻干燥24h，获得绝干纳米纤维素。

(c)将质量比为1：0.1：0.1：1.8的1-萘甲酸改性石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素和水混合，用普通超声波清洗机与搅拌机均匀分散50min，制备得改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料，所述导电涂料的固含量为40％。

(3)制备pla淋膜层

在步骤(1)得到的食品包装原纸上用刮刀涂布机涂布步骤(2)制备好的改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料，然后在-20℃冷冻干燥箱中冷冻干燥2h，干燥后获得导电加热层；然后在所述导电加热层表面进一步进行pla淋膜，继续在-20℃冷冻干燥箱中冷冻干燥2h，最后进行分切，得到所述导电加热食品包装纸，定量控制在80g/m²。

本实施例上述制得的导电加热食品包装纸的使用：选用普通24v移动电源，对导电加热层通电加热，可使食品包装纸升温62.5℃，在室温25℃条件下，可达到最高恒定温度87.5℃。

实施例3

本实施例的一种导电加热食品包装纸，包括从下至上依次层叠的包装原纸、导电加热层和pla淋膜层，其中，所述包装纸定量为40g/m²，所述导电加热层电阻为200ω，导电加热层面积为100cm²，所述pla淋膜层定量为10g/m²；所述导电加热层由改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维导电发热涂料制成；所述改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料，固含量为56.5％，由质量比为1：0.2：0.1：1的1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素(cnf)和水组成。

本实施例上述所述的导电加热食品包装纸的具体制备方法如下：

(1)制备包装原纸

将混合木浆、akd及阳离子淀粉按质量比1：0.03：0.04混合，然后用单长网纸机抄造食品包装原纸；其中：所述混合木浆是由质量比为1：4的针叶木浆和阔叶木浆混合后磨浆形成，磨浆浓度控制在4％，打浆度控制在60°sr。

(2)制备导电加热层

(a)将1-萘甲酸溶于无水乙醇，控制1-萘甲酸浓度在20g/l。然后将多层石墨烯加入到1-萘甲酸乙醇溶液，在室温、500r/min条件下搅拌30min，过滤得到非共价键改性的多层石墨烯，即1-萘甲酸改性的多层石墨烯；其中：所述多层石墨烯与1-萘甲酸的质量比为1：20。

(b)将质量浓度为0.5％的漂白阔叶木浆进行充分打浆，使打浆度达到95°sr，然后利用均质机对所述漂白木浆进行均质处理，设置均质压力为90mpa，进行10次均质循环处理，制备得到纳米纤维素悬浮液，再将所得纳米纤维素悬浮液置于冷冻干燥机中，于-10℃条件下冷冻干燥36h，获得绝干纳米纤维素。

(c)将质量比为1：0.2：0.1：1的1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素和水混合，用普通超声波清洗机与搅拌机均匀分散50min，制备得改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料，所述导电涂料的固含量为56.5％。

(3)在步骤(1)得到的食品包装原纸上用刮刀涂布机涂布步骤(2)制备好的改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电涂料，然后在-20℃冷冻干燥箱中冷冻干燥2h，干燥后获得导电加热层；然后在所述导电加热层表面进一步进行pla淋膜，继续在-20℃冷冻干燥箱中冷冻干燥2h，最后进行分切，得到导电加热食品包装纸，定量控制在40g/m²。

本实施例上述制得的导电加热食品包装纸的使用：选用普通24v移动电源，对导电加热层通电加热，可使食品包装纸升温31.25℃，在常温30℃条件下，可达到最高恒定温度61.25℃。