药用植物剩余物制作发泡包装材料工艺及影响因素的分析

2012-08-02高献策肖生苓肖俊芳

森林工程 2012年4期

高献策，肖生苓，曹斌，肖俊芳

近年来，利用药用植物剩余物研制高附加值包装材料引起越来越多的关注，该包装材料的应用，既能缓解包装行业对木材的需求，又能将废弃物变废为宝，节约木材，由于其低成本、低消耗和低污染的优势特点，具有广阔的发展和应用前景［1－2］。

1 原料

1.1 药用植物剩余物

药用植物剩余物包括两类:一类是指在药用植物采收过程中产生的初端剩余物，包括没有利用价值的植物根、枝叶、截头和皮等;另一类是制作中成药的终端剩余物，主要是中药渣。在对药用植物进行采集时，会在迹地遗留下大量剩余物料，这些剩余物大多被微生物分解，最终导致生物质资源的浪费。我国早期对药渣处理的主要方法是填埋、焚烧和堆放等［3］。中药渣富含粗纤维、粗脂肪、氨基酸及微量元素，近年来被应用于加工绿色农肥、保健饲料和食用菌栽培原料等，既能保护环境又能节约资源，达到较好的社会经济效益。

总体来看，目前对药用植物剩余物的综合利用范围还比较窄，特别是高附加值产品的开发利用。以药用植物剩余物为主要原料，以淀粉等为辅助材料，经过对其加工、预处理、助剂改性、发泡剂的添加，在一定的工艺条件下，可制备发泡型药用植物纤维缓冲包装材料。该新型缓冲包装材料制品具有很多优于纸浆模塑和EPS［4］的特点，其中制作工艺简单、对周边环境污染较轻，原料量大价廉，防震隔震性能优于纸浆模塑制品等特点都收到人们的普遍关注，不仅可以制作满足包装要求的防震内衬，还可制作填充颗粒物体。

1.2 药用植物纤维与淀粉的结合

药用植物纤维和淀粉就本身结构而言非常相似，它们本身具有相同的化学组成，化学通式都可以写成 (C6H10O5)n。因此二者的相容性比较好，但是二者的构型和组成又各有差异。木纤维素是药用植物纤维的主要成分，它与直链淀粉互为异构体，葡萄糖单元通过β－1，4－苷键相连，氧原子和羟基成反式结构。直链淀粉的葡萄糖单元是通过α－1，4－苷键相连，氧原子和羟基成顺式结构。这些不同导致了直链淀粉和药用植物纤维素的空间结构的不同，进而导致化学性质有很大区别［5］。因此需要对淀粉改性［6］，并且对纤维进行化学改性，再一定的工艺条件才能使淀粉与纤维素在分子领域内进行交联、接枝等化学反应［7］。

有研究表明，全淀粉材料的强度不足，不能满足材料在规定强度方面的指标，为了增强材料的强度，加入适当量的纤维可以极大地改善全淀粉材料的不足。随着工业发展的需要，在20世纪中期，木纤维作为复合材料的增强体就已经开始出现了，由于材料中含有大比例易降解成分，使得材料降解的速度与完全度都有了很大程度的提高。

2 药用植物剩余物制作发泡包装材料工艺研究

药用植物纤维发泡制品的发泡工艺主要有2种，分别为使用化学发泡剂的发泡工艺，以及不用化学发泡剂的发泡工艺［8］。药用植物纤维发泡制品制作过程的方法主要有2种:一步法成型和两步法成型［9］。采用整体浇注的方法进行发泡成型是一步成型法的工艺特点，其基本工艺流程可简写为:原料—共混—整体浇注—发泡—成型—脱模—板材。两步成型法的工艺特点是将大颗粒药用植物粉碎碾压成小颗粒，使其与淀粉进行特定比例的混合，制成直径2 mm左右的粒子，混合后的粒子再送入双螺杆挤出机制成颗粒状，在挤出过程中，原料发泡是受水蒸气作用引起的，在试验过程中，发现水的质量分数大于30%时，实验反应偶然性太大，无法控制反应;当水的质量分数超过20%时，则容易出现哧料现象，从而导致泡孔直径过大，板材密度过小，进而使材料强度过低;水分含量在10%左右时，材料的弯曲强度与缓冲性能达到最好状态［10］.

