秸稈生物質基包裝材料發展及應用研究

（哈爾濱商業大學）

摘 要：生物質綠色可再生資源具有產量大、資源豐富、環境友好、可加工制作性強等優點，是國內外能源與包裝行業研究的熱點材料。隨著科技發展，秸稈生物質基包裝材料被研究加工并應用的范圍越來越大。

關鍵詞：秸稈生物質；包裝材料；資源豐富

1 引言

當今世界公認的第四大能源是農林生物質，它僅次于煤炭、石油和天然氣。農林生物質廉價而寶貴、對環境友好，是綠色可再生的資源。全球每年農林生物質資源十分豐富，品種多樣、地域分散、產量巨大、收儲季節性強。我國每年僅農作物秸稈產量8.5億噸，包括糧食作物和經濟作物秸稈，其中以小麥秸稈、稻草為代表的糧食作物秸稈占總量的70%左右。可用于工業能源原料的能源林和灌木林有3億多噸。因此，可以說我國農林生物質資源極其豐富。隨著學科交叉和領域融合，當今科技水平快速發展，社會對科學發展的環境可持續性的認識越來越多。目前，我國林業化工、機械工程等學科對生物質基材料的研究內容主要集中于高效轉化生物質纖維，使“纖維組分分離、分級定向轉化過程”，制備新材料。現在生物質纖維材料加工研究技術包括兩種，物理改性和化學改性。物理改性是讓生物質纖維化學成分不變，通過一些機械力學、傳熱學、加高壓等方法改變生物質纖維的結構和表面性能；化學改性常用方法有酸堿法、有機溶劑法、界面偶合法、接枝共聚和脂化法等。化學改性是讓生物質纖維改變化學成分的同時結構和表面性能也發生改變，改性后的新材料表現出不同的性能。改性生物質基包裝材料既是一個多學科交叉并融合的研究新領域，又是一個新興的生態產業鏈群體，比如從秸稈的收集→組分分離（或不分離）→微生物發酵（或重組）→能源（或可降解產品），實現秸稈的高效合理、生態環保的綜合利用。

2 國內外研究現狀及發展動態分析

在過去，人類將秸稈收割后用作農田肥料、燃料、建房、家畜飼料、手工制品和工具等。現在國外，許多發達國家在生物質能源利用方面已經制定了一些大型的開發研究項目，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、丹麥秸稈發電廠、美國的能源農場和巴西的乙醇能源計劃等。這些研究項目中因存在污染環境、易產生有害物質和難于綜合利用等問題，發達國家也已經逐步轉向用纖維素酶水解方法的研究[1]。丹麥是世界上首先使用秸稈發電的國家。阿維多發電廠建于上世紀90年代，每年燃燒15萬噸秸稈，可滿足幾十萬用戶的供熱和用電需求，被譽為全球效率最高、最環保的熱電聯供電廠之一。發電原料和煤、油、天然氣相比，秸稈發電成本低、污染少，是最劃算的燃料；另外，秸稈燃燒后的草木灰還可以作為農田肥料。日本是一個相對資源緊缺的國家，每年的秸稈幾乎被全部利用，其中主要是還田、粗飼料、混合燃料等。混合燃料沼氣發酵真正對纖維素原料轉化沼氣的研究還很不夠，日本正在積極挖掘秸稈的燃料轉化潛力，日本地球環境產業技術研究機構與本田技術研究所已成功從秸稈所含纖維素中提取出了乙醇燃料。歐洲和美國在生物制氣化發電的研究與開發方面處于領先水平，但因為生物質燃氣凈化的研究長期以來一直沒有突破，所以這一技術難以應用和推廣。

國內在生物質可再生能源的能源化技術方面，我國針對秸稈先后開展了沼氣發酵和秸稈氣化。在沼氣發酵中，秸稈轉化率很低，而且嚴重影響產氣率。在秸稈發酵乙醇研究方面，主要沿用木材處理或淀粉發酵乙醇的技術路線，昂貴的“完全”酸水解或酶水解難以實現完全利用秸稈中木質素、半纖維素和高結晶度纖維素的理想，難以適應工業化的要求。

