可降解缓冲包装材料研究进展综述

卢佳欣，刘惠，沈丹丹，苟进胜，孟星彤,孙小琪

（北京林业大学，北京，100083）

可降解缓冲包装材料研究进展综述

卢佳欣，刘惠，沈丹丹，苟进胜，孟星彤,孙小琪

（北京林业大学，北京，100083）

目的 为缓解传统包装废弃物对环境造成的压力，开发绿色可降解的发泡材料是主要方向，本文总结了可用于缓冲包装的可降解发泡材料，旨在为新型包装材料的研发提供一定的参考依据。方法 总结了几种可降解发泡材料的发泡方法，包括挤出发泡法，加热发泡法和溶液发泡法，详细阐述了每种发泡方法的原理及技术改进手段；介绍了可降解发泡材料的应用现状，辨析了各种材料的优点和存在的问题。结论 虽然可降解发泡材料发展迅速，但目前各类材料均存在一定的缺陷，应进一步加大研究力度，提高性能，以便能更好地运用到实际生产中。

可降解；发泡材料；缓冲包装

近年来，随着包装行业的不断发展，我国对于缓冲包装材料的需求量逐年上升，其中发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚苯乙烯（EPS）、发泡聚乙烯醇（PVOH）等是常见的缓冲包装材料。但其在土壤中的自然分解速度极慢，由此给环境带来了一定的压力，许多国家严令限制使用聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等缓冲包装材料，提倡使用可降解材料来代替塑料产品[1-4]。

可降解缓冲包装发泡材料是以淀粉、植物纤维以及木质素等生物质材料作为主料再添加一定的辅料及发泡剂等助剂通过特殊工艺加工制备而成的，具有原材料来源广泛、成本低廉、整个生命周期对环境无污染等优点，符合绿色环保型包装材料的要求，而且可以提升农作物的经济价值和附加值。

近年来，采用基于可再生资源的天然高分子材料和其它可降解高分子材料来制备缓冲包装材料已成为该领域的研究热点。例如，淀粉、纤维素和木质素等生物质材料在自然界中含量极为丰富、属于可再生资源，基于这些材料制备的发泡材料在废弃后易于生物降解。另外，可降解材料的发泡技术也正在不断改进，并日渐成熟，制备的缓冲材料性能也有了很大的程度的提高，有些材料甚至可以和聚苯乙烯泡沫材料（EPS）等相媲美[5-6]。本文主要综述了常用的几种可降解材料的发泡方法、常见的可降解发泡材料及这些材料在包装领域的应用，旨在为可降解发泡材料的研发提供一些参考。

1 可降解材料发泡方法

1.1 挤出发泡法

挤出发泡法利用的是降压发泡的原理，在挤出机内实现的。先将混合均匀的原料放置在挤压机中制成可发性颗粒，然后将颗粒填入设置好工艺参数的注塑机中挤出，最后根据不同的模具成型不同形状的产品[7]。目前，挤出发泡法主要应用于淀粉类材料的发泡。

淀粉的挤出发泡就是将淀粉作为基料，再加入水等助剂，在挤出机中受到热和剪切力，淀粉内部结构被破坏形成热塑性淀粉。加热后的淀粉将受到由螺杆挤压和挤出机料筒的限制而形成的巨大压力，此压力使水分过热却不气化。当受热的淀粉熔体从机头挤出后，物料中的水分因为压力的释放而气化蒸发，使其在淀粉熔体中形成多孔结构。与此同时，热塑性淀粉也因为物料温度的下降和水蒸发造成材料玻璃化温度的上升而从高弹态回到玻璃态，最后冻结多孔结构形成泡沫材料[8-10]。Yogaraj等[11]运用此方法研究并证明了实验所用淀粉的种类，发泡剂，添加剂及挤出条件如温度、压力等对淀粉发泡材料的性质有很大的影响。为了降低淀粉泡沫的亲水性以及材料的生产成本，Guan等[12]用双螺杆挤出机挤出淀粉和醋酸淀粉共混物而得到了高发泡倍率、高可压缩性和低吸水性等性能优良的泡沫产品。

