基于專利分析的我國(guó)農(nóng)作物秸稈制備緩沖包裝材料技術(shù)研究

李金麗，張榮榮，舒忠

（1.荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門448000；2.荊楚理工學(xué)院新農(nóng)村發(fā)展研究院，湖北 荊門448000）

基于專利分析的我國(guó)農(nóng)作物秸稈制備緩沖包裝材料技術(shù)研究

李金麗1,2，張榮榮1，舒忠1

（1.荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門448000；2.荊楚理工學(xué)院新農(nóng)村發(fā)展研究院，湖北 荊門448000）

農(nóng)作物秸稈由于其中纖維具備良好的性能可以作為緩沖包裝材料原料，本文通過對(duì)秸稈制備緩沖包裝材料技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)趨勢(shì)，專利申請(qǐng)人進(jìn)行了總體分析，并重點(diǎn)針對(duì)原材料、發(fā)泡方式、成型方式等核心技術(shù)問題進(jìn)行了梳理，通過分析，提出了未來發(fā)展研究方向，可為該領(lǐng)域的研究和技術(shù)創(chuàng)新提供一定的參考價(jià)值。

秸稈；緩沖包裝；原材料；發(fā)泡；成型

引言

農(nóng)作物秸稈纖維作為自然界中儲(chǔ)量較豐富的天然高分子材料，具有密度小、力學(xué)性能較高、可降解、可再生、可循環(huán)利用和環(huán)境友好等特性，利用其作為緩沖包裝可以取代無法降解會(huì)造成大量污染的發(fā)泡塑料，正越來越受到研究者關(guān)注[1-4]。為了研究我國(guó)農(nóng)作物秸稈制備緩沖包裝材料的技術(shù)發(fā)展情況，筆者以SooPAT軟件專利數(shù)據(jù)庫(kù)中的檢索結(jié)果為分析樣本，從專利文獻(xiàn)的視角對(duì)農(nóng)作物秸稈制備緩沖包裝材料技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了較全面地統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)理論進(jìn)行了技術(shù)分析和發(fā)展展望。可為該領(lǐng)域的研究和技術(shù)創(chuàng)新提供一定的參考價(jià)值。

1 專利總體情況分析

1.1 專利申請(qǐng)年份分析

通過SooPAT軟件，以“秸稈”、“緩沖包裝”兩個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，得到了62個(gè)專利檢索結(jié)果，圖1為利用農(nóng)作物秸稈制備緩沖包裝材料技術(shù)中國(guó)歷年專利申請(qǐng)量分布。從圖中可以看出，2000年以前鮮有相關(guān)專利申請(qǐng)；從2000年開始，利用秸稈制備緩沖包裝材料技術(shù)在我國(guó)才陸續(xù)有申請(qǐng)量；2010年以前，該技術(shù)也只是處于探索發(fā)展階段，直到2010年以后，相關(guān)專利呈逐漸增多之勢(shì)；近兩年，這項(xiàng)技術(shù)的專利申請(qǐng)維持在8件以上。表明該技術(shù)目前正處于不斷創(chuàng)新的新階段，這與近年來國(guó)家嚴(yán)控農(nóng)作物秸稈焚燒，加快秸稈綜合利用技術(shù)開發(fā)息息相關(guān)。

圖1 利用農(nóng)作物秸稈制備緩沖包裝材料中國(guó)歷年專利申請(qǐng)量分布

1.2 專利申請(qǐng)人分析

通過對(duì)專利申請(qǐng)人的分析發(fā)現(xiàn)，西安建筑科技大學(xué)和江南大學(xué)以3件居首，2件的申請(qǐng)人有浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院、深圳市美盈森環(huán)保科技股份有限公司、大連輕工業(yè)學(xué)院、青島科技大學(xué)、西北農(nóng)業(yè)大學(xué)、廣東省造紙研究所、青州榮美爾生物科技有限公司、張建超、張瑜、楊雪棗、劉晨等。這也可以看出利用農(nóng)作物秸稈制備緩沖包裝材料的相關(guān)技術(shù)主要集中在設(shè)有包裝、造紙及高分子材料的高校和科研院所，少數(shù)注重環(huán)保新材料技術(shù)開發(fā)的企業(yè)出于企業(yè)可持續(xù)發(fā)展也搶占了部分先機(jī)，布局了這方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。另外，由于該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施起來難度小，不少個(gè)人也投入到了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造，為該技術(shù)的發(fā)展增添了新的動(dòng)力。

2 專利關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 原材料分析

農(nóng)作物秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉（穗）部分的總稱。通常指小麥、水稻、玉米、薯類、油菜、棉花、甘蔗及其它農(nóng)作物在收獲籽實(shí)后的剩余部分，主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分組成，不同種類秸稈所含比例也不一致。由專利檢索結(jié)果來看，用作緩沖包裝材料原材料較多的分別是玉米秸稈（CN201210155334.7、CN201510796732.0、CN 201610892964.0等）、稻草（CN99115870.9、CN2010 10235939.8、CN201410193063.3等）和蔗渣（髓）（CN201410639171.9、CN201610618134.9等 ），當(dāng)然麥秸、高粱稈、蘆葦稈、棉花稈也有出現(xiàn)。另外，由于各種纖維性能不同，搭配可以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，因此大多以多種秸稈混合或配合鋸末、稻殼、廢紙纖維等其他材料混合使用，如專利CN02114611.X所述農(nóng)作物秸稈包括了玉米秸稈、蘆葦稈、高粱稈、麥秸、稻草、蔗渣、稻谷殼、蕎麥皮、燈芯草等10余種。專利CN200610045700.8主要采用玉米秸稈髓和制漿廢液為主要原料，制備得到了性能良好的包裝緩沖材料。專利200610066477.5采用秸稈與鋸末比例為65:35制備得到了一種可降解的發(fā)泡緩沖包裝材料。

