利用木質(zhì)剩余物和向日葵秸稈制作外包裝材料的研究

祁桂蘭，肖生苓

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

在現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，商品包裝承擔(dān)著保護(hù)商品、便利儲(chǔ)運(yùn)和宣傳美化商品的作用，它的重要性日益被生產(chǎn)廠家、商家和消費(fèi)者所重視。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的大幅度提高，各類商品超級(jí)市場(chǎng)普遍化，各類商品包裝的數(shù)量也在急劇增加。經(jīng)過改革開放30多年的發(fā)展，我國(guó)的包裝行業(yè)以年均增長(zhǎng)15%的速度迅速發(fā)展壯大，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的行業(yè)［1］。近年來，包裝行業(yè)及包裝市場(chǎng)得到了空前的發(fā)展。

隨著包裝環(huán)保要求的不斷提高以及國(guó)際貿(mào)易中提出的檢驗(yàn)檢疫等特殊要求，再加上實(shí)木包裝易潮、易燃和易腐朽、易受蟲蛀的影響，純木質(zhì)包裝材料的應(yīng)用日益受到限制，各種新型的包裝材料應(yīng)運(yùn)而生。眾所周知，我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，采用原本廢棄的農(nóng)作物秸稈代替木材生產(chǎn)包裝材料，開辟了農(nóng)作物秸稈工業(yè)化應(yīng)用的新領(lǐng)域;而且我國(guó)也是一個(gè)森林資源缺乏的國(guó)家，農(nóng)作物秸稈的利用從而緩解了包裝生產(chǎn)對(duì)森林資源的需求。向日葵秸稈質(zhì)輕價(jià)廉、來源廣泛，其纖維素及木素含量、木質(zhì)化程度都較高，有一定的力學(xué)強(qiáng)度，可滿足制作包裝材料的原料要求，而且產(chǎn)品造價(jià)降低，能適應(yīng)市場(chǎng)需求，有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

本研究以木質(zhì)剩余物、向日葵秸稈作為主要原料，不但充分利用了大量剩余資源，還緩解了木材供需矛盾，增加農(nóng)民收入，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 利用木質(zhì)剩余物和向日葵秸稈制作外包裝材料的現(xiàn)實(shí)意義

1.1 我國(guó)森林資源及實(shí)木包裝使用的現(xiàn)狀

我國(guó)屬于少林國(guó)家，過量采伐和不合理消耗已使我國(guó)面臨森林資源危機(jī)。面對(duì)如此形勢(shì)，除了高效利用現(xiàn)有森林資源和大力營(yíng)造人工林外，積極拓寬不依賴于木材資源的代用原料生產(chǎn)板材，開發(fā)利用林區(qū)木質(zhì)剩余物，深入挖掘木材的替代產(chǎn)品，是緩解森林資源危機(jī)進(jìn)一步加劇的有效措施之一。我國(guó)曾提出過“以鋼代木”和“以塑代木”等措施，它對(duì)緩和木材供需矛盾起過一定作用，

但從目前立足于可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來看，卻并不能解決根本問題［2］。

實(shí)木包裝是國(guó)際貿(mào)易中運(yùn)載貨物普遍使用的包裝材料，具有成本低、承載力強(qiáng)、容易加工和拆除等特點(diǎn)，國(guó)際貿(mào)易中約1/3的貨物使用實(shí)木包裝材料，但實(shí)木包裝較易攜帶林木有害生物，給世界各國(guó)和地區(qū)帶來現(xiàn)實(shí)威脅和潛在風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，入侵中國(guó)的松材線蟲、美國(guó)白蛾和紅脂大小蠹等10余種外來有害生物，每年給中國(guó)造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過574億元。另外，我國(guó)森林資源相對(duì)匱乏，近年來木材供需之間的矛盾也越來越激烈，使得實(shí)木在包裝工業(yè)中的發(fā)展得到了限制。我國(guó)海運(yùn)進(jìn)出口商品廣泛使用木箱包裝，2007年，僅深圳口岸有20多萬批出口貨物用木質(zhì)包裝，多達(dá)500多萬件。由于受貯存條件、海洋氣候的影響、鹽霧氣氛的腐蝕，周轉(zhuǎn)木箱易受潮及腐蝕。研制具有一定強(qiáng)度、防潮、密封、耐腐蝕的新包裝材料以此取代木箱包裝，極具市場(chǎng)潛力。

