發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

肖俊芳，肖生苓，高獻(xiàn)策

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

我國包裝企業(yè)大多數(shù)生產(chǎn)模式為單向線狀型，不僅生產(chǎn)成本高，資源、能源消耗大，社會效益差，而且包裝在生產(chǎn)和使用中，會由于排出大量廢棄物而對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料是以植物纖維為主要原料，添加化學(xué)發(fā)泡劑或者通過水蒸氣作用發(fā)泡形成的一種新型環(huán)保材料。該材料以原料來源豐富、成本低廉、良好的使用性能及廢棄物可完全降解、綠色環(huán)保等優(yōu)點，成為替代EPS泡沫塑料，減少白色污染，提高資源利用率的一種有效途徑。

1 發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料國外研究現(xiàn)狀

目前，為了尋找研究無污染的新型環(huán)保包裝材料，歐美及日本等發(fā)達(dá)國家，對植物纖維發(fā)泡技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，所采用的工藝方法主要集中在物理發(fā)泡，即通過水蒸氣作用進(jìn)行發(fā)泡，形成顆粒型發(fā)泡紙漿。由于水蒸氣發(fā)泡對設(shè)備的要求比較高，工藝方法難度大，提高了成本，但在生產(chǎn)、使用中對環(huán)境沒有有害影響［1］。

德國PSP公司采用廢報紙、舊書作原料制成纖維狀紙漿，和面粉按一定比例混合后注入擠壓機(jī)，形成發(fā)泡紙顆粒，形狀為圓柱形;然后再用發(fā)泡紙，根據(jù)需要生產(chǎn)不同形狀的包裝材料。和泡沫塑料相比，該新型工藝優(yōu)點在于一次成型，通過水蒸氣作用發(fā)泡，不需化學(xué)添加劑，使用后還可以回收、再加工，對環(huán)境沒有不利影響［2］。

日本帝人公司以天然紙漿為原料，加工成顆粒狀或長條狀，制成新型的緩沖包裝材料。材料加熱后易成型，發(fā)泡率高。和傳統(tǒng)泡沫塑料EPS相比，質(zhì)輕、吸收沖擊性能好，但是由于成本較高，現(xiàn)在還沒有大量生產(chǎn)［3］。

日本工業(yè)技術(shù)研究所采用干式紙漿發(fā)泡技術(shù)，以廢紙為原料，粉碎后和淀粉糊混合制成小顆粒狀，直徑約為1～3 mm。然后吹入金屬膜，加熱加壓，可制作不同規(guī)格的包裝材料。和濕式紙漿模法相比，由于不需要大量水，減少了干燥流水線和廢水處理設(shè)備，節(jié)約成本;生產(chǎn)工藝簡單，模具內(nèi)外均可發(fā)泡;制備的產(chǎn)品生物降解性好，不會造成二次污染［3］。

日本索尼公司Tsutomu Noguchi以粉碎的紙漿顆粒為原料，加入一定百分比的塑料微球和改性淀粉，混合后注入模具進(jìn)行加熱，從而發(fā)泡成型。整個過程通過水蒸氣進(jìn)行發(fā)泡，溫度為100℃，時間為1.5 min，模壓時間短。該材料緩沖性能良好，可用于音像儀器等的緩沖包裝［4］。

2 發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)一些科研院所在該項研究中大多添加化學(xué)發(fā)泡劑，通過化學(xué)作用進(jìn)行發(fā)泡。雖然對設(shè)備的要求不高，工藝較為簡單，但如果選擇發(fā)泡劑不合適，在生產(chǎn)和使用中會對環(huán)境造成一些危害。國內(nèi)對該項技術(shù)已取得了不同程度的進(jìn)展，但是仍然止步實驗室，還有待于改進(jìn)和提高。

武漢遠(yuǎn)東綠世界公司［3］利用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)原料生產(chǎn)新材料，可代替泡沫塑料。材料將改性淀粉和高纖維填充物混合，添加化學(xué)發(fā)泡劑，經(jīng)低溫、高溫兩次發(fā)泡而成。防潮性好，抗震抗壓性能好，質(zhì)輕，成本低，可降解性能好，主要用于家電包裝。

