周先敏，張 穎，王環(huán)宇，范成雪，尹成慧

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院 包裝工程系，山東 日照 276826)

目前，常用于商品物流運(yùn)輸?shù)木彌_材料是易加工、質(zhì)量輕、緩沖性能好的泡沫塑料[1]，由于其價(jià)格便宜被廣泛使用，但其產(chǎn)生的廢棄物難以降解，廢棄后塑料產(chǎn)品中的助劑等有毒物質(zhì)分解，對(duì)土壤環(huán)境造成重大破壞[2]。用植物纖維發(fā)泡材料代替塑料發(fā)泡材料成為新的趨勢(shì)。此材料原料來(lái)源廣，制備工藝易實(shí)現(xiàn)，廢棄后可完全降解[3]。從上個(gè)世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始進(jìn)行對(duì)化學(xué)合成高分子材料與天然高分子材料混合制備發(fā)泡緩沖材料的研究。

1 生物質(zhì)復(fù)合發(fā)泡材料原料

1.1 植物纖維

可用于制備生物質(zhì)復(fù)合材料的植物纖維有一次纖維和二次纖維。前者直接以秸稈等植物作為原料，后者是將紙制品處理后的含有植物纖維的紙漿作為纖維原料。纖維原料的選取對(duì)制得復(fù)合材料的強(qiáng)度有一定影響。

1.1.1 一次纖維

常用于制備緩沖材料的一次纖維有玉米秸稈纖維、稻草纖維和竹纖維，也有用蔗渣、海帶纖維等。用酸或堿對(duì)植物纖維進(jìn)行處理，使木素和半纖維素脫離，再經(jīng)過(guò)打漿使纖維分絲帚化，機(jī)械作用使纖維分散開(kāi)，增大了纖維表面積，使其表面有更多游離羥基，纖維通過(guò)氫鍵相互連接[4]，從而使纖維間的結(jié)合更緊密，提高材料的強(qiáng)度。

國(guó)內(nèi)學(xué)者就不同纖維對(duì)生物質(zhì)緩沖材料進(jìn)行了制備。莊森煬[5]用殼聚糖、植物纖維等生物質(zhì)材料，制備了一種輕質(zhì)多孔緩沖材料。呂禹[6]用玉米秸稈制得了生物質(zhì)緩沖包裝材料。除常見(jiàn)的植物纖維以外，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)海帶、魔芋等植物纖維也可應(yīng)用于此材料，并有較好的性能。張星云[7]制備了一種利用海帶發(fā)泡的多孔緩沖材料。范良思[8]等人用魔芋纖維制備了發(fā)泡海綿。在物流過(guò)程中，緩沖材料的力學(xué)性能決定了對(duì)商品的保護(hù)能力，討論能使緩沖材料力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)的纖維原料可作為目前的一個(gè)研究方向。

1.1.2 二次纖維

廢紙為二次纖維。在制作緩沖材料時(shí)要進(jìn)行預(yù)處理：將廢紙用水浸泡潤(rùn)漲后，打漿擰干于堿液水浴加熱。再用水清洗至pH適宜，并擰干到一定含水率。日本索尼公司Noguchi T等人[9]采用廢紙纖維、塑料微球和改性淀粉發(fā)泡成型制得可用于包裝音響設(shè)備的緩沖材料。蔡靜[10]以廢紙為原料，加入其他輔助材料，制備了二次纖維緩沖材料。呂艷娜[11]在廢紙中加入淀粉糊與硼砂等材料制備得到的發(fā)泡材料，具有孔隙率較高的特點(diǎn)。用廢紙等材料做發(fā)泡緩沖材料原料極大地節(jié)約了資源。近年來(lái)電商帶來(lái)了快遞業(yè)猛進(jìn)。物流紙箱的再次利用對(duì)于現(xiàn)在嚴(yán)重的廢棄包裝紙現(xiàn)象，是一個(gè)很好的趨勢(shì)。

