發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料性能及制備工藝的研究

肖俊芳，肖生苓，高獻(xiàn)策

(東北林業(yè)大學(xué)森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150040)

1 發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料的研究意義

目前，泡沫塑料作為緩沖包裝材料被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、家用電器、機(jī)械產(chǎn)品和儀器儀表等領(lǐng)域，尤其以EPS用量最大。隨著商品包裝市場(chǎng)的快速發(fā)展，泡沫塑料引起的白色污染日益嚴(yán)重，國(guó)際上對(duì)包裝提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。因此，尋求開(kāi)發(fā)一種新型的環(huán)保包裝材料替代泡沫塑料產(chǎn)品具有十分重要的意義。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外廣泛研究的綠色緩沖包裝材料是紙制品，如瓦楞紙板、蜂窩紙板和紙漿模塑等［1］。和泡沫塑料相比，制作成本較高，重量較大，抗震耐沖擊性能差。由于受到模具結(jié)構(gòu)及加工的影響，材料只適合小型物件的外包裝或者緩沖內(nèi)襯，而對(duì)于尺寸、質(zhì)量較大的物件，并不能滿足其包裝需求。在國(guó)內(nèi)，由于制漿造紙過(guò)程并非采用潔凈生產(chǎn)工藝，極大地限制了紙漿模塑材料的發(fā)展。

近年來(lái)，利用植物纖維為原料制作緩沖包裝材料，成為又一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。該材料以植物纖維和淀粉為主要原料，添加多種助劑制作而成，原料來(lái)源廣，綜合成本低，生產(chǎn)工藝便捷，緩沖性能好，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。植物纖維來(lái)源于自然界中的植物剩余物，包括農(nóng)業(yè)剩余物如稻麥草、玉米秸稈、高粱秸稈、向日葵桿等［1］，林業(yè)剩余物如落葉松、紅松等鋸末、刨花等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)林區(qū)每年約有1 000～1 500萬(wàn)m3的采伐加工剩余物，以及6 000萬(wàn)m3的“次，小，薪”材資源［2］;并且我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈資源也非常豐富，年產(chǎn)量達(dá)數(shù)億噸。但是這些豐富的農(nóng)業(yè)、林業(yè)剩余物資源在我國(guó)的利用率卻很低，大部分作為垃圾丟棄或者焚燒處理，給環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致了自然資源的巨大損耗。開(kāi)發(fā)植物纖維發(fā)泡緩沖包裝材料，不但可以滿足國(guó)內(nèi)外包裝市場(chǎng)的需求，而且有助于提高資源利用率，改善生態(tài)環(huán)境，具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

2 主要緩沖包裝材料的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

當(dāng)前，包裝材料市場(chǎng)應(yīng)用較多的主要是EPS發(fā)泡制品和紙漿模塑制品，植物纖維發(fā)泡制品以其良好的使用性能、原料來(lái)源豐富、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，正在迅速發(fā)展。下面從不同方面對(duì)這三種主要緩沖包裝材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)在環(huán)境保護(hù)方面，EPS發(fā)泡制品廢棄物不會(huì)自然降解，無(wú)法回收再利用，易燃，有毒，焚燒處理會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且在生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常使用破壞大氣臭氧層的氯氟烴 (CFCs)物質(zhì)作為發(fā)泡劑，對(duì)環(huán)境影響極大;紙漿模塑制品雖然不具自燃性，安全無(wú)毒，也可以回收利用，但是因?yàn)樵诩垵{制造過(guò)程中，會(huì)造成水污染，所以對(duì)其是否是綠色包裝爭(zhēng)議很大;而植物纖維發(fā)泡制品不僅不具自燃性，可回收再利用，而且在整個(gè)制造和生產(chǎn)過(guò)程中安全無(wú)毒，是一種很好的綠色包裝材料。

(2)在使用性能方面，EPS發(fā)泡制品材積膨松，具有很好的緩沖性能和防震性能，但是不具防潮性;紙漿模塑制品和EPS發(fā)泡材料相比，緩沖性能和防震性能略差，重量大，僅僅只能用在小型物件上，但是有一定的防潮性;而植物纖維發(fā)泡制品材積比較膨松，具有良好的緩沖性能、防震性能和防潮性。

(3)在經(jīng)濟(jì)成本方面，EPS發(fā)泡制品成本低廉，但是原料來(lái)源無(wú)法掌握，單價(jià)偏高，再生費(fèi)用高;紙漿模塑制品成本略高于EPS發(fā)泡制品，原料來(lái)源是再生紙制品、紙漿，市場(chǎng)前景受制約;而植物纖維發(fā)泡制品成本低于紙漿模塑，制作工藝簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，潛力巨大。

