郗 偉

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院 ，陜西 西安 710300)

在低碳生活、綠色環(huán)保的要求下，植物纖維發(fā)泡緩沖材料勢(shì)必會(huì)替代聚苯乙烯泡沫等石化制品。從可再生以及循環(huán)利用的角度出發(fā)，充分利用農(nóng)作物秸稈纖維和廢棄的紙質(zhì)包裝材料纖維制備植物纖維發(fā)泡緩沖材料將是大勢(shì)所趨。單純的植物纖維不足以支撐包裝材料的緩沖作用和強(qiáng)度要求，淀粉及其衍生物具有良好的膨脹性能及抗靜電性能，作為增強(qiáng)劑克服了聚丙烯酰胺抗靜電差的缺點(diǎn)，同時(shí)淀粉具有優(yōu)良的生物降解性能。在植物纖維緩沖材料中加入淀粉，可顯著提高發(fā)泡緩沖材料的強(qiáng)度，還可有效提高植物纖維的利用率，降低發(fā)泡包裝材料的成本。開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保的植物纖維緩沖材料，淀粉對(duì)纖維發(fā)泡緩沖材料強(qiáng)度的提高具有重要意義，為充分利用豐富的植物纖維資源，使淀粉和植物纖維代替EPS(聚苯乙烯泡沫)制備發(fā)泡緩沖材料，對(duì)自然資源合理利用和環(huán)境保護(hù)都將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

1 纖維原材料的選取與預(yù)處理

植物纖維緩沖包裝材料制備工藝流程分為纖維預(yù)處理、淀粉預(yù)處理、添加化學(xué)助劑、發(fā)泡成型4個(gè)階段，如圖1所示。為了保障纖維緩沖材料的強(qiáng)度和緩沖作用以及外觀性能參數(shù)指標(biāo)，分別添加了淀粉及其衍生物作為增強(qiáng)劑，添加了發(fā)泡劑結(jié)合淀粉的填充作用在纖維之間形成了不規(guī)則的空洞，增強(qiáng)了材料的緩沖作用，達(dá)到了安全包裝的目的[1]。

圖1 植物纖維發(fā)泡緩沖包裝材料工藝流程

1.1 植物纖維的選取

作為纖維發(fā)泡材料的核心組成部分，植物纖維是天然高分子聚合物，成分包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素和木質(zhì)素為發(fā)泡緩沖材料提供主要強(qiáng)度，并為發(fā)泡過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡提供基本的支撐和膨脹的空間。不同來(lái)源的植物纖維其組成是不同的，因此植物纖維原材料的選用受到纖維發(fā)泡材料的應(yīng)用空間、循環(huán)利用、生物降解等諸影響因素。

不同的植物纖維制得的緩沖材料性能也不盡相同。植物纖維具有較好的力學(xué)性能、緩沖性能及自身的降解性能，這樣在發(fā)泡緩沖包裝材料中可以起到一種增強(qiáng)作用，提高包裝材料的抗壓強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。索曉紅、李新平[2]等研究了纖維素纖維(棉短絨纖維)發(fā)泡緩沖材料，通過(guò)添加增強(qiáng)劑、膠黏劑等助劑，發(fā)泡體密度在 0.02 ～ 0.05g/cm3的范圍內(nèi)，泡孔結(jié)構(gòu)為開(kāi)孔且分布均勻；李志嘉等[3]研究了竹纖維發(fā)泡緩沖材料的靜態(tài)測(cè)壓仿真，得到材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，為材料性能的測(cè)定及后續(xù)的應(yīng)用提供了一種理論方法；王瑜等[4]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈纖維和變性淀粉，添加量對(duì)材料的緩沖性能有較大影響，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%時(shí)，發(fā)泡材料表觀密度為0.568 g/cm3，拉伸強(qiáng)度達(dá)到8.031 MPa?？傮w來(lái)講，每種植物纖維材料都有其優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍，常用植物纖維發(fā)泡緩沖材料見(jiàn)表2。

