浅谈纤维素基发泡缓冲包装材料的开发与缓冲性能研究

李宴新 王立军

纤维素基发泡材料是一种可完全降解的绿色环保材料，在缓冲包装领域具有较大的应用潜力。本文论述了纤维素基发泡材料当前的制备方法和缓冲性能研究状况，指出了目前研究存在的问题，阐明了纤维素基缓冲发泡包装材料未来研究的方向。

随着电商的兴起和发展，产品的流通和运输愈加频繁。在物流过程中，缓冲包装主要起到抗压和隔振吸能的作用，使传递到产品上的能量减至最低，从而保护产品。泡沫塑料质轻、成本低、缓冲性能优良，是目前应用最为广泛的缓冲包装材料。然而，泡沫塑料不可回收和降解，造成了严重的白色污染，在“新限塑令”的要求下，开发可降解的绿色缓冲发泡材料成为研究者关注的热点，是缓冲包装发展的必然趋势。纤维素基发泡材料具有密度低、不溶于水、可生物降解等特点，在代替传统的泡沫塑料方面具有巨大的潜力和应用前景。

纤维素基发泡材料

纤维素是一类立体网状的高分子化合物，广泛存在于植物、动物和一些细菌中。纤维素基发泡材料是以纤维素为基材，通过一定的工艺加工制备而成的多孔材料，具有三维立体网状结构，展现出不溶于水、质轻、可生物降解等特点。

纤维素与其他材料复合形成纤维素基复合发泡材料，对于改善材料性能、减少塑料使用等方面具有重要的意义。纤维素作为增强剂与淀粉形成的发泡材料，可生物降解，提高淀粉基发泡材料的抗水性;纤维素与聚氨酯等形成的复合发泡材料可以提高聚氨酯发泡材料的强度，降低塑料的用量，逐步淘汰泡沫塑料;纤维素与聚乳酸（PLA）形成的复合发泡材料可以提高PLA基泡沫材料的力学性能、稳定性和隔热性能;纤维素与聚乙烯醇（PVA）复合形成发泡材料，显著提高了PVA基发泡材料的力学性能。

纤维素基发泡材料的开发

纤维基发泡材料制备的大致方法如下：首先，以纤维为原料，通过特定发泡工艺，在纤维体系中形成大量气泡;然后，气泡不断膨胀程泡体状均匀分布于纤维中;最后，通过固化干燥等成型工艺制得稳定的发泡材料。

1.纤维提取和表面处理

纤维素是发泡材料制备的基材，主要通过机械法和化学法从原材料中提取出来并进行一些改性处理。在机械法制备的过程中，不需要使用化学试剂，对环境污染较小，但是制备得到的纤维容易存在纤维粒径分布不均匀的问题，而且设备能耗高。利用化学法提取得到的纤维素质量较好，但是在制备过程中使用化学试剂，对环境的污染较大，存在一定的环保问题。

2.发泡工艺

发泡是纤维素基发泡材料制备过程中的关键环节，影响最终制成的发泡材料的力学性能。发泡的方法有物理法、化学法和机械法。李洪来等研究了机械法制备纤维素发泡材料的影响因素。陈彦以木材纤维为原料，通过湿法发泡法制备缓冲包装材料。Glenn等将纤维素作为增强材料添加进淀粉基中制得多孔发泡材料，证明纤维可以起到增加机械强度的作用。郁青对淀粉/秸秆发泡缓冲包装材料的开发与性能进行了研究。

