淀粉及其衍生物在植物纖維發泡緩沖材料中的應用

郗 偉

(陜西國防工業職業技術學院 化學工程學院 ，陜西 西安 710300)

在低碳生活、綠色環保的要求下，植物纖維發泡緩沖材料勢必會替代聚苯乙烯泡沫等石化制品。從可再生以及循環利用的角度出發，充分利用農作物秸稈纖維和廢棄的紙質包裝材料纖維制備植物纖維發泡緩沖材料將是大勢所趨。單純的植物纖維不足以支撐包裝材料的緩沖作用和強度要求，淀粉及其衍生物具有良好的膨脹性能及抗靜電性能，作為增強劑克服了聚丙烯酰胺抗靜電差的缺點，同時淀粉具有優良的生物降解性能。在植物纖維緩沖材料中加入淀粉，可顯著提高發泡緩沖材料的強度，還可有效提高植物纖維的利用率，降低發泡包裝材料的成本。開發綠色環保的植物纖維緩沖材料，淀粉對纖維發泡緩沖材料強度的提高具有重要意義，為充分利用豐富的植物纖維資源，使淀粉和植物纖維代替EPS(聚苯乙烯泡沫)制備發泡緩沖材料，對自然資源合理利用和環境保護都將產生至關重要的影響。

1 纖維原材料的選取與預處理

植物纖維緩沖包裝材料制備工藝流程分為纖維預處理、淀粉預處理、添加化學助劑、發泡成型4個階段，如圖1所示。為了保障纖維緩沖材料的強度和緩沖作用以及外觀性能參數指標，分別添加了淀粉及其衍生物作為增強劑，添加了發泡劑結合淀粉的填充作用在纖維之間形成了不規則的空洞，增強了材料的緩沖作用，達到了安全包裝的目的[1]。

圖1 植物纖維發泡緩沖包裝材料工藝流程

1.1 植物纖維的選取

作為纖維發泡材料的核心組成部分，植物纖維是天然高分子聚合物，成分包含纖維素、半纖維素和木質素，其中纖維素和木質素為發泡緩沖材料提供主要強度，并為發泡過程中產生的氣泡提供基本的支撐和膨脹的空間。不同來源的植物纖維其組成是不同的，因此植物纖維原材料的選用受到纖維發泡材料的應用空間、循環利用、生物降解等諸影響因素。

不同的植物纖維制得的緩沖材料性能也不盡相同。植物纖維具有較好的力學性能、緩沖性能及自身的降解性能，這樣在發泡緩沖包裝材料中可以起到一種增強作用，提高包裝材料的抗壓強度和撕裂強度。索曉紅、李新平[2]等研究了纖維素纖維(棉短絨纖維)發泡緩沖材料，通過添加增強劑、膠黏劑等助劑，發泡體密度在 0.02 ～ 0.05g/cm3的范圍內，泡孔結構為開孔且分布均勻；李志嘉等[3]研究了竹纖維發泡緩沖材料的靜態測壓仿真，得到材料應力-應變關系，為材料性能的測定及后續的應用提供了一種理論方法；王瑜等[4]研究發現，玉米秸稈纖維和變性淀粉，添加量對材料的緩沖性能有較大影響，當纖維質量分數為 15%時，發泡材料表觀密度為0.568 g/cm3，拉伸強度達到8.031 MPa。總體來講，每種植物纖維材料都有其優點和應用范圍，常用植物纖維發泡緩沖材料見表2。

表2 常用植物纖維發泡緩沖材料一覽表

1.2 植物纖維的預處理

植物纖維是制備緩沖包裝材料的主要成分，纖維長度、漿料均勻性及纖維種類等都對緩沖材料成型的各項性能有不同程度的影響。

制備纖維發泡材料時，需要對植物纖維進行預處理便于在成型發泡時使用。若以廢箱板紙、農作物秸稈等植物纖維制備原料時，首先需要對其先進行分類，再經過裁切、浸泡、或改性等操作；另外，還需將植物纖維堿化制漿，意在打破纖維素中的酯鍵和醚鍵有利于纖維間的氫鍵結合，同時降解部分半纖維素，提高植物纖維的熱穩定性；如果有顏色需求還需要再經漂洗中和，最后烘干至所需含水量的要求，作為植物纖維發泡緩沖原材料待用。

2 淀粉的選用

淀粉在植物纖維發泡緩沖材料中主要是起增強劑的效果和填充的作用，作為增強劑和填充型材料，由于淀粉原有的強極性，在發泡材料體系內的纖維相互粘合形成網絡，使其在發泡膨脹過程中能夠承受氣體的膨脹壓力，并最終形成均勻分布的穩定泡孔結構，因此淀粉的使用量對發泡材料的發泡效果和性能極為重要。在作為植物纖維發泡緩沖材料的增強劑時其填充量一般不超過纖維重量的30%[5]。