1.2 木質(zhì)剩余物和秸稈作為外包裝原料的意義

木質(zhì)剩余物是指森林采伐、造材、木材加工利用后的剩余物，包括枝丫、枝條、樹皮、樹葉、伐根、梢頭、灌木、枯倒木、截頭、板皮、板條、根部齊頭、刨花、鋸屑、邊角余料等。木質(zhì)剩余物是寶貴的生物質(zhì)資源，其合理利用也是林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件［3－4］。開發(fā)木質(zhì)剩余物資源，用以研制新型包裝材料，一方面可以節(jié)約大量木材，變廢棄物為寶，使尚未得到充分利用的生物質(zhì)廢棄資源發(fā)揮最大的效能，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)包裝材料數(shù)量和技術(shù)性能的要求;另一方面，通過對(duì)木質(zhì)剩余物的再處理，應(yīng)用新的技術(shù)方法與成型工藝，研制功能型、智能型、環(huán)境友好型的生物質(zhì)包裝材料，使其具備成本低廉、可工業(yè)化生產(chǎn)、可降解可再利用的優(yōu)良特性;第三，這一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)如能夠研發(fā)成功，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有森林環(huán)境的保護(hù)及林業(yè)企業(yè)發(fā)展具有積極意義。

傳統(tǒng)的外包裝材料均是以木材為原料，木材供應(yīng)的不斷減少使得包裝行業(yè)面臨原料缺乏的壓力，因此尋找木材原料的替代品是必然趨勢(shì)。人類能利用的可再生資源主要是植物，包括樹木、竹子、農(nóng)作物的秸稈等。樹木的再生周期為幾十年以上，竹子的再生周期在3－5年，而農(nóng)作物秸稈的再生周期為1年或者不到1年。從利用效率和利用成本來說，以農(nóng)作物秸稈為原料最有利［2］。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，具有豐富的農(nóng)作物秸稈資源。過去，秸稈主要用作飼料、燃料和造紙?jiān)系?。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和生活水平的提高，燃煤、煤氣在一定程度上替代了農(nóng)村傳統(tǒng)燃料的秸稈。在收獲季節(jié)，大量秸稈作為農(nóng)業(yè)剩余物不得不在田里燒掉，這種不良的處理方法，不僅污染環(huán)境，而且使資源被大量浪費(fèi)。因此，用農(nóng)作物秸稈替代木材作為包裝工業(yè)的原料具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益［5］。

1.3 向日葵秸稈的利用和研究現(xiàn)狀

1.3.1 向日葵秸稈概況

向日葵 (Helianthus annuus L.)屬菊科，向日葵屬作物。向日葵為一年生高大草本植物，具有天然種植優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)量大生產(chǎn)周期短，原料供需有保證。向日葵稈纖維素及木素含量都較高，且木質(zhì)纖維形態(tài)與闊葉木材相似，纖維較細(xì)長(zhǎng)，呈尖削狀。向日葵莖稈高大粗壯，稈部木質(zhì)化程度比一般草本植物較高。從秸稈橫斷面觀察，主要由表皮部、木質(zhì)部和髓芯部組成，各占比例為10%、75%和15%。木質(zhì)部密度為0.459/cm3，與木材原料比，向日葵秸稈木質(zhì)部粗糙而疏松 (根部較好、頸部較差)，密度較低，橫向強(qiáng)度偏低。向日葵生產(chǎn)主要集中在東北三省、華北北部的河北、山西、內(nèi)蒙古以及西北地區(qū)的寧夏、甘肅和新疆等地。隨著我國(guó)向日葵相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，近10年來，國(guó)內(nèi)年種植面積基本穩(wěn)定在100萬hm2左右的水平上［6－7］。

1.3.2 向日葵秸稈的研究現(xiàn)狀

1999年段夢(mèng)麟［8］通過對(duì)向日葵秸稈木質(zhì)部分的分析，確定了向日葵秸稈木質(zhì)部分膠合制造人造木材的可能性，研究了利用向日葵秸稈制造人造木材的實(shí)驗(yàn)室工藝。

2005年中國(guó)林科院木材所進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。生產(chǎn)試驗(yàn)表明，向日葵秸稈是一種較好的原料，表1為向日葵秸稈刨花板性能指標(biāo)［9］。

表1 向日葵秸稈刨花板物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of sunflower straw particleboard

可見向日葵秸稈刨花板物理力學(xué)指標(biāo)均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (GB/T4897.2－2003)要求，與木質(zhì)刨花板性能接近。向日葵秸稈刨花板比木質(zhì)刨花板生產(chǎn)成本降低15% ～20%，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)更強(qiáng)［10］。

2006年李永祥［6］等提出向日葵秸稈雖然是纖維類物質(zhì)，但也必須經(jīng)過預(yù)處理。特別是磨碎去芯，使原料具有一定的長(zhǎng)徑比，這對(duì)提高板材的物理性能有重要的意義。

步驟4 將決策變量決策變量Wli的值Wlit代入下層模型目標(biāo)函數(shù)中，獲得下層模型函數(shù)目標(biāo)值θ,s-,s+及目標(biāo)值符合滿意值范圍時(shí)(下層約束條件)，則轉(zhuǎn)入步驟5；如果目標(biāo)值未達(dá)到滿意值范圍時(shí)，根據(jù)松馳變量s-,s+的值，調(diào)整的Wlit值，轉(zhuǎn)入步驟1。

2010年祝榮先［11］等提出向日葵秸稈超微粉與酚醛樹脂易混合，并且有利于降低樹脂中游離苯酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 木質(zhì)剩余物與向日葵秸稈制作外包裝材料的影響因素及分析