1.2 改性淀粉

淀粉的結(jié)晶度高，其熔點(diǎn)比降解需要溫度高,在實(shí)際中難以加工。為了使熔化的淀粉流動(dòng)性增強(qiáng)，需要在此中加入增塑劑，使淀粉塑化[12]。增塑劑的參與使淀粉分子間彼此的作用力減小，使淀粉與纖維間的聯(lián)合更緊密[13]。

1.2.1 單一增塑劑

各學(xué)者就淀粉塑化劑原料、用量等因素對(duì)其塑化能力的影響展開(kāi)了研究。Lomelí-Ramírez等人[14]用甘油作塑化劑對(duì)木薯淀粉進(jìn)行了改性，發(fā)現(xiàn)塑化改性后的淀粉制備得到的復(fù)合材料的拉伸性能明顯提高。張希文[15]等人展開(kāi)了乙醇胺作淀粉增塑劑對(duì)淀粉漿料作用的討論，結(jié)果表明增塑劑占淀粉干基重的3%時(shí)，其增塑作用最好。Li[16]等人以秸稈、淀粉為原料制備緩沖材料，并確定了增塑劑與其他原料的用量對(duì)材料抗沖擊能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)單一塑化劑始終不能達(dá)到最佳的増塑性能，但將兩種增塑劑組合使用時(shí)，其性能優(yōu)于僅使用一種增塑劑，于是學(xué)者們開(kāi)始對(duì)復(fù)合增塑劑進(jìn)行研究。

1.2.2 復(fù)合增塑劑

左迎峰[17]等人采用的增塑劑為聚乙二醇、甲酰胺、乙二醇、甘油，探究了淀粉塑化能力與塑化劑類型之間存在的關(guān)系。李方義[18]等人探究了淀粉復(fù)合塑化劑的用量對(duì)淀粉復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)的影響，并得出了最佳塑化劑的比例。研究表明復(fù)合增塑劑的増塑性能優(yōu)于單一增塑劑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要討論了塑化劑對(duì)淀粉基材料的力學(xué)性質(zhì)的影響，但現(xiàn)階段對(duì)淀粉增塑劑對(duì)生物質(zhì)材料緩沖性能與阻水性能的研究較為缺乏。

2 發(fā)泡成型方法

2.1 發(fā)泡方法

在室溫條件下，將適量經(jīng)預(yù)處理的纖維和改性淀粉放入攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢瑁旌暇鶆虻臐{料經(jīng)干燥后形成多孔結(jié)構(gòu)。常用發(fā)泡方法有發(fā)泡劑發(fā)泡法、冷凍干燥法。選擇適宜的發(fā)泡方法對(duì)材料的利用率和性能起到了關(guān)鍵性作用。

2.1.1 發(fā)泡劑發(fā)泡法

發(fā)泡劑有物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑兩種。前者利用低沸點(diǎn)的可溶性液體或易升華的固體揮發(fā)或升華產(chǎn)生的氣體使體系發(fā)泡；后者是利用化學(xué)發(fā)泡劑的分解性，其在特定溫度下分解成氣態(tài)，進(jìn)而在體系中形成孔隙。大多數(shù)學(xué)者用碳酸氫鈉、碳酸氫銨作為發(fā)泡劑。用化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡工藝簡(jiǎn)單、時(shí)間短，但發(fā)泡的溫度和時(shí)間等條件難以控制，致使制得的緩沖材料在外觀和性能上均不理想。為了消除了溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，有學(xué)者提出用過(guò)氧化氫做發(fā)泡劑，可在室溫下分解產(chǎn)生氣體，形成孔隙[19]。

2.1.2 冷凍干燥法

冷凍干燥法利用冰晶升華的原理，在高度真空的環(huán)境下，將濕物料在低溫條件下冷凍，再在真空下使其水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料形成多孔結(jié)構(gòu)[20]。Franks[21]改進(jìn)了冷凍干燥技術(shù)的步驟設(shè)計(jì)，并討論出不同工藝參數(shù)與產(chǎn)品性能之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，冷凍干燥的方法不斷進(jìn)步。

