可降解泡沫在運輸包裝領域應用研究進展

鄒祎祎 王克儉

（北京化工大學機電工程學院）

引言

在當下的商品包裝材料中，有紙制、塑料、木材、金屬、復合材料等不同類別。其中以發泡塑料又稱聚合物泡沫為代表的包裝材料具有相對密度低，比模量、比強度高、吸收載荷、隔熱和隔音性能力，但因石油基發泡塑料無法降解而導致的環境污染問題深深地困擾著人們，無法成為理想的包裝材料[1]。近年來，為減少產品在貯運過程中的損失，同時避免發泡材料無法降解而污染環境，眾多學者對纖維素基泡沫運輸包裝材料進行研究，文中介紹了運輸包裝并綜述幾種可降解運輸包裝泡沫材料并分析其應用前景。

1. 泡沫運輸包裝

隨著電商業、物流運輸行業的快速發展，所涉及的大量運輸包裝問題越來越受到人們的重視。采用發泡材料制成一種具有無數蜂窩狀結構的多胞材料，其通性是密度低，與其他運輸包裝材料相比更輕幾倍甚至幾十倍。這種以運輸儲存為主要目的的包裝稱為運輸包裝[2]。

1.1 大型運輸包裝

大型運輸包裝件，是指質量為500～20000 kg，包裝箱尺寸一條邊長在120 cm 以上運輸包裝件。用于包裝如機床和其他大型機電產品的包裝。大型運輸包裝件一般體積大、重量重、結構復雜，利用泡沫材料制造的大型運輸包裝可以起到較好的保護作用并能有效的減少包裝件的重量。

1.2 緩沖包裝

在硬質泡沫塑料體內制成與不規則產品相同外型的半陰模，把產品放在其中，由兩個半邊陰模將產品緊密的包裝好，而泡沫塑料緩沖體的外型則是成為規整的形狀，這種成型的緩沖包裝體，用膠帶粘合后放入包裝箱中。保證精密儀器、易碎品和工藝品等物品的運輸儲存。

1.3 保溫包裝

海鮮產品、生物制劑、乳制品等溫度敏感性產品在包裝貯藏和運輸過程中需要保持產品的新鮮和營養品質。在運輸途中受運輸條件的影響易解凍，從而影響產品品質，泡沫保溫包裝有較好的隔熱吸水減振性能，可以保持溫度敏感性產品干燥，防止微生物繁殖。

2. 可降解泡沫材料

泡沫包裝材料不僅要考慮到產品安全和環保問題,同時也要考慮生產原料的開發和利用問題。常用的泡沫包裝材料難降解,會產生白色污染，因此，環境友好型可降解包裝泡沫材料是現代運輸包裝發展的必然趨勢。

2.1 PVF 可降解泡沫材料

聚乙烯醇縮甲醛（PVF）是由聚乙烯醇在酸催化作用下與甲醛縮合而成的一種性能優良的微孔泡沫塑料。可以通過添加天然高分子材料淀粉和纖維來制備可降解的PVF 包裝泡沫塑料。

國內學者安美清[3]通過材料的動態和靜態壓縮實驗發現PVF 泡沫塑料作為一般運輸包裝件，其緩沖性能不佳。但是通過對實驗前后材料厚度的變化，發現材料的厚度變化率較小，具有類似硬橡膠的性能。即在較大負載下，雖然彈性不是特別好，但材料不會被壓潰，能起到保護產品的作用。在選用緩沖材料時，還應考慮被緩沖包裝的產品的最大允許加速度，對于允許承受大加速度的產品，可以承受較大的沖擊力，它不怎么需要防振，可以選用彈性較差的緩沖材料。

PVF 泡沫塑料具有包裝材料的特性，可以應用于運輸包裝領域，并且具有一定的降解能力。為考慮進行工業化生產，有必要進行經濟性評價。通過原料價格分析，PVF 作為運輸包裝材料是具有一定經濟價值的。

2.2 EPP 可降解泡沫材料

EPP 是一種性能卓越的高結晶型可降解，可回收利用泡沫材料，它是高熔體強度聚丙烯樹脂以CO2氣體為發泡劑在高溫高壓條件下制得的，通過改變發泡溫度和壓力可以制備密度不同EPP材料。由于聚丙烯自身的特性以及獨特的發泡成型工藝使得EPP 材料具有一系列優異的性能[4]。

