發泡型植物纖維緩沖包裝材料性能及制備工藝的研究

肖俊芳，肖生苓，高獻策

(東北林業大學森林持續經營與環境微生物工程黑龍江省重點實驗室，哈爾濱150040)

1 發泡型植物纖維緩沖包裝材料的研究意義

目前，泡沫塑料作為緩沖包裝材料被廣泛應用于電子產品、家用電器、機械產品和儀器儀表等領域，尤其以EPS用量最大。隨著商品包裝市場的快速發展，泡沫塑料引起的白色污染日益嚴重，國際上對包裝提出了越來越嚴格的要求。因此，尋求開發一種新型的環保包裝材料替代泡沫塑料產品具有十分重要的意義。

現在國內外廣泛研究的綠色緩沖包裝材料是紙制品，如瓦楞紙板、蜂窩紙板和紙漿模塑等［1］。和泡沫塑料相比，制作成本較高，重量較大，抗震耐沖擊性能差。由于受到模具結構及加工的影響，材料只適合小型物件的外包裝或者緩沖內襯，而對于尺寸、質量較大的物件，并不能滿足其包裝需求。在國內，由于制漿造紙過程并非采用潔凈生產工藝，極大地限制了紙漿模塑材料的發展。

近年來，利用植物纖維為原料制作緩沖包裝材料，成為又一個發展趨勢。該材料以植物纖維和淀粉為主要原料，添加多種助劑制作而成，原料來源廣，綜合成本低，生產工藝便捷，緩沖性能好，對環境無污染。植物纖維來源于自然界中的植物剩余物，包括農業剩余物如稻麥草、玉米秸稈、高粱秸稈、向日葵桿等［1］，林業剩余物如落葉松、紅松等鋸末、刨花等。據不完全統計，我國林區每年約有1 000～1 500萬m3的采伐加工剩余物，以及6 000萬m3的“次，小，薪”材資源［2］;并且我國作為一個農業大國，農作物秸稈資源也非常豐富，年產量達數億噸。但是這些豐富的農業、林業剩余物資源在我國的利用率卻很低，大部分作為垃圾丟棄或者焚燒處理，給環境問題帶來了嚴重的負擔，導致了自然資源的巨大損耗。開發植物纖維發泡緩沖包裝材料，不但可以滿足國內外包裝市場的需求，而且有助于提高資源利用率，改善生態環境，具有深遠的經濟意義和社會意義。

2 主要緩沖包裝材料的優缺點對比分析

當前，包裝材料市場應用較多的主要是EPS發泡制品和紙漿模塑制品，植物纖維發泡制品以其良好的使用性能、原料來源豐富、環保性和經濟性好等特點，正在迅速發展。下面從不同方面對這三種主要緩沖包裝材料的優缺點進行對比分析。

(1)在環境保護方面，EPS發泡制品廢棄物不會自然降解，無法回收再利用，易燃，有毒，焚燒處理會對環境造成嚴重污染，而且在生產過程中，經常使用破壞大氣臭氧層的氯氟烴 (CFCs)物質作為發泡劑，對環境影響極大;紙漿模塑制品雖然不具自燃性，安全無毒，也可以回收利用，但是因為在紙漿制造過程中，會造成水污染，所以對其是否是綠色包裝爭議很大;而植物纖維發泡制品不僅不具自燃性，可回收再利用，而且在整個制造和生產過程中安全無毒，是一種很好的綠色包裝材料。

(2)在使用性能方面，EPS發泡制品材積膨松，具有很好的緩沖性能和防震性能，但是不具防潮性;紙漿模塑制品和EPS發泡材料相比，緩沖性能和防震性能略差，重量大，僅僅只能用在小型物件上，但是有一定的防潮性;而植物纖維發泡制品材積比較膨松，具有良好的緩沖性能、防震性能和防潮性。

(3)在經濟成本方面，EPS發泡制品成本低廉，但是原料來源無法掌握，單價偏高，再生費用高;紙漿模塑制品成本略高于EPS發泡制品，原料來源是再生紙制品、紙漿，市場前景受制約;而植物纖維發泡制品成本低于紙漿模塑，制作工藝簡單，原料來源廣泛，潛力巨大。

