利用木質剩余物和向日葵秸稈制作外包裝材料的研究

祁桂蘭，肖生苓

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040)

在現代市場經濟的發展中，商品包裝承擔著保護商品、便利儲運和宣傳美化商品的作用，它的重要性日益被生產廠家、商家和消費者所重視。隨著我國國民經濟的飛速發展，人民生活水平的大幅度提高，各類商品超級市場普遍化，各類商品包裝的數量也在急劇增加。經過改革開放30多年的發展，我國的包裝行業以年均增長15%的速度迅速發展壯大，已成為國民經濟發展不可或缺的行業［1］。近年來，包裝行業及包裝市場得到了空前的發展。

隨著包裝環保要求的不斷提高以及國際貿易中提出的檢驗檢疫等特殊要求，再加上實木包裝易潮、易燃和易腐朽、易受蟲蛀的影響，純木質包裝材料的應用日益受到限制，各種新型的包裝材料應運而生。眾所周知，我國是一個農業大國，采用原本廢棄的農作物秸稈代替木材生產包裝材料，開辟了農作物秸稈工業化應用的新領域;而且我國也是一個森林資源缺乏的國家，農作物秸稈的利用從而緩解了包裝生產對森林資源的需求。向日葵秸稈質輕價廉、來源廣泛，其纖維素及木素含量、木質化程度都較高，有一定的力學強度，可滿足制作包裝材料的原料要求，而且產品造價降低，能適應市場需求，有較強的競爭能力。

本研究以木質剩余物、向日葵秸稈作為主要原料，不但充分利用了大量剩余資源，還緩解了木材供需矛盾，增加農民收入，具有良好的社會效益、經濟效益和生態效益，具有廣闊的應用前景。

1 利用木質剩余物和向日葵秸稈制作外包裝材料的現實意義

1.1 我國森林資源及實木包裝使用的現狀

我國屬于少林國家，過量采伐和不合理消耗已使我國面臨森林資源危機。面對如此形勢，除了高效利用現有森林資源和大力營造人工林外，積極拓寬不依賴于木材資源的代用原料生產板材，開發利用林區木質剩余物，深入挖掘木材的替代產品，是緩解森林資源危機進一步加劇的有效措施之一。我國曾提出過“以鋼代木”和“以塑代木”等措施，它對緩和木材供需矛盾起過一定作用，

但從目前立足于可持續發展的觀點來看，卻并不能解決根本問題［2］。

實木包裝是國際貿易中運載貨物普遍使用的包裝材料，具有成本低、承載力強、容易加工和拆除等特點，國際貿易中約1/3的貨物使用實木包裝材料，但實木包裝較易攜帶林木有害生物，給世界各國和地區帶來現實威脅和潛在風險。據統計，入侵中國的松材線蟲、美國白蛾和紅脂大小蠹等10余種外來有害生物，每年給中國造成直接經濟損失超過574億元。另外，我國森林資源相對匱乏，近年來木材供需之間的矛盾也越來越激烈，使得實木在包裝工業中的發展得到了限制。我國海運進出口商品廣泛使用木箱包裝，2007年，僅深圳口岸有20多萬批出口貨物用木質包裝，多達500多萬件。由于受貯存條件、海洋氣候的影響、鹽霧氣氛的腐蝕，周轉木箱易受潮及腐蝕。研制具有一定強度、防潮、密封、耐腐蝕的新包裝材料以此取代木箱包裝，極具市場潛力。

1.2 木質剩余物和秸稈作為外包裝原料的意義

木質剩余物是指森林采伐、造材、木材加工利用后的剩余物，包括枝丫、枝條、樹皮、樹葉、伐根、梢頭、灌木、枯倒木、截頭、板皮、板條、根部齊頭、刨花、鋸屑、邊角余料等。木質剩余物是寶貴的生物質資源，其合理利用也是林業可持續發展的必要條件［3－4］。開發木質剩余物資源，用以研制新型包裝材料，一方面可以節約大量木材，變廢棄物為寶，使尚未得到充分利用的生物質廢棄資源發揮最大的效能，滿足國民經濟快速發展對包裝材料數量和技術性能的要求;另一方面，通過對木質剩余物的再處理，應用新的技術方法與成型工藝，研制功能型、智能型、環境友好型的生物質包裝材料，使其具備成本低廉、可工業化生產、可降解可再利用的優良特性;第三，這一項實用技術如能夠研發成功，對我國現有森林環境的保護及林業企業發展具有積極意義。

