可降解泡沫在运输包装领域应用研究进展

邹祎祎 王克俭

（北京化工大学机电工程学院）

引言

在当下的商品包装材料中，有纸制、塑料、木材、金属、复合材料等不同类别。其中以发泡塑料又称聚合物泡沫为代表的包装材料具有相对密度低，比模量、比强度高、吸收载荷、隔热和隔音性能力，但因石油基发泡塑料无法降解而导致的环境污染问题深深地困扰着人们，无法成为理想的包装材料[1]。近年来，为减少产品在贮运过程中的损失，同时避免发泡材料无法降解而污染环境，众多学者对纤维素基泡沫运输包装材料进行研究，文中介绍了运输包装并综述几种可降解运输包装泡沫材料并分析其应用前景。

1. 泡沫运输包装

随着电商业、物流运输行业的快速发展，所涉及的大量运输包装问题越来越受到人们的重视。采用发泡材料制成一种具有无数蜂窝状结构的多胞材料，其通性是密度低，与其他运输包装材料相比更轻几倍甚至几十倍。这种以运输储存为主要目的的包装称为运输包装[2]。

1.1 大型运输包装

大型运输包装件，是指质量为500～20000 kg，包装箱尺寸一条边长在120 cm 以上运输包装件。用于包装如机床和其他大型机电产品的包装。大型运输包装件一般体积大、重量重、结构复杂，利用泡沫材料制造的大型运输包装可以起到较好的保护作用并能有效的减少包装件的重量。

1.2 缓冲包装

在硬质泡沫塑料体内制成与不规则产品相同外型的半阴模，把产品放在其中，由两个半边阴模将产品紧密的包装好，而泡沫塑料缓冲体的外型则是成为规整的形状，这种成型的缓冲包装体，用胶带粘合后放入包装箱中。保证精密仪器、易碎品和工艺品等物品的运输储存。

1.3 保温包装

海鲜产品、生物制剂、乳制品等温度敏感性产品在包装贮藏和运输过程中需要保持产品的新鲜和营养品质。在运输途中受运输条件的影响易解冻，从而影响产品品质，泡沫保温包装有较好的隔热吸水减振性能，可以保持温度敏感性产品干燥，防止微生物繁殖。

2. 可降解泡沫材料

泡沫包装材料不仅要考虑到产品安全和环保问题,同时也要考虑生产原料的开发和利用问题。常用的泡沫包装材料难降解,会产生白色污染，因此，环境友好型可降解包装泡沫材料是现代运输包装发展的必然趋势。

2.1 PVF 可降解泡沫材料

聚乙烯醇缩甲醛（PVF）是由聚乙烯醇在酸催化作用下与甲醛缩合而成的一种性能优良的微孔泡沫塑料。可以通过添加天然高分子材料淀粉和纤维来制备可降解的PVF 包装泡沫塑料。

国内学者安美清[3]通过材料的动态和静态压缩实验发现PVF 泡沫塑料作为一般运输包装件，其缓冲性能不佳。但是通过对实验前后材料厚度的变化，发现材料的厚度变化率较小，具有类似硬橡胶的性能。即在较大负载下，虽然弹性不是特别好，但材料不会被压溃，能起到保护产品的作用。在选用缓冲材料时，还应考虑被缓冲包装的产品的最大允许加速度，对于允许承受大加速度的产品，可以承受较大的冲击力，它不怎么需要防振，可以选用弹性较差的缓冲材料。

PVF 泡沫塑料具有包装材料的特性，可以应用于运输包装领域，并且具有一定的降解能力。为考虑进行工业化生产，有必要进行经济性评价。通过原料价格分析，PVF 作为运输包装材料是具有一定经济价值的。

2.2 EPP 可降解泡沫材料

EPP 是一种性能卓越的高结晶型可降解，可回收利用泡沫材料，它是高熔体强度聚丙烯树脂以CO2气体为发泡剂在高温高压条件下制得的，通过改变发泡温度和压力可以制备密度不同EPP材料。由于聚丙烯自身的特性以及独特的发泡成型工艺使得EPP 材料具有一系列优异的性能[4]。

PP 的熔体强度很低，表现出明显的拉伸软化行为，不利于发泡；通过改性提高PP 的熔体强度可以显著改善的熔体粘弹性，但较高的成本限制其在发泡领域的大规模应用。如何基于通用PP树脂制备EPP 材料是这一领域的技术难点。翟文涛等开展了纳米粒子调控PP 连续挤出发泡机制的研究。当在PP 中复合1～5wt%的纳米蒙脱土或者纳米二氧化硅时，PP 的挤出发泡行为显著改善，表现为泡孔结构变得均匀，泡孔密度增加，膨胀倍率提高，发泡窗口拓宽。纳米粒子赋予通用PP 改善的超临CO2连续挤出发泡行为，但所制备的发泡材料存在开孔率高的问题，这影响了PP 发泡材料的下游应用。为了解决这一问题，采用釜压发泡技术，利用结晶提高PP 熔体强度的机制，制备高闭孔率的PP 发泡材料PP 发泡粒子（EPP）。该成果将为EPP 材料的大规模应用于运输包装领域提供了保证[5]。

德国包装制造商Overath 公司生产的Flipbox 运输箱兼具隔热保温和塑料折叠篮的功能，采用的巴斯夫膨胀聚乙烯泡沫Neopolen P 泡沫具有强大的抗冲击能力和良好的保温性能，确保Flip-box 经过多次撞击后仍能极好的吸收能量，使用寿命远远超过其他同类产品[6]。

