可降解木塑復(fù)合緩沖包裝襯墊材料的研究綜述

陳艷娜，肖生苓，李 琛

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

隨著電子商務(wù)和物流行業(yè)的不斷發(fā)展，塑料泡沫包裝制品的需求量迅速增大。泡沫塑料使用后的廢棄物給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響，加劇了白色污染。因此近年來國內(nèi)外專家學(xué)者對可降解性塑料及其復(fù)合材料開展了一些列的研究[1]。其中聚乳酸作為完全可降解的塑料受到關(guān)注，但單一的聚乳酸材料脆性高、抗變形能力差，且成本較高，因此聚乳酸與植物纖維、淀粉等價格較低且可降解的材料進(jìn)行復(fù)合制備可降解緩沖材料成為發(fā)展的趨勢[2]。

1 國外可降解木塑復(fù)合發(fā)泡材料的研究現(xiàn)狀

國外木塑復(fù)合發(fā)泡材料制備的工藝比國內(nèi)要早，已經(jīng)達(dá)到一定的技術(shù)水平，對聚乳酸發(fā)泡的研究主要集中在聚乳酸與植物纖維、淀粉的復(fù)合發(fā)泡研究，以及聚乳酸與其他塑料共混的特性研究。

1.1 天然纖維對復(fù)合發(fā)泡材料的影響

天然纖維作為基體，其性質(zhì)對復(fù)合材料的性質(zhì)有很大的影響。Bledzki Andrzej K[3]等人發(fā)現(xiàn)了木粉的長度、幾何形狀及其用量等因素對復(fù)合材料中泡孔的大小、形狀及分布有影響，并作了進(jìn)一步的研究。

木粉作為填充材料降低了可降解塑料發(fā)泡的成本，對力學(xué)性能也有很大的改變。Benjamin B[4]等研究了PLA/Cordenka纖維和PLA/亞麻纖維注塑復(fù)合材料的沖擊和拉伸性能，結(jié)果表明，當(dāng)纖維百分含量為30%時PLA/Cordenka纖維復(fù)合材料沖擊性能和拉伸性能最好，但此時聚乳酸和天然纖維之間的相容性不好。

1.2 復(fù)合發(fā)泡材料的增黏改性研究

緩沖效果主要取決于發(fā)泡的泡孔結(jié)構(gòu)、均勻性以及材料的韌性，并且復(fù)合材料的熔體黏度對發(fā)泡的效果有一定的影響。單一聚乳酸材料熔體黏度不高，發(fā)泡時泡孔容易破裂，無法形成完整的泡孔結(jié)構(gòu)。而木粉的存在可以改變復(fù)合材料的流動性，但熔體黏度過高，發(fā)泡時阻力大，無法獲得較高的發(fā)泡倍率，影響緩沖效果，此外木粉表面有羥基，容易發(fā)生團(tuán)聚，造成木粉在塑料基體中分布不均勻，進(jìn)而影響泡孔的均勻性和材料的力學(xué)性能。Meligy[5]的研究中指出了纖維的加入會影響聚乳酸的結(jié)晶性能，從而進(jìn)一步影響復(fù)合發(fā)泡材料的成核效率。因此要控制木粉的加入量并適當(dāng)對木粉進(jìn)行改性。

為了提高材料韌性，改善發(fā)泡效果，增加回彈性，可以通過加入增韌劑、增塑劑等來改變?nèi)垠w的黏度。O.Martin[6]等人考察了PEG、檸檬酸酷、甘油和乳酸低聚物對PLA的增塑效果，相同添加量下PEG的增塑效果最好。

1.3 復(fù)合發(fā)泡材料的界面相容性

Islam[7]等的研究表明，將纖維原料經(jīng)堿處理后，可以延緩PLA/大麻纖維的老化。由此，可根據(jù)不同應(yīng)用的要求選擇纖維的處理方法。Lee[8]等通過硅烷處理和梳理工藝提高聚乳酸/洋麻纖維的界面相容性。Meligy[5]等用馬來酸酐對纖維表面進(jìn)行處理，與纖維未處理的材料相比，機(jī)械性能和介電性能有很大的改善。而A.H.Michel等[9]采用馬來酸酐為增容劑制備聚乳酸與甘油改性淀粉的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)馬來酸酐可以改善兩者的相容性，使其表現(xiàn)出更好的柔韌性。