傳統的外包裝材料均是以木材為原料，木材供應的不斷減少使得包裝行業面臨原料缺乏的壓力，因此尋找木材原料的替代品是必然趨勢。人類能利用的可再生資源主要是植物，包括樹木、竹子、農作物的秸稈等。樹木的再生周期為幾十年以上，竹子的再生周期在3－5年，而農作物秸稈的再生周期為1年或者不到1年。從利用效率和利用成本來說，以農作物秸稈為原料最有利［2］。我國是農業大國，具有豐富的農作物秸稈資源。過去，秸稈主要用作飼料、燃料和造紙原料等。隨著經濟的飛速發展和生活水平的提高，燃煤、煤氣在一定程度上替代了農村傳統燃料的秸稈。在收獲季節，大量秸稈作為農業剩余物不得不在田里燒掉，這種不良的處理方法，不僅污染環境，而且使資源被大量浪費。因此，用農作物秸稈替代木材作為包裝工業的原料具有良好的社會效益、經濟效益和環境效益［5］。

1.3 向日葵秸稈的利用和研究現狀

1.3.1 向日葵秸稈概況

向日葵 (Helianthus annuus L.)屬菊科，向日葵屬作物。向日葵為一年生高大草本植物，具有天然種植優勢，產量大生產周期短，原料供需有保證。向日葵稈纖維素及木素含量都較高，且木質纖維形態與闊葉木材相似，纖維較細長，呈尖削狀。向日葵莖稈高大粗壯，稈部木質化程度比一般草本植物較高。從秸稈橫斷面觀察，主要由表皮部、木質部和髓芯部組成，各占比例為10%、75%和15%。木質部密度為0.459/cm3，與木材原料比，向日葵秸稈木質部粗糙而疏松 (根部較好、頸部較差)，密度較低，橫向強度偏低。向日葵生產主要集中在東北三省、華北北部的河北、山西、內蒙古以及西北地區的寧夏、甘肅和新疆等地。隨著我國向日葵相關產業的快速發展，近10年來，國內年種植面積基本穩定在100萬hm2左右的水平上［6－7］。

1.3.2 向日葵秸稈的研究現狀

1999年段夢麟［8］通過對向日葵秸稈木質部分的分析，確定了向日葵秸稈木質部分膠合制造人造木材的可能性，研究了利用向日葵秸稈制造人造木材的實驗室工藝。

2005年中國林科院木材所進行了較為系統的試驗研究。生產試驗表明，向日葵秸稈是一種較好的原料，表1為向日葵秸稈刨花板性能指標［9］。

表1 向日葵秸稈刨花板物理力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of sunflower straw particleboard

可見向日葵秸稈刨花板物理力學指標均高于國家標準 (GB/T4897.2－2003)要求，與木質刨花板性能接近。向日葵秸稈刨花板比木質刨花板生產成本降低15% ～20%，市場競爭力會更強［10］。

2006年李永祥［6］等提出向日葵秸稈雖然是纖維類物質，但也必須經過預處理。特別是磨碎去芯，使原料具有一定的長徑比，這對提高板材的物理性能有重要的意義。

步驟4 將決策變量決策變量Wli的值Wlit代入下層模型目標函數中，獲得下層模型函數目標值θ,s-,s+及目標值符合滿意值范圍時(下層約束條件)，則轉入步驟5；如果目標值未達到滿意值范圍時，根據松馳變量s-,s+的值，調整的Wlit值，轉入步驟1。

2010年祝榮先［11］等提出向日葵秸稈超微粉與酚醛樹脂易混合，并且有利于降低樹脂中游離苯酚質量分數，提高產品質量。

2 木質剩余物與向日葵秸稈制作外包裝材料的影響因素及分析

采用高溫熱壓制備木質剩余物與向日葵秸稈外包裝材料，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 外包裝材料制作流程圖Fig.1 Production flow chart of outer packaging material

在材料熱壓過程中，影響成板性能的因素包括原料預處理、原料含水率、材料設計密度、木粉目數、膠黏劑種類及施膠量、熱壓工藝參數 (如熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時間)等。

(1)對向日葵秸稈進行預處理。主要包括采取可靠的除髓工藝和秸稈的粉碎。髓芯部分是輕而軟的海綿狀多孔物質，吸水性較強，拌膠時髓芯吸收大量的膠液，使木粉表面膠液減少，影響拌膠的均勻性，降低膠合強度，容易產生膠團，并在板坯表面形成膠斑。所以，應將髓芯分離出去。在實驗中使用粉碎機將干燥的向日葵秸稈粉碎。此外，秸稈的著火點很低，高溫容易發生火災危險，干燥溫度控制在80℃左右比較適宜［12］。

(2)對于各種原材料和工藝都有相應的板坯含水率范圍，試驗研究經驗表明，施膠前原料含水率以小于等于8%為宜 (向日葵秸稈顆粒的水分過高對存放不利，容易發熱、霉變、腐爛等)，施膠后板坯的含水率最好控制在8%～14%之間，不超過15%，這樣能滿足熱壓要求和包裝材料板材性能要求［13］。

(3)在條件允許時，最好生產密度較小但又能保證使用要求的板材。根據現有同類板材密度情況以及對外包裝材料性能的要求，密度一般在0.7～0.9g/cm3比較適宜。在許多情況下，密度越大，則板的強度越高，但機械加工越困難，成本也高。反之，密度越小，則絕緣性及隔熱性越好，成本越低，但強度也越差。另外，密度對板的重量的影響，直接影響板的使用［14］。

(4)單元組分的配比。最佳含量及粒度對包裝材料的強度、彈性模量影響較大。用20目篩所得的木屑和向日葵稈顆粒呈規則排列，結構密集，纖維長且纖細，很少有斷裂現象［6］。

(5)由于向日葵秸稈表面存在SiO2和蠟質層，極大地阻礙了膠液對秸稈的潤濕，不利于膠合。采用生物技術方法對秸稈進行表面脫蠟處理，處理后的秸稈用脲醛樹脂膠進行膠合，可取得比較理想的試驗結果［15－16］。

(6)由于向日葵秸稈與木材的差異較大，熱壓工藝也有所不同。首先，熱壓溫度不宜高于150℃，當熱壓溫度過高時，板材表面的物質熱解，產生焦化變色、粘板等現象，對板的抗水性能和內結合強度都有影響。其次，熱壓壓力不宜太大，因為向日葵秸稈較木材易于壓縮，不論板材密度多大，當壓力不太高時就可以快速合模。若壓力太大，則會導致芯層密度差過大，反而降低板材的平面抗拉強度，增大板材的吸水厚度膨脹率［17－18］。

(7)木質剩余物與向日葵秸稈的組成結構、密度、強度、吸水率等有一定差異，制備工藝要兼顧到兩種組分的特性，使單元組分與材料的整體結構相一致。

3 結束語

以木質剩余物、向日葵秸稈作為主要原料制作外包裝材料，具有廣闊的應用前景。

(1)向日葵作為一種一年生經濟作物，纖維素和木素含量都較高，且具有質輕、來源廣泛的優點，是制造外包裝材料的上好原料。

(2)我國是農業大國，充分利用農作物秸稈資源，能緩解木材供需矛盾，保護森林資源，繁榮農村經濟，增加農民收入，可帶來良好的社會效益、經濟效益和生態效益。

(3)以木質剩余物與向日葵秸稈為原料制作外包裝材料，通過合理的預處理和控制熱壓工藝，能達到一般木材要求，可以作為包裝工業木材的代用品。

(4)開發木質剩余物資源研制包裝材料，不管在技術上、經濟上以及產品質量和應用上均是理想的人造板材，因此該材料具有廣闊的發展前景。

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