廣東工業(yè)大學(xué)［5］以紙漿為原料，經(jīng)低溫發(fā)泡，真空成型，生產(chǎn)出發(fā)泡紙托。發(fā)泡溫度不超過150℃，可在烘干過程中進(jìn)行，也可在模具外進(jìn)行。材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和發(fā)泡劑的加入量成負(fù)相關(guān)關(guān)系;而跌落高度和發(fā)泡度開始成正相關(guān)，當(dāng)發(fā)泡度達(dá)到臨界值時，兩者成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

肖生苓、曹斌等人［6］以落葉松、紅松等木質(zhì)剩余物及淀粉為主要原料，添加一定量的發(fā)泡劑、增塑劑、增白劑、潤滑劑等助劑，采用一步法成型制出一種新型環(huán)保包裝緩沖材料，材料結(jié)構(gòu)比較疏松，抗震緩沖性能好，具有一定的回彈性。

高德、常江［7］以玉米和淀粉為主要原料制作緩沖包裝材料。通過單因素 (植物纖維、淀粉、發(fā)泡劑用量及溫度、時間等)影響分析和方案優(yōu)化，制備了具有可降解性能的緩沖包裝材料，并利用靜態(tài)壓縮實驗方法對該材料力學(xué)強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了分析。

王沛、劉煉等人［8］以玉米秸稈粉和改性玉米淀粉為主要原料與EVA膠粘劑混合，采用加熱模壓成型的方法，制備具有一定強(qiáng)度、緩沖性能良好的綠色包裝材料。結(jié)果表明:氧化淀粉是合適的粘合劑，發(fā)泡溫度應(yīng)控制在70～100℃，適合的秸稈用量為20%～30%，發(fā)泡劑用量為10%左右時，材料經(jīng)性能測試具有良好的實際使用性能。

丁毅、李堯［9］等人以農(nóng)作物秸稈粉碎物、果渣為原料，加入其它化學(xué)助劑，經(jīng)原料配比、水分調(diào)節(jié)、膨化技術(shù)和壓模等工藝后，制成減震緩沖包裝材料。該材料緩沖性能好，可降解，生產(chǎn)工藝簡單，原料來源廣。

鄒君，李慶春［10］利用蔗渣纖維為主要原料，通過對蔗渣進(jìn)行熱蒸汽適度閃爆處理，選擇合適的膠粘劑、發(fā)泡劑，攪拌均勻并加熱發(fā)泡，定型干燥后能夠得到性能良好的緩沖包裝材料。通過對蔗渣纖維、膠粘劑、發(fā)泡劑的用量配比和反應(yīng)溫度、時間等工藝參數(shù)的控制對材料密度和性能的影響，確定了最佳工藝參數(shù)條件為:蔗渣纖維添加量為25%～30%;膠粘劑用量為30%～35%;發(fā)泡劑用量為10%～15%;發(fā)泡劑配比NH4HCO3:NaHCO3為1∶2;反應(yīng)溫度控制在120℃以下。

祁書艷，劉曄［11］等人研究了以竹纖維為主要原料制作緩沖材料的工藝，并對制品的外觀和內(nèi)部形貌進(jìn)行表征，對其性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明:該材料雖然具有一定的緩沖防震性能，但是剛度差，適合質(zhì)量和脆值比較小的產(chǎn)品的緩沖包裝。

此外，宋曉利、武軍［12］研究了以天然植物纖維類為填料的發(fā)泡緩沖材料中，增塑劑對其性能的影響。通過對增塑劑用量與試驗樣品密度、緩沖性能影響的分析，得出了增塑劑與其二者并不成線性關(guān)系，而存在最佳用量問題。佘彬鶯［13］對該課題組已經(jīng)研制的植物纖維緩沖材料，從結(jié)構(gòu)特點和性能測試兩個方面，利用掃描電鏡、顯微鏡、和紅外光譜儀進(jìn)行分析，結(jié)果表明:該材料存在網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有一定的結(jié)合強(qiáng)度，回彈性和緩沖性能很好。

