藥用植物剩余物制作發(fā)泡包裝材料工藝及影響因素的分析

高獻(xiàn)策，肖生苓，曹 斌，肖俊芳

近年來，利用藥用植物剩余物研制高附加值包裝材料引起越來越多的關(guān)注，該包裝材料的應(yīng)用，既能緩解包裝行業(yè)對木材的需求，又能將廢棄物變廢為寶，節(jié)約木材，由于其低成本、低消耗和低污染的優(yōu)勢特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景［1－2］。

1 原料

1.1 藥用植物剩余物

藥用植物剩余物包括兩類:一類是指在藥用植物采收過程中產(chǎn)生的初端剩余物，包括沒有利用價(jià)值的植物根、枝葉、截頭和皮等;另一類是制作中成藥的終端剩余物，主要是中藥渣。在對藥用植物進(jìn)行采集時(shí)，會(huì)在跡地遺留下大量剩余物料，這些剩余物大多被微生物分解，最終導(dǎo)致生物質(zhì)資源的浪費(fèi)。我國早期對藥渣處理的主要方法是填埋、焚燒和堆放等［3］。中藥渣富含粗纖維、粗脂肪、氨基酸及微量元素，近年來被應(yīng)用于加工綠色農(nóng)肥、保健飼料和食用菌栽培原料等，既能保護(hù)環(huán)境又能節(jié)約資源，達(dá)到較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

總體來看，目前對藥用植物剩余物的綜合利用范圍還比較窄，特別是高附加值產(chǎn)品的開發(fā)利用。以藥用植物剩余物為主要原料，以淀粉等為輔助材料，經(jīng)過對其加工、預(yù)處理、助劑改性、發(fā)泡劑的添加，在一定的工藝條件下，可制備發(fā)泡型藥用植物纖維緩沖包裝材料。該新型緩沖包裝材料制品具有很多優(yōu)于紙漿模塑和EPS［4］的特點(diǎn)，其中制作工藝簡單、對周邊環(huán)境污染較輕，原料量大價(jià)廉，防震隔震性能優(yōu)于紙漿模塑制品等特點(diǎn)都收到人們的普遍關(guān)注，不僅可以制作滿足包裝要求的防震內(nèi)襯，還可制作填充顆粒物體。

1.2 藥用植物纖維與淀粉的結(jié)合

藥用植物纖維和淀粉就本身結(jié)構(gòu)而言非常相似，它們本身具有相同的化學(xué)組成，化學(xué)通式都可以寫成 (C6H10O5)n。因此二者的相容性比較好，但是二者的構(gòu)型和組成又各有差異。木纖維素是藥用植物纖維的主要成分，它與直鏈淀粉互為異構(gòu)體，葡萄糖單元通過β－1，4－苷鍵相連，氧原子和羥基成反式結(jié)構(gòu)。直鏈淀粉的葡萄糖單元是通過α－1，4－苷鍵相連，氧原子和羥基成順式結(jié)構(gòu)。這些不同導(dǎo)致了直鏈淀粉和藥用植物纖維素的空間結(jié)構(gòu)的不同，進(jìn)而導(dǎo)致化學(xué)性質(zhì)有很大區(qū)別［5］。因此需要對淀粉改性［6］，并且對纖維進(jìn)行化學(xué)改性，再一定的工藝條件才能使淀粉與纖維素在分子領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行交聯(lián)、接枝等化學(xué)反應(yīng)［7］。

有研究表明，全淀粉材料的強(qiáng)度不足，不能滿足材料在規(guī)定強(qiáng)度方面的指標(biāo)，為了增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，加入適當(dāng)量的纖維可以極大地改善全淀粉材料的不足。隨著工業(yè)發(fā)展的需要，在20世紀(jì)中期，木纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體就已經(jīng)開始出現(xiàn)了，由于材料中含有大比例易降解成分，使得材料降解的速度與完全度都有了很大程度的提高。

2 藥用植物剩余物制作發(fā)泡包裝材料工藝研究

藥用植物纖維發(fā)泡制品的發(fā)泡工藝主要有2種，分別為使用化學(xué)發(fā)泡劑的發(fā)泡工藝，以及不用化學(xué)發(fā)泡劑的發(fā)泡工藝［8］。藥用植物纖維發(fā)泡制品制作過程的方法主要有2種:一步法成型和兩步法成型［9］。采用整體澆注的方法進(jìn)行發(fā)泡成型是一步成型法的工藝特點(diǎn)，其基本工藝流程可簡寫為:原料—共混—整體澆注—發(fā)泡—成型—脫?！宀?。兩步成型法的工藝特點(diǎn)是將大顆粒藥用植物粉碎碾壓成小顆粒，使其與淀粉進(jìn)行特定比例的混合，制成直徑2 mm左右的粒子，混合后的粒子再送入雙螺桿擠出機(jī)制成顆粒狀，在擠出過程中，原料發(fā)泡是受水蒸氣作用引起的，在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)偶然性太大，無法控制反應(yīng);當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%時(shí)，則容易出現(xiàn)哧料現(xiàn)象，從而導(dǎo)致泡孔直徑過大，板材密度過小，進(jìn)而使材料強(qiáng)度過低;水分含量在10%左右時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)度與緩沖性能達(dá)到最好狀態(tài)［10］.

