淺談纖維素基發(fā)泡緩沖包裝材料的開發(fā)與緩沖性能研究

李宴新 王立軍

纖維素基發(fā)泡材料是一種可完全降解的綠色環(huán)保材料，在緩沖包裝領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。本文論述了纖維素基發(fā)泡材料當(dāng)前的制備方法和緩沖性能研究狀況，指出了目前研究存在的問(wèn)題，闡明了纖維素基緩沖發(fā)泡包裝材料未來(lái)研究的方向。

隨著電商的興起和發(fā)展，產(chǎn)品的流通和運(yùn)輸愈加頻繁。在物流過(guò)程中，緩沖包裝主要起到抗壓和隔振吸能的作用，使傳遞到產(chǎn)品上的能量減至最低，從而保護(hù)產(chǎn)品。泡沫塑料質(zhì)輕、成本低、緩沖性能優(yōu)良，是目前應(yīng)用最為廣泛的緩沖包裝材料。然而，泡沫塑料不可回收和降解，造成了嚴(yán)重的白色污染，在“新限塑令”的要求下，開發(fā)可降解的綠色緩沖發(fā)泡材料成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，是緩沖包裝發(fā)展的必然趨勢(shì)。纖維素基發(fā)泡材料具有密度低、不溶于水、可生物降解等特點(diǎn)，在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的泡沫塑料方面具有巨大的潛力和應(yīng)用前景。

纖維素基發(fā)泡材料

纖維素是一類立體網(wǎng)狀的高分子化合物，廣泛存在于植物、動(dòng)物和一些細(xì)菌中。纖維素基發(fā)泡材料是以纖維素為基材，通過(guò)一定的工藝加工制備而成的多孔材料，具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出不溶于水、質(zhì)輕、可生物降解等特點(diǎn)。

纖維素與其他材料復(fù)合形成纖維素基復(fù)合發(fā)泡材料，對(duì)于改善材料性能、減少塑料使用等方面具有重要的意義。纖維素作為增強(qiáng)劑與淀粉形成的發(fā)泡材料，可生物降解，提高淀粉基發(fā)泡材料的抗水性;纖維素與聚氨酯等形成的復(fù)合發(fā)泡材料可以提高聚氨酯發(fā)泡材料的強(qiáng)度，降低塑料的用量，逐步淘汰泡沫塑料;纖維素與聚乳酸（PLA）形成的復(fù)合發(fā)泡材料可以提高PLA基泡沫材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和隔熱性能;纖維素與聚乙烯醇（PVA）復(fù)合形成發(fā)泡材料，顯著提高了PVA基發(fā)泡材料的力學(xué)性能。

纖維素基發(fā)泡材料的開發(fā)

纖維基發(fā)泡材料制備的大致方法如下：首先，以纖維為原料，通過(guò)特定發(fā)泡工藝，在纖維體系中形成大量氣泡;然后，氣泡不斷膨脹程泡體狀均勻分布于纖維中;最后，通過(guò)固化干燥等成型工藝制得穩(wěn)定的發(fā)泡材料。

1.纖維提取和表面處理

纖維素是發(fā)泡材料制備的基材，主要通過(guò)機(jī)械法和化學(xué)法從原材料中提取出來(lái)并進(jìn)行一些改性處理。在機(jī)械法制備的過(guò)程中，不需要使用化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境污染較小，但是制備得到的纖維容易存在纖維粒徑分布不均勻的問(wèn)題，而且設(shè)備能耗高。利用化學(xué)法提取得到的纖維素質(zhì)量較好，但是在制備過(guò)程中使用化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境的污染較大，存在一定的環(huán)保問(wèn)題。

2.發(fā)泡工藝

發(fā)泡是纖維素基發(fā)泡材料制備過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響最終制成的發(fā)泡材料的力學(xué)性能。發(fā)泡的方法有物理法、化學(xué)法和機(jī)械法。李洪來(lái)等研究了機(jī)械法制備纖維素發(fā)泡材料的影響因素。陳彥以木材纖維為原料，通過(guò)濕法發(fā)泡法制備緩沖包裝材料。Glenn等將纖維素作為增強(qiáng)材料添加進(jìn)淀粉基中制得多孔發(fā)泡材料，證明纖維可以起到增加機(jī)械強(qiáng)度的作用。郁青對(duì)淀粉/秸稈發(fā)泡緩沖包裝材料的開發(fā)與性能進(jìn)行了研究。

