創(chuàng)新者：黃 力 尚大智 張 麗

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秸稈材料在緩沖包裝中的應用

創(chuàng)新者：黃 力 尚大智 張 麗

隨著人們環(huán)保意識的增強，用于包裝的緩沖材料也越來越強調(diào)環(huán)境保護性。另一方面，由于焚燒農(nóng)作物秸稈材料所造成的空氣污染是每年環(huán)境部門檢測的重點，這促使人們思考能否將農(nóng)作物秸稈制成緩沖包裝材料，既利用了秸稈材料避免了焚燒污染，又提高了緩沖材料的環(huán)保性。通過研究表明，利用秸稈材料制作緩沖包裝材料是可行的，研制出的緩沖材料能夠滿足緩沖包裝的要求。

為保護產(chǎn)品在運輸和流通過程不受振動或沖擊影響而發(fā)生破壞，我們常用緩沖材料做襯墊來保護產(chǎn)品。目前，常用的緩沖材料有發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）、發(fā)泡聚乙烯（EPE）、氣泡襯墊、紙質(zhì)緩沖材料等。由于EPS具有壓縮強度高、易成型、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點，在緩沖包裝中得到廣泛應用。但EPS不易降解，難以回收處理，會造成“白色污染”，所以研究替代EPS材料的可降解環(huán)保緩沖材料是目前研究的熱點。

常用緩沖包裝材料

泡沫塑料

泡沫塑料是以高分子樹脂如聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等為原料，采用發(fā)泡技術(shù)而制成的具有無數(shù)孔隙的包裝緩沖材料。其中，EPS的高壓縮強度、隔音、隔熱、易成型、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點，使之廣泛應用在工業(yè)產(chǎn)品、大型家電、醫(yī)療器械等產(chǎn)品的緩沖包裝中。

紙質(zhì)緩沖材料

紙質(zhì)緩沖材料有紙漿模塑制品、蜂窩紙板、瓦楞紙板等。紙漿模塑制品是以回收的廢紙為原料，經(jīng)過重新制漿、模壓成型、最后干燥而成為包裝制品。由于100%是回收再利用紙漿制成的，可回收再生，可降解，是替代木材的新型包裝材料，主要用于雞蛋、玻璃制品、精密儀器等產(chǎn)品的緩沖包裝。蜂窩紙板是根據(jù)蜂巢結(jié)構(gòu)原理制作的，具有質(zhì)輕、價廉、強度高、可回收的特點，目前格力、海爾、海信等企業(yè)都開始采用蜂窩紙板做緩沖襯墊保護產(chǎn)品。

秸稈緩沖材料

秸稈是許多農(nóng)作物成熟收獲后剩下的莖葉，主要有玉米、小麥、水稻、高粱等來源。我國每年大約可產(chǎn)生7億噸秸稈，其綜合利用成為關(guān)鍵問題。目前，我國已在秸稈飼料、秸稈培育食用菌、秸稈燃料、秸稈乙醇等方面進行了深入研究，并已投入使用，但在推廣應用方面仍然存在許多問題。在環(huán)保包裝方面，可以對秸稈等植物纖維材料采用發(fā)泡技術(shù)來制成緩沖材料。國外發(fā)達國家主要利用水蒸氣發(fā)泡，這種發(fā)泡技術(shù)工藝難度較大，成本較高，我國多采用化學發(fā)泡劑進行發(fā)泡。

秸稈緩沖包裝材料的研制

試驗材料

基本材料：玉米秸稈粉（60目）、食用淀粉

增容處理劑：氫氧化鈉（Na（OH）2）

潤滑劑：丙三醇（甘油）

加固添加劑：碳酸鈣（GaCO3）

防潮劑：聚乙烯醇（PVA）

增塑劑：水

發(fā)泡劑：碳酸氫鈉（NaHCO3）

試驗設(shè)備儀器

破碎機、烘箱、電子秤、燒杯、玻璃棒、磁力攪拌機、恒溫恒濕箱等。

工藝過程

用秸稈粉碎后作為原料與淀粉混合，添加水、發(fā)泡劑和添加劑，經(jīng)攪拌均勻，烘箱加熱、發(fā)泡、干燥，即可制成秸稈緩沖包裝材料。其工藝流程圖如圖 1 所示。具體步驟如下：