3 植物纖維緩沖包裝材料的發(fā)泡工藝與制備方法

目前，國(guó)內(nèi)外在植物纖維緩沖包裝材料發(fā)泡工藝及制備方法的研究方面，已取得了一定進(jìn)展。發(fā)泡工藝主要有使用化學(xué)發(fā)泡劑和水蒸氣發(fā)泡兩種;制備方法主要有一步法成型和兩步法成型兩種。

3.1 植物纖維緩沖材料的發(fā)泡工藝

(1)不使用化學(xué)發(fā)泡劑。材料主要是利用水蒸氣進(jìn)行發(fā)泡，當(dāng)模具中溫度超過(guò)100℃之后，材料中水分蒸發(fā)，使其內(nèi)部產(chǎn)生泡孔，達(dá)到發(fā)泡目的。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和使用過(guò)程都對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可以回收，重新加工再利用。從經(jīng)濟(jì)效益看，綜合成本較低，具有很大的應(yīng)用前景。

(2)使用化學(xué)發(fā)泡劑。使用發(fā)泡劑的植物纖維發(fā)泡制品，主要采用各種化學(xué)發(fā)泡劑的作用發(fā)泡。該方法對(duì)于發(fā)泡的控制要容易些，目前發(fā)泡劑主要有:4，4－氧代雙苯磺酰肼、碳酸氫鈉、尿素和偶氮二甲酰胺等，其中有些發(fā)泡劑對(duì)環(huán)境有不利影響。因而如果選用不當(dāng)，在生產(chǎn)過(guò)程中以及使用后的處理中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染［3］。

3.2 植物纖維緩沖材料的制備方法

(1)一步法成型的工藝特點(diǎn)。材料的發(fā)泡和模壓一次成型，通過(guò)化學(xué)發(fā)泡劑作用進(jìn)行發(fā)泡。工藝難度小，適合制作體積尺寸小、質(zhì)量小的緩沖材料。工藝流程是將物料混合，制成漿體，然后放入模壓機(jī)進(jìn)行模壓，在一定溫度和壓力作用下，發(fā)泡成型。待冷卻后，進(jìn)行脫模處理，即得成品。

(2)兩步法成型的工藝特點(diǎn)。兩步法成型通過(guò)水蒸氣作用發(fā)泡，工藝難度大，材料的形狀、大小可根據(jù)金屬模具的形狀、大小進(jìn)行調(diào)整選擇。適合制作體積大、質(zhì)量大的緩沖材料。原料制備:先將一定量的發(fā)泡劑、增塑劑和潤(rùn)滑劑等助劑進(jìn)行一次混煉后備用;再將植物纖維等原材料進(jìn)行粉碎處理，成纖維狀，使其與淀粉溶液按比例混合，制成糊狀備用。然后將混合糊和添加劑共混，進(jìn)行二次混煉。隨后送入擠壓機(jī)制成圓柱顆粒，在擠壓過(guò)程中，原料受水蒸氣作用發(fā)泡。再用所得的圓柱形顆粒做原料，送入專用金屬模具，進(jìn)行加壓加熱［4－5］，冷卻后脫模，即得成品。

本課題制作的緩沖包裝材料由于體積尺寸小，質(zhì)量也輕，故采用一步法成型，利用化學(xué)發(fā)泡劑作用進(jìn)行發(fā)泡。原料采用紅松、落葉松植物纖維，經(jīng)表面預(yù)處理后，與糊化淀粉按一定比例混合，然后加入增塑劑、潤(rùn)滑劑、發(fā)泡劑等加工助劑，制漿，送入模壓機(jī)，通過(guò)溫度、時(shí)間、壓力的控制，使其發(fā)泡成型，冷卻脫模后即得成品。工藝流程如圖1所示:

圖1 發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料工藝流程圖Fig.1 Production flow chart of foam plant fiber cushioning packaging material

4 結(jié)束語(yǔ)

利用植物纖維制作緩沖包裝材料，原料來(lái)源豐富、成本低廉，生產(chǎn)和使用過(guò)程中無(wú)污染和有害物產(chǎn)生，不僅提高了資源利用率，而且滿足綠色環(huán)保的生產(chǎn)要求;在制備工藝方面，主要加強(qiáng)植物纖維發(fā)泡工藝設(shè)備的研制，重點(diǎn)發(fā)展對(duì)環(huán)境無(wú)影響的植物纖維發(fā)泡技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，不斷完善材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的連續(xù)性生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

［1］王高升，邵文泉，王 麗，等.農(nóng)作物秸稈緩沖包裝材料的研制［J］.包裝工程，2001，6(22):16 －18.

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