利用木质剩余物和向日葵秸秆制作外包装材料的研究

祁桂兰，肖生苓

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

在现代市场经济的发展中，商品包装承担着保护商品、便利储运和宣传美化商品的作用，它的重要性日益被生产厂家、商家和消费者所重视。随着我国国民经济的飞速发展，人民生活水平的大幅度提高，各类商品超级市场普遍化，各类商品包装的数量也在急剧增加。经过改革开放30多年的发展，我国的包装行业以年均增长15%的速度迅速发展壮大，已成为国民经济发展不可或缺的行业［1］。近年来，包装行业及包装市场得到了空前的发展。

随着包装环保要求的不断提高以及国际贸易中提出的检验检疫等特殊要求，再加上实木包装易潮、易燃和易腐朽、易受虫蛀的影响，纯木质包装材料的应用日益受到限制，各种新型的包装材料应运而生。众所周知，我国是一个农业大国，采用原本废弃的农作物秸秆代替木材生产包装材料，开辟了农作物秸秆工业化应用的新领域;而且我国也是一个森林资源缺乏的国家，农作物秸秆的利用从而缓解了包装生产对森林资源的需求。向日葵秸秆质轻价廉、来源广泛，其纤维素及木素含量、木质化程度都较高，有一定的力学强度，可满足制作包装材料的原料要求，而且产品造价降低，能适应市场需求，有较强的竞争能力。

本研究以木质剩余物、向日葵秸秆作为主要原料，不但充分利用了大量剩余资源，还缓解了木材供需矛盾，增加农民收入，具有良好的社会效益、经济效益和生态效益，具有广阔的应用前景。

1 利用木质剩余物和向日葵秸秆制作外包装材料的现实意义

1.1 我国森林资源及实木包装使用的现状

我国属于少林国家，过量采伐和不合理消耗已使我国面临森林资源危机。面对如此形势，除了高效利用现有森林资源和大力营造人工林外，积极拓宽不依赖于木材资源的代用原料生产板材，开发利用林区木质剩余物，深入挖掘木材的替代产品，是缓解森林资源危机进一步加剧的有效措施之一。我国曾提出过“以钢代木”和“以塑代木”等措施，它对缓和木材供需矛盾起过一定作用，

但从目前立足于可持续发展的观点来看，却并不能解决根本问题［2］。

实木包装是国际贸易中运载货物普遍使用的包装材料，具有成本低、承载力强、容易加工和拆除等特点，国际贸易中约1/3的货物使用实木包装材料，但实木包装较易携带林木有害生物，给世界各国和地区带来现实威胁和潜在风险。据统计，入侵中国的松材线虫、美国白蛾和红脂大小蠹等10余种外来有害生物，每年给中国造成直接经济损失超过574亿元。另外，我国森林资源相对匮乏，近年来木材供需之间的矛盾也越来越激烈，使得实木在包装工业中的发展得到了限制。我国海运进出口商品广泛使用木箱包装，2007年，仅深圳口岸有20多万批出口货物用木质包装，多达500多万件。由于受贮存条件、海洋气候的影响、盐雾气氛的腐蚀，周转木箱易受潮及腐蚀。研制具有一定强度、防潮、密封、耐腐蚀的新包装材料以此取代木箱包装，极具市场潜力。

1.2 木质剩余物和秸秆作为外包装原料的意义

木质剩余物是指森林采伐、造材、木材加工利用后的剩余物，包括枝丫、枝条、树皮、树叶、伐根、梢头、灌木、枯倒木、截头、板皮、板条、根部齐头、刨花、锯屑、边角余料等。木质剩余物是宝贵的生物质资源，其合理利用也是林业可持续发展的必要条件［3－4］。开发木质剩余物资源，用以研制新型包装材料，一方面可以节约大量木材，变废弃物为宝，使尚未得到充分利用的生物质废弃资源发挥最大的效能，满足国民经济快速发展对包装材料数量和技术性能的要求;另一方面，通过对木质剩余物的再处理，应用新的技术方法与成型工艺，研制功能型、智能型、环境友好型的生物质包装材料，使其具备成本低廉、可工业化生产、可降解可再利用的优良特性;第三，这一项实用技术如能够研发成功，对我国现有森林环境的保护及林业企业发展具有积极意义。