目前用作纖維發泡緩沖材料增強劑的淀粉主要是變性淀粉，主要有陽離子淀粉、陰離子淀粉、兩性及多元變性淀粉、接枝共聚淀粉和雙醛淀粉，發泡材料常用淀粉及其衍生物見表3。

表3 發泡材料常用淀粉及其衍生物一覽表

2.1 陽離子淀粉

陽離子淀粉是原淀粉與胺類化合物反應引入的陽離子基團，具有醚鍵結構在水中帶正電荷的變性淀粉。用于造紙工業的陽離子淀粉主要有各類胺鹽陽離子淀粉及絡合陽離子淀粉等。陽離子淀粉對帶負電荷的物質具有親和性，經陽離子試劑醚化后的變性淀粉,可在冷水中溶解。在漿料中纖維帶陰電荷,很容易與陽離子淀粉的正電荷分子相互吸附，能夠起到增強和填充的作用，一般用于纖維漿料內添加。李志嘉等[3]人以蔗渣纖維為主要原料，添加一定量的陽離子淀粉、發泡劑等助劑，采用萬能電子試驗機作為測試系統表征材料的緩沖性能，為材料的性能測試提供了新的途徑。

2.2 陰離子淀粉

原淀粉通過用不同的試劑、采用不同的化學反應在分子上引人陰離子基團，使其在溶液中帶負電荷，具有代表性的陰離子淀粉是氧化淀粉、磷酸酷淀粉、羧甲基淀粉等。另外，由于陰離子淀粉帶有羥基和羧基，并且溶液呈陰性與紙漿中鋁離子絡合能力差，與纖維結合能力也差，在纖維漿料中留著率低。因此，一般不用于纖維漿內增強，而用于纖維包裝材料的表面施膠以提高包裝材料強度。曹斌[6]以木纖維為原料，以淀粉和聚乙烯醇為膠粘劑，加入發泡劑以及其他助劑，制得緩沖包裝材料，該材料的密度為 0.201g/cm3，抗壓強度為 0.74 MPa，回彈率為 82.1%，整體緩沖性能良好。

2.3 兩性淀粉

在同一個淀粉分子中接上陰離子，再接上陽離子或非離子等兩種或兩種以上反應基團的淀粉，稱之為兩性淀粉。兩性淀粉生產工藝相對復雜，要經過多步化學反應才能完成，要防止陰陽離子試劑之間的相互影響。兩性淀粉溶液呈電中性，分子中的陰離子基團與陽離子基團之間有相互保護作用，可以對帶陰電荷的纖維漿料起分散作用，避免絮凝造成材料分布不均勻。兩性淀粉分子中各基團相互協調作用，在作為增強劑時性能更優異、效果更突出。黃君[7]等以農作物秸稈為原料，加入玉米兩性淀粉等膠粘劑、填充劑和交聯劑后烘焙發泡，得到最優的反應溫度在65～67 ℃。

2.4接枝共聚淀粉

接枝共聚淀粉是原淀粉的接枝共聚物。以親水的淀粉大分子為基礎與烯類化合物單體接枝共聚引入不同官能團，同時根據用途調節親水和親油基團結構的比例，從而得到的高分子聚合物。接枝共聚淀粉既有多糖化合物的分子間作用力，又有合成高分子材料的機械強度與生物作用穩定性，因此接枝共聚淀粉在植物纖維發泡緩沖材料、造紙工業助劑、可降解地膜等多方面應用中具有優異的性能。陳一[8]以納米植物纖維、淀粉 聚乳酸接枝共聚物、淀粉接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯等材料，添加塑化劑及抗氧劑復合，通過超臨界CO2為發泡劑擠出發泡加工而成，發明了“一種輕質淀粉基高韌性復合發泡材料”。該材料具有較低的密度和高韌性的特征，具有一定的阻隔性，可廣泛應用于有特殊要求的緩沖包裝領域。

3 小結

用于植物纖維發泡緩沖材料的纖維來源雖然廣泛但組成非常復雜，目前主要是考慮綠色環保和循環利用如秸稈、蔗渣和二次回收纖維等原料，能滿足普通的包裝材料性能要求；木纖維、棉纖維、麻纖維造價相對較高，但是在發泡成型、材料強度方面具有一定優勢。

用于增強、填充和膠黏植物纖維發泡緩沖材料的淀粉來源非常廣泛，通過氧化、糊化、交聯、接枝共聚等化學反應生成各種淀粉衍生物。在生產研究植物纖維發泡緩沖材料時，使用那種淀粉要依據纖維的種類來源和發泡緩沖材料需要達到的性能參數進一步確定；同時依據是否進行表面增強或纖維漿料內部增強，以及漿料的電荷、極性，確定具體的類型和用量。

[1] 郗 偉，孫賓賓.植物纖維發泡緩沖包裝材料的檢測與評價方法[J].輕工科技,2012(2):36-37.

[2] 索曉紅，李新平．纖維素纖維發泡緩沖包裝材料制備工藝初探[J]．包裝工程，2006，27(6)：116-118．

[3] 李志嘉，黃崇杏， 陳宜昭 ，等.蔗渣-淀粉發泡緩沖材料的本構方程及有限元仿真[J].包裝工程.2017,38(11): 50-54.

[4] 王 瑜.基于聚乳酸/玉米秸稈纖維食品包裝材料發泡性能及其模型研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[5] 陳玉芬.植物纖維發泡緩沖材料的制備及其性能研究[D].無錫：江南大學，2015.

[6] 曹 斌.木質剩余物緩沖包裝材料制備工藝的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2013.

[7] 黃 君，王華林.秸稈/淀粉發泡材料的制備與表征[J].安徽化工，2011，37(2)：21-24.

[8] 陳 一．一種輕質淀粉基高韌性復合發泡材料：CN，201510347059.2[P]．2015-06-23．