可降解木塑復合緩沖包裝襯墊材料的研究綜述

陳艷娜，肖生苓，李 琛

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

隨著電子商務和物流行業的不斷發展，塑料泡沫包裝制品的需求量迅速增大。泡沫塑料使用后的廢棄物給環境帶來了嚴重的負面影響，加劇了白色污染。因此近年來國內外專家學者對可降解性塑料及其復合材料開展了一些列的研究[1]。其中聚乳酸作為完全可降解的塑料受到關注，但單一的聚乳酸材料脆性高、抗變形能力差，且成本較高，因此聚乳酸與植物纖維、淀粉等價格較低且可降解的材料進行復合制備可降解緩沖材料成為發展的趨勢[2]。

1 國外可降解木塑復合發泡材料的研究現狀

國外木塑復合發泡材料制備的工藝比國內要早，已經達到一定的技術水平，對聚乳酸發泡的研究主要集中在聚乳酸與植物纖維、淀粉的復合發泡研究，以及聚乳酸與其他塑料共混的特性研究。

1.1 天然纖維對復合發泡材料的影響

天然纖維作為基體，其性質對復合材料的性質有很大的影響。Bledzki Andrzej K[3]等人發現了木粉的長度、幾何形狀及其用量等因素對復合材料中泡孔的大小、形狀及分布有影響，并作了進一步的研究。

木粉作為填充材料降低了可降解塑料發泡的成本，對力學性能也有很大的改變。Benjamin B[4]等研究了PLA/Cordenka纖維和PLA/亞麻纖維注塑復合材料的沖擊和拉伸性能，結果表明，當纖維百分含量為30%時PLA/Cordenka纖維復合材料沖擊性能和拉伸性能最好，但此時聚乳酸和天然纖維之間的相容性不好。

1.2 復合發泡材料的增黏改性研究

緩沖效果主要取決于發泡的泡孔結構、均勻性以及材料的韌性，并且復合材料的熔體黏度對發泡的效果有一定的影響。單一聚乳酸材料熔體黏度不高，發泡時泡孔容易破裂，無法形成完整的泡孔結構。而木粉的存在可以改變復合材料的流動性，但熔體黏度過高，發泡時阻力大，無法獲得較高的發泡倍率，影響緩沖效果，此外木粉表面有羥基，容易發生團聚，造成木粉在塑料基體中分布不均勻，進而影響泡孔的均勻性和材料的力學性能。Meligy[5]的研究中指出了纖維的加入會影響聚乳酸的結晶性能，從而進一步影響復合發泡材料的成核效率。因此要控制木粉的加入量并適當對木粉進行改性。

為了提高材料韌性，改善發泡效果，增加回彈性，可以通過加入增韌劑、增塑劑等來改變熔體的黏度。O.Martin[6]等人考察了PEG、檸檬酸酷、甘油和乳酸低聚物對PLA的增塑效果，相同添加量下PEG的增塑效果最好。

1.3 復合發泡材料的界面相容性

Islam[7]等的研究表明，將纖維原料經堿處理后，可以延緩PLA/大麻纖維的老化。由此，可根據不同應用的要求選擇纖維的處理方法。Lee[8]等通過硅烷處理和梳理工藝提高聚乳酸/洋麻纖維的界面相容性。Meligy[5]等用馬來酸酐對纖維表面進行處理，與纖維未處理的材料相比，機械性能和介電性能有很大的改善。而A.H.Michel等[9]采用馬來酸酐為增容劑制備聚乳酸與甘油改性淀粉的復合材料，發現馬來酸酐可以改善兩者的相容性，使其表現出更好的柔韌性。

1.4 其他方面的研究

制備木塑復合發泡緩沖材料，需要加入發泡劑，通過控制發泡劑的用量、反應溫度等條件使復合材料的泡孔結構穩定均勻，并具有一定的回彈性以達到保護產品的目的。Matuana L M[10]等研究了發泡劑含量對PLA泡沫塑料性能的影響，結果顯示，隨著發泡劑含量的增加，孔隙率和泡孔密度先增加后減小，隨著螺桿轉速的增加，孔隙率先增加后減小而泡孔密度一直增加。當發泡劑含量和螺桿轉速在一個適當的組合時，可以得到泡孔分布均勻、泡孔直徑適中的聚乳酸發泡材料。