传统的外包装材料均是以木材为原料，木材供应的不断减少使得包装行业面临原料缺乏的压力，因此寻找木材原料的替代品是必然趋势。人类能利用的可再生资源主要是植物，包括树木、竹子、农作物的秸秆等。树木的再生周期为几十年以上，竹子的再生周期在3－5年，而农作物秸秆的再生周期为1年或者不到1年。从利用效率和利用成本来说，以农作物秸秆为原料最有利［2］。我国是农业大国，具有丰富的农作物秸秆资源。过去，秸秆主要用作饲料、燃料和造纸原料等。随着经济的飞速发展和生活水平的提高，燃煤、煤气在一定程度上替代了农村传统燃料的秸秆。在收获季节，大量秸秆作为农业剩余物不得不在田里烧掉，这种不良的处理方法，不仅污染环境，而且使资源被大量浪费。因此，用农作物秸秆替代木材作为包装工业的原料具有良好的社会效益、经济效益和环境效益［5］。

1.3 向日葵秸秆的利用和研究现状

1.3.1 向日葵秸秆概况

向日葵 (Helianthus annuus L.)属菊科，向日葵属作物。向日葵为一年生高大草本植物，具有天然种植优势，产量大生产周期短，原料供需有保证。向日葵秆纤维素及木素含量都较高，且木质纤维形态与阔叶木材相似，纤维较细长，呈尖削状。向日葵茎秆高大粗壮，秆部木质化程度比一般草本植物较高。从秸秆横断面观察，主要由表皮部、木质部和髓芯部组成，各占比例为10%、75%和15%。木质部密度为0.459/cm3，与木材原料比，向日葵秸秆木质部粗糙而疏松 (根部较好、颈部较差)，密度较低，横向强度偏低。向日葵生产主要集中在东北三省、华北北部的河北、山西、内蒙古以及西北地区的宁夏、甘肃和新疆等地。随着我国向日葵相关产业的快速发展，近10年来，国内年种植面积基本稳定在100万hm2左右的水平上［6－7］。

1.3.2 向日葵秸秆的研究现状

1999年段梦麟［8］通过对向日葵秸秆木质部分的分析，确定了向日葵秸秆木质部分胶合制造人造木材的可能性，研究了利用向日葵秸秆制造人造木材的实验室工艺。

2005年中国林科院木材所进行了较为系统的试验研究。生产试验表明，向日葵秸秆是一种较好的原料，表1为向日葵秸秆刨花板性能指标［9］。

表1 向日葵秸秆刨花板物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of sunflower straw particleboard

可见向日葵秸秆刨花板物理力学指标均高于国家标准 (GB/T4897.2－2003)要求，与木质刨花板性能接近。向日葵秸秆刨花板比木质刨花板生产成本降低15% ～20%，市场竞争力会更强［10］。

2006年李永祥［6］等提出向日葵秸秆虽然是纤维类物质，但也必须经过预处理。特别是磨碎去芯，使原料具有一定的长径比，这对提高板材的物理性能有重要的意义。

步骤4 将决策变量决策变量Wli的值Wlit代入下层模型目标函数中，获得下层模型函数目标值θ,s-,s+及目标值符合满意值范围时(下层约束条件)，则转入步骤5；如果目标值未达到满意值范围时，根据松驰变量s-,s+的值，调整的Wlit值，转入步骤1。

2010年祝荣先［11］等提出向日葵秸秆超微粉与酚醛树脂易混合，并且有利于降低树脂中游离苯酚质量分数，提高产品质量。

2 木质剩余物与向日葵秸秆制作外包装材料的影响因素及分析

采用高温热压制备木质剩余物与向日葵秸秆外包装材料，具体工艺流程如图1所示。

图1 外包装材料制作流程图Fig.1 Production flow chart of outer packaging material

在材料热压过程中，影响成板性能的因素包括原料预处理、原料含水率、材料设计密度、木粉目数、胶黏剂种类及施胶量、热压工艺参数 (如热压温度、热压压力、热压时间)等。

(1)对向日葵秸秆进行预处理。主要包括采取可靠的除髓工艺和秸秆的粉碎。髓芯部分是轻而软的海绵状多孔物质，吸水性较强，拌胶时髓芯吸收大量的胶液，使木粉表面胶液减少，影响拌胶的均匀性，降低胶合强度，容易产生胶团，并在板坯表面形成胶斑。所以，应将髓芯分离出去。在实验中使用粉碎机将干燥的向日葵秸秆粉碎。此外，秸秆的着火点很低，高温容易发生火灾危险，干燥温度控制在80℃左右比较适宜［12］。

(2)对于各种原材料和工艺都有相应的板坯含水率范围，试验研究经验表明，施胶前原料含水率以小于等于8%为宜 (向日葵秸秆颗粒的水分过高对存放不利，容易发热、霉变、腐烂等)，施胶后板坯的含水率最好控制在8%～14%之间，不超过15%，这样能满足热压要求和包装材料板材性能要求［13］。