3 植物纖維緩沖包裝材料的發泡工藝與制備方法

目前，國內外在植物纖維緩沖包裝材料發泡工藝及制備方法的研究方面，已取得了一定進展。發泡工藝主要有使用化學發泡劑和水蒸氣發泡兩種;制備方法主要有一步法成型和兩步法成型兩種。

3.1 植物纖維緩沖材料的發泡工藝

(1)不使用化學發泡劑。材料主要是利用水蒸氣進行發泡，當模具中溫度超過100℃之后，材料中水分蒸發，使其內部產生泡孔，達到發泡目的。整個生產過程和使用過程都對環境無污染，可以回收，重新加工再利用。從經濟效益看，綜合成本較低，具有很大的應用前景。

(2)使用化學發泡劑。使用發泡劑的植物纖維發泡制品，主要采用各種化學發泡劑的作用發泡。該方法對于發泡的控制要容易些，目前發泡劑主要有:4，4－氧代雙苯磺酰肼、碳酸氫鈉、尿素和偶氮二甲酰胺等，其中有些發泡劑對環境有不利影響。因而如果選用不當，在生產過程中以及使用后的處理中會對環境造成污染［3］。

3.2 植物纖維緩沖材料的制備方法

(1)一步法成型的工藝特點。材料的發泡和模壓一次成型，通過化學發泡劑作用進行發泡。工藝難度小，適合制作體積尺寸小、質量小的緩沖材料。工藝流程是將物料混合，制成漿體，然后放入模壓機進行模壓，在一定溫度和壓力作用下，發泡成型。待冷卻后，進行脫模處理，即得成品。

(2)兩步法成型的工藝特點。兩步法成型通過水蒸氣作用發泡，工藝難度大，材料的形狀、大小可根據金屬模具的形狀、大小進行調整選擇。適合制作體積大、質量大的緩沖材料。原料制備:先將一定量的發泡劑、增塑劑和潤滑劑等助劑進行一次混煉后備用;再將植物纖維等原材料進行粉碎處理，成纖維狀，使其與淀粉溶液按比例混合，制成糊狀備用。然后將混合糊和添加劑共混，進行二次混煉。隨后送入擠壓機制成圓柱顆粒，在擠壓過程中，原料受水蒸氣作用發泡。再用所得的圓柱形顆粒做原料，送入專用金屬模具，進行加壓加熱［4－5］，冷卻后脫模，即得成品。

本課題制作的緩沖包裝材料由于體積尺寸小，質量也輕，故采用一步法成型，利用化學發泡劑作用進行發泡。原料采用紅松、落葉松植物纖維，經表面預處理后，與糊化淀粉按一定比例混合，然后加入增塑劑、潤滑劑、發泡劑等加工助劑，制漿，送入模壓機，通過溫度、時間、壓力的控制，使其發泡成型，冷卻脫模后即得成品。工藝流程如圖1所示:

圖1 發泡型植物纖維緩沖包裝材料工藝流程圖Fig.1 Production flow chart of foam plant fiber cushioning packaging material

4 結束語

利用植物纖維制作緩沖包裝材料，原料來源豐富、成本低廉，生產和使用過程中無污染和有害物產生，不僅提高了資源利用率，而且滿足綠色環保的生產要求;在制備工藝方面，主要加強植物纖維發泡工藝設備的研制，重點發展對環境無影響的植物纖維發泡技術。通過實驗優化，不斷完善材料的各項性能指標，為實現工業化的連續性生產奠定基礎。

［1］王高升，邵文泉，王 麗，等.農作物秸稈緩沖包裝材料的研制［J］.包裝工程，2001，6(22):16 －18.

［2］熊滿珍，鮑雨成，侯元兆.發展木材工業，促進林業可持續發展［J］.木材工業，2005，19(1):11 －15.

［3］戴宏民，戴佩華.發泡植物纖維制品關鍵工藝技術探討［J］.包裝工藝，2004，2(25):9 －11.

［4］曹紹文，吳其葉.發泡型植物纖維緩沖包裝材料［J］.中國包裝工業，2002，9(99):8 －11.

［5］祁桂蘭，肖生苓.利用木質剩余物和向日葵秸桿制作外包裝材料的研究［J］.森林工程，2011，27(4):3 －5.