秸稈生物質基新材料在包裝行業也成為偏愛和研究的熱點。林業部林產工業規劃設計院、南京林業大學、東北林業大學也陸續開展了以竹材、麥秸、稻草、玉米稈等為主要原料研究人造板工藝技術。中國林科院木材工業研究所進行了復合材料“非木質纖維人造板”工藝與材料性能研究，并成功開發出了稻殼板、麥秸板、棉稈和麻稈板、稻草板等新材料。在生物質材料產品方面，秸稈作為工業原料主要用于工業造紙，其它的應用主要有：西北農林科技大學開展模壓制品的研究[3]，如一次性快餐盒、托盤、家具構件和建筑構件等；南京林業大學將秸稈壓縮成型制作復合秸稈板材，建筑墻體材料，復合秸稈包裝材料等；西南師范大學也進行了可降解餐盒的研究，但由于植物纖維成分各異、含水量不等和化學特性不同，在研發技術和配方上存在較大差別，很多技術參數只能在實驗中摸索，因此也就影響了餐具制品的性能穩定。目前符合國家食品包裝安全材料標準的生物質基包裝材料還不多，尤其是產品的耐水耐油性、耐酸堿性、良好的機械力學性等。東華大學以秸稈纖維為基體進行了木質陶瓷材料的研究[4]，以秸稈纖維為原料制成高密度秸稈纖維非織造布；然后采用氣流成網法進行材料陶瓷化，工藝操作簡單，新材料性能可以和以木材為原料加工的中密度纖維板性能媲美。

3 應用前景

植物秸桿類包裝容器，原材料來源極其豐富，不僅可以完全降解，而且可以增加農民的收入、緩解資源短缺，有利于保護環境，同時具有經濟效益、社會效益和環境效益。

3.1 經濟效益

建立一個以年產5000萬只托盤的生產線規模計算，年創產值1250萬元，正常生產年產品總成本為900萬元，年純利潤可達270萬元，投資利潤率為24%。以產品使用秸稈顆粒45g（以托盤計），該生產規模的加工廠，每年消耗秸稈2250噸，若秸稈以300元/噸的價格收購，每年可以直接為農民帶來67.5萬元的收入。從包裝容器的市場需求量來看，對于一個數百萬的城市，每天的需求量就達10萬只以上，需要目前的成型設備18臺，預計在未來5年內成型設備的銷售量將達到240臺，僅設備制造可以創產值6720萬元。

3.2 社會效益

該技術研究成功，可以拓寬更多的應用領域，如農業生產用育苗缽盤、木炭盆景、復合板材、電子產品包裝緩沖襯墊、建筑材料的隔熱保溫板等，為農民致富提供良好的產業化技術，促進農村循環經濟的發展。

3.3 環境效益

減少對環境的污染。秸稈的使用避免了就地焚燒造成的環境污染，另一方面全降解一次性包裝容器的使用，直接減少了由于使用發泡材料（EPS）帶來的白色污染，環境效益顯著。

因此，無論從可持續發展、還是環境保護、可利用資源等問題來分析，秸稈生物質基包裝材料的研制成功，代表了目前和更長遠時間內一次性全降解包裝容器的發展方向。生物質基包裝材料的市場前景非常廣闊，各種食品及農產品包裝的多樣化需求，也為新材料的研究成果提供廣泛的應用空間，激發了秸稈生物質基包裝材料的新研究領域。

參考文獻

[1]陳牧，連之娜，李鑫.玉米秸稈蒸爆渣的氨基酸輔助纖維素酶水解[J].生物質化學工程，2010，（44）：15-18.

[2]馬曉軒，范代娣，馬沛等.秸稈微生物降解及發酵生產乙醇的研究[J].西北大學學報，2009，（39）：71-74.

[3]高寶云，邱濤，李榮華等.巰基改性玉米秸稈粉對水體重金屬離子的吸附性能初探[J].西北農林科技大學學報，2012，（40）：185-190.

[4]宋強，王洪，靳向煜.以秸稈纖維為基體的木質陶瓷材料的制備[J].非織造布，2005，（13）：18-20.

作者簡介：智慧（1984-），女，碩士，工程師，主要研究方向為包裝機械設計與包裝材料研發。