表2 常用植物纖維發(fā)泡緩沖材料一覽表

1.2 植物纖維的預(yù)處理

植物纖維是制備緩沖包裝材料的主要成分，纖維長(zhǎng)度、漿料均勻性及纖維種類等都對(duì)緩沖材料成型的各項(xiàng)性能有不同程度的影響。

制備纖維發(fā)泡材料時(shí)，需要對(duì)植物纖維進(jìn)行預(yù)處理便于在成型發(fā)泡時(shí)使用。若以廢箱板紙、農(nóng)作物秸稈等植物纖維制備原料時(shí)，首先需要對(duì)其先進(jìn)行分類，再經(jīng)過(guò)裁切、浸泡、或改性等操作；另外，還需將植物纖維堿化制漿，意在打破纖維素中的酯鍵和醚鍵有利于纖維間的氫鍵結(jié)合，同時(shí)降解部分半纖維素，提高植物纖維的熱穩(wěn)定性；如果有顏色需求還需要再經(jīng)漂洗中和，最后烘干至所需含水量的要求，作為植物纖維發(fā)泡緩沖原材料待用。

2 淀粉的選用

淀粉在植物纖維發(fā)泡緩沖材料中主要是起增強(qiáng)劑的效果和填充的作用，作為增強(qiáng)劑和填充型材料，由于淀粉原有的強(qiáng)極性，在發(fā)泡材料體系內(nèi)的纖維相互粘合形成網(wǎng)絡(luò)，使其在發(fā)泡膨脹過(guò)程中能夠承受氣體的膨脹壓力，并最終形成均勻分布的穩(wěn)定泡孔結(jié)構(gòu)，因此淀粉的使用量對(duì)發(fā)泡材料的發(fā)泡效果和性能極為重要。在作為植物纖維發(fā)泡緩沖材料的增強(qiáng)劑時(shí)其填充量一般不超過(guò)纖維重量的30%[5]。

目前用作纖維發(fā)泡緩沖材料增強(qiáng)劑的淀粉主要是變性淀粉，主要有陽(yáng)離子淀粉、陰離子淀粉、兩性及多元變性淀粉、接枝共聚淀粉和雙醛淀粉，發(fā)泡材料常用淀粉及其衍生物見(jiàn)表3。

表3 發(fā)泡材料常用淀粉及其衍生物一覽表

2.1 陽(yáng)離子淀粉

陽(yáng)離子淀粉是原淀粉與胺類化合物反應(yīng)引入的陽(yáng)離子基團(tuán)，具有醚鍵結(jié)構(gòu)在水中帶正電荷的變性淀粉。用于造紙工業(yè)的陽(yáng)離子淀粉主要有各類胺鹽陽(yáng)離子淀粉及絡(luò)合陽(yáng)離子淀粉等。陽(yáng)離子淀粉對(duì)帶負(fù)電荷的物質(zhì)具有親和性，經(jīng)陽(yáng)離子試劑醚化后的變性淀粉,可在冷水中溶解。在漿料中纖維帶陰電荷,很容易與陽(yáng)離子淀粉的正電荷分子相互吸附，能夠起到增強(qiáng)和填充的作用，一般用于纖維漿料內(nèi)添加。李志嘉等[3]人以蔗渣纖維為主要原料，添加一定量的陽(yáng)離子淀粉、發(fā)泡劑等助劑，采用萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)作為測(cè)試系統(tǒng)表征材料的緩沖性能，為材料的性能測(cè)試提供了新的途徑。

2.2 陰離子淀粉

原淀粉通過(guò)用不同的試劑、采用不同的化學(xué)反應(yīng)在分子上引人陰離子基團(tuán)，使其在溶液中帶負(fù)電荷，具有代表性的陰離子淀粉是氧化淀粉、磷酸酷淀粉、羧甲基淀粉等。另外，由于陰離子淀粉帶有羥基和羧基，并且溶液呈陰性與紙漿中鋁離子絡(luò)合能力差，與纖維結(jié)合能力也差，在纖維漿料中留著率低。因此，一般不用于纖維漿內(nèi)增強(qiáng)，而用于纖維包裝材料的表面施膠以提高包裝材料強(qiáng)度。曹斌[6]以木纖維為原料，以淀粉和聚乙烯醇為膠粘劑，加入發(fā)泡劑以及其他助劑，制得緩沖包裝材料，該材料的密度為 0.201g/cm3，抗壓強(qiáng)度為 0.74 MPa，回彈率為 82.1%，整體緩沖性能良好。