3.氣泡大小和分布是泡沫制備成型的關(guān)鍵因素

已有研究證明，纖維類型、發(fā)泡方法等均是影響氣泡大小分布以及纖維素基發(fā)泡材料性能的影響因素。Ahmad等通過(guò)往纖維中添加表面活性劑進(jìn)行機(jī)械發(fā)泡，并分析氣泡分布與孔徑大小，通過(guò)分析得出氣泡分布受到轉(zhuǎn)速、纖維類型、表面活性劑等因素的影響，其中最重要的是纖維類型。Madani等應(yīng)用表面活性劑與機(jī)械法相結(jié)合的方法進(jìn)行發(fā)泡，以針葉木為原料制備纖維素基泡沫材料，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，得出泡沫材料的密度受纖維長(zhǎng)度的影響，強(qiáng)度與纖維的粗細(xì)有關(guān)的結(jié)論。Maurizio等以聚乙烯醇和微纖化纖維素為原料制備纖維素基發(fā)泡材料，并對(duì)材料的抗壓性能進(jìn)行研究。董慧玲對(duì)植物纖維原料進(jìn)行原纖化處理，將表面活性劑作為發(fā)泡劑來(lái)制備植物纖維素基發(fā)泡材料，研究了纖維固含量、發(fā)泡劑用量及干燥溫度對(duì)泡沫材料泡孔結(jié)構(gòu)的影響。廣西大學(xué)劉楊以蔗渣為原料，選擇綠色環(huán)保、能耗低的泡沫成型法成功制備纖維素基發(fā)泡材料，分析了纖維形態(tài)、表面活性劑對(duì)發(fā)泡性能的影響，找到了最佳成型條件。

納米纖維素是纖維素通過(guò)化學(xué)、機(jī)械、酶解等方法制備而成的一種納米尺度的纖維素晶體。與天然纖維素相比，納米纖維素?fù)碛懈叩臋C(jī)械強(qiáng)度、結(jié)晶度，并且具有納米材料特有的性質(zhì)。趙媛等研究了納米纖維素/聚乳酸復(fù)合材料的降解情況。薛棟杰等以蔗渣纖維和淀粉為原料，納米纖維素為增強(qiáng)劑，制備植物纖維類緩沖包裝材料，通過(guò)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)研究了其緩沖性能。

纖維素基發(fā)泡材料緩沖性能表征

纖維素基發(fā)泡材料作為緩沖包裝材料的主要功能為隔振吸能，從而達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的。目前關(guān)于纖維素基發(fā)泡材料的緩沖性能研究大多集中于靜態(tài)壓縮行為，對(duì)纖維素基發(fā)泡材料的動(dòng)態(tài)沖擊和振動(dòng)性能及其影響因素鮮有研究。李琛木質(zhì)剩余物為原料制備植物纖維基發(fā)泡材料，并對(duì)其壓縮和蠕變性能進(jìn)行分析。羅瑜瑩等以木粉和廢瓦楞紙漿為主要原料，添加發(fā)泡劑，通過(guò)熱壓成型方法制備纖維素基泡沫材料，并對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)壓縮測(cè)試，對(duì)材料孔隙率與材料的靜態(tài)壓縮性能之間關(guān)系進(jìn)行分析。李志嘉等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元仿真建立了蔗渣-淀粉發(fā)泡緩沖包裝材料的靜態(tài)壓縮本構(gòu)方程。

在整個(gè)物流運(yùn)輸過(guò)程中，由于野蠻裝卸、車速不穩(wěn)、路面不平等因素，產(chǎn)品往往會(huì)受到由地面?zhèn)鬟f而來(lái)的沖擊和隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)的作用。研究指出，物流過(guò)程中產(chǎn)品受到的激勵(lì)信號(hào)往往為非高斯隨機(jī)振動(dòng)。與高斯振動(dòng)相比，非高斯隨機(jī)振動(dòng)會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生更大的損傷。產(chǎn)品的長(zhǎng)距離運(yùn)輸往往會(huì)經(jīng)歷不同的氣候帶，環(huán)境溫濕度會(huì)發(fā)生較大的變化。此外，纖維素比例和孔隙率是纖維素基發(fā)泡材料的關(guān)鍵參數(shù)，與材料的靜壓、動(dòng)壓以及振動(dòng)性能直接相關(guān)。纖維素基發(fā)泡材料的緩沖性能如何，能不能經(jīng)受沖擊和隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)以及環(huán)境溫濕度變化，值得探討和研究。目前對(duì)纖維素基發(fā)泡材料的緩沖性能研究不夠全面，無(wú)法對(duì)其對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)作用進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估。

結(jié)語(yǔ)

纖維素基發(fā)泡材料是一種綠色環(huán)保、可完全降解的材料，在緩沖包裝領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前的制備方法和緩沖性能表征存在一些問(wèn)題亟待解決。

①目前國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者針對(duì)纖維基發(fā)泡材料的制備工藝方法進(jìn)行研究，但是尚未形成較為完善的用于工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法。應(yīng)用較多的化學(xué)制備方法對(duì)環(huán)境的污染較大。綠色環(huán)保且能工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法是未來(lái)研究的方向。

②目前對(duì)纖維素基發(fā)泡材料的緩沖性能研究局限于靜態(tài)壓縮性能，無(wú)法對(duì)其保護(hù)產(chǎn)品能力進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。應(yīng)從靜壓、動(dòng)態(tài)沖擊和振動(dòng)3方面系統(tǒng)全面地對(duì)纖維基發(fā)泡材料的緩沖性能進(jìn)行表征，更加接近真實(shí)物流狀態(tài)，全面評(píng)估不同纖維素基緩沖發(fā)泡包裝材料的緩沖性能。分析纖維素比例、孔隙率和濕度等對(duì)纖維素基發(fā)泡材料緩沖性能的影響，為纖維素基發(fā)泡緩沖包裝材料的制備以及緩沖包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

作者單位：天津丹盛包裝有限公司 天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn