藥用植物剩余物制作發泡包裝材料工藝及影響因素的分析

高獻策，肖生苓，曹 斌，肖俊芳

近年來，利用藥用植物剩余物研制高附加值包裝材料引起越來越多的關注，該包裝材料的應用，既能緩解包裝行業對木材的需求，又能將廢棄物變廢為寶，節約木材，由于其低成本、低消耗和低污染的優勢特點，具有廣闊的發展和應用前景［1－2］。

1 原料

1.1 藥用植物剩余物

藥用植物剩余物包括兩類:一類是指在藥用植物采收過程中產生的初端剩余物，包括沒有利用價值的植物根、枝葉、截頭和皮等;另一類是制作中成藥的終端剩余物，主要是中藥渣。在對藥用植物進行采集時，會在跡地遺留下大量剩余物料，這些剩余物大多被微生物分解，最終導致生物質資源的浪費。我國早期對藥渣處理的主要方法是填埋、焚燒和堆放等［3］。中藥渣富含粗纖維、粗脂肪、氨基酸及微量元素，近年來被應用于加工綠色農肥、保健飼料和食用菌栽培原料等，既能保護環境又能節約資源，達到較好的社會經濟效益。

總體來看，目前對藥用植物剩余物的綜合利用范圍還比較窄，特別是高附加值產品的開發利用。以藥用植物剩余物為主要原料，以淀粉等為輔助材料，經過對其加工、預處理、助劑改性、發泡劑的添加，在一定的工藝條件下，可制備發泡型藥用植物纖維緩沖包裝材料。該新型緩沖包裝材料制品具有很多優于紙漿模塑和EPS［4］的特點，其中制作工藝簡單、對周邊環境污染較輕，原料量大價廉，防震隔震性能優于紙漿模塑制品等特點都收到人們的普遍關注，不僅可以制作滿足包裝要求的防震內襯，還可制作填充顆粒物體。

1.2 藥用植物纖維與淀粉的結合

藥用植物纖維和淀粉就本身結構而言非常相似，它們本身具有相同的化學組成，化學通式都可以寫成 (C6H10O5)n。因此二者的相容性比較好，但是二者的構型和組成又各有差異。木纖維素是藥用植物纖維的主要成分，它與直鏈淀粉互為異構體，葡萄糖單元通過β－1，4－苷鍵相連，氧原子和羥基成反式結構。直鏈淀粉的葡萄糖單元是通過α－1，4－苷鍵相連，氧原子和羥基成順式結構。這些不同導致了直鏈淀粉和藥用植物纖維素的空間結構的不同，進而導致化學性質有很大區別［5］。因此需要對淀粉改性［6］，并且對纖維進行化學改性，再一定的工藝條件才能使淀粉與纖維素在分子領域內進行交聯、接枝等化學反應［7］。

有研究表明，全淀粉材料的強度不足，不能滿足材料在規定強度方面的指標，為了增強材料的強度，加入適當量的纖維可以極大地改善全淀粉材料的不足。隨著工業發展的需要，在20世紀中期，木纖維作為復合材料的增強體就已經開始出現了，由于材料中含有大比例易降解成分，使得材料降解的速度與完全度都有了很大程度的提高。

2 藥用植物剩余物制作發泡包裝材料工藝研究

藥用植物纖維發泡制品的發泡工藝主要有2種，分別為使用化學發泡劑的發泡工藝，以及不用化學發泡劑的發泡工藝［8］。藥用植物纖維發泡制品制作過程的方法主要有2種:一步法成型和兩步法成型［9］。采用整體澆注的方法進行發泡成型是一步成型法的工藝特點，其基本工藝流程可簡寫為:原料—共混—整體澆注—發泡—成型—脫模—板材。兩步成型法的工藝特點是將大顆粒藥用植物粉碎碾壓成小顆粒，使其與淀粉進行特定比例的混合，制成直徑2 mm左右的粒子，混合后的粒子再送入雙螺桿擠出機制成顆粒狀，在擠出過程中，原料發泡是受水蒸氣作用引起的，在試驗過程中，發現水的質量分數大于30%時，實驗反應偶然性太大，無法控制反應;當水的質量分數超過20%時，則容易出現哧料現象，從而導致泡孔直徑過大，板材密度過小，進而使材料強度過低;水分含量在10%左右時，材料的彎曲強度與緩沖性能達到最好狀態［10］.

