当蔗渣缓冲包装材料的研究

蔗渣缓冲包装材料的研究

摘要：本文对蔗渣纤维缓冲包装材料的性能和发展前景进行了概述，并对其发泡技术进行了理论分析，指出这种绿色包装材料是塑料发泡包装材料的理想代替品，开展该研究对保护环境，节约能源具有重要的意义。

关键词：蔗渣纤维；缓冲包装材料；发泡方法

1 前言

随着工业的高速发展，对包装材料的需求量越来越大，尤其是具有缓冲性能的包装材料泡沫聚苯乙烯(EPS)。家用电器、电子仪器、玻璃器皿等产品的包装一直采用EPS，然而由于塑料发泡材料的废弃物在自然界中长期不能生物降解，给环境造成严重的“白色污染”，已经被许多国家禁止使用，我国也将逐步禁止使用。目前EPS的替代产品是纸浆模塑防震内衬制品，是以废旧报纸、纸箱纸等植物纤维为主要原料，经水力机械碎浆、模具真空吸附成型，再经干燥而成。此类产品的抗震耐冲击性能主要是通过制品的几何结构来保证，由于受到模具结构及加工的影响，制品受到很大的制约，只能制作小型家电产品的包装衬垫，而制作大型家电产品的包装衬垫及填充仍然采用EPS发泡制品，同时由于纸浆模塑成本比EPS泡沫制品的成本要高，因而也极大地限制了纸浆模塑制品的发展。这几年，一种新型的包装材料——植物纤维发泡包装制品及其成型技术正在研究开发中，该制品以植物纤维通过发泡，添加淀粉粘合剂助剂等材料制作而成。由于主要原料是也可用于符合本实验机条件时的其它实验蔗渣、麦秸、稻草等纤维材料以及工业淀粉，不会对环境和回收造成障碍，能重复使用、循环再生和自然降解。绿色缓冲包装材料的研制与应用已经成为21世纪的必然趋势，因此开展利用新型的绿色包装材料代替泡沫塑料缓冲材料的研究具有非常重要的意义。

当前无论在国内还是国外，对植物纤维缓冲包装材料的研究基本上还是处在实验室阶段，还没达到实现工业化大规模连续生产的要求。蔗渣在广西来源集中，产量大，是取之不尽，用之不竭的再生性资源。因此开展以蔗渣为原料，经粉碎、发泡、成型等多种工艺研制缓冲包装材料的研究，为蔗渣的合理利用开辟了更广阔的前景。

2 蔗渣纤维缓冲包装材料的性能特点

利用气力蔗渣作缓冲包装材料是一种新型环保包装材料，是塑料泡沫包装材料的极佳替代品。该新型包装制品材料和其它植物纤维发泡包装制品一样具有以下性能特点：（1）植物纤维发泡包装制品的主要原料是废纸(蔗渣、麦秸、稻草等)以及工业淀粉，不会对环境和回收造成障碍，有利于生产商的产品出口。（2)）植物纤维发泡包装制品适用范围广泛。随着植物纤维发泡技术的进步，现在使用EPS泡沫做内衬及填充包装的产品都可以被替代。（3)）综合成本低。植物纤维发泡产品与纸浆模塑产品相比，工艺简单，无须形状复杂的成型模及热压模，生产时间及周期短，能耗和原料成本低。（4）防静电、防腐蚀性能优于EPS发泡材料，防震隔震性能则优于纸浆模塑产品，与发泡塑料制品的缓冲性能基本相当，而无须象纸模制品通过其复杂的几何形状构成的力学结构形成的缓冲性，降低了制品的制作难度。（5）在力值检测中吸震和抗震均优于纸浆模塑产品，并可按不同被包装产品的要求加入施强剂、柔性剂、防水剂、防油剂、阻燃剂等多种辅助添加剂，实现多种功能。（6）可制作大型家电产品及电子产品的包装衬垫及填充，可填补纸浆模塑产品至今还无法制作该类包装产品空缺[1]。