吳海銀[22]等人利用冷凍干燥技術(shù)簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的熱發(fā)泡制備工藝，制備聚酰亞胺泡沫。Deville等人[23]用定向冷凍干燥技術(shù)制備了似珠母貝結(jié)構(gòu)的層狀多孔材料，并表明制得的材料具備優(yōu)良的力學(xué)性能。Li[24]等人利用冷凍干燥技術(shù)，改變冷凍次數(shù)與溫度，制備出不同機(jī)械性能的絲素多孔膜。

相比于發(fā)泡劑發(fā)泡技術(shù)，冷凍干燥法無(wú)化學(xué)污染，干燥溫度低，成型后能夠保持原來(lái)體積，不會(huì)發(fā)生濃縮現(xiàn)象，可還原原來(lái)的性狀，但由于設(shè)備要求高、時(shí)間長(zhǎng)等原因，沒(méi)有廣泛應(yīng)用，還有待研究。

2.2 成型方法

植物纖維發(fā)泡緩沖材料的制備方法有一步成型直接法和兩步成型法。以上兩種制備工藝的發(fā)泡機(jī)理都是利用發(fā)泡劑生成氣體發(fā)泡或水蒸氣發(fā)泡，為化學(xué)發(fā)泡或物理發(fā)泡。

2.2.1 一步成型法

一步成型是將原料混合均勻制備成糊狀物，在模具中烘焙制得產(chǎn)品。焙燒工藝條件容易達(dá)到，由于但產(chǎn)品尺寸受模具的限制，不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。模壓法通常是一步成型，將原料均勻混合后加熱加壓成型。由于模壓法工藝易實(shí)現(xiàn)，上述學(xué)者研究方法多采用模壓法?；诔Ｒ?guī)的模壓設(shè)備，謝麒[25]對(duì)模壓法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出的由模壓系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)構(gòu)成的可控成型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該成型溫度、壓力準(zhǔn)確調(diào)控。

2.2.2 兩步成型法

成型過(guò)程分為兩步，首先將原料混合后制成顆粒狀物質(zhì)，然后再擠出成型。蘇笑海[26]采用二次成型法，以植物纖維為原料，生產(chǎn)出抗壓環(huán)保性能優(yōu)良的“雙發(fā)泡植物纖維包裝材料”。模壓成型適合大批量的生產(chǎn)，但成型過(guò)程較繁瑣，設(shè)備復(fù)雜，目前未廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室制備。

3 生物質(zhì)復(fù)合發(fā)泡材料的應(yīng)用

3.1 商品緩沖襯墊包裝

纖維多孔材料的機(jī)械性能與緩沖性能良好，可用于易損零件和精密器件等高成本運(yùn)輸包裝。由于生物質(zhì)材料可完全降解，也可用植物纖維生產(chǎn)的新型餐具代替一次性塑料餐具。

3.2 新型輕質(zhì)建筑材料

由于纖維復(fù)合材料優(yōu)良的力學(xué)性能和阻熱性，可作為隔熱體應(yīng)用于節(jié)能建筑。如用海帶等纖維材料為原料制備的復(fù)合材料具有很好的熱穩(wěn)定性，可作為制成阻燃板材和墻體材料，應(yīng)用于房屋建筑、家居裝飾等方面。

3.3 城市環(huán)保材料

發(fā)泡材料可取代生活場(chǎng)所、汽車的吸聲泡沫塑料，降低城市中噪音污染。此外，植物復(fù)合材料還可用作城市環(huán)保能源，減少污染物對(duì)大氣環(huán)境的破壞。目前，已有將秸稈材料應(yīng)用于水體污染防控，這種材料能夠有效地去除水體中有毒的有機(jī)與重金屬污染源。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，纖維發(fā)泡緩沖包裝材料的制備還處在實(shí)驗(yàn)階段。因其技術(shù)尚未成熟，成本較高，其生產(chǎn)還未到達(dá)大批量商業(yè)化生產(chǎn)的要求。對(duì)于如何控制緩沖包裝材料的隔熱與阻水性等問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。但植物纖維材料為原料制備包裝材料已成為緩沖包裝材料的主導(dǎo)方向，具有很大的應(yīng)用前景，這是新科技產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)。研究并解決生物質(zhì)發(fā)泡緩沖材料發(fā)展中存在的問(wèn)題對(duì)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了支持作用。