发泡型植物纤维缓冲包装材料性能及制备工艺的研究

肖俊芳，肖生苓，高献策

(东北林业大学森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室，哈尔滨150040)

1 发泡型植物纤维缓冲包装材料的研究意义

目前，泡沫塑料作为缓冲包装材料被广泛应用于电子产品、家用电器、机械产品和仪器仪表等领域，尤其以EPS用量最大。随着商品包装市场的快速发展，泡沫塑料引起的白色污染日益严重，国际上对包装提出了越来越严格的要求。因此，寻求开发一种新型的环保包装材料替代泡沫塑料产品具有十分重要的意义。

现在国内外广泛研究的绿色缓冲包装材料是纸制品，如瓦楞纸板、蜂窝纸板和纸浆模塑等［1］。和泡沫塑料相比，制作成本较高，重量较大，抗震耐冲击性能差。由于受到模具结构及加工的影响，材料只适合小型物件的外包装或者缓冲内衬，而对于尺寸、质量较大的物件，并不能满足其包装需求。在国内，由于制浆造纸过程并非采用洁净生产工艺，极大地限制了纸浆模塑材料的发展。

近年来，利用植物纤维为原料制作缓冲包装材料，成为又一个发展趋势。该材料以植物纤维和淀粉为主要原料，添加多种助剂制作而成，原料来源广，综合成本低，生产工艺便捷，缓冲性能好，对环境无污染。植物纤维来源于自然界中的植物剩余物，包括农业剩余物如稻麦草、玉米秸秆、高粱秸秆、向日葵杆等［1］，林业剩余物如落叶松、红松等锯末、刨花等。据不完全统计，我国林区每年约有1 000～1 500万m3的采伐加工剩余物，以及6 000万m3的“次，小，薪”材资源［2］;并且我国作为一个农业大国，农作物秸秆资源也非常丰富，年产量达数亿吨。但是这些丰富的农业、林业剩余物资源在我国的利用率却很低，大部分作为垃圾丢弃或者焚烧处理，给环境问题带来了严重的负担，导致了自然资源的巨大损耗。开发植物纤维发泡缓冲包装材料，不但可以满足国内外包装市场的需求，而且有助于提高资源利用率，改善生态环境，具有深远的经济意义和社会意义。

2 主要缓冲包装材料的优缺点对比分析

当前，包装材料市场应用较多的主要是EPS发泡制品和纸浆模塑制品，植物纤维发泡制品以其良好的使用性能、原料来源丰富、环保性和经济性好等特点，正在迅速发展。下面从不同方面对这三种主要缓冲包装材料的优缺点进行对比分析。

(1)在环境保护方面，EPS发泡制品废弃物不会自然降解，无法回收再利用，易燃，有毒，焚烧处理会对环境造成严重污染，而且在生产过程中，经常使用破坏大气臭氧层的氯氟烃 (CFCs)物质作为发泡剂，对环境影响极大;纸浆模塑制品虽然不具自燃性，安全无毒，也可以回收利用，但是因为在纸浆制造过程中，会造成水污染，所以对其是否是绿色包装争议很大;而植物纤维发泡制品不仅不具自燃性，可回收再利用，而且在整个制造和生产过程中安全无毒，是一种很好的绿色包装材料。

(2)在使用性能方面，EPS发泡制品材积膨松，具有很好的缓冲性能和防震性能，但是不具防潮性;纸浆模塑制品和EPS发泡材料相比，缓冲性能和防震性能略差，重量大，仅仅只能用在小型物件上，但是有一定的防潮性;而植物纤维发泡制品材积比较膨松，具有良好的缓冲性能、防震性能和防潮性。

(3)在经济成本方面，EPS发泡制品成本低廉，但是原料来源无法掌握，单价偏高，再生费用高;纸浆模塑制品成本略高于EPS发泡制品，原料来源是再生纸制品、纸浆，市场前景受制约;而植物纤维发泡制品成本低于纸浆模塑，制作工艺简单，原料来源广泛，潜力巨大。

