可降解泡沫在運(yùn)輸包裝領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展

鄒祎祎 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

引言

在當(dāng)下的商品包裝材料中，有紙制、塑料、木材、金屬、復(fù)合材料等不同類別。其中以發(fā)泡塑料又稱聚合物泡沫為代表的包裝材料具有相對密度低，比模量、比強(qiáng)度高、吸收載荷、隔熱和隔音性能力，但因石油基發(fā)泡塑料無法降解而導(dǎo)致的環(huán)境污染問題深深地困擾著人們，無法成為理想的包裝材料[1]。近年來，為減少產(chǎn)品在貯運(yùn)過程中的損失，同時避免發(fā)泡材料無法降解而污染環(huán)境，眾多學(xué)者對纖維素基泡沫運(yùn)輸包裝材料進(jìn)行研究，文中介紹了運(yùn)輸包裝并綜述幾種可降解運(yùn)輸包裝泡沫材料并分析其應(yīng)用前景。

1. 泡沫運(yùn)輸包裝

隨著電商業(yè)、物流運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，所涉及的大量運(yùn)輸包裝問題越來越受到人們的重視。采用發(fā)泡材料制成一種具有無數(shù)蜂窩狀結(jié)構(gòu)的多胞材料，其通性是密度低，與其他運(yùn)輸包裝材料相比更輕幾倍甚至幾十倍。這種以運(yùn)輸儲存為主要目的的包裝稱為運(yùn)輸包裝[2]。

1.1 大型運(yùn)輸包裝

大型運(yùn)輸包裝件，是指質(zhì)量為500～20000 kg，包裝箱尺寸一條邊長在120 cm 以上運(yùn)輸包裝件。用于包裝如機(jī)床和其他大型機(jī)電產(chǎn)品的包裝。大型運(yùn)輸包裝件一般體積大、重量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用泡沫材料制造的大型運(yùn)輸包裝可以起到較好的保護(hù)作用并能有效的減少包裝件的重量。

1.2 緩沖包裝

在硬質(zhì)泡沫塑料體內(nèi)制成與不規(guī)則產(chǎn)品相同外型的半陰模，把產(chǎn)品放在其中，由兩個半邊陰模將產(chǎn)品緊密的包裝好，而泡沫塑料緩沖體的外型則是成為規(guī)整的形狀，這種成型的緩沖包裝體，用膠帶粘合后放入包裝箱中。保證精密儀器、易碎品和工藝品等物品的運(yùn)輸儲存。

1.3 保溫包裝

海鮮產(chǎn)品、生物制劑、乳制品等溫度敏感性產(chǎn)品在包裝貯藏和運(yùn)輸過程中需要保持產(chǎn)品的新鮮和營養(yǎng)品質(zhì)。在運(yùn)輸途中受運(yùn)輸條件的影響易解凍，從而影響產(chǎn)品品質(zhì)，泡沫保溫包裝有較好的隔熱吸水減振性能，可以保持溫度敏感性產(chǎn)品干燥，防止微生物繁殖。

2. 可降解泡沫材料

泡沫包裝材料不僅要考慮到產(chǎn)品安全和環(huán)保問題,同時也要考慮生產(chǎn)原料的開發(fā)和利用問題。常用的泡沫包裝材料難降解,會產(chǎn)生白色污染，因此，環(huán)境友好型可降解包裝泡沫材料是現(xiàn)代運(yùn)輸包裝發(fā)展的必然趨勢。

2.1 PVF 可降解泡沫材料

聚乙烯醇縮甲醛（PVF）是由聚乙烯醇在酸催化作用下與甲醛縮合而成的一種性能優(yōu)良的微孔泡沫塑料。可以通過添加天然高分子材料淀粉和纖維來制備可降解的PVF 包裝泡沫塑料。

國內(nèi)學(xué)者安美清[3]通過材料的動態(tài)和靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PVF 泡沫塑料作為一般運(yùn)輸包裝件，其緩沖性能不佳。但是通過對實(shí)驗(yàn)前后材料厚度的變化，發(fā)現(xiàn)材料的厚度變化率較小，具有類似硬橡膠的性能。即在較大負(fù)載下，雖然彈性不是特別好，但材料不會被壓潰，能起到保護(hù)產(chǎn)品的作用。在選用緩沖材料時，還應(yīng)考慮被緩沖包裝的產(chǎn)品的最大允許加速度，對于允許承受大加速度的產(chǎn)品，可以承受較大的沖擊力，它不怎么需要防振，可以選用彈性較差的緩沖材料。

PVF 泡沫塑料具有包裝材料的特性，可以應(yīng)用于運(yùn)輸包裝領(lǐng)域，并且具有一定的降解能力。為考慮進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，有必要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價。通過原料價格分析，PVF 作為運(yùn)輸包裝材料是具有一定經(jīng)濟(jì)價值的。

