可降解木塑复合缓冲包装衬垫材料的研究综述

陈艳娜，肖生苓，李 琛

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

随着电子商务和物流行业的不断发展，塑料泡沫包装制品的需求量迅速增大。泡沫塑料使用后的废弃物给环境带来了严重的负面影响，加剧了白色污染。因此近年来国内外专家学者对可降解性塑料及其复合材料开展了一些列的研究[1]。其中聚乳酸作为完全可降解的塑料受到关注，但单一的聚乳酸材料脆性高、抗变形能力差，且成本较高，因此聚乳酸与植物纤维、淀粉等价格较低且可降解的材料进行复合制备可降解缓冲材料成为发展的趋势[2]。

1 国外可降解木塑复合发泡材料的研究现状

国外木塑复合发泡材料制备的工艺比国内要早，已经达到一定的技术水平，对聚乳酸发泡的研究主要集中在聚乳酸与植物纤维、淀粉的复合发泡研究，以及聚乳酸与其他塑料共混的特性研究。

1.1 天然纤维对复合发泡材料的影响

天然纤维作为基体，其性质对复合材料的性质有很大的影响。Bledzki Andrzej K[3]等人发现了木粉的长度、几何形状及其用量等因素对复合材料中泡孔的大小、形状及分布有影响，并作了进一步的研究。

木粉作为填充材料降低了可降解塑料发泡的成本，对力学性能也有很大的改变。Benjamin B[4]等研究了PLA/Cordenka纤维和PLA/亚麻纤维注塑复合材料的冲击和拉伸性能，结果表明，当纤维百分含量为30%时PLA/Cordenka纤维复合材料冲击性能和拉伸性能最好，但此时聚乳酸和天然纤维之间的相容性不好。

1.2 复合发泡材料的增黏改性研究

缓冲效果主要取决于发泡的泡孔结构、均匀性以及材料的韧性，并且复合材料的熔体黏度对发泡的效果有一定的影响。单一聚乳酸材料熔体黏度不高，发泡时泡孔容易破裂，无法形成完整的泡孔结构。而木粉的存在可以改变复合材料的流动性，但熔体黏度过高，发泡时阻力大，无法获得较高的发泡倍率，影响缓冲效果，此外木粉表面有羟基，容易发生团聚，造成木粉在塑料基体中分布不均匀，进而影响泡孔的均匀性和材料的力学性能。Meligy[5]的研究中指出了纤维的加入会影响聚乳酸的结晶性能，从而进一步影响复合发泡材料的成核效率。因此要控制木粉的加入量并适当对木粉进行改性。

为了提高材料韧性，改善发泡效果，增加回弹性，可以通过加入增韧剂、增塑剂等来改变熔体的黏度。O.Martin[6]等人考察了PEG、柠檬酸酷、甘油和乳酸低聚物对PLA的增塑效果，相同添加量下PEG的增塑效果最好。

1.3 复合发泡材料的界面相容性

Islam[7]等的研究表明，将纤维原料经碱处理后，可以延缓PLA/大麻纤维的老化。由此，可根据不同应用的要求选择纤维的处理方法。Lee[8]等通过硅烷处理和梳理工艺提高聚乳酸/洋麻纤维的界面相容性。Meligy[5]等用马来酸酐对纤维表面进行处理，与纤维未处理的材料相比，机械性能和介电性能有很大的改善。而A.H.Michel等[9]采用马来酸酐为增容剂制备聚乳酸与甘油改性淀粉的复合材料，发现马来酸酐可以改善两者的相容性，使其表现出更好的柔韧性。

1.4 其他方面的研究

制备木塑复合发泡缓冲材料，需要加入发泡剂，通过控制发泡剂的用量、反应温度等条件使复合材料的泡孔结构稳定均匀，并具有一定的回弹性以达到保护产品的目的。Matuana L M[10]等研究了发泡剂含量对PLA泡沫塑料性能的影响，结果显示，随着发泡剂含量的增加，孔隙率和泡孔密度先增加后减小，随着螺杆转速的增加，孔隙率先增加后减小而泡孔密度一直增加。当发泡剂含量和螺杆转速在一个适当的组合时，可以得到泡孔分布均匀、泡孔直径适中的聚乳酸发泡材料。