3 發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料專利研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者對于植物纖維緩沖包裝材料的研究，也發(fā)表了一些專利，取得了一定突破。但都處于剛剛起步，還沒有實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。

蘇笑海［14］以植物纖維、植物淀粉為原料，添加發(fā)泡劑、防水劑等助劑，采用二次成型發(fā)泡工藝，發(fā)明了一種“雙發(fā)泡植物纖維包裝材料”。該材料質(zhì)輕，原料來源廣，成本低;環(huán)保、抗壓抗震強(qiáng)度好、防潮防霉;而且易于降解，可回收作為有機(jī)肥料。

鄭時東、蔣桂洪［15］采用甘蔗渣、蘆葦?shù)戎参锢w維為原料，經(jīng)過物料蒸曬、干燥粉碎后，在高壓條件下蒸煮軟化，然后加入發(fā)泡劑、淀粉等，進(jìn)行一次發(fā)泡;再加入防水劑、三元醇等助劑，在一定溫度下進(jìn)行二次發(fā)泡，制備出了一種完全可分解無污染的天然植物纖維發(fā)泡包裝材料。

周謀志、何庭樹和陳恩忠［16］采用農(nóng)作物秸稈為主要原料，粉碎后和粘接劑混合，添加一定量的交聯(lián)劑、催化劑和發(fā)泡劑，加熱發(fā)泡，即可制成減震緩沖包裝材料。制備工藝簡單、生產(chǎn)效率高，綜合成本低;易于降解，無環(huán)境污染，減震緩沖性能好，可廣泛用于大小家電、儀表等商品的包裝上。

曾廣勝［17］以熱塑性玉米淀粉、針葉木纖維為主要原料，與聚乳酸、無機(jī)填料、交聯(lián)劑、增溶劑混合后，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混擠出得到一種新型的可降解包裝材料，無毒環(huán)保，成本低，機(jī)械性能良好。曾廣勝［18］還以廢膠粉和植物纖維為主要原料，添加潤滑劑，熱穩(wěn)定劑以及其他助劑，通過動態(tài)擠出造粒，進(jìn)行模壓發(fā)泡，制備出一種復(fù)合發(fā)泡材料，生產(chǎn)工藝簡單，性價比高，節(jié)約資源。

王洪、吳海波［19］等人以粘膠纖維或者廢舊聚酯纖維為原料，以乙烯－乙烯醇共聚物為熱熔粉，加入中藥渣，制成一種中藥渣填充非織造復(fù)合材料。該發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單，流程短，生產(chǎn)效率高，成本低;獲得的材料在滿足隔振性、耐熱性、隔音性、吸音性、隔熱性和緩沖性能等性能之外，由于中藥渣的添加還賦予材料一定的抗菌作用，適應(yīng)創(chuàng)建節(jié)約型社會的形勢，滿足人們對生活健康安全性的要求。

4 發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料的研究趨勢

(1)重點發(fā)展對環(huán)境無影響的發(fā)泡技術(shù)。在國內(nèi)，植物纖維緩沖包裝材料生產(chǎn)過程大多添加化學(xué)發(fā)泡劑，應(yīng)把研究重點轉(zhuǎn)移到通過水蒸氣作用進(jìn)行發(fā)泡，徹底實現(xiàn)無污染、達(dá)到環(huán)保高要求。

(2)優(yōu)化工藝參數(shù)，加強(qiáng)設(shè)備研制?，F(xiàn)在，國內(nèi)外研究趨勢尚停留在實驗室，對于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)要求相差甚遠(yuǎn)。為實現(xiàn)連續(xù)自動化，滿足市場需求，應(yīng)在材料配方、工藝參數(shù)選擇和專用設(shè)備研發(fā)等方面加大力度。

(3)提高材料的綜合使用性能。目前對材料的研究主要集中在單件和實驗性，由于缺乏系統(tǒng)性、全面性，無法應(yīng)用到實際使用中，因而在這方面應(yīng)加大研究力度，以便進(jìn)行有針對性的改進(jìn)提高。

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