3 植物纤维缓冲包装材料的发泡工艺与制备方法

目前，国内外在植物纤维缓冲包装材料发泡工艺及制备方法的研究方面，已取得了一定进展。发泡工艺主要有使用化学发泡剂和水蒸气发泡两种;制备方法主要有一步法成型和两步法成型两种。

3.1 植物纤维缓冲材料的发泡工艺

(1)不使用化学发泡剂。材料主要是利用水蒸气进行发泡，当模具中温度超过100℃之后，材料中水分蒸发，使其内部产生泡孔，达到发泡目的。整个生产过程和使用过程都对环境无污染，可以回收，重新加工再利用。从经济效益看，综合成本较低，具有很大的应用前景。

(2)使用化学发泡剂。使用发泡剂的植物纤维发泡制品，主要采用各种化学发泡剂的作用发泡。该方法对于发泡的控制要容易些，目前发泡剂主要有:4，4－氧代双苯磺酰肼、碳酸氢钠、尿素和偶氮二甲酰胺等，其中有些发泡剂对环境有不利影响。因而如果选用不当，在生产过程中以及使用后的处理中会对环境造成污染［3］。

3.2 植物纤维缓冲材料的制备方法

(1)一步法成型的工艺特点。材料的发泡和模压一次成型，通过化学发泡剂作用进行发泡。工艺难度小，适合制作体积尺寸小、质量小的缓冲材料。工艺流程是将物料混合，制成浆体，然后放入模压机进行模压，在一定温度和压力作用下，发泡成型。待冷却后，进行脱模处理，即得成品。

(2)两步法成型的工艺特点。两步法成型通过水蒸气作用发泡，工艺难度大，材料的形状、大小可根据金属模具的形状、大小进行调整选择。适合制作体积大、质量大的缓冲材料。原料制备:先将一定量的发泡剂、增塑剂和润滑剂等助剂进行一次混炼后备用;再将植物纤维等原材料进行粉碎处理，成纤维状，使其与淀粉溶液按比例混合，制成糊状备用。然后将混合糊和添加剂共混，进行二次混炼。随后送入挤压机制成圆柱颗粒，在挤压过程中，原料受水蒸气作用发泡。再用所得的圆柱形颗粒做原料，送入专用金属模具，进行加压加热［4－5］，冷却后脱模，即得成品。

本课题制作的缓冲包装材料由于体积尺寸小，质量也轻，故采用一步法成型，利用化学发泡剂作用进行发泡。原料采用红松、落叶松植物纤维，经表面预处理后，与糊化淀粉按一定比例混合，然后加入增塑剂、润滑剂、发泡剂等加工助剂，制浆，送入模压机，通过温度、时间、压力的控制，使其发泡成型，冷却脱模后即得成品。工艺流程如图1所示:

图1 发泡型植物纤维缓冲包装材料工艺流程图Fig.1 Production flow chart of foam plant fiber cushioning packaging material

4 结束语

利用植物纤维制作缓冲包装材料，原料来源丰富、成本低廉，生产和使用过程中无污染和有害物产生，不仅提高了资源利用率，而且满足绿色环保的生产要求;在制备工艺方面，主要加强植物纤维发泡工艺设备的研制，重点发展对环境无影响的植物纤维发泡技术。通过实验优化，不断完善材料的各项性能指标，为实现工业化的连续性生产奠定基础。

［1］王高升，邵文泉，王 丽，等.农作物秸秆缓冲包装材料的研制［J］.包装工程，2001，6(22):16 －18.

［2］熊满珍，鲍雨成，侯元兆.发展木材工业，促进林业可持续发展［J］.木材工业，2005，19(1):11 －15.

［3］戴宏民，戴佩华.发泡植物纤维制品关键工艺技术探讨［J］.包装工艺，2004，2(25):9 －11.

［4］曹绍文，吴其叶.发泡型植物纤维缓冲包装材料［J］.中国包装工业，2002，9(99):8 －11.

［5］祁桂兰，肖生苓.利用木质剩余物和向日葵秸杆制作外包装材料的研究［J］.森林工程，2011，27(4):3 －5.