2.2 EPP 可降解泡沫材料

EPP 是一種性能卓越的高結(jié)晶型可降解，可回收利用泡沫材料，它是高熔體強(qiáng)度聚丙烯樹脂以CO2氣體為發(fā)泡劑在高溫高壓條件下制得的，通過改變發(fā)泡溫度和壓力可以制備密度不同EPP材料。由于聚丙烯自身的特性以及獨(dú)特的發(fā)泡成型工藝使得EPP 材料具有一系列優(yōu)異的性能[4]。

PP 的熔體強(qiáng)度很低，表現(xiàn)出明顯的拉伸軟化行為，不利于發(fā)泡；通過改性提高PP 的熔體強(qiáng)度可以顯著改善的熔體粘彈性，但較高的成本限制其在發(fā)泡領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。如何基于通用PP樹脂制備EPP 材料是這一領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)。翟文濤等開展了納米粒子調(diào)控PP 連續(xù)擠出發(fā)泡機(jī)制的研究。當(dāng)在PP 中復(fù)合1～5wt%的納米蒙脫土或者納米二氧化硅時，PP 的擠出發(fā)泡行為顯著改善，表現(xiàn)為泡孔結(jié)構(gòu)變得均勻，泡孔密度增加，膨脹倍率提高，發(fā)泡窗口拓寬。納米粒子賦予通用PP 改善的超臨CO2連續(xù)擠出發(fā)泡行為，但所制備的發(fā)泡材料存在開孔率高的問題，這影響了PP 發(fā)泡材料的下游應(yīng)用。為了解決這一問題，采用釜壓發(fā)泡技術(shù)，利用結(jié)晶提高PP 熔體強(qiáng)度的機(jī)制，制備高閉孔率的PP 發(fā)泡材料PP 發(fā)泡粒子（EPP）。該成果將為EPP 材料的大規(guī)模應(yīng)用于運(yùn)輸包裝領(lǐng)域提供了保證[5]。

德國包裝制造商Overath 公司生產(chǎn)的Flipbox 運(yùn)輸箱兼具隔熱保溫和塑料折疊籃的功能，采用的巴斯夫膨脹聚乙烯泡沫Neopolen P 泡沫具有強(qiáng)大的抗沖擊能力和良好的保溫性能，確保Flip-box 經(jīng)過多次撞擊后仍能極好的吸收能量，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他同類產(chǎn)品[6]。

2.3 PVA 可降解材料

PVA 是一種多羥基強(qiáng)氫鍵聚合物，因性能優(yōu)異已經(jīng)在運(yùn)輸包裝領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。PVA 不僅具有較強(qiáng)的極性、耐熱性及抗靜電性，且可以作為固定化細(xì)胞和氧、光催化劑的負(fù)載體，還可與多種材料共混，在制備水中過濾吸附材料、隔熱材料、食品藥品保鮮等多功能復(fù)合泡沫材料方面具有突出優(yōu)勢[7—11]。PVA 分子中的羥基以及材料本身的開孔結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的吸水和保水性能，吸水量可達(dá)其自身質(zhì)量的6～30 倍[12]，業(yè)內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)對吸水機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。周浩等[13]用紅外光譜對吸水前后的聚乙烯醇泡沫進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)其吸水前后無新的波峰出現(xiàn)，表明在吸水過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，屬物理吸附。吸水后—OH 伸縮振動峰變高變寬，得到加強(qiáng)，說明有分子間氫鍵形成。樊李紅等[14]通過機(jī)械發(fā)泡的方法制備了PVA/海藻酸鈉海綿，并研究了海藻酸鈉含量對海綿吸水性能的影響。羅志波等[15]采用發(fā)泡法制備出親水性。浙江理工大學(xué)朱宏[16]研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇極性泡沫吸液行為主要包括物理吸附與化學(xué)吸附，其中物理吸附為主，化學(xué)吸附為輔。聚乙烯醇極性泡沫作為冷鏈材料具有突出的優(yōu)勢。其產(chǎn)品吸收的水分為包覆水和結(jié)合水等2 部分，且體積熱容量比一般泡沫塑料都要大。

PVA 泡沫具有特種材料抗菌耐化學(xué)藥品的特點(diǎn)[17]，可反復(fù)吸液，且吸液飽和經(jīng)脫液后，再次吸液性能良好[18]。PVA 泡沫適用運(yùn)輸冷鏈產(chǎn)品或危險品的緩沖外包裝，當(dāng)內(nèi)包裝破損后，PVA 泡沫可立即吸收液體，防止泄露液體產(chǎn)生腐蝕。