最后以發泡顆粒作為原料，均勻鋪到專用的金屬模具之中，在金屬模具中進行熱壓，根據不同包裝標準的需要，利用不同模具制作不同形狀的發泡包裝材料。我國目前研究的大多是使用發泡劑的植物纖維發泡制品的制作工藝。

本研究以藥用植物剩余物及淀粉為主要原料，再加入一定量輔助試劑，利用熱壓和烘培兩種加工工藝，通過發泡包裝復合材料理化性能、緩沖特性、力學及其他性能等的基礎研究，制作復合發泡包裝材料，并解決包裝復合材料在靜載荷、沖擊載荷作用下的整體耐持久強度、縱橫向蠕變、板材的老化、防水和防腐處理等方面問題，確定藥用植物復合包裝新材料的最優加工工藝，最終獲得新型緩沖包裝材料研制技術。具體制備工藝流程如圖1所示。

圖1 藥用植物剩余物制備發泡緩沖材料工藝流程圖Fig.1 Production flow chart of medicinal plant residue-based packaging material

烘培工藝是使物料在烘箱內，進行發泡成型，由于烘培工藝中物料與烘箱內部相通，烘箱內不停的有空氣流動，就使得板材表面水分散失較快，一段時間后表面容易干燥開裂。熱壓工藝是通過上下極板來對模具中的物料通過熱傳遞進行加熱，由于干燥速度慢，使得板材內部產生的應力也較小，有利于藥用植物剩余物制作發泡包裝材料緩沖性能的提高。

3 藥用植物剩余物制作發泡包裝材料影響因素分析

在材料熱壓過程中，影響成板性能的因素包括藥用植物纖維原料的預處理、淀粉含量以及糊化程度、含水率、膠黏劑種類及施膠量的選擇和熱壓工藝參數 (如熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時間)的確定等。

3.1 藥用植物剩余物進行預處理對制作發泡包裝材料影響因素分析

對藥用植物剩余物進行預處理，主要是為了去除剩余物中的木質素和半纖維素等成分，使得剩余物中的多糖成分溶解于堿溶液中，最終得到純度較高的纖維素成分，再對其進行洗滌和干燥［11］。用堿溶液處理時，氫氧化鈉溶液浸泡的時間越長，最后得到的纖維素韌性越好，越有利于板材緩沖性能的提高。為了提高拌膠的均勻性，對藥用植物剩余物進行粉碎處理，最終確定利用10%氫氧化鈉溶液浸泡48h后，可以使木纖維韌性大幅度增強，基本達到完全去除半纖維素、木質素和多糖成分的要求。

3.2 淀粉含量以及糊化程度對制作發泡包裝材料影響因素分析

不同淀粉粒不僅顆粒形狀不一樣，其大小也不相同。天然淀粉經過適當化學處理，引入某些化學基團使分子結構及理化性質發生變化，生成淀粉衍生物。淀粉是一種多糖類物質。未改性的淀粉結構通常有兩種:直鏈淀粉和支鏈淀粉，是聚合的多糖類物質。因為水溶性差，故采用改性淀粉，即水溶性淀粉［12］。

在材料成型工藝中，淀粉用量起著至關重要的作用，淀粉用量過大，會使體系粘度、硬度過高，阻礙植物纖維 (尤其是長纖維)的分散，影響材料的緩沖性能;淀粉太少，則分布不均勻，而且又起不到粘結作用。實驗時淀粉含量一般控制在50% 左右［13］。