2.3 PVA 可降解材料

PVA 是一种多羟基强氢键聚合物，因性能优异已经在运输包装领域得到广泛的应用。PVA 不仅具有较强的极性、耐热性及抗静电性，且可以作为固定化细胞和氧、光催化剂的负载体，还可与多种材料共混，在制备水中过滤吸附材料、隔热材料、食品药品保鲜等多功能复合泡沫材料方面具有突出优势[7—11]。PVA 分子中的羟基以及材料本身的开孔结构使其具有优良的吸水和保水性能，吸水量可达其自身质量的6～30 倍[12]，业内许多学者已经对吸水机理进行了大量的研究。周浩等[13]用红外光谱对吸水前后的聚乙烯醇泡沫进行表征，发现其吸水前后无新的波峰出现，表明在吸水过程中没有发生化学反应，属物理吸附。吸水后—OH 伸缩振动峰变高变宽，得到加强，说明有分子间氢键形成。樊李红等[14]通过机械发泡的方法制备了PVA/海藻酸钠海绵，并研究了海藻酸钠含量对海绵吸水性能的影响。罗志波等[15]采用发泡法制备出亲水性。浙江理工大学朱宏[16]研究发现聚乙烯醇极性泡沫吸液行为主要包括物理吸附与化学吸附，其中物理吸附为主，化学吸附为辅。聚乙烯醇极性泡沫作为冷链材料具有突出的优势。其产品吸收的水分为包覆水和结合水等2 部分，且体积热容量比一般泡沫塑料都要大。

PVA 泡沫具有特种材料抗菌耐化学药品的特点[17]，可反复吸液，且吸液饱和经脱液后，再次吸液性能良好[18]。PVA 泡沫适用运输冷链产品或危险品的缓冲外包装，当内包装破损后，PVA 泡沫可立即吸收液体，防止泄露液体产生腐蚀。

2.4 PLA 及其改性可降解材料

聚乳酸是一种以可再生的植物资源为原料经过化学合成制备的生物降解高分子，摆脱了对石油资源的依赖。它是一种热塑性脂肪族聚酯，玻璃化转变温度和熔点分别为60℃和165℃左右，在室温下是一种处于玻璃态的硬质高分子树脂，其热性能与聚苯乙烯相似[19]。PLA 能够同普通高分子树脂一样进行各种成型加工（如挤出、吹膜、注塑等），且其生产制造过程造成的环境负荷小；其制备成品可被广泛应用于包装材料行业。PLA具有良好的可堆肥性、生物降解性，故废弃的PLA制品常采用堆肥、掩埋等回收方式进行处理，且其降解所产生的二氧化碳和水可以返回自然界，重新加入到植物的光合作用过程中，从而使地球上的碳循环维持平衡。由此可见，PLA 能够满足可持续发展的要求[20-22]。PLA 作为工业高分子材料的应用是于20 世纪90 年代中期美国的Cargill公司向市场大规模提供了性能稳定且廉价的PLA树脂之后才全面展开的，随后许多发达国家尤其是日本在PLA 的研发方面做了大量突出的工作。现在PLA 材料的应用已经由最初的包装材料等短使用周期商品发展到土木建筑业、日常生活用品等具有较长使用周期的商品，甚至用作汽车等高性能的耐久性商品为了节约成本及减轻制品本身的重量，人们又开发了PLA 的发泡技术。PLA发泡材料是以PLA 树脂为主要原料，加入发泡剂、成核剂及其它添加剂进行发泡而形成的闭孔硬质泡沫材料。在聚乳酸发泡材料的研究方面，Sterzel 等[23]采用物理发泡的方法制备了聚乳酸发泡塑料，但这种加工方法因实施困难而没有得以推广发展。Kameoka 等[24]以聚乳酸为主要原料，不加填充物，采用化学发泡直接挤出的方法制备聚乳酸塑料，所得泡沫塑料密度为0.5 g/cm3，这种工艺虽然过程简单但对设备和人工操作的要求均比较高。日本钟纺公司[25]开发了以水蒸气为发泡剂的聚乳酸发泡材料和发泡珠粒法制备的发泡成型体，用其来作为发泡苯乙烯的替代品，实践证明这种聚乳酸发泡材料的使用寿命很低。日本积水化成品工业公司[26]开发出在加热到150℃时仍具有产品尺寸稳定性的聚乳酸树脂发泡体，该新型发泡体是通过粒料法制备的，其具有优良的热稳定性、环境适应性、耐溶剂性和耐气候性等特点。

尽管PLA 发泡材料具有许多优良的性能，但其应用却受到两大问题的制约：一是熔融温度低，普通聚乳酸的熔融温度只有150℃左右，软化温度不超过90℃，大大限制了聚乳酸发泡材料的应用；二是室温脆性，表现为制品因冲击韧性不足而不能作为缓冲包装材料。为了解决单一PLA 发泡体系加工及使用性能的不足，孔颖[27]等通过对PLA、PCL 与纳米蒙脱土复合改性发泡的获得一种性能优异的PLA 基发泡材料，解决了聚乳酸的室温脆性、耐热性问题。

3. 结语

为了满足物流运输业以及为环境友好、可持续发展战略的要求，性能优良的可降解运输包装泡沫材料的开发和研究是研究重点，因此，基于可降解的泡沫运输包装新型材料具有广阔的市场应用前景。通过对聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇、聚乳酸、聚丙烯等可降解泡沫的研究状况、研究过程中的难点进行分析可以看出，低成本、良好的吸水保温性能、优异的力学性能仍是可降解泡沫运输包装材料未来研究的重点，可降解泡沫材料的生产工艺还有待提高。