超临界流体挤出发泡是一种可应用于生产淀粉基发泡材料的新兴发泡方法。它是通过将超临界二氧化碳注入熔体中以形成微孔结构的方式来发泡[13]。在此基础上，Alavi等人还通过减小口模直径，提高机头压力和降低熔体温度来提高超临界流体挤出发泡材料的发泡率[14]。

1.2 加热发泡法

加热发泡成型工艺是指在烘焙模型中加入高分子材料、助剂与发泡剂的混合物，通过加热使其发泡成型。

淀粉加热发泡法是将淀粉与水的混合物注入烘焙模型中，然后加热升温，使其高于淀粉的凝胶化温度。此时，淀粉凝胶化变成粘稠的糊状物，淀粉糊吸水膨胀以致充满整个模具。由于水蒸气从模具的气孔中逸出，导致模具中的压力逐渐增大，使得模具内部的温度不断上升，加速了水蒸气和多余淀粉物料从模具的边缘溢出。随着水蒸气的蒸发，淀粉成为含水率较低的发泡材料[15-16]。Dujdao等[17]在加热发泡的基础上添加了聚己内脂（PCL），将其与淀粉共混得到发泡材料，并研究了相对湿度、存放温度、PCL 含量、增塑剂种类等对所得泡沫材料的吸水性和机械性能影响。

蔗渣发泡同样是采用加热发泡的方式来制得发泡材料，是以甘蔗渣为主要原料，辅以淀粉或其他生物质原料，采用微波加热进行发泡的一种方法。柴希娟等[18]以制糖工业废料甘蔗渣为主要植物纤维原料，辅以木纤维，采用微波加热发泡技术，制备出了缓冲性能良好的可降解发泡材料。解林坤等[19]也以蔗渣和淀粉为主要原料，通过微波加热法制备了缓冲包装发泡材料。武汉远东绿世界公司成功研制出一种新型的双发泡缓冲包装材料。此材料的主要原料为高含量的纤维填充物和改性淀粉，在高效复合发泡剂的作用下，通过低温（不超过150℃）发泡造粒，高温发泡的方法成型[20]。通过此方法制得的材料具有良好的抗震、抗压性能。

1.3 溶液发泡法

溶液发泡法是发泡材料成型的常用方法之一。溶液发泡法是指在反应物反应结束后，向其混合溶液中添加发泡剂，发泡剂受热或两种物质相互反应释放气体，从而带动基体材料形成多孔结构的方法。

罗华超等[21]用溶液发泡法，辅以NaCO3、NaHCO3等助剂，以甲醛为交联剂，硫酸为发泡剂制备聚乙烯醇/碱木质素发泡材料。结果表明材料的拉伸强度和抗压强度较聚乙烯醇材料有很大的提升，缓冲性能良好，而且材料可天然降解，可替代部分包装衬垫。

陈禾木等[22-23]也用溶液发泡法以改性碱木质素与聚乙烯醇( PVA) 为原料，甲醛为交联剂，采用无机发泡原理，制备了聚乙烯醇/碱木质素发泡材料(PLFM)。材料不仅表观密度低，吸水倍率小，还提高了生物相容性、耐热性和热稳定性。

2 可降解发泡材料

2.1 淀粉基发泡材料

2.1.1淀粉/EVA发泡材料

孙刚等[24]以淀粉和EVA为基体，加入发泡剂、增塑剂等助剂，利用挤出发泡的方法制备出了可生物降解且具有较好力学性能的发泡材料。这种材料在缓冲包装领域具有良好的发展前景，如水果、蔬菜的长途运输包装；各种陶瓷、玻璃器具、电子仪器等易碎物品的内包装及缓冲衬垫等。

目前，淀粉/EVA复合发泡材料的发展也存在一些问题：淀粉/EVA复合发泡材料虽可降解，但是降解的程度并不高，应进一步优化改善；其次该材料在膨胀率和回弹率等方面还处于劣势，应进一步提升；还有原材料的选择范围不够宽泛，应该扩大植物淀粉和塑料基体的种类等；淀粉/EVA复合发泡材料大多在理论和实验研究阶段，并没有投入实际生产，应加快实现产业化[25]。