一般在60～80℃時，淀粉粒在水中開始吸水溶脹、分裂、形成均勻糊狀溶液的過程稱為淀粉的糊化。淀粉糊化過程的本質是淀粉粒中淀粉分子之間的氫鍵發生開裂［14］，使得淀粉分子分散在水中成為膠體溶液。淀粉糊化的過程可分為三個階段:首先是可逆吸水階段，溫度較低時，水分子進入到淀粉顆粒中去，淀粉顆粒體積開始膨脹，此時冷卻干燥，淀粉顆粒又可以恢復原狀;其次是不可逆吸水階段，隨著溫度繼續升高，淀粉顆粒進行不可逆地大量吸水，體積迅速膨脹，當淀粉顆粒脹至原始體積的80倍左右時，即使再冷卻干燥，水分已不再容易流失;最后是淀粉粒最后解體，淀粉分子全部進入溶液。淀粉是多羥基的高分子化合物，由于分子間存在強烈的氫鍵作用，使得淀粉的熔點低于其分解溫度，因此需加入一定量的增塑劑來改善其成型性能，水、多羥基醇等均能達到這種效果［15－16］。本研究需要對馬鈴薯淀粉進行改性，使糊化后的淀粉乳液長久保持不失水的特性。對于淀粉的改性工藝，最終確定使用不可逆狀態下的糊化淀粉，經過H2O2處理過的氧化淀粉，利用FeSO4作為引發劑，在35℃條件下與硅烷偶聯劑進行接枝，改性后的淀粉具有良好的保水性能。

3.3 含水率對藥用植物纖維發泡材料影響的分析

藥用植物纖維發泡材料含水率的計算公式為［17］:

式中:W為發泡材料在t時刻的絕對含水率，%;Gt為發泡材料在t時刻的重量，g;G0為發泡材料的絕干重量，g。

試驗研究經驗表明，施膠前原料含水率以小于等于8%為宜，施膠以后板坯的含水率應該控制在8%～14%之間，不超過15%，這樣既能滿足熱壓工藝的要求，又可以達到包裝材料板材對性能方面要求［18］。

3.4 膠黏劑種類及施膠量對藥用植物纖維發泡包裝材料性能影響的分析

制作藥用植物纖維發泡包裝材料的膠黏劑的選擇與用量對其最終性能也有很大影響，首先用于植物纖維發泡包裝材料的膠黏劑必須選用熱塑性膠黏劑［19］，而且需要具有較高的熱穩定性，由于是制作包裝材料，其密度也不宜過大。本研究以粘接性PVA為粘結劑，由于其與親水性的纖維素有很好的粘接力，而且完全醇解的PVA在230℃左右才開始熔化，240℃時分解，熱穩定性極強，滿足制作發泡包裝材料各個方面的限制要求。

3.5 熱壓工藝參數對藥用植物纖維發泡包裝材料性能影響的分析

由于藥用植物纖維的主要成分是C元素，所以熱壓溫度不宜超過200℃，溫度過高則基體會出現碳化現象，喪失力學性能。本研究以偶氮二甲酰胺作為發泡劑［20］，金屬氧化物對AC發泡劑的熱分解有較強的活化作用，其中的活化作用最強的為ZnO［21］，為降低發泡溫度，加入了一定量 ZnO活性劑，可使發泡溫度控制在165℃溫度范圍左右。當對模具的壓力增加時，模具中排出氣體量將減少，模具內部氣體壓力升高，部分會溶解于物料之中，氣體擴散速率加快，導致泡孔直徑變小，嚴重時甚至會出現溢料顯現，泡孔直徑變小對于熱壓時間的確定［22］，主要根據水蒸氣的排出速度來確定，時間太短，水蒸氣來不及排除，內部壓力增大，物料被擠入四壁，容易出現空心板。時間太長，板材內部水分子大量減少，則會產生相同位移條件下的最大荷重會明顯加大的現象，緩沖性能降低。最終熱壓工藝參數確定為0.2MPa壓力和165℃溫度下保溫15min，制取的發泡包裝板材具有良好的力學性能。

4 結束語

藥用植物剩余物與淀粉結合作為制作發泡包裝材料的原料，一方面減少了濫棄藥用植物剩余物對環境的污染;另一方面代替了目前使用較多的EPS、紙漿模塑等材料，有利于資源利用的可持續發展。

藥用植物發泡包裝材料制制備過程中，根據材料的靜態壓縮曲線，計算最大載荷、彈性模量和壓縮模量，確定藥用植物發泡包裝新材料的最優加工工藝，最終獲得理化性能最優的藥用植物剩余物發泡緩沖材料。原料的預處理、淀粉的改性、含水率的控制、膠粘劑種類及用量、熱壓過程的溫度、壓力與時間是影響材料力學性能的主要因素。

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