姚培培，肖生苓*，岳金權

(1.東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱 150040)

1 研究意義

由于我國可采森林資源日益減少，后備資源嚴重不足，而木質剩余物可利用的空間巨大，其合理、有效利用是緩解森林資源危機的重要途徑之一[1]。以森林采伐與木材加工剩余物為原料制備模塑包裝材料，既能滿足我國林區(qū)木質剩余物資源的高效利用，又能解決綠色包裝材料市場緊缺的問題，成為目前研究的又一發(fā)展趨勢。

與泡沫塑料EPS、EPE等相比，利用木質剩余物制備的模塑包裝材料不會帶來大量的環(huán)境污染問題，與瓦楞紙板、蜂窩紙板和傳統(tǒng)的紙漿模塑比較，此種新型的模塑包裝材料具有成本更加低廉、重量較輕、生產更加便捷等優(yōu)點。作為一種綠色、可降解的新型包裝材料，符合我國可持續(xù)發(fā)展的方針，具有非常廣闊的開發(fā)前景。

2 國外植物纖維模塑包裝材料研究情況

國外對植物纖維的研究很早，多數(shù)是利用植物纖維與聚合物塑料混合來制備木塑復合包裝材料以及植物纖維與淀粉共混制作發(fā)泡包裝緩沖材料的研究[2-5]，并且都取得了很好的成果。這些可降解的環(huán)保包裝材料對于節(jié)約資源、保護環(huán)境具有重要意義。然而國外對模塑包裝材料的研究除了傳統(tǒng)的紙漿模塑類以外[6-7]，主要研究集中于在塑料包裝材料成分中加入植物纖維，使其易于降解。

Sdrobi A等[8]研究了含有纖維素紙漿纖維的低密度聚乙烯復合材料的性能。未漂白和漂白后的牛皮紙纖維素紙漿纖維改性后的長鏈羧酸，用作低密度聚乙烯(LDPE)的增強材料。改性的目的是要提高纖維素和基體之間的界面粘接，以提高纖維素在基體材料中的擴散性。把含量多至10%(重量)的未處理和改性的纖維素紙漿纖維與LDPE的復合材料熔融混合后，測試試樣的成型加工性能、力學性能和流變性能，利用掃描電鏡(SEM)、接觸角測量、TGA和DSC檢測試樣的分子結構。結果發(fā)現(xiàn)，改性后的紙漿纖維加入復合材料基體后，材料的大多數(shù)性能得到很好的改善。

Thumm A等[9]研究了纖維的長度和纖維損壞對聚丙烯/木漿復合材料的力學性能的影響。模壓木纖維增強熱塑性復合材料是由具有4種不同纖維長度分布和3種纖維損傷的輻射松漿纖維組成的。纖維長度只有在低于它的臨界長度時才會產生影響，這一臨界長度和輻射松纖維長度在0.8μm時的臨界長度建立的計算模型是一致的。在這一研究中，纖維損壞被定義為錯位和節(jié)點，它對材料力學性能的影響較小。其中，注塑成型的參考試樣纖維長度和纖維損壞的影響趨勢和模壓成型試樣的影響一致。

Zabihzadeh S M等[10]對注塑成型的化學機械漿(CMP)增強聚丙烯(PP)復合材料的力學、形態(tài)和熱性能進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)，拉伸強度、破壞應變和缺口沖擊強度隨增容劑含量的增加均呈現(xiàn)遞增趨勢，而添加任何濃度的增容劑的拉伸彈性模量并沒有改變。在掃描電子顯微鏡下觀察，添加2%增容劑的復合材料的拉伸斷裂面的顯微照片顯示出很少的纖維拔出，并且有許多斷裂的纖維，說明增容劑的效果很好。純PP的熱穩(wěn)定性高于CMP增強PP復合材料的熱穩(wěn)定性，而加入增容劑后復合材料的熱穩(wěn)定性有所增加?；罨鼙欢x為開始的熱降解過程的能量消耗，復合材料的活化能依賴于CMP與PP基體的擴散性和界面粘結作用。

3 國內植物纖維模塑包裝材料研究情況

近年來，我國也越來越重視對林區(qū)木質剩余物的有效利用，其中用木質剩余物制備包裝緩沖材料的研究在很多科研院所得到發(fā)展[11-13]。另外，以植物纖維為原料的模塑包裝產品的研究在我國得到發(fā)展，其中生產的可降解植物纖維餐具和育苗器皿等，國外相關方面報導很少，具有明顯的中國特色。

胡英華[14]利用廢紙纖維和玉米淀粉混合制備纖維發(fā)泡緩沖包裝材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙漿模塑包裝，可以承受重載荷物件。作者設計了5種制備工藝，通過大量試驗最終選出兩種可行的制備工藝方法，分別是向纖維疏解后(漿料濃度為1%)的紙漿中加入糊化淀粉(原紙漿含水量為65%)，進行混合攪拌；或者是在打漿濃度為1%的漿料中加入原淀粉，使纖維和淀粉混合后，部分淀粉能均勻地截留在纖維表面。利用模壓成型工藝，在成型過程中，淀粉經高溫糊化后在紙纖維中具有良好的流動性，同時起到膠黏劑的的作用，能增加材料的強度。通過研究不同因素對材料性能的影響，選出最優(yōu)原料配比方案和最優(yōu)成型工藝。