2.1.2淀粉/竹粉发泡材料

陈三梅等[26]探究了以淀粉为基体，竹粉为增强剂，再添加各种助剂制备了淀粉/竹粉复合发泡材料。此种复合材料主要采用竹粉和淀粉，原料来源广泛，不仅绿色环保，还在一定程度上减少了对森林资源的乱砍滥伐，增加了对竹子资源的利用。一方面起到了保护森林的作用，另一方面也提升了农作物的经济价值和附加值。淀粉/竹粉复合发泡材料不仅价格低廉，耐水性能强，表观密度小，膨胀率和回弹率性能好，还可以部分代替塑料发泡材料，减少对环境的污染；而且材料都可完全降解，也缓解了环境污染和资源紧缺等问题。

竹粉/淀粉发泡复合材料在实验研究中也存在些许问题：虽然注塑发泡法制得的材料表面光滑，泡孔分布均匀，但其在实际生产中的效率较低，所以要进行工艺改善，如通过增加口模处的冷却系统，来增强泡孔的固化定型；实验中对于降解的部分过于理想化，若要运用到实际中还需要特殊的处理场地等。

2.1.3淀粉/秸秆发泡材料

郁青等[27]采用马铃薯、玉米淀粉作基体材料，稻草秸秆粉、玉米秸秆粉作增强材料，以NaHCO3为发泡剂, 采用一次模压法制备了淀粉稻秆发泡缓冲材料，其成型工艺较简单，原材料消耗量较小。实验结果表明淀粉秸秆发泡缓冲材料的抗压性能和回弹性能较好，降解性较强，有良好的综合性能，应用前景广泛。

淀粉/秸秆发泡材料主要应用于玻璃工艺品、高档电子产品等易破损产品的包装及运输中，并且被大力推广。[28-29]

淀粉/秸秆发泡材料目前存在的问题：实验过程中淀粉和秸秆的混合不均匀，可能会影响实验结果；淀粉/秸秆发泡材料吸湿率依然太高，耐水性不好，对材料的性能产生不利的影响；当前对淀粉/秸秆发泡材料的利用仍在试验阶段，还未达到工业化大规模连续化生产的要求。

2.2 木质素发泡材料

2.2.1木质素/PVA发泡材料

PVA缓冲性能良好，其吸液保液的性能使之最适用于液态产品的防护包装[30]。它具有可生物降解性[31]且是最便宜的可降解塑料[32]。罗华超等的研究发现以PVA为原料制备的聚乙烯醇缩甲醛泡沫材料具有良好的化学稳定性和生物相容性且易降解，但力学性能较差、成本较高，而且实验过程存在的甲醛问题也未解决，因此难以得到应用和推广[33-34]。为了增强材料的力学性能，同时增加碱木质素的利用率,制备高性能的发泡材料,任世学等人以聚乙烯醇(PVA)和碱木质素为原料,甲醛为交联剂,采用无机发泡原理,制备了聚乙烯醇-碱木质素发泡材料(PLFM)[35],并测定其相关性能。陈颖超等为进一步探究原料对发泡材料性能的影响，将聚乙烯醇改性，再加入相应木质素，利用甲醛交联，硫酸发泡形成发泡材料。得到了性能有所差异的材料，并探究出了最佳工艺条件[36]。

木质素/PVA发泡材料虽然在力学性能有很大提升，但不免存在很多问题：在木质素/PVA 发泡材料的制备过程中，甲醛作为交联剂使木质素和 PVA 发生交联反应，高温固化、水洗后，发泡材料必然还残余有未反应完全的甲醛。因此，即使制备木质素/ PVA发泡材料的工艺十分完善，材料性能十分优越，但还不能立即运用于缓冲包装上，还应对发泡材料做是否有游离甲醛挥发等相关的安全检测，以确保发泡材料在使用过程中不对人体产生危害。

