生物质复合发泡材料的制备现状

周先敏，张 颖，王环宇，范成雪，尹成慧

(曲阜师范大学 工学院 包装工程系，山东 日照 276826)

目前，常用于商品物流运输的缓冲材料是易加工、质量轻、缓冲性能好的泡沫塑料[1]，由于其价格便宜被广泛使用，但其产生的废弃物难以降解，废弃后塑料产品中的助剂等有毒物质分解，对土壤环境造成重大破坏[2]。用植物纤维发泡材料代替塑料发泡材料成为新的趋势。此材料原料来源广，制备工艺易实现，废弃后可完全降解[3]。从上个世纪90年代初，国内外开始进行对化学合成高分子材料与天然高分子材料混合制备发泡缓冲材料的研究。

1 生物质复合发泡材料原料

1.1 植物纤维

可用于制备生物质复合材料的植物纤维有一次纤维和二次纤维。前者直接以秸秆等植物作为原料，后者是将纸制品处理后的含有植物纤维的纸浆作为纤维原料。纤维原料的选取对制得复合材料的强度有一定影响。

1.1.1 一次纤维

常用于制备缓冲材料的一次纤维有玉米秸秆纤维、稻草纤维和竹纤维，也有用蔗渣、海带纤维等。用酸或碱对植物纤维进行处理，使木素和半纤维素脱离，再经过打浆使纤维分丝帚化，机械作用使纤维分散开，增大了纤维表面积，使其表面有更多游离羟基，纤维通过氢键相互连接[4]，从而使纤维间的结合更紧密，提高材料的强度。

国内学者就不同纤维对生物质缓冲材料进行了制备。庄森炀[5]用壳聚糖、植物纤维等生物质材料，制备了一种轻质多孔缓冲材料。吕禹[6]用玉米秸秆制得了生物质缓冲包装材料。除常见的植物纤维以外，也有学者发现海带、魔芋等植物纤维也可应用于此材料，并有较好的性能。张星云[7]制备了一种利用海带发泡的多孔缓冲材料。范良思[8]等人用魔芋纤维制备了发泡海绵。在物流过程中，缓冲材料的力学性能决定了对商品的保护能力，讨论能使缓冲材料力学性能达到最优的纤维原料可作为目前的一个研究方向。

1.1.2 二次纤维

废纸为二次纤维。在制作缓冲材料时要进行预处理：将废纸用水浸泡润涨后，打浆拧干于碱液水浴加热。再用水清洗至pH适宜，并拧干到一定含水率。日本索尼公司Noguchi T等人[9]采用废纸纤维、塑料微球和改性淀粉发泡成型制得可用于包装音响设备的缓冲材料。蔡静[10]以废纸为原料，加入其他辅助材料，制备了二次纤维缓冲材料。吕艳娜[11]在废纸中加入淀粉糊与硼砂等材料制备得到的发泡材料，具有孔隙率较高的特点。用废纸等材料做发泡缓冲材料原料极大地节约了资源。近年来电商带来了快递业猛进。物流纸箱的再次利用对于现在严重的废弃包装纸现象，是一个很好的趋势。

1.2 改性淀粉

淀粉的结晶度高，其熔点比降解需要温度高,在实际中难以加工。为了使熔化的淀粉流动性增强，需要在此中加入增塑剂，使淀粉塑化[12]。增塑剂的参与使淀粉分子间彼此的作用力减小，使淀粉与纤维间的联合更紧密[13]。

1.2.1 单一增塑剂

各学者就淀粉塑化剂原料、用量等因素对其塑化能力的影响展开了研究。Lomelí-Ramírez等人[14]用甘油作塑化剂对木薯淀粉进行了改性，发现塑化改性后的淀粉制备得到的复合材料的拉伸性能明显提高。张希文[15]等人展开了乙醇胺作淀粉增塑剂对淀粉浆料作用的讨论，结果表明增塑剂占淀粉干基重的3%时，其增塑作用最好。Li[16]等人以秸秆、淀粉为原料制备缓冲材料，并确定了增塑剂与其他原料的用量对材料抗冲击能力的影响。研究发现单一塑化剂始终不能达到最佳的増塑性能，但将两种增塑剂组合使用时，其性能优于仅使用一种增塑剂，于是学者们开始对复合增塑剂进行研究。

1.2.2 复合增塑剂

左迎峰[17]等人采用的增塑剂为聚乙二醇、甲酰胺、乙二醇、甘油，探究了淀粉塑化能力与塑化剂类型之间存在的关系。李方义[18]等人探究了淀粉复合塑化剂的用量对淀粉复合材料力学性质的影响，并得出了最佳塑化剂的比例。研究表明复合增塑剂的増塑性能优于单一增塑剂。国内外学者主要讨论了塑化剂对淀粉基材料的力学性质的影响，但现阶段对淀粉增塑剂对生物质材料缓冲性能与阻水性能的研究较为缺乏。

