新型环保可自然环境下降解的笔记本电脑包装

任晨

摘 要：笔记本电脑包装的主要功能是，在从制造商到达最终用户过程中，对笔记本的机械结构以及外表面起到保护作用。目前笔记本电脑的包装主流材料为各种高分子塑料。由于高分子塑料在自然环境中不能自然降解，导致对自然环境产生大量的“白色污染”。本次研究是通过对包装材料的研究来获得全降解塑料薄膜，其具有机械强度高、降解效率高、降解时间短、适用范围广、生产工艺简单、原料易得等特点，可在废弃后于自然环境下降解。

关键词：笔记本包装；环保；可降解；天然高分子材料

1 问题描述

自20世纪30年代开始应用合成高分子材料，塑料以其价廉物美的特殊品质、质轻耐用，广泛应用于经济各部门和日常生活各领域。2015年全球笔记本电脑的出货量为1.644亿台。需要使用的塑料包装大约为2000～4000吨。传统的高分子材料工业受限石油资源的日益减少导致成本持续上涨而发展速度减缓，同时，传统高分子材料产生的环境污染问题日益凸显，已经引起了社会的极大重视。传统高分子材料自然降解时间长，通过焚烧方式可以发电，但是设备投资大，易产生对人体和环境有害的气体，增加温室效应，造成二次污染；回收利用可较好地解决塑料白色污染问题，但该方法运行成本高、技术难度大、产品质量难以保证。

2 解决方案

天然高分子材料是可循环利用的一种资源，它能够被阳光或者微生物分解为对环境无污染的物质，如水和二氧化碳、无机小分子物质等，而且天然高分子材料具有较强的可塑性，可以通过多种材料添加的方法使之成为具所需要的某种特殊性质的的功能材料。天然高分子材料在使用和保存期内能够满足应用性能要求，使用后在特定环境条件下，在较短时间内化学结构能发生明显变化。目前，已产业化的降解塑料品种有光降解、光/生物降解、生物降解等，其中对保护环境、生态有益的生物降解塑料是目前应用最广泛的一种，而且其具有价格适中、加工设备简单、降解性能优良等特点，已成为当前易回收的一次性包装物最为理想的材料。

可降解淀粉基塑料材料俗称天然高分子材料，又称生物质材料，包括淀粉、纤维素、壳聚糖、蛋白质及木质素五类，这些材料来源于自然界生长的物质。其主要优点为资源丰富、可循环再生、永不枯竭及价格低廉，其缺点为湿强度低、可塑成型不好。

（1）利用可生物降解的淀粉基材塑料来生产可降解的包装已成为研究的热点。但是淀粉在提高塑料可降解性能的同时，一方面会造成其物理机械性能的下降，使其加工困难，另一方面还存在亲水性太强，与大部分通用树脂之间的相容性很差，致使制成的薄膜力学性能大幅下降，阻水性能差等缺点，从而阻碍了淀粉塑料在工业化推广过程中的广泛应用。

（2）聚乙烯醇是一种用途广泛的传统高分子聚合物，机械性能介于塑料和橡胶之间，含有大量的极性基团羟基，分子链结构对称规整，具有独特的耐溶剂性、平滑性、保护胶体性、耐油性以及经特殊处理具有的耐水性，同时还具有一定的生物降解性，在湿环境中有细菌存在的条件下6个月内可以完全分解成水和二氧化碳，是完全生物降解材料，但是降解过程中对降解环境要求较高，使降解速度相对较慢。

（3）苎麻是极具中国特色的传统纤维作物，我国常年苎麻种植面积达到20万公顷左右，苎麻骨作为苎麻产业的规模化生产加工的副产物，是重要的生物资源，其中富含纤维素、半纤维素，其纤维素含量和纤维形态类似阔叶树种，理论上是理想的制备原料，且对其合理高效的开发利用对于提高苎麻综合价值、促进苎麻产业发展都意义重大。

（4）本次研究目的是提供一种苎麻麻骨增强淀粉基全降解塑料薄膜制品。使用高含量的表面疏水改性的淀粉作为基体，配合添加将苎麻麻骨作为淀粉基全降解塑料薄膜的增强材料，能够提高薄膜的强度以及防水、防油性能，而且成本低、不会产生污染。