復合材料的可降解性、耐水性等關系到復合材料的使用性能，更關系到復合材料能否用于實際生產。Ganjyal[11]等對淀粉醋酸鹽/PLA復合發泡材料的降解性能進行研究時發現，PLA含量增高會加速發泡材料的降解速率。Wu等[12]將馬來酸酐接枝聚乳酸與廢舊天然纖維復合材料制成可完全生物降解的PLA-g-MA/GCF復合材料，且復合材料的降解性要比單一聚乳酸要好。Willett[13]等研究指出，當淀粉/PLA復合發泡材料的相對濕度達到50%時復合發泡材料的吸水性能下降，抗壓強度與材料的密度有關與淀粉類型和聚合物結構無關，淀粉/PLA復合發泡材料界面存在相分離現象。

2 國內可降解復合發泡材料的研究現狀

近十年來，生物降解聚乳酸材料在國內迅速發展，有一些學者將目光投向與聚乳酸相關的復合材料研究[14-16]，但關于緩沖包裝的研究較少。在國內，將廢棄的淀粉或植物纖維等農林業剩余物加入到通用塑料[17-18]、聚氨酯[19]等材料中制備緩沖包裝材料已經取得了較大的突破，該研究為植物纖維與聚乳酸復合發泡緩沖材料的研究提供了一定的參考。

2.1 天然纖維對復合材料的影響

加入的纖維因種類、大小、用量的不同對復合材料力學性能，發泡效果等有不同影響，這一點國內外研究結果基本相同。

浙江大學的王瑜[20]等人研究了植物纖維含量對聚乳酸發泡材料表觀密度、膨脹率、孔隙率、力學性能和熱性能的影響。結果顯示植物纖維含量為15%時材料的表面密度最小且綜合性能最好。盛雨峰[21]等人的研究中指出隨著甘蔗渣含量的增加，復合材料的拉伸強度呈下降趨勢，但其下降幅度不明顯，基本保持在一個平衡狀態。此外聚乳酸/甘蔗渣復合材料的力學強度受甘蔗渣粒徑和含量的影響；甘蔗渣的粒徑越小，復合材料的沖擊強度越大；隨著甘蔗渣含量的增大，復合材料的沖擊強度和拉伸強度均呈下降趨勢。

2.2 復合發泡材料的增韌改性研究

木粉的加入使復合材料的力學性能發生了改變，為了獲得具有較好力學性能的緩沖材料，改善發泡效果，國內學者對聚乳酸及其復合材料的增韌改性進行了研究。

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長春工業大學的葛歡歡[22]發現在聚乳酸材料中加入增塑劑(GMS)和增韌劑(ACR)使得材料的熔體的黏度有所下降，隨著ACR的加入量增加，材料的沖擊強度先增后減，在10%時沖擊強度與斷裂伸長率達到最大。此外，共混材料的彈性模量及復合黏度隨著ACR增加而增大。曲萍[23]等人對聚乙二醇增容納米纖維素/聚乳酸共混體系進行了研究，復合材料的拉伸性能和斷裂伸長率都有一定的提高。因此聚乙二醇具有增塑的作用，改善了聚乳酸的脆性，并明顯改善了基體間的相容性，從而改善復合材料的力學性能，這方面浙江大學的鄒萍萍[24]也有類似的研究結果。

2.3 復合發泡材料的界面相容性研究

木質剩余物與可降解塑料復合發泡材料是綠色的包裝材料，符合環保的要求。但是親水性的木纖維表面與疏水的塑料之間界面相差較大，因此獲得材料力學性能不好。國內學者把提高界面相容作為木塑復合材料研究中的一個重點。

提高界面相容性可以通過對植物纖維進行表面處理、對塑料進行表面處理、加入界面改性劑以及通過完善工藝過程來實現。袁華等人[25]用馬來酸酐及引發劑BPO對植物纖維進行接枝處理，使復合體系的相容性改善。王艷玲[26]等人發現將木粉加入聚乳酸后復合材料拉伸性能下降，但是用硅烷偶聯劑處理后，下降的速率變小。加入增容劑NAX使復合材料熔體黏度改變，且隨著增容劑的用量增加復合材料沖擊強度上升。

