木质剩余物制备模塑包装材料研究进展

姚培培，肖生苓*，岳金权

(1.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2.东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，哈尔滨 150040)

1 研究意义

由于我国可采森林资源日益减少，后备资源严重不足，而木质剩余物可利用的空间巨大，其合理、有效利用是缓解森林资源危机的重要途径之一[1]。以森林采伐与木材加工剩余物为原料制备模塑包装材料，既能满足我国林区木质剩余物资源的高效利用，又能解决绿色包装材料市场紧缺的问题，成为目前研究的又一发展趋势。

与泡沫塑料EPS、EPE等相比，利用木质剩余物制备的模塑包装材料不会带来大量的环境污染问题，与瓦楞纸板、蜂窝纸板和传统的纸浆模塑比较，此种新型的模塑包装材料具有成本更加低廉、重量较轻、生产更加便捷等优点。作为一种绿色、可降解的新型包装材料，符合我国可持续发展的方针，具有非常广阔的开发前景。

2 国外植物纤维模塑包装材料研究情况

国外对植物纤维的研究很早，多数是利用植物纤维与聚合物塑料混合来制备木塑复合包装材料以及植物纤维与淀粉共混制作发泡包装缓冲材料的研究[2-5]，并且都取得了很好的成果。这些可降解的环保包装材料对于节约资源、保护环境具有重要意义。然而国外对模塑包装材料的研究除了传统的纸浆模塑类以外[6-7]，主要研究集中于在塑料包装材料成分中加入植物纤维，使其易于降解。

Sdrobi A等[8]研究了含有纤维素纸浆纤维的低密度聚乙烯复合材料的性能。未漂白和漂白后的牛皮纸纤维素纸浆纤维改性后的长链羧酸，用作低密度聚乙烯(LDPE)的增强材料。改性的目的是要提高纤维素和基体之间的界面粘接，以提高纤维素在基体材料中的扩散性。把含量多至10%(重量)的未处理和改性的纤维素纸浆纤维与LDPE的复合材料熔融混合后，测试试样的成型加工性能、力学性能和流变性能，利用扫描电镜(SEM)、接触角测量、TGA和DSC检测试样的分子结构。结果发现，改性后的纸浆纤维加入复合材料基体后，材料的大多数性能得到很好的改善。

Thumm A等[9]研究了纤维的长度和纤维损坏对聚丙烯/木浆复合材料的力学性能的影响。模压木纤维增强热塑性复合材料是由具有4种不同纤维长度分布和3种纤维损伤的辐射松浆纤维组成的。纤维长度只有在低于它的临界长度时才会产生影响，这一临界长度和辐射松纤维长度在0.8μm时的临界长度建立的计算模型是一致的。在这一研究中，纤维损坏被定义为错位和节点，它对材料力学性能的影响较小。其中，注塑成型的参考试样纤维长度和纤维损坏的影响趋势和模压成型试样的影响一致。

Zabihzadeh S M等[10]对注塑成型的化学机械浆(CMP)增强聚丙烯(PP)复合材料的力学、形态和热性能进行了研究。结果发现，拉伸强度、破坏应变和缺口冲击强度随增容剂含量的增加均呈现递增趋势，而添加任何浓度的增容剂的拉伸弹性模量并没有改变。在扫描电子显微镜下观察，添加2%增容剂的复合材料的拉伸断裂面的显微照片显示出很少的纤维拔出，并且有许多断裂的纤维，说明增容剂的效果很好。纯PP的热稳定性高于CMP增强PP复合材料的热稳定性，而加入增容剂后复合材料的热稳定性有所增加。活化能被定义为开始的热降解过程的能量消耗，复合材料的活化能依赖于CMP与PP基体的扩散性和界面粘结作用。

3 国内植物纤维模塑包装材料研究情况

近年来，我国也越来越重视对林区木质剩余物的有效利用，其中用木质剩余物制备包装缓冲材料的研究在很多科研院所得到发展[11-13]。另外，以植物纤维为原料的模塑包装产品的研究在我国得到发展，其中生产的可降解植物纤维餐具和育苗器皿等，国外相关方面报导很少，具有明显的中国特色。

胡英华[14]利用废纸纤维和玉米淀粉混合制备纤维发泡缓冲包装材料来代替传统的纸浆模塑包装，可以承受重载荷物件。作者设计了5种制备工艺，通过大量试验最终选出两种可行的制备工艺方法，分别是向纤维疏解后(浆料浓度为1%)的纸浆中加入糊化淀粉(原纸浆含水量为65%)，进行混合搅拌；或者是在打浆浓度为1%的浆料中加入原淀粉，使纤维和淀粉混合后，部分淀粉能均匀地截留在纤维表面。利用模压成型工艺，在成型过程中，淀粉经高温糊化后在纸纤维中具有良好的流动性，同时起到胶黏剂的的作用，能增加材料的强度。通过研究不同因素对材料性能的影响，选出最优原料配比方案和最优成型工艺。