最后以发泡颗粒作为原料，均匀铺到专用的金属模具之中，在金属模具中进行热压，根据不同包装标准的需要，利用不同模具制作不同形状的发泡包装材料。我国目前研究的大多是使用发泡剂的植物纤维发泡制品的制作工艺。

本研究以药用植物剩余物及淀粉为主要原料，再加入一定量辅助试剂，利用热压和烘培两种加工工艺，通过发泡包装复合材料理化性能、缓冲特性、力学及其他性能等的基础研究，制作复合发泡包装材料，并解决包装复合材料在静载荷、冲击载荷作用下的整体耐持久强度、纵横向蠕变、板材的老化、防水和防腐处理等方面问题，确定药用植物复合包装新材料的最优加工工艺，最终获得新型缓冲包装材料研制技术。具体制备工艺流程如图1所示。

图1 药用植物剩余物制备发泡缓冲材料工艺流程图Fig.1 Production flow chart of medicinal plant residue-based packaging material

烘培工艺是使物料在烘箱内，进行发泡成型，由于烘培工艺中物料与烘箱内部相通，烘箱内不停的有空气流动，就使得板材表面水分散失较快，一段时间后表面容易干燥开裂。热压工艺是通过上下极板来对模具中的物料通过热传递进行加热，由于干燥速度慢，使得板材内部产生的应力也较小，有利于药用植物剩余物制作发泡包装材料缓冲性能的提高。

3 药用植物剩余物制作发泡包装材料影响因素分析

在材料热压过程中，影响成板性能的因素包括药用植物纤维原料的预处理、淀粉含量以及糊化程度、含水率、胶黏剂种类及施胶量的选择和热压工艺参数 (如热压温度、热压压力、热压时间)的确定等。

3.1 药用植物剩余物进行预处理对制作发泡包装材料影响因素分析

对药用植物剩余物进行预处理，主要是为了去除剩余物中的木质素和半纤维素等成分，使得剩余物中的多糖成分溶解于碱溶液中，最终得到纯度较高的纤维素成分，再对其进行洗涤和干燥［11］。用碱溶液处理时，氢氧化钠溶液浸泡的时间越长，最后得到的纤维素韧性越好，越有利于板材缓冲性能的提高。为了提高拌胶的均匀性，对药用植物剩余物进行粉碎处理，最终确定利用10%氢氧化钠溶液浸泡48h后，可以使木纤维韧性大幅度增强，基本达到完全去除半纤维素、木质素和多糖成分的要求。

3.2 淀粉含量以及糊化程度对制作发泡包装材料影响因素分析

不同淀粉粒不仅颗粒形状不一样，其大小也不相同。天然淀粉经过适当化学处理，引入某些化学基团使分子结构及理化性质发生变化，生成淀粉衍生物。淀粉是一种多糖类物质。未改性的淀粉结构通常有两种:直链淀粉和支链淀粉，是聚合的多糖类物质。因为水溶性差，故采用改性淀粉，即水溶性淀粉［12］。

在材料成型工艺中，淀粉用量起着至关重要的作用，淀粉用量过大，会使体系粘度、硬度过高，阻碍植物纤维 (尤其是长纤维)的分散，影响材料的缓冲性能;淀粉太少，则分布不均匀，而且又起不到粘结作用。实验时淀粉含量一般控制在50% 左右［13］。