提高界面相容性也可以用多個方法一起對原材料進行處理，比如盛雨峰[27]用堿處理和硅烷處理以及兩種結合的方法對復合材料進行了研究。結果表明了兩者進行結合處理后材料的拉伸性能最好、其次是堿處理。

2.4 其他方面的研究

材料在成型過程中，模壓發泡的模壓溫度、壓力等，對材料的力學性能有很大影響。王瑜[28]以聚乳酸和玉米秸稈纖維為原料，通過熔融混煉，模壓發泡的方法制備聚乳酸發泡材料。在實驗中對聚乳酸/玉米秸稈復合發泡材料進行了力學性能的測試，結果表明通過控制模壓發泡過程，復合材料有一定的回彈性，并且可以用于緩沖包裝。

研究可降解木塑復合發泡材料的目的就是要控制降解性，降低包裝廢棄物對環境的污染[29]。崔曉霞等[30]測試了PLA/納米纖維素復合材料在磷酸緩沖溶液中及在土壤中的降解性。結果表明，隨著納米纖維素質量分數的增加，復合材料的吸水性和降解性均隨之提高，明顯優于純PLA。

3 存在的問題

木塑復合發泡緩沖材料是一種綠色的包裝材料，但材料的綜合性能還存在很多不足，需要研究者們投入更多的研究。

(1)材料的生產工藝需要進一步優化。國內外對木塑發泡緩沖襯墊材料的研究還處于試驗階段，在材料的配方、加工工藝等方面還需要加大投入進行研究，確定出適合于工業生產的最佳工藝方案，以使這種綠色包裝緩沖材料更早的走入市場。

(2)材料的緩沖性能不夠理想。目前實驗室制備的材料綜合性能不佳，表現在復合材料材料硬度大，脆性強、韌性不足，發泡的泡孔結構不夠均勻，材料的回彈性小，要用于緩沖包裝還有一定的距離。因此需要加大對聚乳酸增韌改性、發泡過程、界面相容性等的研究，以獲得的性能優良的可降解緩沖包裝材料。

(3)材料的降解可控性差。聚乳酸本身的降解性可控性不好，因此，木塑復合材料的可降解性就比較難控制。此外，材料在改性時加入的增塑劑等大多都不可降解，對復合材料的降解性也有影響。在實際中，緩沖包裝材料使用后被廢棄至于自然環境，在自然條件下的降解過程對解決環境污染問題意義重大。要實現控制材料的降解性，需要從材料降解的動力學角度進一步探討。

(4)材料的成本仍然較高。盡管加入了價格低廉的木質剩余物、植物纖維等材料，但制備這種緩沖材料的成本仍然比通用塑料緩沖材料的高，因此尋找經濟成本較低的生產工藝十分重要，它決定產品能否投入實際應用。

4 可降解木塑發泡材料的發展趨勢

可降解木塑復合發泡緩沖材料的研究有很大的空間，該材料今后的發展趨勢歸納為以下幾個方面：

(1)降低成本是可降解木塑緩沖材料開發和研究的一個重點。加大對開發復合發泡型可降解塑料的生產工藝研究，提高低廉材料如纖維素、淀粉等天然可降解材料在復合材料中的比例，以解決可降解塑料成本偏高的問題。

(2)開發高性能復合發泡劑和發泡助劑，研究可降解木塑復合緩沖材料的發泡機理，有助于制備出密度更低、綜合性能適應產品要求的材料；

(3)提高可降解緩沖材料的綜合性能是材料能否實際應用的關鍵問題，加強木塑復合材料表面相容性的研究，尋找更加合適的增塑劑、增容劑是今后材料發展中的一個重點。

(4)木塑緩沖材料的可降解性是研究的必然趨勢，縮短可降解木塑復合發泡緩沖材料在物流包裝等行業取代現有木材和塑料制品的進程，提高環保水平，是未來包裝和物流行業發展的必由之路。

5 結束語

目前可降解木塑復合發泡材料的研究還處起步階段，材料的性能、工藝等方面還存在很多問題，但是這種材料不僅可以減少污染，同時提高了林業剩余物的利用率，具有很好的環保性和經濟性，是緩沖包裝材料研發的一個新領域，具有非常廣闊的發展空間。

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