2.3 兩性淀粉

在同一個(gè)淀粉分子中接上陰離子，再接上陽(yáng)離子或非離子等兩種或兩種以上反應(yīng)基團(tuán)的淀粉，稱之為兩性淀粉。兩性淀粉生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，要經(jīng)過(guò)多步化學(xué)反應(yīng)才能完成，要防止陰陽(yáng)離子試劑之間的相互影響。兩性淀粉溶液呈電中性，分子中的陰離子基團(tuán)與陽(yáng)離子基團(tuán)之間有相互保護(hù)作用，可以對(duì)帶陰電荷的纖維漿料起分散作用，避免絮凝造成材料分布不均勻。兩性淀粉分子中各基團(tuán)相互協(xié)調(diào)作用，在作為增強(qiáng)劑時(shí)性能更優(yōu)異、效果更突出。黃君[7]等以農(nóng)作物秸稈為原料，加入玉米兩性淀粉等膠粘劑、填充劑和交聯(lián)劑后烘焙發(fā)泡，得到最優(yōu)的反應(yīng)溫度在65～67 ℃。

2.4接枝共聚淀粉

接枝共聚淀粉是原淀粉的接枝共聚物。以親水的淀粉大分子為基礎(chǔ)與烯類化合物單體接枝共聚引入不同官能團(tuán)，同時(shí)根據(jù)用途調(diào)節(jié)親水和親油基團(tuán)結(jié)構(gòu)的比例，從而得到的高分子聚合物。接枝共聚淀粉既有多糖化合物的分子間作用力，又有合成高分子材料的機(jī)械強(qiáng)度與生物作用穩(wěn)定性，因此接枝共聚淀粉在植物纖維發(fā)泡緩沖材料、造紙工業(yè)助劑、可降解地膜等多方面應(yīng)用中具有優(yōu)異的性能。陳一[8]以納米植物纖維、淀粉 聚乳酸接枝共聚物、淀粉接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯等材料，添加塑化劑及抗氧劑復(fù)合，通過(guò)超臨界CO2為發(fā)泡劑擠出發(fā)泡加工而成，發(fā)明了“一種輕質(zhì)淀粉基高韌性復(fù)合發(fā)泡材料”。該材料具有較低的密度和高韌性的特征，具有一定的阻隔性，可廣泛應(yīng)用于有特殊要求的緩沖包裝領(lǐng)域。

3 小結(jié)

用于植物纖維發(fā)泡緩沖材料的纖維來(lái)源雖然廣泛但組成非常復(fù)雜，目前主要是考慮綠色環(huán)保和循環(huán)利用如秸稈、蔗渣和二次回收纖維等原料，能滿足普通的包裝材料性能要求；木纖維、棉纖維、麻纖維造價(jià)相對(duì)較高，但是在發(fā)泡成型、材料強(qiáng)度方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

用于增強(qiáng)、填充和膠黏植物纖維發(fā)泡緩沖材料的淀粉來(lái)源非常廣泛，通過(guò)氧化、糊化、交聯(lián)、接枝共聚等化學(xué)反應(yīng)生成各種淀粉衍生物。在生產(chǎn)研究植物纖維發(fā)泡緩沖材料時(shí)，使用那種淀粉要依據(jù)纖維的種類來(lái)源和發(fā)泡緩沖材料需要達(dá)到的性能參數(shù)進(jìn)一步確定；同時(shí)依據(jù)是否進(jìn)行表面增強(qiáng)或纖維漿料內(nèi)部增強(qiáng)，以及漿料的電荷、極性，確定具體的類型和用量。

[1] 郗 偉，孫賓賓.植物纖維發(fā)泡緩沖包裝材料的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法[J].輕工科技,2012(2):36-37.

[2] 索曉紅，李新平．纖維素纖維發(fā)泡緩沖包裝材料制備工藝初探[J]．包裝工程，2006，27(6)：116-118．

[3] 李志嘉，黃崇杏， 陳宜昭 ，等.蔗渣-淀粉發(fā)泡緩沖材料的本構(gòu)方程及有限元仿真[J].包裝工程.2017,38(11): 50-54.

[4] 王 瑜.基于聚乳酸/玉米秸稈纖維食品包裝材料發(fā)泡性能及其模型研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[5] 陳玉芬.植物纖維發(fā)泡緩沖材料的制備及其性能研究[D].無(wú)錫：江南大學(xué)，2015.

[6] 曹 斌.木質(zhì)剩余物緩沖包裝材料制備工藝的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2013.

[7] 黃 君，王華林.秸稈/淀粉發(fā)泡材料的制備與表征[J].安徽化工，2011，37(2)：21-24.

[8] 陳 一．一種輕質(zhì)淀粉基高韌性復(fù)合發(fā)泡材料：CN，201510347059.2[P]．2015-06-23．