1.4 其他方面的研究

制備木塑復(fù)合發(fā)泡緩沖材料，需要加入發(fā)泡劑，通過控制發(fā)泡劑的用量、反應(yīng)溫度等條件使復(fù)合材料的泡孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均勻，并具有一定的回彈性以達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的。Matuana L M[10]等研究了發(fā)泡劑含量對PLA泡沫塑料性能的影響，結(jié)果顯示，隨著發(fā)泡劑含量的增加，孔隙率和泡孔密度先增加后減小，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，孔隙率先增加后減小而泡孔密度一直增加。當(dāng)發(fā)泡劑含量和螺桿轉(zhuǎn)速在一個適當(dāng)?shù)慕M合時，可以得到泡孔分布均勻、泡孔直徑適中的聚乳酸發(fā)泡材料。

復(fù)合材料的可降解性、耐水性等關(guān)系到復(fù)合材料的使用性能，更關(guān)系到復(fù)合材料能否用于實際生產(chǎn)。Ganjyal[11]等對淀粉醋酸鹽/PLA復(fù)合發(fā)泡材料的降解性能進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，PLA含量增高會加速發(fā)泡材料的降解速率。Wu等[12]將馬來酸酐接枝聚乳酸與廢舊天然纖維復(fù)合材料制成可完全生物降解的PLA-g-MA/GCF復(fù)合材料，且復(fù)合材料的降解性要比單一聚乳酸要好。Willett[13]等研究指出，當(dāng)?shù)矸?PLA復(fù)合發(fā)泡材料的相對濕度達(dá)到50%時復(fù)合發(fā)泡材料的吸水性能下降，抗壓強(qiáng)度與材料的密度有關(guān)與淀粉類型和聚合物結(jié)構(gòu)無關(guān)，淀粉/PLA復(fù)合發(fā)泡材料界面存在相分離現(xiàn)象。

2 國內(nèi)可降解復(fù)合發(fā)泡材料的研究現(xiàn)狀

近十年來，生物降解聚乳酸材料在國內(nèi)迅速發(fā)展，有一些學(xué)者將目光投向與聚乳酸相關(guān)的復(fù)合材料研究[14-16]，但關(guān)于緩沖包裝的研究較少。在國內(nèi)，將廢棄的淀粉或植物纖維等農(nóng)林業(yè)剩余物加入到通用塑料[17-18]、聚氨酯[19]等材料中制備緩沖包裝材料已經(jīng)取得了較大的突破，該研究為植物纖維與聚乳酸復(fù)合發(fā)泡緩沖材料的研究提供了一定的參考。

2.1 天然纖維對復(fù)合材料的影響

加入的纖維因種類、大小、用量的不同對復(fù)合材料力學(xué)性能，發(fā)泡效果等有不同影響，這一點(diǎn)國內(nèi)外研究結(jié)果基本相同。

浙江大學(xué)的王瑜[20]等人研究了植物纖維含量對聚乳酸發(fā)泡材料表觀密度、膨脹率、孔隙率、力學(xué)性能和熱性能的影響。結(jié)果顯示植物纖維含量為15%時材料的表面密度最小且綜合性能最好。盛雨峰[21]等人的研究中指出隨著甘蔗渣含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢，但其下降幅度不明顯，基本保持在一個平衡狀態(tài)。此外聚乳酸/甘蔗渣復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度受甘蔗渣粒徑和含量的影響；甘蔗渣的粒徑越小，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度越大；隨著甘蔗渣含量的增大，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均呈下降趨勢。

2.2 復(fù)合發(fā)泡材料的增韌改性研究

木粉的加入使復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)生了改變，為了獲得具有較好力學(xué)性能的緩沖材料，改善發(fā)泡效果，國內(nèi)學(xué)者對聚乳酸及其復(fù)合材料的增韌改性進(jìn)行了研究。