最后以發(fā)泡顆粒作為原料，均勻鋪到專用的金屬模具之中，在金屬模具中進(jìn)行熱壓，根據(jù)不同包裝標(biāo)準(zhǔn)的需要，利用不同模具制作不同形狀的發(fā)泡包裝材料。我國目前研究的大多是使用發(fā)泡劑的植物纖維發(fā)泡制品的制作工藝。

本研究以藥用植物剩余物及淀粉為主要原料，再加入一定量輔助試劑，利用熱壓和烘培兩種加工工藝，通過發(fā)泡包裝復(fù)合材料理化性能、緩沖特性、力學(xué)及其他性能等的基礎(chǔ)研究，制作復(fù)合發(fā)泡包裝材料，并解決包裝復(fù)合材料在靜載荷、沖擊載荷作用下的整體耐持久強(qiáng)度、縱橫向蠕變、板材的老化、防水和防腐處理等方面問題，確定藥用植物復(fù)合包裝新材料的最優(yōu)加工工藝，最終獲得新型緩沖包裝材料研制技術(shù)。具體制備工藝流程如圖1所示。

圖1 藥用植物剩余物制備發(fā)泡緩沖材料工藝流程圖Fig.1 Production flow chart of medicinal plant residue-based packaging material

烘培工藝是使物料在烘箱內(nèi)，進(jìn)行發(fā)泡成型，由于烘培工藝中物料與烘箱內(nèi)部相通，烘箱內(nèi)不停的有空氣流動(dòng)，就使得板材表面水分散失較快，一段時(shí)間后表面容易干燥開裂。熱壓工藝是通過上下極板來對模具中的物料通過熱傳遞進(jìn)行加熱，由于干燥速度慢，使得板材內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力也較小，有利于藥用植物剩余物制作發(fā)泡包裝材料緩沖性能的提高。

3 藥用植物剩余物制作發(fā)泡包裝材料影響因素分析

在材料熱壓過程中，影響成板性能的因素包括藥用植物纖維原料的預(yù)處理、淀粉含量以及糊化程度、含水率、膠黏劑種類及施膠量的選擇和熱壓工藝參數(shù) (如熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時(shí)間)的確定等。

3.1 藥用植物剩余物進(jìn)行預(yù)處理對制作發(fā)泡包裝材料影響因素分析

對藥用植物剩余物進(jìn)行預(yù)處理，主要是為了去除剩余物中的木質(zhì)素和半纖維素等成分，使得剩余物中的多糖成分溶解于堿溶液中，最終得到純度較高的纖維素成分，再對其進(jìn)行洗滌和干燥［11］。用堿溶液處理時(shí)，氫氧化鈉溶液浸泡的時(shí)間越長，最后得到的纖維素韌性越好，越有利于板材緩沖性能的提高。為了提高拌膠的均勻性，對藥用植物剩余物進(jìn)行粉碎處理，最終確定利用10%氫氧化鈉溶液浸泡48h后，可以使木纖維韌性大幅度增強(qiáng)，基本達(dá)到完全去除半纖維素、木質(zhì)素和多糖成分的要求。

3.2 淀粉含量以及糊化程度對制作發(fā)泡包裝材料影響因素分析

不同淀粉粒不僅顆粒形狀不一樣，其大小也不相同。天然淀粉經(jīng)過適當(dāng)化學(xué)處理，引入某些化學(xué)基團(tuán)使分子結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)發(fā)生變化，生成淀粉衍生物。淀粉是一種多糖類物質(zhì)。未改性的淀粉結(jié)構(gòu)通常有兩種:直鏈淀粉和支鏈淀粉，是聚合的多糖類物質(zhì)。因?yàn)樗苄圆?，故采用改性淀粉，即水溶性淀粉?2］。

在材料成型工藝中，淀粉用量起著至關(guān)重要的作用，淀粉用量過大，會(huì)使體系粘度、硬度過高，阻礙植物纖維 (尤其是長纖維)的分散，影響材料的緩沖性能;淀粉太少，則分布不均勻，而且又起不到粘結(jié)作用。實(shí)驗(yàn)時(shí)淀粉含量一般控制在50% 左右［13］。