2.2.2木质素热塑发泡材料

木质素的热塑发泡是在其玻璃化温度以上通过加入的发泡剂经热分解产生气体的作用下发泡而成。木质素与共混材料必须具有良好的相容性才能得到木质素与人工高分子材料的共混物以及相应的发泡产品。周建等人将木质素作为增强剂填充到具有良好粘结性和柔韧性的可发泡共混材料LDPE-EVA中，使用低密度聚乙烯接枝马来酸酐（增容剂）来解决木质素共混物相容性差的问题，并筛选出了较好的共混工艺。然后经过挤出、造粒、发泡，得到了性能较好的发泡材料[37-38]。

此实验一方面增加了木质素的活性，另一方面改善了共混物的相容性。结果表明木质素发泡材料显著提高了材料的力学性能和可降解性。但同时也存在很多问题：木质素结构复杂，及其本身的热塑性，导致了木质素在缓冲包装上的应用有一定的局限性；木质素在反应中仅仅作为增强剂，而且相容性也比较低，对于数量极大地木质素来说，利用率极低；实验中对木质素的探究只是进行了一小部分，对木质素的单元以及更详细的研究是我们下一步的工作目标。

2.3 植物纤维发泡材料

2.3.1秸秆纤维发泡材料

黄君等[39]以秸杆为原料，加入玉米淀粉、甘油、胶黏剂、填充剂和交联剂后加热烘焙发泡，制得发泡体，并分析了发泡体的密度，力学性能和降解性能等。夏星兰等[40-41]将秸秆植物纤维进行表面改性，增加了纤维活性，通过添加不同剂量的偶联剂或偶联剂与引发剂的混合物，测试制品的力学性能。利用发泡技术制备出秸秆纤维/PVC发泡材料制品。这种材料不仅解决了资源匮乏的问题，还保护了环境，是一种绿色可降解发泡材料，还可作为小件包装的运输衬垫等。

目前，秸秆纤维发泡技术还不够成熟，在连续化和自动化方面的成型技术还有待提升；在发泡剂的选择上，应避免使用对环境和使用者有伤害的化学类试剂；研究仍然处于试验阶段，还未实现大规模的实际生产。

2.3.2植物纤维/聚乳酸发泡材料

袁华等[42-43]用挤出发泡法制备了淀粉/PLA复合发泡材料，并研究了淀粉、AC发泡剂等对发泡材料性能的影响。同时制备了改性淀粉/PLA复合材料及发泡材料，研究了淀粉/PLA复合发泡材料体系的相容性和流变性能。在此基础上，盛雨峰等[44]采用表面处理的方式对蔗渣纤维/PLA复合材料进行改性，结果表明，材料的力学性能得到很大的改善。

目前，从总的发展现状和趋势来看，我国对于植物纤维与聚乳酸的研究有所增长，其发展前景良好。但是其在农作物利用和保护环境方面的发展还比较缓慢，从促进国民经济持续健康发展的角度来看，其发展也远远落后于社会经济的发展水平。

2.3.3笋壳/淀粉复合发泡材料

笋壳以植物纤维为主要成分，具有优良的生物可降解特性[45]，为了降低笋壳对环境的污染，王华林等以废弃物笋壳为原料，玉米淀粉为添加剂，采用加热烘焙技术以及传统的加工设备制备了笋壳/淀粉复合发泡材料，其生产工艺相对简单；同时，此发泡材料还可用于替代聚苯乙烯、聚氨酯和聚烯烃等化学泡沫。所以，其在降低生产成本和解决环境污染等方面表现出很大优势，具有很大的发展潜力[46-47]。

目前而言，国内对于笋壳/淀粉复合发泡材料研究和专利相对较少，应用范围相对狭小；加工竹笋后剩余的笋壳容易腐烂，不利于对其的回收利用。

3 发泡材料在缓冲包装上的应用

3.1 电器上的应用

一般电器从生产到使用会经过运输，堆码等一系列过程，在此过程中容易出现由于缓冲不当而造成的机械性损坏，而采用发泡缓冲包装可以减少一定的冲击、震荡，保证了其在恶劣的物流条件下不受损坏[48-49]。可降解发泡材料是一种环保型绿色包装材料，其本身无污染、可降解、可再生。并且其原材料来源广泛，在整个生产过程中能量消耗较少，综合成本较低，制备工艺较简单。在防静电、防腐蚀等性能方面优于泡沫塑料制品，而且其防震隔振性能也优于纸浆模塑制品，可用作大型电子产品和家用电器的缓冲包装，其发展前景良好。