圖2 按原材料區(qū)分的專利申請(qǐng)比例

2.2 發(fā)泡方式分析

在這一領(lǐng)域，常規(guī)的發(fā)泡方法有物理發(fā)泡法、化學(xué)發(fā)泡法和機(jī)械發(fā)泡法，通過低沸點(diǎn)液體、產(chǎn)氣性化學(xué)藥品或機(jī)械攪拌的方法向混合物體系內(nèi)注入氣體來制備發(fā)泡材料[5]。如圖3所示，所公開的專利還是以化學(xué)發(fā)泡方式為主（占85%），常見的化學(xué)發(fā)泡劑有偶氮二甲酰胺、十二烷基硫酸鈉、甲酰胺、十二烷基苯磺酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫銨、偶氮二異丁腈等，而物理發(fā)泡和機(jī)械發(fā)泡對(duì)于發(fā)泡工藝和設(shè)備要求較高，泡孔控制相對(duì)復(fù)雜，因此沒有在我國(guó)真正實(shí)施起來。而近年來生物發(fā)泡法涌現(xiàn)出來，如專 利 CN201410697117.X、CN201510796732.0、C N201510931445.6、C N201610892360.6、CN201611096381.3。它是根據(jù)植物纖維類發(fā)泡材料的形成機(jī)理，采用微生物中的酵母菌或真菌等新陳代謝過程中產(chǎn)生的氣體代替發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡的方法。生物發(fā)泡法具有發(fā)氣量大、反應(yīng)能耗低、反應(yīng)條件溫和、過程無污染等優(yōu)點(diǎn)，但也有反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)和氣泡核分布難以控制的不足。如能通過加入適當(dāng)?shù)闹鷦?duì)其缺點(diǎn)加以克服，生物發(fā)泡方式的前景非常樂觀。

圖3 按發(fā)泡方式區(qū)分的專利申請(qǐng)比例

2.3 成型方式分析

基于農(nóng)作物秸稈纖維制備多孔緩沖包裝材料的成型工藝主要有熱壓成型、擠出成型、微波成型和烘培成型等[5]。熱壓成型是將混合好的發(fā)泡體系填入模具中在一定的溫度和壓力作用下模壓成型，這種工藝簡(jiǎn)單易操作，在所公開的專利中絕大多數(shù)也是這種成型方式（占82%）。擠出成型由于需要專門的擠出成型設(shè)備實(shí)施起來相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)閷＠暾?qǐng)也不多（CN200610066477.5和CN201510163679.0）。微波成型是利用電磁輻射的原理，使發(fā)泡體系中的極性分子在快速變化的電磁場(chǎng)作用下，發(fā)生有規(guī)律的周期運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生類似摩擦的效應(yīng)，使物料溫度升高，發(fā)泡并得到成型材料。專利CN201410440336.X和CN201410441889.7均是將混合好發(fā)泡體系采用微波成型方式得到緩沖包裝材料。對(duì)于烘培成型，國(guó)內(nèi)僅有一些學(xué)者做了一些探索性的研究，還未見專利申請(qǐng)。

圖4 按成型方式區(qū)分的專利申請(qǐng)比例

3 結(jié)語

由于國(guó)家環(huán)保政策越發(fā)嚴(yán)格，具有環(huán)境友好特點(diǎn)的綠色生物質(zhì)材料引發(fā)了廣泛關(guān)注，通過以上分析也可以看出基于農(nóng)作物秸稈的緩沖包裝材料制備技術(shù)正處于創(chuàng)新的上升期。從其原料分析，多種秸稈纖維復(fù)合型及功能型緩沖包裝材料是未來的研發(fā)重點(diǎn)，就發(fā)泡方式和成型方式，簡(jiǎn)單高效的生物發(fā)泡和微波成型將得到進(jìn)一步完善才能得到更大范圍的推廣應(yīng)用。

[1]羅瑜瑩, 肖生苓, 李琛, 等. 植物纖維多孔緩沖包裝材料的研究現(xiàn)狀與展望[J].包裝工程. 2016, 37 (7): 17-22.

[2]肖俊芳, 肖生苓, 高獻(xiàn)策. 發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].森林工程. 2013, 29 (2): 62-64.

[3]朱向東, 韓濤, 孫紅旗.植物秸稈纖維緩沖包裝材料的發(fā)展與研究[J].中國(guó)包裝工業(yè). 2012, 26 (17): 13,20.

[4]高德, 孫智慧. 可降解緩沖包裝材料的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].包裝工程. 2002, 23 (5): 141-144.

[5]郭震, 黃俊彥. 植物纖維類發(fā)泡材料的成型機(jī)理及生物發(fā)泡方法探討[J].包裝工程. 2010, 31 (15): 55-57,65.

Study on Preparation of Buffer Packaging Material from Crop Straw in China Based on Patent Analysis

LI Jin-li, ZHANG Rong-rong, SHU zhong

Crop straw was used as raw material for preparation of buffer packaging because of its excellent capability. General analysis for patent application tendency and patent applicants in the preparation of buffer packaging materials were carried out. And raw material, foaming method and molding technique were systematic researched in this paper. Future research directions are proposed and this can provide some reference for the research and technical innovation in this fi eld.

straw; buffer packaging; raw material; foaming; molding

TB484

A

1400 (2017) 10-0059-03

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.10.005

荊楚理工學(xué)院新農(nóng)村發(fā)展研究院科研項(xiàng)目（2017Z003）；荊門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（YDKY2017009）

李金麗（1985-），女，山東德州人，荊楚理工學(xué)院講師，研究方向?yàn)榘b印刷新材料與工藝。