一般在60～80℃時(shí)，淀粉粒在水中開始吸水溶脹、分裂、形成均勻糊狀溶液的過程稱為淀粉的糊化。淀粉糊化過程的本質(zhì)是淀粉粒中淀粉分子之間的氫鍵發(fā)生開裂［14］，使得淀粉分子分散在水中成為膠體溶液。淀粉糊化的過程可分為三個(gè)階段:首先是可逆吸水階段，溫度較低時(shí)，水分子進(jìn)入到淀粉顆粒中去，淀粉顆粒體積開始膨脹，此時(shí)冷卻干燥，淀粉顆粒又可以恢復(fù)原狀;其次是不可逆吸水階段，隨著溫度繼續(xù)升高，淀粉顆粒進(jìn)行不可逆地大量吸水，體積迅速膨脹，當(dāng)?shù)矸垲w粒脹至原始體積的80倍左右時(shí)，即使再冷卻干燥，水分已不再容易流失;最后是淀粉粒最后解體，淀粉分子全部進(jìn)入溶液。淀粉是多羥基的高分子化合物，由于分子間存在強(qiáng)烈的氫鍵作用，使得淀粉的熔點(diǎn)低于其分解溫度，因此需加入一定量的增塑劑來改善其成型性能，水、多羥基醇等均能達(dá)到這種效果［15－16］。本研究需要對馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性，使糊化后的淀粉乳液長久保持不失水的特性。對于淀粉的改性工藝，最終確定使用不可逆狀態(tài)下的糊化淀粉，經(jīng)過H2O2處理過的氧化淀粉，利用FeSO4作為引發(fā)劑，在35℃條件下與硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行接枝，改性后的淀粉具有良好的保水性能。

3.3 含水率對藥用植物纖維發(fā)泡材料影響的分析

藥用植物纖維發(fā)泡材料含水率的計(jì)算公式為［17］:

式中:W為發(fā)泡材料在t時(shí)刻的絕對含水率，%;Gt為發(fā)泡材料在t時(shí)刻的重量，g;G0為發(fā)泡材料的絕干重量，g。

試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)表明，施膠前原料含水率以小于等于8%為宜，施膠以后板坯的含水率應(yīng)該控制在8%～14%之間，不超過15%，這樣既能滿足熱壓工藝的要求，又可以達(dá)到包裝材料板材對性能方面要求［18］。

3.4 膠黏劑種類及施膠量對藥用植物纖維發(fā)泡包裝材料性能影響的分析

制作藥用植物纖維發(fā)泡包裝材料的膠黏劑的選擇與用量對其最終性能也有很大影響，首先用于植物纖維發(fā)泡包裝材料的膠黏劑必須選用熱塑性膠黏劑［19］，而且需要具有較高的熱穩(wěn)定性，由于是制作包裝材料，其密度也不宜過大。本研究以粘接性PVA為粘結(jié)劑，由于其與親水性的纖維素有很好的粘接力，而且完全醇解的PVA在230℃左右才開始熔化，240℃時(shí)分解，熱穩(wěn)定性極強(qiáng)，滿足制作發(fā)泡包裝材料各個(gè)方面的限制要求。

3.5 熱壓工藝參數(shù)對藥用植物纖維發(fā)泡包裝材料性能影響的分析

由于藥用植物纖維的主要成分是C元素，所以熱壓溫度不宜超過200℃，溫度過高則基體會(huì)出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，喪失力學(xué)性能。本研究以偶氮二甲酰胺作為發(fā)泡劑［20］，金屬氧化物對AC發(fā)泡劑的熱分解有較強(qiáng)的活化作用，其中的活化作用最強(qiáng)的為ZnO［21］，為降低發(fā)泡溫度，加入了一定量 ZnO活性劑，可使發(fā)泡溫度控制在165℃溫度范圍左右。當(dāng)對模具的壓力增加時(shí)，模具中排出氣體量將減少，模具內(nèi)部氣體壓力升高，部分會(huì)溶解于物料之中，氣體擴(kuò)散速率加快，導(dǎo)致泡孔直徑變小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)溢料顯現(xiàn)，泡孔直徑變小對于熱壓時(shí)間的確定［22］，主要根據(jù)水蒸氣的排出速度來確定，時(shí)間太短，水蒸氣來不及排除，內(nèi)部壓力增大，物料被擠入四壁，容易出現(xiàn)空心板。時(shí)間太長，板材內(nèi)部水分子大量減少，則會(huì)產(chǎn)生相同位移條件下的最大荷重會(huì)明顯加大的現(xiàn)象，緩沖性能降低。最終熱壓工藝參數(shù)確定為0.2MPa壓力和165℃溫度下保溫15min，制取的發(fā)泡包裝板材具有良好的力學(xué)性能。

4 結(jié)束語

藥用植物剩余物與淀粉結(jié)合作為制作發(fā)泡包裝材料的原料，一方面減少了濫棄藥用植物剩余物對環(huán)境的污染;另一方面代替了目前使用較多的EPS、紙漿模塑等材料，有利于資源利用的可持續(xù)發(fā)展。

藥用植物發(fā)泡包裝材料制制備過程中，根據(jù)材料的靜態(tài)壓縮曲線，計(jì)算最大載荷、彈性模量和壓縮模量，確定藥用植物發(fā)泡包裝新材料的最優(yōu)加工工藝，最終獲得理化性能最優(yōu)的藥用植物剩余物發(fā)泡緩沖材料。原料的預(yù)處理、淀粉的改性、含水率的控制、膠粘劑種類及用量、熱壓過程的溫度、壓力與時(shí)間是影響材料力學(xué)性能的主要因素。

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