2.4 PLA 及其改性可降解材料

聚乳酸是一種以可再生的植物資源為原料經(jīng)過化學(xué)合成制備的生物降解高分子，擺脫了對石油資源的依賴。它是一種熱塑性脂肪族聚酯，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)分別為60℃和165℃左右，在室溫下是一種處于玻璃態(tài)的硬質(zhì)高分子樹脂，其熱性能與聚苯乙烯相似[19]。PLA 能夠同普通高分子樹脂一樣進(jìn)行各種成型加工（如擠出、吹膜、注塑等），且其生產(chǎn)制造過程造成的環(huán)境負(fù)荷?。黄渲苽涑善房杀粡V泛應(yīng)用于包裝材料行業(yè)。PLA具有良好的可堆肥性、生物降解性，故廢棄的PLA制品常采用堆肥、掩埋等回收方式進(jìn)行處理，且其降解所產(chǎn)生的二氧化碳和水可以返回自然界，重新加入到植物的光合作用過程中，從而使地球上的碳循環(huán)維持平衡。由此可見，PLA 能夠滿足可持續(xù)發(fā)展的要求[20-22]。PLA 作為工業(yè)高分子材料的應(yīng)用是于20 世紀(jì)90 年代中期美國的Cargill公司向市場大規(guī)模提供了性能穩(wěn)定且廉價的PLA樹脂之后才全面展開的，隨后許多發(fā)達(dá)國家尤其是日本在PLA 的研發(fā)方面做了大量突出的工作?，F(xiàn)在PLA 材料的應(yīng)用已經(jīng)由最初的包裝材料等短使用周期商品發(fā)展到土木建筑業(yè)、日常生活用品等具有較長使用周期的商品，甚至用作汽車等高性能的耐久性商品為了節(jié)約成本及減輕制品本身的重量，人們又開發(fā)了PLA 的發(fā)泡技術(shù)。PLA發(fā)泡材料是以PLA 樹脂為主要原料，加入發(fā)泡劑、成核劑及其它添加劑進(jìn)行發(fā)泡而形成的閉孔硬質(zhì)泡沫材料。在聚乳酸發(fā)泡材料的研究方面，Sterzel 等[23]采用物理發(fā)泡的方法制備了聚乳酸發(fā)泡塑料，但這種加工方法因?qū)嵤├щy而沒有得以推廣發(fā)展。Kameoka 等[24]以聚乳酸為主要原料，不加填充物，采用化學(xué)發(fā)泡直接擠出的方法制備聚乳酸塑料，所得泡沫塑料密度為0.5 g/cm3，這種工藝雖然過程簡單但對設(shè)備和人工操作的要求均比較高。日本鐘紡公司[25]開發(fā)了以水蒸氣為發(fā)泡劑的聚乳酸發(fā)泡材料和發(fā)泡珠粒法制備的發(fā)泡成型體，用其來作為發(fā)泡苯乙烯的替代品，實(shí)踐證明這種聚乳酸發(fā)泡材料的使用壽命很低。日本積水化成品工業(yè)公司[26]開發(fā)出在加熱到150℃時仍具有產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性的聚乳酸樹脂發(fā)泡體，該新型發(fā)泡體是通過粒料法制備的，其具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、耐溶劑性和耐氣候性等特點(diǎn)。

盡管PLA 發(fā)泡材料具有許多優(yōu)良的性能，但其應(yīng)用卻受到兩大問題的制約：一是熔融溫度低，普通聚乳酸的熔融溫度只有150℃左右，軟化溫度不超過90℃，大大限制了聚乳酸發(fā)泡材料的應(yīng)用；二是室溫脆性，表現(xiàn)為制品因沖擊韌性不足而不能作為緩沖包裝材料。為了解決單一PLA 發(fā)泡體系加工及使用性能的不足，孔穎[27]等通過對PLA、PCL 與納米蒙脫土復(fù)合改性發(fā)泡的獲得一種性能優(yōu)異的PLA 基發(fā)泡材料，解決了聚乳酸的室溫脆性、耐熱性問題。

3. 結(jié)語

為了滿足物流運(yùn)輸業(yè)以及為環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，性能優(yōu)良的可降解運(yùn)輸包裝泡沫材料的開發(fā)和研究是研究重點(diǎn)，因此，基于可降解的泡沫運(yùn)輸包裝新型材料具有廣闊的市場應(yīng)用前景。通過對聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯醇、聚乳酸、聚丙烯等可降解泡沫的研究狀況、研究過程中的難點(diǎn)進(jìn)行分析可以看出，低成本、良好的吸水保溫性能、優(yōu)異的力學(xué)性能仍是可降解泡沫運(yùn)輸包裝材料未來研究的重點(diǎn)，可降解泡沫材料的生產(chǎn)工藝還有待提高。