2 发泡成型方法

2.1 发泡方法

在室温条件下，将适量经预处理的纤维和改性淀粉放入搅拌机充分搅拌，混合均匀的浆料经干燥后形成多孔结构。常用发泡方法有发泡剂发泡法、冷冻干燥法。选择适宜的发泡方法对材料的利用率和性能起到了关键性作用。

2.1.1 发泡剂发泡法

发泡剂有物理发泡剂和化学发泡剂两种。前者利用低沸点的可溶性液体或易升华的固体挥发或升华产生的气体使体系发泡；后者是利用化学发泡剂的分解性，其在特定温度下分解成气态，进而在体系中形成孔隙。大多数学者用碳酸氢钠、碳酸氢铵作为发泡剂。用化学发泡剂发泡工艺简单、时间短，但发泡的温度和时间等条件难以控制，致使制得的缓冲材料在外观和性能上均不理想。为了消除了温度对实验的干扰，有学者提出用过氧化氢做发泡剂，可在室温下分解产生气体，形成孔隙[19]。

2.1.2 冷冻干燥法

冷冻干燥法利用冰晶升华的原理，在高度真空的环境下，将湿物料在低温条件下冷冻，再在真空下使其水分不经液态直接升华成气态，最终使物料形成多孔结构[20]。Franks[21]改进了冷冻干燥技术的步骤设计，并讨论出不同工艺参数与产品性能之间的关系。经过长期研究，冷冻干燥的方法不断进步。

吴海银[22]等人利用冷冻干燥技术简化了传统的热发泡制备工艺，制备聚酰亚胺泡沫。Deville等人[23]用定向冷冻干燥技术制备了似珠母贝结构的层状多孔材料，并表明制得的材料具备优良的力学性能。Li[24]等人利用冷冻干燥技术，改变冷冻次数与温度，制备出不同机械性能的丝素多孔膜。

相比于发泡剂发泡技术，冷冻干燥法无化学污染，干燥温度低，成型后能够保持原来体积，不会发生浓缩现象，可还原原来的性状，但由于设备要求高、时间长等原因，没有广泛应用，还有待研究。

2.2 成型方法

植物纤维发泡缓冲材料的制备方法有一步成型直接法和两步成型法。以上两种制备工艺的发泡机理都是利用发泡剂生成气体发泡或水蒸气发泡，为化学发泡或物理发泡。

2.2.1 一步成型法

一步成型是将原料混合均匀制备成糊状物，在模具中烘焙制得产品。焙烧工艺条件容易达到，由于但产品尺寸受模具的限制，不能实现工业化生产。模压法通常是一步成型，将原料均匀混合后加热加压成型。由于模压法工艺易实现，上述学者研究方法多采用模压法。基于常规的模压设备，谢麒[25]对模压法进行改进，设计出的由模压系统、温度控制系统和压力控制系统构成的可控成型设备，实现了对该成型温度、压力准确调控。

2.2.2 两步成型法

成型过程分为两步，首先将原料混合后制成颗粒状物质，然后再挤出成型。苏笑海[26]采用二次成型法，以植物纤维为原料，生产出抗压环保性能优良的“双发泡植物纤维包装材料”。模压成型适合大批量的生产，但成型过程较繁琐，设备复杂，目前未广泛应用于实验室制备。

3 生物质复合发泡材料的应用

3.1 商品缓冲衬垫包装

纤维多孔材料的机械性能与缓冲性能良好，可用于易损零件和精密器件等高成本运输包装。由于生物质材料可完全降解，也可用植物纤维生产的新型餐具代替一次性塑料餐具。

3.2 新型轻质建筑材料

由于纤维复合材料优良的力学性能和阻热性，可作为隔热体应用于节能建筑。如用海带等纤维材料为原料制备的复合材料具有很好的热稳定性，可作为制成阻燃板材和墙体材料，应用于房屋建筑、家居装饰等方面。

3.3 城市环保材料

发泡材料可取代生活场所、汽车的吸声泡沫塑料，降低城市中噪音污染。此外，植物复合材料还可用作城市环保能源，减少污染物对大气环境的破坏。目前，已有将秸秆材料应用于水体污染防控，这种材料能够有效地去除水体中有毒的有机与重金属污染源。

4 结语

目前，纤维发泡缓冲包装材料的制备还处在实验阶段。因其技术尚未成熟，成本较高，其生产还未到达大批量商业化生产的要求。对于如何控制缓冲包装材料的隔热与阻水性等问题还有待进一步研究。但植物纤维材料为原料制备包装材料已成为缓冲包装材料的主导方向，具有很大的应用前景，这是新科技产业化的发展趋势。研究并解决生物质发泡缓冲材料发展中存在的问题对相关应用产业的发展起到了支持作用。