重慶青天環(huán)保材料有限公司生產的發(fā)泡型植物纖維餐具產品已通過技術監(jiān)督部門和疾病預防控制部門檢測，產品質量達到GB18006.1-2009《一次性可降解餐飲具通用技術條件》的要求。制品的相關指標為白度90，餐具壁厚為1.2 mm(邊)和1.8 mm(底)，單件重量只相當于同容積紙漿模塑餐具重量的1/3，單件價格又比同容積紙漿模塑便宜 1/3。該植物纖維餐具具有很高的強度以及很好的防水、防油、防滲漏性能，而且從3～5 m高處跌落不會破損，同時還具有很好的降解性能，在土中潤濕及厭氧掩埋下，40 d可完全分解，在靜水中浸泡，3～4 h軟化，24 h之內可完全分解[15]。

與此同時，杭州永立工貿有限公司與國內知名科研院校合作開發(fā)出YL系列一次性全降解植物纖維模塑制品，該產品以谷殼等草本植物秸稈為主要原料，加入改性淀粉和其它輔料，經過高速混合，模壓成型制得。其添加劑及配方獲得國家技術專利，產品使用性能、衛(wèi)生指標等均達到GB18006.1-2009《一次性可降解餐飲具通用技術條件》中規(guī)定的各項技術標準，且生產過程和使用后對環(huán)境無污染。目前主要應用于方便面、方便粉絲等方便食品的包裝和園藝、林業(yè)和農業(yè)的育苗栽培缽的制備等方面。

在植物纖維模塑包裝材料專利發(fā)明方面，我國也取得了很多發(fā)明成果。臺灣的林正平[16]發(fā)明了一種“植物纖維復合材料的制品及制造方法”。該制品是以植物纖維、淀粉(比例20%～50%)、米粉(比例20%～50%)及食用或非食用著色劑(比例5%～20%)為主要原料，按比例把原料調配組合后，加水進行攪拌，使原料含水率維持在5%～20%；放入模具內，溫度在130～180℃和壓力在10～20 MPa范圍內進行模壓，經過4～9次排氣而成型，制得的制品耐水、耐熱、耐腐蝕，無毒、無污染且能完全降解，屬于綠色環(huán)保型產品。

遼寧的柯繼方等[17]發(fā)明了一種“植物纖維制品的生產方法”。這種方法是將由紙板經打漿、配漿等工藝制成的紙漿，用成形機進行成形。通過轉移裝置送入壓榨設備加壓，完成初步定形，其中，加熱時間保持在60 s內，再送入烘干設備中進行烘干，使其含水率在65%以下，再由整形設備進行整形和裁剪，最后進行消毒包裝。

浙江的朱秀剛[18]發(fā)明了“一種植物纖維制品的生產方法”。 將植物纖維粉碎后倒入密煉捏合機中，并加入化學助劑進行預處理，使纖維在實現(xiàn)機械物理改性的同時實現(xiàn)纖維的化學改性。再放入膨化擠出機中進行膨化改性，加入各種添加劑及填料一起密煉捏合，密煉捏合物用軋粒機軋壓成粒子。也可將密煉捏合化學改性后的植物纖維和各種添加劑、填料直接一并密煉捏合，再用膨化擠出機膨化擠出制成粒子或擠出型材。制得的粒子或型材可利用現(xiàn)有塑料注塑機、擠出機、熱壓機等設備和工藝原理生產出各種型狀和性能的植物纖維制品和片材、型材、紙張、薄膜等植物纖維制品，以替代傳統(tǒng)的塑料、塑料泡沫、木制品、紙張和薄膜等。

4 植物纖維模塑包裝材料制備工藝

本課題的研究目的是以我國林區(qū)采伐剩余物和木材加工剩余物的木材纖維為原材料，添加適量的化學助劑來制備新型、綠色、環(huán)保的模塑包裝材料。主要生產工藝可分為對木質剩余物植物纖維進行預處理，利用造紙的方法制漿、打漿，使纖維分絲帚化和細纖維化，再把漿料與添加助劑混合攪拌，完成配漿。利用真空泵抽吸漿料中的水分，使紙漿形成圓餅狀的濕紙坯，放入熱壓機中進行熱壓成形，最后熱壓后的紙板需要干燥整形，其工藝流程如圖 1所示。

圖 1 木質剩余物植物制備模塑包裝材料工藝流程圖

5 結束語

以木質剩余物作為主要原料制備模塑包裝材料屬于對木質剩余物的精深利用，既能使我國林區(qū)剩余物得到有效利用，促進經濟增長，又能促進我國綠色包裝市場的發(fā)展，保護環(huán)境，具有廣闊的應用前景。

今后的研究趨勢主要可集中在以下4個方面：

(1)選取對環(huán)境無污染，對材料結構、性能無不良影響的化學助劑，且在滿足基本性能要求的基礎上，盡量少添加化學助劑；熟練掌握各助劑的主要分子結構和功能后，確定合理的配比方案，從而增強原材料的力學性能。

(2)在熱壓成形時，采用發(fā)泡工藝——加入適量的發(fā)泡劑，利用密封型腔的壓力進行高溫發(fā)泡，使模塑制品在內外壁之間能形成中空蜂窩狀，使纖維在其中形成均勻分布的網絡，以提高其韌性和強度，同時也可減輕單件制品的重量。

(3)利用計算機軟件和數(shù)據(jù)處理方法對工藝參數(shù)及成型模具進行優(yōu)化設計，選出最優(yōu)組分結構和最優(yōu)設計方案。

(4)對材料進行全面、系統(tǒng)的研究和設計，提高材料的綜合使用性能，使實驗室制備的單件模塑包裝材料能適應實際生產要求，從而為實現(xiàn)大批量自動化生產提供基礎技術支持。

【參 考 文 獻】

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