采用高溫?zé)釅褐苽淠举|(zhì)剩余物與向日葵秸稈外包裝材料，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 外包裝材料制作流程圖Fig.1 Production flow chart of outer packaging material

在材料熱壓過程中，影響成板性能的因素包括原料預(yù)處理、原料含水率、材料設(shè)計(jì)密度、木粉目數(shù)、膠黏劑種類及施膠量、熱壓工藝參數(shù) (如熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時(shí)間)等。

(1)對(duì)向日葵秸稈進(jìn)行預(yù)處理。主要包括采取可靠的除髓工藝和秸稈的粉碎。髓芯部分是輕而軟的海綿狀多孔物質(zhì)，吸水性較強(qiáng)，拌膠時(shí)髓芯吸收大量的膠液，使木粉表面膠液減少，影響拌膠的均勻性，降低膠合強(qiáng)度，容易產(chǎn)生膠團(tuán)，并在板坯表面形成膠斑。所以，應(yīng)將髓芯分離出去。在實(shí)驗(yàn)中使用粉碎機(jī)將干燥的向日葵秸稈粉碎。此外，秸稈的著火點(diǎn)很低，高溫容易發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)，干燥溫度控制在80℃左右比較適宜［12］。

(2)對(duì)于各種原材料和工藝都有相應(yīng)的板坯含水率范圍，試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)表明，施膠前原料含水率以小于等于8%為宜 (向日葵秸稈顆粒的水分過高對(duì)存放不利，容易發(fā)熱、霉變、腐爛等)，施膠后板坯的含水率最好控制在8%～14%之間，不超過15%，這樣能滿足熱壓要求和包裝材料板材性能要求［13］。

(3)在條件允許時(shí)，最好生產(chǎn)密度較小但又能保證使用要求的板材。根據(jù)現(xiàn)有同類板材密度情況以及對(duì)外包裝材料性能的要求，密度一般在0.7～0.9g/cm3比較適宜。在許多情況下，密度越大，則板的強(qiáng)度越高，但機(jī)械加工越困難，成本也高。反之，密度越小，則絕緣性及隔熱性越好，成本越低，但強(qiáng)度也越差。另外，密度對(duì)板的重量的影響，直接影響板的使用［14］。

(4)單元組分的配比。最佳含量及粒度對(duì)包裝材料的強(qiáng)度、彈性模量影響較大。用20目篩所得的木屑和向日葵稈顆粒呈規(guī)則排列，結(jié)構(gòu)密集，纖維長(zhǎng)且纖細(xì)，很少有斷裂現(xiàn)象［6］。

(5)由于向日葵秸稈表面存在SiO2和蠟質(zhì)層，極大地阻礙了膠液對(duì)秸稈的潤(rùn)濕，不利于膠合。采用生物技術(shù)方法對(duì)秸稈進(jìn)行表面脫蠟處理，處理后的秸稈用脲醛樹脂膠進(jìn)行膠合，可取得比較理想的試驗(yàn)結(jié)果［15－16］。

(6)由于向日葵秸稈與木材的差異較大，熱壓工藝也有所不同。首先，熱壓溫度不宜高于150℃，當(dāng)熱壓溫度過高時(shí)，板材表面的物質(zhì)熱解，產(chǎn)生焦化變色、粘板等現(xiàn)象，對(duì)板的抗水性能和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度都有影響。其次，熱壓壓力不宜太大，因?yàn)橄蛉湛斩捿^木材易于壓縮，不論板材密度多大，當(dāng)壓力不太高時(shí)就可以快速合模。若壓力太大，則會(huì)導(dǎo)致芯層密度差過大，反而降低板材的平面抗拉強(qiáng)度，增大板材的吸水厚度膨脹率［17－18］。

(7)木質(zhì)剩余物與向日葵秸稈的組成結(jié)構(gòu)、密度、強(qiáng)度、吸水率等有一定差異，制備工藝要兼顧到兩種組分的特性，使單元組分與材料的整體結(jié)構(gòu)相一致。

3 結(jié)束語

以木質(zhì)剩余物、向日葵秸稈作為主要原料制作外包裝材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1)向日葵作為一種一年生經(jīng)濟(jì)作物，纖維素和木素含量都較高，且具有質(zhì)輕、來源廣泛的優(yōu)點(diǎn)，是制造外包裝材料的上好原料。

(2)我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，充分利用農(nóng)作物秸稈資源，能緩解木材供需矛盾，保護(hù)森林資源，繁榮農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，增加農(nóng)民收入，可帶來良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

(3)以木質(zhì)剩余物與向日葵秸稈為原料制作外包裝材料，通過合理的預(yù)處理和控制熱壓工藝，能達(dá)到一般木材要求，可以作為包裝工業(yè)木材的代用品。

(4)開發(fā)木質(zhì)剩余物資源研制包裝材料，不管在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上以及產(chǎn)品質(zhì)量和應(yīng)用上均是理想的人造板材，因此該材料具有廣闊的發(fā)展前景。

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