(3)在条件允许时，最好生产密度较小但又能保证使用要求的板材。根据现有同类板材密度情况以及对外包装材料性能的要求，密度一般在0.7～0.9g/cm3比较适宜。在许多情况下，密度越大，则板的强度越高，但机械加工越困难，成本也高。反之，密度越小，则绝缘性及隔热性越好，成本越低，但强度也越差。另外，密度对板的重量的影响，直接影响板的使用［14］。

(4)单元组分的配比。最佳含量及粒度对包装材料的强度、弹性模量影响较大。用20目筛所得的木屑和向日葵秆颗粒呈规则排列，结构密集，纤维长且纤细，很少有断裂现象［6］。

(5)由于向日葵秸秆表面存在SiO2和蜡质层，极大地阻碍了胶液对秸秆的润湿，不利于胶合。采用生物技术方法对秸秆进行表面脱蜡处理，处理后的秸秆用脲醛树脂胶进行胶合，可取得比较理想的试验结果［15－16］。

(6)由于向日葵秸秆与木材的差异较大，热压工艺也有所不同。首先，热压温度不宜高于150℃，当热压温度过高时，板材表面的物质热解，产生焦化变色、粘板等现象，对板的抗水性能和内结合强度都有影响。其次，热压压力不宜太大，因为向日葵秸秆较木材易于压缩，不论板材密度多大，当压力不太高时就可以快速合模。若压力太大，则会导致芯层密度差过大，反而降低板材的平面抗拉强度，增大板材的吸水厚度膨胀率［17－18］。

(7)木质剩余物与向日葵秸秆的组成结构、密度、强度、吸水率等有一定差异，制备工艺要兼顾到两种组分的特性，使单元组分与材料的整体结构相一致。

3 结束语

以木质剩余物、向日葵秸秆作为主要原料制作外包装材料，具有广阔的应用前景。

(1)向日葵作为一种一年生经济作物，纤维素和木素含量都较高，且具有质轻、来源广泛的优点，是制造外包装材料的上好原料。

(2)我国是农业大国，充分利用农作物秸秆资源，能缓解木材供需矛盾，保护森林资源，繁荣农村经济，增加农民收入，可带来良好的社会效益、经济效益和生态效益。

(3)以木质剩余物与向日葵秸秆为原料制作外包装材料，通过合理的预处理和控制热压工艺，能达到一般木材要求，可以作为包装工业木材的代用品。

(4)开发木质剩余物资源研制包装材料，不管在技术上、经济上以及产品质量和应用上均是理想的人造板材，因此该材料具有广阔的发展前景。

［1］张业鹏.纸浆模塑包装结构的缓冲性能及其可靠性研究［D］.武汉:武汉理工大学，2007.

［2］李 丹.典型伐木包装原材料及其热压成型工艺研究［D］.无锡:江南大学，2009.

［3］肖生苓.木质剩余物轨枕复合技术研究［D］.哈尔滨:东北林业大学，2008.

［4］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.

［5］聂玉静.红麻芯杆基础性能和制板工艺研究［D］.杭州:浙江林学院，2009.

［6］李永祥，曹端林，王建龙，等.向日葵秆制备刨花板工艺研究［J］.林产工业，2006，33(2):20 －22.

［7］陈桂华.葵花秆积成材热压工艺的研究［J］.林产工业，2004，31(3):18－21.

［8］段梦麟.葵花秆胶合人造木材研究［J］.内蒙古工业大学学报，1999，18(3):225 －228.

［9］于文吉.生物质资源农作物秸秆应用于人造板工业的可行性分析［J］.木材工业，2006，20(2):41 －47.

［10］余养伦，于文吉.葵花秸秆刨花板的开发前景［J］.木材加工机械，2009，(1):30 －33.

［11］祝荣先，于文吉.向日葵秆超微粉用于酚醛树脂添加剂的试验［J］.东北林业大学学报，2010，12(38):69 －71.

［12］伊晓路，孙 立，郭东彦，等.生物质秸秆预处理技术［J］.可再生能源，2005，(2):31 －33.

［13］史宇亮.混合原料秸秆板加工工艺特性试验研究［D］.长春:吉林农业大学，2006.

［14］赵一兵.玉米秸秆板加工特性试验研究［D］.长春:吉林农业大学，2005.

［15］陈桂华，农作物秸秆表面性能及胶合重组技术研究［D］.长沙:中南林业科技大学，2006.

［16］李延军，高建民，张双保，等.我国秸秆人造板研究近况及发展前景［J］.建筑人造板，2002，(1):3 －5.

［17］向 琴.稻草碎料板工艺的研究［D］.株洲:中南林学院，2001.

［18］刘曼红.林业“三剩物”的开发利用现状和前景概述［J］.林业调查规划，2010，35(3):62 －64.