3.气泡大小和分布是泡沫制备成型的关键因素

已有研究证明，纤维类型、发泡方法等均是影响气泡大小分布以及纤维素基发泡材料性能的影响因素。Ahmad等通过往纤维中添加表面活性剂进行机械发泡，并分析气泡分布与孔径大小，通过分析得出气泡分布受到转速、纤维类型、表面活性剂等因素的影响，其中最重要的是纤维类型。Madani等应用表面活性剂与机械法相结合的方法进行发泡，以针叶木为原料制备纤维素基泡沫材料，并对其力学性能进行分析，得出泡沫材料的密度受纤维长度的影响，强度与纤维的粗细有关的结论。Maurizio等以聚乙烯醇和微纤化纤维素为原料制备纤维素基发泡材料，并对材料的抗压性能进行研究。董慧玲对植物纤维原料进行原纤化处理，将表面活性剂作为发泡剂来制备植物纤维素基发泡材料，研究了纤维固含量、发泡剂用量及干燥温度对泡沫材料泡孔结构的影响。广西大学刘杨以蔗渣为原料，选择绿色环保、能耗低的泡沫成型法成功制备纤维素基发泡材料，分析了纤维形态、表面活性剂对发泡性能的影响，找到了最佳成型条件。

纳米纤维素是纤维素通过化学、机械、酶解等方法制备而成的一种纳米尺度的纤维素晶体。与天然纤维素相比，纳米纤维素拥有更高的机械强度、结晶度，并且具有纳米材料特有的性质。赵媛等研究了纳米纤维素/聚乳酸复合材料的降解情况。薛栋杰等以蔗渣纤维和淀粉为原料，纳米纤维素为增强剂，制备植物纤维类缓冲包装材料，通过静态压缩实验研究了其缓冲性能。

纤维素基发泡材料缓冲性能表征

纤维素基发泡材料作为缓冲包装材料的主要功能为隔振吸能，从而达到保护产品的目的。目前关于纤维素基发泡材料的缓冲性能研究大多集中于静态压缩行为，对纤维素基发泡材料的动态冲击和振动性能及其影响因素鲜有研究。李琛木质剩余物为原料制备植物纤维基发泡材料，并对其压缩和蠕变性能进行分析。罗瑜莹等以木粉和废瓦楞纸浆为主要原料，添加发泡剂，通过热压成型方法制备纤维素基泡沫材料，并对其进行静态压缩测试，对材料孔隙率与材料的静态压缩性能之间关系进行分析。李志嘉等通过实验和有限元仿真建立了蔗渣-淀粉发泡缓冲包装材料的静态压缩本构方程。

在整个物流运输过程中，由于野蛮装卸、车速不稳、路面不平等因素，产品往往会受到由地面传递而来的冲击和随机振动激励的作用。研究指出，物流过程中产品受到的激励信号往往为非高斯随机振动。与高斯振动相比，非高斯随机振动会对产品产生更大的损伤。产品的长距离运输往往会经历不同的气候带，环境温湿度会发生较大的变化。此外，纤维素比例和孔隙率是纤维素基发泡材料的关键参数，与材料的静压、动压以及振动性能直接相关。纤维素基发泡材料的缓冲性能如何，能不能经受冲击和随机振动激励以及环境温湿度变化，值得探讨和研究。目前对纤维素基发泡材料的缓冲性能研究不够全面，无法对其对产品的保护作用进行科学合理的评估。

结语

纤维素基发泡材料是一种绿色环保、可完全降解的材料，在缓冲包装领域有着广阔的应用前景。然而，目前的制备方法和缓冲性能表征存在一些问题亟待解决。

①目前国内外已有不少学者针对纤维基发泡材料的制备工艺方法进行研究，但是尚未形成较为完善的用于工业化生产的制备方法。应用较多的化学制备方法对环境的污染较大。绿色环保且能工业化生产的制備方法是未来研究的方向。

②目前对纤维素基发泡材料的缓冲性能研究局限于静态压缩性能，无法对其保护产品能力进行科学合理的评价。应从静压、动态冲击和振动3方面系统全面地对纤维基发泡材料的缓冲性能进行表征，更加接近真实物流状态，全面评估不同纤维素基缓冲发泡包装材料的缓冲性能。分析纤维素比例、孔隙率和湿度等对纤维素基发泡材料缓冲性能的影响，为纤维素基发泡缓冲包装材料的制备以及缓冲包装优化设计提供参考依据。

作者单位：天津丹盛包装有限公司 天津科技大学轻工科学与工程学院

责任编辑：李倩 liqian@cprint.cn