2008年12月30日 星期二

紙火鍋的原理

紙火鍋的原理


http://sa.ylib.com/saeasylearn/saeasylearnshow.asp?FDocNo=1308&CL=86


水泡不爛的秘密


 紙鍋可以當鍋子使用,主要具備兩項特性,即紙張強度及燃點都比一般紙高。紙的原料來自植物中的纖維,一般製紙過程是先利用泡水、煮爛及浸泡化學藥劑等步驟,從植物中分離出纖維(主要成份為纖維素,cellulose),接著磨碎纖維,再依用紙需求添加化學成份,最後經過壓平和烘乾等手續,纖維素之間就會以氫鍵相互結合,形成具有一定強度的紙張。



 中國文化大學化工系教授李璜桂表示,氫鍵的產生是因為纖維素的組成單元葡萄糖分子具有多重羥基(-OH鍵),當纖維素間的距離夠近,羥基之間就會形成氫鍵,彼此吸引(見右圖),不過氫鍵的力量相當微弱,只要一點外力,彼此的引力就會消失,使紙張破裂。此外,羥基也能與水分子形成氫鍵,水滲入紙張後,有些纖維素上的羥基會轉而與水分子形成氫鍵,原本纖維素間的氫鍵結合力因此喪失,使紙張容易破裂(見右下圖)。


 為了提高紙鍋的強度,製紙過程會添加濕潤紙力增強劑(簡稱濕強劑),改變纖維間的結合方式。濕強劑會使纖維素之間形成共價鍵,其結合力比氫鍵強10倍以上,水分子很難破壞共價鍵,所以紙張不僅變得較難撕裂,遇水也不易破裂。


紙燒不著是物理現象


 紙鍋為什麼可以放於火上烹煮呢?其實將任一個裝了水的紙杯置於臘燭上,紙杯也不會燃燒起來,這只是個很普通的物理現象。李璜桂表示,水的沸點為100℃,只要紙鍋中的水沒有燒乾,就會不斷吸收紙從燭火得到的熱能,使紙的溫度無法超過100℃,達不到紙的燃點160℃,因此不會燒起來。然而,紙杯的強度不夠,用於煮食很容易引發意外,因此紙鍋必須經過特殊處理,使其可以長時間熬煮,同時不會因為攪拌而使紙張破裂。



 李璜桂表示,紙鍋使用兩種提高燃點的方法來達到雙層防火,一種是在製程中添加耐燃劑,讓紙本身的燃點提高;另一種是在紙的表面塗上結晶化的聚對苯二甲酸乙二酯(crystal polyethylene terephthalate, C-PET)塗料(見右圖),提高紙表面的燃點。聚對苯二甲酸乙二酯就是寶特瓶原料,而結晶化的PET分子排列整齊,結構強,可讓紙的燃點上升至600℃左右,使其可在溫度更高的瓦斯爐上燃燒或微波爐上加熱,也可避免在烹煮時因乾燒而瞬間燒起來的意外。C-PET也具防水功效,讓水不會滲出造成漏水。


 由於造紙技術的進步,現在才能用各種方法改變紙的特性,使原屬於易燃物、遇水會破的紙,變成可以盛裝湯汁、食材,讓人得以享受以紙鍋煮食的樂趣。



 


 


 


 


 


 


 


 


紙張放大示意圖。纖維素是葡萄糖的聚合物,構成紙張的纖維素分子之間,可藉由氫鍵結合。



 


 


 


 


 


 


 


 


 


紙遇水後,水分子會將纖維素間的距離撐開,使紙膨漲。此外,纖維素分子也會與水形成氫鍵,讓某些纖維素分子間的氫鍵消失,造成紙張易破。


紙張強度,比一比


 濕強劑的開發約在二次世界大戰時期,主要應用於地圖紙,讓軍隊在雨中作戰時也能按圖索驥,之後才大量用於民生用品。中國文化大學化工系教授李璜桂表示,比較衛生紙與餐巾紙或面紙的差異,就能馬上知道濕強劑的效果:衛生紙完全沒有加濕強劑,擦拭後,短小的纖維(微細纖維,即紙粉)容易掉出來,一遇水,纖維也會斷裂使紙破掉,這也是為什麼衛生紙可直接丟進馬桶不會造成堵塞的緣故;至於餐巾紙、面紙,由於添加了濕強劑,泡水後仍可保持一定強度,丟入馬桶很容易造成堵塞。


 濕強劑添加的多寡會影響紙質的強度,例如餐巾紙較面紙含更多濕強劑,而一般必須盛水或泡水達數分鐘或數小時的紙鍋、茶包、咖啡濾紙等,也會添加較多的濕強劑;由於濕強劑會溶進飲料裡,因此用於盛裝食物的紙都是添加食品用濕強劑,即使溶進食物也不致對人體造成傷害。不過,濕強劑所能提高的強度仍有限度,盛裝牛奶或果汁的紙盒除了加濕強劑外,表層還會塗上一層聚乙烯薄膜(PE薄膜),讓水不會滲進纖維,因而能達到長時間盛裝飲料的目的。



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