一般在60～80℃时，淀粉粒在水中开始吸水溶胀、分裂、形成均匀糊状溶液的过程称为淀粉的糊化。淀粉糊化过程的本质是淀粉粒中淀粉分子之间的氢键发生开裂［14］，使得淀粉分子分散在水中成为胶体溶液。淀粉糊化的过程可分为三个阶段:首先是可逆吸水阶段，温度较低时，水分子进入到淀粉颗粒中去，淀粉颗粒体积开始膨胀，此时冷却干燥，淀粉颗粒又可以恢复原状;其次是不可逆吸水阶段，随着温度继续升高，淀粉颗粒进行不可逆地大量吸水，体积迅速膨胀，当淀粉颗粒胀至原始体积的80倍左右时，即使再冷却干燥，水分已不再容易流失;最后是淀粉粒最后解体，淀粉分子全部进入溶液。淀粉是多羟基的高分子化合物，由于分子间存在强烈的氢键作用，使得淀粉的熔点低于其分解温度，因此需加入一定量的增塑剂来改善其成型性能，水、多羟基醇等均能达到这种效果［15－16］。本研究需要对马铃薯淀粉进行改性，使糊化后的淀粉乳液长久保持不失水的特性。对于淀粉的改性工艺，最终确定使用不可逆状态下的糊化淀粉，经过H2O2处理过的氧化淀粉，利用FeSO4作为引发剂，在35℃条件下与硅烷偶联剂进行接枝，改性后的淀粉具有良好的保水性能。

3.3 含水率对药用植物纤维发泡材料影响的分析

药用植物纤维发泡材料含水率的计算公式为［17］:

式中:W为发泡材料在t时刻的绝对含水率，%;Gt为发泡材料在t时刻的重量，g;G0为发泡材料的绝干重量，g。

试验研究经验表明，施胶前原料含水率以小于等于8%为宜，施胶以后板坯的含水率应该控制在8%～14%之间，不超过15%，这样既能满足热压工艺的要求，又可以达到包装材料板材对性能方面要求［18］。

3.4 胶黏剂种类及施胶量对药用植物纤维发泡包装材料性能影响的分析

制作药用植物纤维发泡包装材料的胶黏剂的选择与用量对其最终性能也有很大影响，首先用于植物纤维发泡包装材料的胶黏剂必须选用热塑性胶黏剂［19］，而且需要具有较高的热稳定性，由于是制作包装材料，其密度也不宜过大。本研究以粘接性PVA为粘结剂，由于其与亲水性的纤维素有很好的粘接力，而且完全醇解的PVA在230℃左右才开始熔化，240℃时分解，热稳定性极强，满足制作发泡包装材料各个方面的限制要求。

3.5 热压工艺参数对药用植物纤维发泡包装材料性能影响的分析

由于药用植物纤维的主要成分是C元素，所以热压温度不宜超过200℃，温度过高则基体会出现碳化现象，丧失力学性能。本研究以偶氮二甲酰胺作为发泡剂［20］，金属氧化物对AC发泡剂的热分解有较强的活化作用，其中的活化作用最强的为ZnO［21］，为降低发泡温度，加入了一定量 ZnO活性剂，可使发泡温度控制在165℃温度范围左右。当对模具的压力增加时，模具中排出气体量将减少，模具内部气体压力升高，部分会溶解于物料之中，气体扩散速率加快，导致泡孔直径变小，严重时甚至会出现溢料显现，泡孔直径变小对于热压时间的确定［22］，主要根据水蒸气的排出速度来确定，时间太短，水蒸气来不及排除，内部压力增大，物料被挤入四壁，容易出现空心板。时间太长，板材内部水分子大量减少，则会产生相同位移条件下的最大荷重会明显加大的现象，缓冲性能降低。最终热压工艺参数确定为0.2MPa压力和165℃温度下保温15min，制取的发泡包装板材具有良好的力学性能。

4 结束语

药用植物剩余物与淀粉结合作为制作发泡包装材料的原料，一方面减少了滥弃药用植物剩余物对环境的污染;另一方面代替了目前使用较多的EPS、纸浆模塑等材料，有利于资源利用的可持续发展。

药用植物发泡包装材料制制备过程中，根据材料的静态压缩曲线，计算最大载荷、弹性模量和压缩模量，确定药用植物发泡包装新材料的最优加工工艺，最终获得理化性能最优的药用植物剩余物发泡缓冲材料。原料的预处理、淀粉的改性、含水率的控制、胶粘剂种类及用量、热压过程的温度、压力与时间是影响材料力学性能的主要因素。

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