首先，思想發(fā)動，明確認(rèn)識。要讓學(xué)生知道設(shè)預(yù)習(xí)筆記的目的：語文學(xué)習(xí)，最終無非是達(dá)到葉老所言“自能讀書，不待老師講；自能作文，不待老師改的境地”。而要做到這點(diǎn)，葉老又要求我們學(xué)生“自奮其力，自致其知”，這樣獲得的知識和能力才是有價值的。我以筆記的“質(zhì)疑”為例，讓學(xué)生認(rèn)識提出一個問題其實比解決一個問題更重要的道理，愛迪生等人就是從小愛思考，愛提問后來才成為大發(fā)明家的。向?qū)W生介紹，美國的家長關(guān)心的往往就不是子女的考試分?jǐn)?shù)，而是每天有無向老師提出過有價值的問題……漸漸地，學(xué)生思考問題的翅膀便飛了。

長春工業(yè)大學(xué)的葛歡歡[22]發(fā)現(xiàn)在聚乳酸材料中加入增塑劑(GMS)和增韌劑(ACR)使得材料的熔體的黏度有所下降，隨著ACR的加入量增加，材料的沖擊強(qiáng)度先增后減，在10%時沖擊強(qiáng)度與斷裂伸長率達(dá)到最大。此外，共混材料的彈性模量及復(fù)合黏度隨著ACR增加而增大。曲萍[23]等人對聚乙二醇增容納米纖維素/聚乳酸共混體系進(jìn)行了研究，復(fù)合材料的拉伸性能和斷裂伸長率都有一定的提高。因此聚乙二醇具有增塑的作用，改善了聚乳酸的脆性，并明顯改善了基體間的相容性，從而改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，這方面浙江大學(xué)的鄒萍萍[24]也有類似的研究結(jié)果。

2.3 復(fù)合發(fā)泡材料的界面相容性研究

木質(zhì)剩余物與可降解塑料復(fù)合發(fā)泡材料是綠色的包裝材料，符合環(huán)保的要求。但是親水性的木纖維表面與疏水的塑料之間界面相差較大，因此獲得材料力學(xué)性能不好。國內(nèi)學(xué)者把提高界面相容作為木塑復(fù)合材料研究中的一個重點(diǎn)。

提高界面相容性可以通過對植物纖維進(jìn)行表面處理、對塑料進(jìn)行表面處理、加入界面改性劑以及通過完善工藝過程來實現(xiàn)。袁華等人[25]用馬來酸酐及引發(fā)劑BPO對植物纖維進(jìn)行接枝處理，使復(fù)合體系的相容性改善。王艷玲[26]等人發(fā)現(xiàn)將木粉加入聚乳酸后復(fù)合材料拉伸性能下降，但是用硅烷偶聯(lián)劑處理后，下降的速率變小。加入增容劑NAX使復(fù)合材料熔體黏度改變，且隨著增容劑的用量增加復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度上升。

提高界面相容性也可以用多個方法一起對原材料進(jìn)行處理，比如盛雨峰[27]用堿處理和硅烷處理以及兩種結(jié)合的方法對復(fù)合材料進(jìn)行了研究。結(jié)果表明了兩者進(jìn)行結(jié)合處理后材料的拉伸性能最好、其次是堿處理。

2.4 其他方面的研究

材料在成型過程中，模壓發(fā)泡的模壓溫度、壓力等，對材料的力學(xué)性能有很大影響。王瑜[28]以聚乳酸和玉米秸稈纖維為原料，通過熔融混煉，模壓發(fā)泡的方法制備聚乳酸發(fā)泡材料。在實驗中對聚乳酸/玉米秸稈復(fù)合發(fā)泡材料進(jìn)行了力學(xué)性能的測試，結(jié)果表明通過控制模壓發(fā)泡過程，復(fù)合材料有一定的回彈性，并且可以用于緩沖包裝。