圖1　工藝流程圖

（1）配制防潮劑，按聚乙烯醇：水的重量=3：40配制。配制防潮劑的溫度控制在 70～100℃之間，制成后冷卻至室溫。防潮劑的制法：用燒杯盛放3g的聚乙烯醇（PVA）與 40g 的水混合，將燒杯放入磁力攪拌機，邊加熱邊攪拌。溫度達到80℃時，保溫，繼續(xù)攪拌至聚乙烯醇溶完全解于水，然后停止加熱，冷卻至室溫。注意：（Ⅰ）在冷卻時段，要不停的攪拌，防止冷卻過程中出現(xiàn)新的不溶解物顆粒狀固體；（Ⅱ）防潮劑放置時間不同，其性能所產(chǎn)生效果也不相同。

（2）將配制好的防潮劑倒入秸稈粉碎物和淀粉，混合攪拌均勻，加入碳酸鈣和丙三醇混合。

（3）加入發(fā)泡劑，攪拌均勻，放入紙杯中。

（4）將紙杯放入烘箱，溫度設(shè)定在180℃，直到烘干，取出后脫模。

（5）所制成的樣品在恒溫恒濕箱中放置48h，即制成秸稈緩沖包裝材料試樣。

圖2　WDW3020微機控制電子萬能實驗機

圖3　試樣的壓縮試驗

試驗分析

（1）發(fā)泡劑對秸稈緩沖材料的影響

發(fā)泡劑和各種助劑添加量對緩沖材料試樣的性能都有影響。比較碳酸氫銨和碳酸氫鈉，從試樣性能上相差不大，所以選擇更環(huán)保的碳酸氫鈉（產(chǎn)生二氧化碳和水）。發(fā)泡劑量也影響試樣成型，如果用量太多，導致發(fā)泡過度，會造成結(jié)構(gòu)過于蓬松，試樣無法成型。但是用量太少導致成型太差，達不到發(fā)泡效果。

（2）聚乙烯醇（PVA）對秸稈緩沖材料的影響

PVA起到粘結(jié)劑和防潮的作用，添加量越多，材料密度越大。試驗表明，PVA能增加材料的粘彈性和表面張力，有利于發(fā)泡劑發(fā)泡。但用量過大，材料黏度過高，會阻礙發(fā)泡劑發(fā)泡。使發(fā)泡不充分，影響材料密度及性能。

（3）氫氧化鈉預處理對秸稈緩沖材料的影響

氫氧化鈉水溶液對秸稈粉進行打漿帚化處理后干燥，用氫氧化鈉浸泡過的秸稈粉末能與其他試劑更好的混合。未經(jīng)氫氧化鈉浸泡，材料較為硬且沒有回彈性。

試驗測試

試樣的緩沖性能試驗按照GB/T 8168-2008 《包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法》中的A法試驗規(guī)定來進行。

試驗儀器設(shè)備

主要的儀器設(shè)備有：WDW3020 微控電子萬能實驗機。

試驗數(shù)據(jù)處理

緩沖系數(shù)從吸收變形能的角度反映了緩沖材料的緩沖性能，分為靜態(tài)緩沖系數(shù)和動態(tài)緩沖系數(shù)兩種。利用電子萬能試驗機對試樣進行靜態(tài)壓縮試驗，并按照差分法數(shù)值積分來處理數(shù)據(jù)，即可得到靜態(tài)緩沖系數(shù)。

根據(jù)試樣的壓縮實驗得到試樣的應力-應變曲線，由應力應變數(shù)值根據(jù)公式（1）和（2）計算得到E值：

式中：En+1為第n+1次的能量；En為第n次的能量；?En+1為第n+1次與第n次能量的差值，為能量的增量；σn+1為第n+1次的應力，單位是kPa；σn為第n次的應力，單位是kPa。

緩沖系數(shù)C的計算公式如式（3）：

式中： C為材料靜態(tài)緩沖系數(shù)；σ為靜應力，單位為kPa；E為能量，單位為J。

表1　試樣的處理數(shù)據(jù)

其他試樣數(shù)據(jù)同樣處理，得到表1，由此看出試樣6在壓縮強度、吸收能量、緩沖系數(shù)上綜合指標較好。

結(jié)語

所做出的制品力學性能基本能滿足緩沖材料的要求。實驗研究結(jié)果表明：利用秸稈材料制作緩沖材料是可行的。秸稈緩沖包裝材料試樣還有不完善的地方，其性能與聚苯乙烯緩沖材料相比，在抗壓強度、回彈性方面需進一步提高，需要后續(xù)進一步進行研究。

黃 力 尚大智 張 麗

南京工程學院材料工程學院

黃力（1995－）男，在讀本科生。尚大智（1994－）男，在讀本科生。張麗（1970－）女，副教授，碩士，主要研究方向為包裝緩沖材料、運輸包裝等。通訊作者：張麗。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.028

江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（201511276030Y）；南京工程學院校級科研基金項目（CKJB201306）