3 蔗渣纤维缓冲包装材料研制的理论基础

蔗渣主要化学成份与木材相近，由纤维素、木质素和半纤维素等部分构成，纤维素的实验式为C6H10O5，其大分子的2，3，6位置上有3个游离羟基-OH，一根微纤丝由300~500个葡萄糖基组成，纤维束含有大量微纤丝，纤维束尾端的活性羟基基团可以通过“帚化”使其更多地显露出来[2]。不同纤维上活性基团之间次价键力(氢键力、范德华力)的相互作用，具有使纤维相互联结架桥的作用。理想的植物纤维泡沫材料的结构应为立体状结构，这一结构的强度取决于纤维束自身的强度和纤维束之间的联结强度。为保证这一结构的实现，应使离散状态的纤维在一定介质的作用下架成状结构，并使纤维间相互联结，当介质除去后形成人们所期待的植物纤维泡沫材料。蔗渣纤维发泡制品的发泡技术是该项目的关键技术，根据现有的技术条件，发泡工全球先进的复合材料生产商赫氏公司(Hexcel)艺主要有两种：使用化学发泡剂和不使用化学发泡剂。目前，欧美及日本等国家所采用的方法主要集中在不添加化学发泡剂的工艺，原料是通过水蒸汽的作用发泡，形成颗粒型发泡纸浆，该制作比采用添加化学发泡剂的工艺方法难度大，但生产和使用对环境无污染。国内也有几所院校及单位正进行这方面技术的研究和开发，所研究开发的植物纤维发泡制品的工艺方法主要集中在使用添加化学发泡剂，原料通过化学发泡剂的作用发泡，形成颗粒型发泡纸浆。使用发泡剂的工艺比不用发泡剂的工艺较为简单，但如发泡剂选择不当，该类植物纤维发泡的方法及制品在生产过程和使用后处理对环境有可能造成一些不利影响，故该技术还有待改进和提高。在综合了目前国内外研究植物纤维发泡技术的单一性的基础上，采用机械和化学两种方法相互结合的二次发泡以促进并控制气泡的形成，在蔗渣纤维中加入一定量的水形成高浓度的纤维浆料，并在机械搅拌的同时，通入少量气体形成溶于浆料中的小气核，随后加入化学发泡剂、粘合剂和泡沫稳定剂，由于在第一次发泡过程中形成的微小气泡成为第二次发泡的泡核，促进了气泡的迅速生成，同时增加了气泡的细度。当发泡过程稳定、搅拌结束后，纤维在气泡的顶托力和次价键力的作用下，构成了“立体” [3]。 二次发泡能更好地促进并控制气泡的形成，以提高材料的稳定性。将发泡好的浆料送入专用的金属模具中，在金属模具中进行加压加热，根据需要生产制作精度和壁厚与金属模相应的、不同形状的包装制品材料。

4 蔗渣纤维缓冲包装材料的发展前景

蔗渣在广西的来源非常丰富，年产量达上亿吨，除了用来造纸外，还有很多没有得到充分利用，目前以蔗渣为原料的快餐饭盒已经问世，可代替一次性泡沫塑料快餐盒，但作为家用电器、电子仪同时还要看原材料的供应情况器、玻璃器皿等产品的包装材料一直采用泡沫塑料，尤其以泡沫PS用量最大，这些材料是白色大污染源之一。随着家用电器市场的快速发展，由包装材料造成白色污染日趋严重，要真正消除白色污染，除禁止一次性泡沫塑料快餐盒外，还必须尽快淘汰泡沫塑料内包装材料，用可降解的绿色缓冲包装材料取以代之。开发以蔗渣为原料的绿色包装材料，对改进机电产品包装，节约能源，保护环境具有十分深远意义，对机电产品与国际接轨，进一步扩大机电产品具有重要意义，符合国际包装发展趋势。因此蔗渣绿色缓冲包装材料的使用不仅可以降低成本，保护环境缓解自然资源，而且对增加出口竞争力都具有重大贡献。

邹 君，李庆春，董显新（广西化学纤维研究所

作者简介：邹君，女，工程师，本科学历，高分子材料专业，现任职广西化学纤维研究所科研开发室，从事高分子材料研究开发工作。