3 高分子材料的改性设计

3.1 玉米淀粉的抗水，提高可塑性的处理

把玉米淀粉、纳米蒙脱、钛酸四丁酯土与甘油混合获得表面疏水处理的混合粉末。

玉米淀粉作为可完全降解基材。

纳米蒙脱作为增容剂。借助于分子间的键合力，可以起到类似油分散于水中所用的表面活性剂的作用。之所以能将两种不相容的聚合物组成塑料聚合物，是因为在其分子中具有分别能与两种聚合物进行物理或化学结合的基团的能力。纳米蒙脱还起到稳定剂作用。可以防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用分解和破坏，延长使用寿命，阻隔气体以及良好的远红外反射性，同时耐热、耐磨、强度高。

钛酸四丁酯土作为偶联剂。偶联剂的作用是屏蔽淀粉表面羟基，在水解后能生成一层交联的致密网状疏水膜。偶联剂是具有特殊结构的有机硅化合物。在它的分子中，同时具有能与无机材料结合的反应性基团和与有机材料结合的反应性基团。

甘油作为增塑剂。增塑剂分子插进到聚合物分子链之间，削弱了聚合物分子链间的应力，结果增加了聚合物分子链的移动性，降低了聚合物分子链的结晶度，从而使聚合物的塑性增加，也就对抗了塑化作用的主要因素聚合物分子链间的应力和聚合物分子链的结晶度。

3.2 制作增强剂来提高玉米淀粉的抗油、抗水能力，增加机械强度，提高可塑性，从而降低加工难度

把苎麻麻骨，干酪素与液体石蜡混合获得苎麻麻骨增强料。

苎麻麻骨作为增强剂又叫填充剂。它能通过化学和（或）物理作用将两种性质差异大、原来不易结合的材料较牢固地结合起来。它可以提高塑料的耐热、耐水、耐油性能，提高薄膜的强度（可以增加抗拉强度，断裂伸长率，冲击强度），并降低成本。

干酪素作为交联剂能在高分子聚合物的线型分子间起架桥作用，可以将N个线型分子相互键合组成网状结构的物质。促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形成的物质。因为高分子聚合物的分子结构是一条条长的线，交联前机械强度低，容易被拉断，且弹性差。

液体石蜡作为内润滑剂。在聚合物内部起到降低聚合物分子间内聚力的作用，从而改善塑料熔體的内摩擦生热和熔体的流动性。

3.3 提高聚乙烯醇塑料制品的热稳定性

将步骤（1）（2）获得粉末与硬脂酸混合放入双螺杆造粒机中获得淀粉母料。

硬脂酸作为热稳定剂，在物理的（如热、辐射）和化学的（氧，臭氧）因素作用下，防止高分子聚合物材料的逐渐破坏。

3.4 混合高分子聚合物，增加混合物的可塑性，并挤出吹塑成膜

将淀粉母料、聚乙烯醇、柠檬酸三乙酯混合均匀后，加入到单螺杆挤出机中，控制温度在170～180 ℃的加工温度下进行热熔挤出吹塑成膜，最后定性收卷、包装即得。

聚乙烯醇是合成树脂合成树脂是塑料的最主要成分，其在塑料中的含量一般在30%～100%。

柠檬酸三乙酯作为增塑剂。作用与甘油类似。

3.5 重量份的原料制备制成（单位：kg）

玉米淀粉60～65、纳米蒙脱土7～9、甘油0.6～0.7、钛酸四丁酯1.2～1.4、苎麻麻骨12～14、聚乙烯醇30～35、干酪素12～14、液体石蜡0.6～0.8、柠檬酸三乙酯11～15、硬脂酸1～1.5、抗氧剂1010 1.5～2。

4 效果验证

将本研究的包装制品按照GB/T 20197—2006的标准进行降解试验，经过4个月的土埋实验，生物降解率可以达到62.8%。按照GB/T 1040.3—2006进行力学性能测试，薄膜厚度为0.03 mm，横向拉伸强度为24.9 MPa，断裂伸长率为660.85%；纵向拉伸强度为22.5 MPa，断裂伸长率为 446.10%，符合标准。

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（作者单位：惠普贸易（上海）有限公司）