3.2 果蔬产品的应用

随着社会的不断发展，越来越多的人采用线上的形式购买果蔬产品，既方便又实惠。但同时也带来了一定的问题，如新鲜果蔬处理不当出现腐烂，由于包装不当的损坏或者包装件破损造成对其他物品的污染[50-51]。目前最常用的缓冲包装是纸箱、塑料或者纸浆模塑等，但其对环境造成了一定的压力同时承载果蔬的性能较差。可降解发泡材料应用于果蔬的缓冲包装，生产成本较低，工艺较简单，废弃后可降解，既解决了环境污染的问题，同时其抗压性和防震性能良好，又保证了果蔬在贮存和运输过程中不受机械性损伤[52-53]。由此看来，可降解材料在缓冲包装上有很大的应用前景。

3.3 药品上的应用

玻璃药品极易损坏，而且易造成对其他物品的二次污染，可降解发泡材料应用于药品类的缓冲包装具有吸液保液的特性[54]，可有效防止药品的损坏及其对其他药品的污染。而且发泡材料绿色无污染，可自然降解，其应用市场巨大。

4 总结

以淀粉、纤维素和木质素等生物质材料为主要原料的绿色可降解缓冲包装材料更符合时代的发展要求，研究、开发此类材料，初步替代并最终淘汰发泡聚乙烯与发泡聚苯乙烯等泡沫塑料是整个缓冲包装材料行业的大势所趋。研究发泡缓冲包装材料需要一定的技术水平和重视程度，随着人们对环境污染认识的不断提升，发泡材料发展技术的不断成熟，相信会有越来越多的可降解材料走出实验室，走向产业化，并在电子产品、农副产品等领域发挥重要的作用。

虽然可降解缓冲包装材料发展前景广阔，但是由于技术水平的限制，目前的应用情况不是很理想，综合来看，可降解的缓冲包装材料主要存在以下问题：

（1）发泡技术不成熟

综合前人做出的研究来看，由于发泡技术不成熟，自动化和连续化的生产规模难以完善；大部分的发泡技术只限于实验室，还未投入实际生产。

（2）生物质材料利用率低

就目前而言，对于生物质材料的研究大多为秸秆、蔗渣等，对于笋壳类易腐烂的材料利用率不高，应扩大植物纤维等生物质材料的选择范围。

（3）性能有待提高

从实验结果来看，发泡材料的泡孔分布不均匀，材料的膨胀率、回弹率处于相对劣势，吸湿性强影响了了材料的力学性能。

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Degradable Foaming Material and Its Application in Cushion Packaging

LU Jia-xin, LIU Hui, SHEN Dan-dan, GOU Jin-sheng, MENG Xing-tong, SUN Xiao-qi

In order to reduce the impact of traditional packaging waste on the environment, developing green biodegradable foam materials is the main direction. This article summarizes the biodegradable foam materials that can be used to cushion packaging,aiming to provide a reference for developing new packaging materials. This paper introduces the foaming methods of several kinds of biodegradable materials, including extrusion foaming, heating foaming and solution foaming. Moreover,this paper also elaborates the principle and the ways of technical improvement for each foaming method, including the present application of biodegradable foaming materials, and their advantages and disadvantages. Despite of the rapid development of biodegradable foam materials, there still exist some drawbacks. More efforts should be placed to improve the performance of those materials, so that they can be better put into use in the future.

degradable; foam materials; cushioning packaging

TS206.4

A

1400 (2017) 03-0041-07

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.03.003

卢佳欣（1995-），女，浙江人，北京林业大学学生，研究方向为包装废弃物能源化利用.

苟进胜（1979-），男，甘肃人，博士，北京林业大学副教授，主要研究方向为包装废弃物能源化利用和计算机技术在包装领域的应用研究.