复合材料的可降解性、耐水性等关系到复合材料的使用性能，更关系到复合材料能否用于实际生产。Ganjyal[11]等对淀粉醋酸盐/PLA复合发泡材料的降解性能进行研究时发现，PLA含量增高会加速发泡材料的降解速率。Wu等[12]将马来酸酐接枝聚乳酸与废旧天然纤维复合材料制成可完全生物降解的PLA-g-MA/GCF复合材料，且复合材料的降解性要比单一聚乳酸要好。Willett[13]等研究指出，当淀粉/PLA复合发泡材料的相对湿度达到50%时复合发泡材料的吸水性能下降，抗压强度与材料的密度有关与淀粉类型和聚合物结构无关，淀粉/PLA复合发泡材料界面存在相分离现象。

2 国内可降解复合发泡材料的研究现状

近十年来，生物降解聚乳酸材料在国内迅速发展，有一些学者将目光投向与聚乳酸相关的复合材料研究[14-16]，但关于缓冲包装的研究较少。在国内，将废弃的淀粉或植物纤维等农林业剩余物加入到通用塑料[17-18]、聚氨酯[19]等材料中制备缓冲包装材料已经取得了较大的突破，该研究为植物纤维与聚乳酸复合发泡缓冲材料的研究提供了一定的参考。

2.1 天然纤维对复合材料的影响

加入的纤维因种类、大小、用量的不同对复合材料力学性能，发泡效果等有不同影响，这一点国内外研究结果基本相同。

浙江大学的王瑜[20]等人研究了植物纤维含量对聚乳酸发泡材料表观密度、膨胀率、孔隙率、力学性能和热性能的影响。结果显示植物纤维含量为15%时材料的表面密度最小且综合性能最好。盛雨峰[21]等人的研究中指出随着甘蔗渣含量的增加，复合材料的拉伸强度呈下降趋势，但其下降幅度不明显，基本保持在一个平衡状态。此外聚乳酸/甘蔗渣复合材料的力学强度受甘蔗渣粒径和含量的影响；甘蔗渣的粒径越小，复合材料的冲击强度越大；随着甘蔗渣含量的增大，复合材料的冲击强度和拉伸强度均呈下降趋势。

2.2 复合发泡材料的增韧改性研究

木粉的加入使复合材料的力学性能发生了改变，为了获得具有较好力学性能的缓冲材料，改善发泡效果，国内学者对聚乳酸及其复合材料的增韧改性进行了研究。

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长春工业大学的葛欢欢[22]发现在聚乳酸材料中加入增塑剂(GMS)和增韧剂(ACR)使得材料的熔体的黏度有所下降，随着ACR的加入量增加，材料的冲击强度先增后减，在10%时冲击强度与断裂伸长率达到最大。此外，共混材料的弹性模量及复合黏度随着ACR增加而增大。曲萍[23]等人对聚乙二醇增容纳米纤维素/聚乳酸共混体系进行了研究，复合材料的拉伸性能和断裂伸长率都有一定的提高。因此聚乙二醇具有增塑的作用，改善了聚乳酸的脆性，并明显改善了基体间的相容性，从而改善复合材料的力学性能，这方面浙江大学的邹萍萍[24]也有类似的研究结果。

2.3 复合发泡材料的界面相容性研究

木质剩余物与可降解塑料复合发泡材料是绿色的包装材料，符合环保的要求。但是亲水性的木纤维表面与疏水的塑料之间界面相差较大，因此获得材料力学性能不好。国内学者把提高界面相容作为木塑复合材料研究中的一个重点。

提高界面相容性可以通过对植物纤维进行表面处理、对塑料进行表面处理、加入界面改性剂以及通过完善工艺过程来实现。袁华等人[25]用马来酸酐及引发剂BPO对植物纤维进行接枝处理，使复合体系的相容性改善。王艳玲[26]等人发现将木粉加入聚乳酸后复合材料拉伸性能下降，但是用硅烷偶联剂处理后，下降的速率变小。加入增容剂NAX使复合材料熔体黏度改变，且随着增容剂的用量增加复合材料冲击强度上升。