重庆青天环保材料有限公司生产的发泡型植物纤维餐具产品已通过技术监督部门和疾病预防控制部门检测，产品质量达到GB18006.1-2009《一次性可降解餐饮具通用技术条件》的要求。制品的相关指标为白度90，餐具壁厚为1.2 mm(边)和1.8 mm(底)，单件重量只相当于同容积纸浆模塑餐具重量的1/3，单件价格又比同容积纸浆模塑便宜 1/3。该植物纤维餐具具有很高的强度以及很好的防水、防油、防渗漏性能，而且从3～5 m高处跌落不会破损，同时还具有很好的降解性能，在土中润湿及厌氧掩埋下，40 d可完全分解，在静水中浸泡，3～4 h软化，24 h之内可完全分解[15]。

与此同时，杭州永立工贸有限公司与国内知名科研院校合作开发出YL系列一次性全降解植物纤维模塑制品，该产品以谷壳等草本植物秸秆为主要原料，加入改性淀粉和其它辅料，经过高速混合，模压成型制得。其添加剂及配方获得国家技术专利，产品使用性能、卫生指标等均达到GB18006.1-2009《一次性可降解餐饮具通用技术条件》中规定的各项技术标准，且生产过程和使用后对环境无污染。目前主要应用于方便面、方便粉丝等方便食品的包装和园艺、林业和农业的育苗栽培钵的制备等方面。

在植物纤维模塑包装材料专利发明方面，我国也取得了很多发明成果。台湾的林正平[16]发明了一种“植物纤维复合材料的制品及制造方法”。该制品是以植物纤维、淀粉(比例20%～50%)、米粉(比例20%～50%)及食用或非食用着色剂(比例5%～20%)为主要原料，按比例把原料调配组合后，加水进行搅拌，使原料含水率维持在5%～20%；放入模具内，温度在130～180℃和压力在10～20 MPa范围内进行模压，经过4～9次排气而成型，制得的制品耐水、耐热、耐腐蚀，无毒、无污染且能完全降解，属于绿色环保型产品。

辽宁的柯继方等[17]发明了一种“植物纤维制品的生产方法”。这种方法是将由纸板经打浆、配浆等工艺制成的纸浆，用成形机进行成形。通过转移装置送入压榨设备加压，完成初步定形，其中，加热时间保持在60 s内，再送入烘干设备中进行烘干，使其含水率在65%以下，再由整形设备进行整形和裁剪，最后进行消毒包装。

浙江的朱秀刚[18]发明了“一种植物纤维制品的生产方法”。 将植物纤维粉碎后倒入密炼捏合机中，并加入化学助剂进行预处理，使纤维在实现机械物理改性的同时实现纤维的化学改性。再放入膨化挤出机中进行膨化改性，加入各种添加剂及填料一起密炼捏合，密炼捏合物用轧粒机轧压成粒子。也可将密炼捏合化学改性后的植物纤维和各种添加剂、填料直接一并密炼捏合，再用膨化挤出机膨化挤出制成粒子或挤出型材。制得的粒子或型材可利用现有塑料注塑机、挤出机、热压机等设备和工艺原理生产出各种型状和性能的植物纤维制品和片材、型材、纸张、薄膜等植物纤维制品，以替代传统的塑料、塑料泡沫、木制品、纸张和薄膜等。

4 植物纤维模塑包装材料制备工艺

本课题的研究目的是以我国林区采伐剩余物和木材加工剩余物的木材纤维为原材料，添加适量的化学助剂来制备新型、绿色、环保的模塑包装材料。主要生产工艺可分为对木质剩余物植物纤维进行预处理，利用造纸的方法制浆、打浆，使纤维分丝帚化和细纤维化，再把浆料与添加助剂混合搅拌，完成配浆。利用真空泵抽吸浆料中的水分，使纸浆形成圆饼状的湿纸坯，放入热压机中进行热压成形，最后热压后的纸板需要干燥整形，其工艺流程如图 1所示。

图 1 木质剩余物植物制备模塑包装材料工艺流程图

5 结束语

以木质剩余物作为主要原料制备模塑包装材料属于对木质剩余物的精深利用，既能使我国林区剩余物得到有效利用，促进经济增长，又能促进我国绿色包装市场的发展，保护环境，具有广阔的应用前景。

今后的研究趋势主要可集中在以下4个方面：

(1)选取对环境无污染，对材料结构、性能无不良影响的化学助剂，且在满足基本性能要求的基础上，尽量少添加化学助剂；熟练掌握各助剂的主要分子结构和功能后，确定合理的配比方案，从而增强原材料的力学性能。

(2)在热压成形时，采用发泡工艺——加入适量的发泡剂，利用密封型腔的压力进行高温发泡，使模塑制品在内外壁之间能形成中空蜂窝状，使纤维在其中形成均匀分布的网络，以提高其韧性和强度，同时也可减轻单件制品的重量。

(3)利用计算机软件和数据处理方法对工艺参数及成型模具进行优化设计，选出最优组分结构和最优设计方案。

(4)对材料进行全面、系统的研究和设计，提高材料的综合使用性能，使实验室制备的单件模塑包装材料能适应实际生产要求，从而为实现大批量自动化生产提供基础技术支持。

【参 考 文 献】

[1]陈玉霄，肖生苓，王 强.林区木质剩余物合理利用的研究[J].森林工程，2007，23(6)：1-5.

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