周先敏，張 穎，王環(huán)宇，范成雪，尹成慧

(曲阜師范大學 工學院 包裝工程系，山東 日照 276826)

目前，常用于商品物流運輸?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。此材料原料來源廣，制備工藝易實現(xiàn)，廢棄后可完全降解[3]。從上個世紀90年代初，國內(nèi)外開始進行對化學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)復合發(fā)泡材料原料

1.1 植物纖維

可用于制備生物質(zhì)復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。纖維原料的選取對制得復合材料的強度有一定影響。

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。用酸或堿對植物纖維進行處理，使木素和半纖維素脫離，再經(jīng)過打漿使纖維分絲帚化，機械作用使纖維分散開，增大了纖維表面積，使其表面有更多游離羥基，纖維通過氫鍵相互連接[4]，從而使纖維間的結(jié)合更緊密，提高材料的強度。

國內(nèi)學者就不同纖維對生物質(zhì)緩沖材料進行了制備。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。除常見的植物纖維以外，也有學者發(fā)現(xiàn)海帶、魔芋等植物纖維也可應用于此材料，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。在物流過程中，緩沖材料的力學性能決定了對商品的保護能力，討論能使緩沖材料力學性能達到最優(yōu)的纖維原料可作為目前的一個研究方向。

1.1.2 二次纖維

廢紙為二次纖維。在制作緩沖材料時要進行預處理：將廢紙用水浸泡潤漲后，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。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。近年來電商帶來了快遞業(yè)猛進。物流紙箱的再次利用對于現(xiàn)在嚴重的廢棄包裝紙現(xiàn)象，是一個很好的趨勢。

1.2 改性淀粉

淀粉的結(jié)晶度高，其熔點比降解需要溫度高,在實際中難以加工。為了使熔化的淀粉流動性增強，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

各學者就淀粉塑化劑原料、用量等因素對其塑化能力的影響展開了研究。Lomelí-Ramírez等人[14]用甘油作塑化劑對木薯淀粉進行了改性，發(fā)現(xiàn)塑化改性后的淀粉制備得到的復合材料的拉伸性能明顯提高。張希文[15]等人展開了乙醇胺作淀粉增塑劑對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，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到最佳的増塑性能，但將兩種增塑劑組合使用時，其性能優(yōu)于僅使用一種增塑劑，于是學者們開始對復合增塑劑進行研究。

1.2.2 復合增塑劑

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系。李方義[18]等人探究了淀粉復合塑化劑的用量對淀粉復合材料力學性質(zhì)的影響，并得出了最佳塑化劑的比例。研究表明復合增塑劑的増塑性能優(yōu)于單一增塑劑。國內(nèi)外學者主要討論了塑化劑對淀粉基材料的力學性質(zhì)的影響，但現(xiàn)階段對淀粉增塑劑對生物質(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)預處理的纖維和改性淀粉放入攪拌機充分攪拌，混合均勻的漿料經(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)泡方法對材料的利用率和性能起到了關鍵性作用。

2.1.1 發(fā)泡劑發(fā)泡法

發(fā)泡劑有物理發(fā)泡劑和化學發(fā)泡劑兩種。前者利用低沸點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；后者是利用化學發(fā)泡劑的分解性，其在特定溫度下分解成氣態(tài)，進而在體系中形成孔隙。大多數(shù)學者用碳酸氫鈉、碳酸氫銨作為發(fā)泡劑。用化學發(fā)泡劑發(fā)泡工藝簡單、時間短，但發(fā)泡的溫度和時間等條件難以控制，致使制得的緩沖材料在外觀和性能上均不理想。為了消除了溫度對實驗的干擾，有學者提出用過氧化氫做發(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]改進了冷凍干燥技術(shù)的步驟設計，并討論出不同工藝參數(shù)與產(chǎn)品性能之間的關系。經(jīng)過長期研究，冷凍干燥的方法不斷進步。

吳海銀[22]等人利用冷凍干燥技術(shù)簡化了傳統(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)，冷凍干燥法無化學污染，干燥溫度低，成型后能夠保持原來體積，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象，可還原原來的性狀，但由于設備要求高、時間長等原因，沒有廣泛應用，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到，由于但產(chǎn)品尺寸受模具的限制，不能實現(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現(xiàn)，上述學者研究方法多采用模壓法?；诔Ｒ?guī)的模壓設備，謝麒[25]對模壓法進行改進，設計出的由模壓系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)構(gòu)成的可控成型設備，實現(xiàn)了對該成型溫度、壓力準確調(diào)控。

2.2.2 兩步成型法

成型過程分為兩步，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)，但成型過程較繁瑣，設備復雜，目前未廣泛應用于實驗室制備。

3 生物質(zhì)復合發(fā)泡材料的應用

3.1 商品緩沖襯墊包裝

纖維多孔材料的機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

由于纖維復合材料優(yōu)良的力學性能和阻熱性，可作為隔熱體應用于節(jié)能建筑。如用海帶等纖維材料為原料制備的復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所、汽車的吸聲泡沫塑料，降低城市中噪音污染。此外，植物復合材料還可用作城市環(huán)保能源，減少污染物對大氣環(huán)境的破壞。目前，已有將秸稈材料應用于水體污染防控，這種材料能夠有效地去除水體中有毒的有機與重金屬污染源。

4 結(jié)語

目前，纖維發(fā)泡緩沖包裝材料的制備還處在實驗階段。因其技術(shù)尚未成熟，成本較高，其生產(chǎn)還未到達大批量商業(yè)化生產(chǎn)的要求。對于如何控制緩沖包裝材料的隔熱與阻水性等問題還有待進一步研究。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方向，具有很大的應用前景，這是新科技產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢。研究并解決生物質(zhì)發(fā)泡緩沖材料發(fā)展中存在的問題對相關應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了支持作用。