研究可降解木塑復(fù)合發(fā)泡材料的目的就是要控制降解性，降低包裝廢棄物對環(huán)境的污染[29]。崔曉霞等[30]測試了PLA/納米纖維素復(fù)合材料在磷酸緩沖溶液中及在土壤中的降解性。結(jié)果表明，隨著納米纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的吸水性和降解性均隨之提高，明顯優(yōu)于純PLA。

3 存在的問題

木塑復(fù)合發(fā)泡緩沖材料是一種綠色的包裝材料，但材料的綜合性能還存在很多不足，需要研究者們投入更多的研究。

(1)材料的生產(chǎn)工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化。國內(nèi)外對木塑發(fā)泡緩沖襯墊材料的研究還處于試驗階段，在材料的配方、加工工藝等方面還需要加大投入進(jìn)行研究，確定出適合于工業(yè)生產(chǎn)的最佳工藝方案，以使這種綠色包裝緩沖材料更早的走入市場。

(2)材料的緩沖性能不夠理想。目前實驗室制備的材料綜合性能不佳，表現(xiàn)在復(fù)合材料材料硬度大，脆性強(qiáng)、韌性不足，發(fā)泡的泡孔結(jié)構(gòu)不夠均勻，材料的回彈性小，要用于緩沖包裝還有一定的距離。因此需要加大對聚乳酸增韌改性、發(fā)泡過程、界面相容性等的研究，以獲得的性能優(yōu)良的可降解緩沖包裝材料。

(3)材料的降解可控性差。聚乳酸本身的降解性可控性不好，因此，木塑復(fù)合材料的可降解性就比較難控制。此外，材料在改性時加入的增塑劑等大多都不可降解，對復(fù)合材料的降解性也有影響。在實際中，緩沖包裝材料使用后被廢棄至于自然環(huán)境，在自然條件下的降解過程對解決環(huán)境污染問題意義重大。要實現(xiàn)控制材料的降解性，需要從材料降解的動力學(xué)角度進(jìn)一步探討。

(4)材料的成本仍然較高。盡管加入了價格低廉的木質(zhì)剩余物、植物纖維等材料，但制備這種緩沖材料的成本仍然比通用塑料緩沖材料的高，因此尋找經(jīng)濟(jì)成本較低的生產(chǎn)工藝十分重要，它決定產(chǎn)品能否投入實際應(yīng)用。

4 可降解木塑發(fā)泡材料的發(fā)展趨勢

可降解木塑復(fù)合發(fā)泡緩沖材料的研究有很大的空間，該材料今后的發(fā)展趨勢歸納為以下幾個方面：

(1)降低成本是可降解木塑緩沖材料開發(fā)和研究的一個重點(diǎn)。加大對開發(fā)復(fù)合發(fā)泡型可降解塑料的生產(chǎn)工藝研究，提高低廉材料如纖維素、淀粉等天然可降解材料在復(fù)合材料中的比例，以解決可降解塑料成本偏高的問題。

(2)開發(fā)高性能復(fù)合發(fā)泡劑和發(fā)泡助劑，研究可降解木塑復(fù)合緩沖材料的發(fā)泡機(jī)理，有助于制備出密度更低、綜合性能適應(yīng)產(chǎn)品要求的材料；

(3)提高可降解緩沖材料的綜合性能是材料能否實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題，加強(qiáng)木塑復(fù)合材料表面相容性的研究，尋找更加合適的增塑劑、增容劑是今后材料發(fā)展中的一個重點(diǎn)。

(4)木塑緩沖材料的可降解性是研究的必然趨勢，縮短可降解木塑復(fù)合發(fā)泡緩沖材料在物流包裝等行業(yè)取代現(xiàn)有木材和塑料制品的進(jìn)程，提高環(huán)保水平，是未來包裝和物流行業(yè)發(fā)展的必由之路。

5 結(jié)束語

目前可降解木塑復(fù)合發(fā)泡材料的研究還處起步階段，材料的性能、工藝等方面還存在很多問題，但是這種材料不僅可以減少污染，同時提高了林業(yè)剩余物的利用率，具有很好的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，是緩沖包裝材料研發(fā)的一個新領(lǐng)域，具有非常廣闊的發(fā)展空間。

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