提高界面相容性也可以用多个方法一起对原材料进行处理，比如盛雨峰[27]用碱处理和硅烷处理以及两种结合的方法对复合材料进行了研究。结果表明了两者进行结合处理后材料的拉伸性能最好、其次是碱处理。

2.4 其他方面的研究

材料在成型过程中，模压发泡的模压温度、压力等，对材料的力学性能有很大影响。王瑜[28]以聚乳酸和玉米秸秆纤维为原料，通过熔融混炼，模压发泡的方法制备聚乳酸发泡材料。在实验中对聚乳酸/玉米秸秆复合发泡材料进行了力学性能的测试，结果表明通过控制模压发泡过程，复合材料有一定的回弹性，并且可以用于缓冲包装。

研究可降解木塑复合发泡材料的目的就是要控制降解性，降低包装废弃物对环境的污染[29]。崔晓霞等[30]测试了PLA/纳米纤维素复合材料在磷酸缓冲溶液中及在土壤中的降解性。结果表明，随着纳米纤维素质量分数的增加，复合材料的吸水性和降解性均随之提高，明显优于纯PLA。

3 存在的问题

木塑复合发泡缓冲材料是一种绿色的包装材料，但材料的综合性能还存在很多不足，需要研究者们投入更多的研究。

(1)材料的生产工艺需要进一步优化。国内外对木塑发泡缓冲衬垫材料的研究还处于试验阶段，在材料的配方、加工工艺等方面还需要加大投入进行研究，确定出适合于工业生产的最佳工艺方案，以使这种绿色包装缓冲材料更早的走入市场。

(2)材料的缓冲性能不够理想。目前实验室制备的材料综合性能不佳，表现在复合材料材料硬度大，脆性强、韧性不足，发泡的泡孔结构不够均匀，材料的回弹性小，要用于缓冲包装还有一定的距离。因此需要加大对聚乳酸增韧改性、发泡过程、界面相容性等的研究，以获得的性能优良的可降解缓冲包装材料。

(3)材料的降解可控性差。聚乳酸本身的降解性可控性不好，因此，木塑复合材料的可降解性就比较难控制。此外，材料在改性时加入的增塑剂等大多都不可降解，对复合材料的降解性也有影响。在实际中，缓冲包装材料使用后被废弃至于自然环境，在自然条件下的降解过程对解决环境污染问题意义重大。要实现控制材料的降解性，需要从材料降解的动力学角度进一步探讨。

(4)材料的成本仍然较高。尽管加入了价格低廉的木质剩余物、植物纤维等材料，但制备这种缓冲材料的成本仍然比通用塑料缓冲材料的高，因此寻找经济成本较低的生产工艺十分重要，它决定产品能否投入实际应用。

4 可降解木塑发泡材料的发展趋势

可降解木塑复合发泡缓冲材料的研究有很大的空间，该材料今后的发展趋势归纳为以下几个方面：

(1)降低成本是可降解木塑缓冲材料开发和研究的一个重点。加大对开发复合发泡型可降解塑料的生产工艺研究，提高低廉材料如纤维素、淀粉等天然可降解材料在复合材料中的比例，以解决可降解塑料成本偏高的问题。

(2)开发高性能复合发泡剂和发泡助剂，研究可降解木塑复合缓冲材料的发泡机理，有助于制备出密度更低、综合性能适应产品要求的材料；

(3)提高可降解缓冲材料的综合性能是材料能否实际应用的关键问题，加强木塑复合材料表面相容性的研究，寻找更加合适的增塑剂、增容剂是今后材料发展中的一个重点。

(4)木塑缓冲材料的可降解性是研究的必然趋势，缩短可降解木塑复合发泡缓冲材料在物流包装等行业取代现有木材和塑料制品的进程，提高环保水平，是未来包装和物流行业发展的必由之路。

5 结束语

目前可降解木塑复合发泡材料的研究还处起步阶段，材料的性能、工艺等方面还存在很多问题，但是这种材料不仅可以减少污染，同时提高了林业剩余物的利用率，具有很好的环保性和经济性，是缓冲包装材料研发的一个新领域，具有非常广阔的发展空间。

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