PP 的熔體強度很低，表現出明顯的拉伸軟化行為，不利于發泡；通過改性提高PP 的熔體強度可以顯著改善的熔體粘彈性，但較高的成本限制其在發泡領域的大規模應用。如何基于通用PP樹脂制備EPP 材料是這一領域的技術難點。翟文濤等開展了納米粒子調控PP 連續擠出發泡機制的研究。當在PP 中復合1～5wt%的納米蒙脫土或者納米二氧化硅時，PP 的擠出發泡行為顯著改善，表現為泡孔結構變得均勻，泡孔密度增加，膨脹倍率提高，發泡窗口拓寬。納米粒子賦予通用PP 改善的超臨CO2連續擠出發泡行為，但所制備的發泡材料存在開孔率高的問題，這影響了PP 發泡材料的下游應用。為了解決這一問題，采用釜壓發泡技術，利用結晶提高PP 熔體強度的機制，制備高閉孔率的PP 發泡材料PP 發泡粒子（EPP）。該成果將為EPP 材料的大規模應用于運輸包裝領域提供了保證[5]。

德國包裝制造商Overath 公司生產的Flipbox 運輸箱兼具隔熱保溫和塑料折疊籃的功能，采用的巴斯夫膨脹聚乙烯泡沫Neopolen P 泡沫具有強大的抗沖擊能力和良好的保溫性能，確保Flip-box 經過多次撞擊后仍能極好的吸收能量，使用壽命遠遠超過其他同類產品[6]。

2.3 PVA 可降解材料

PVA 是一種多羥基強氫鍵聚合物，因性能優異已經在運輸包裝領域得到廣泛的應用。PVA 不僅具有較強的極性、耐熱性及抗靜電性，且可以作為固定化細胞和氧、光催化劑的負載體，還可與多種材料共混，在制備水中過濾吸附材料、隔熱材料、食品藥品保鮮等多功能復合泡沫材料方面具有突出優勢[7—11]。PVA 分子中的羥基以及材料本身的開孔結構使其具有優良的吸水和保水性能，吸水量可達其自身質量的6～30 倍[12]，業內許多學者已經對吸水機理進行了大量的研究。周浩等[13]用紅外光譜對吸水前后的聚乙烯醇泡沫進行表征，發現其吸水前后無新的波峰出現，表明在吸水過程中沒有發生化學反應，屬物理吸附。吸水后—OH 伸縮振動峰變高變寬，得到加強，說明有分子間氫鍵形成。樊李紅等[14]通過機械發泡的方法制備了PVA/海藻酸鈉海綿，并研究了海藻酸鈉含量對海綿吸水性能的影響。羅志波等[15]采用發泡法制備出親水性。浙江理工大學朱宏[16]研究發現聚乙烯醇極性泡沫吸液行為主要包括物理吸附與化學吸附，其中物理吸附為主，化學吸附為輔。聚乙烯醇極性泡沫作為冷鏈材料具有突出的優勢。其產品吸收的水分為包覆水和結合水等2 部分，且體積熱容量比一般泡沫塑料都要大。

PVA 泡沫具有特種材料抗菌耐化學藥品的特點[17]，可反復吸液，且吸液飽和經脫液后，再次吸液性能良好[18]。PVA 泡沫適用運輸冷鏈產品或危險品的緩沖外包裝，當內包裝破損后，PVA 泡沫可立即吸收液體，防止泄露液體產生腐蝕。

2.4 PLA 及其改性可降解材料

聚乳酸是一種以可再生的植物資源為原料經過化學合成制備的生物降解高分子，擺脫了對石油資源的依賴。它是一種熱塑性脂肪族聚酯，玻璃化轉變溫度和熔點分別為60℃和165℃左右，在室溫下是一種處于玻璃態的硬質高分子樹脂，其熱性能與聚苯乙烯相似[19]。PLA 能夠同普通高分子樹脂一樣進行各種成型加工（如擠出、吹膜、注塑等），且其生產制造過程造成的環境負荷小；其制備成品可被廣泛應用于包裝材料行業。PLA具有良好的可堆肥性、生物降解性，故廢棄的PLA制品常采用堆肥、掩埋等回收方式進行處理，且其降解所產生的二氧化碳和水可以返回自然界，重新加入到植物的光合作用過程中，從而使地球上的碳循環維持平衡。由此可見，PLA 能夠滿足可持續發展的要求[20-22]。PLA 作為工業高分子材料的應用是于20 世紀90 年代中期美國的Cargill公司向市場大規模提供了性能穩定且廉價的PLA樹脂之后才全面展開的，隨后許多發達國家尤其是日本在PLA 的研發方面做了大量突出的工作。現在PLA 材料的應用已經由最初的包裝材料等短使用周期商品發展到土木建筑業、日常生活用品等具有較長使用周期的商品，甚至用作汽車等高性能的耐久性商品為了節約成本及減輕制品本身的重量，人們又開發了PLA 的發泡技術。PLA發泡材料是以PLA 樹脂為主要原料，加入發泡劑、成核劑及其它添加劑進行發泡而形成的閉孔硬質泡沫材料。在聚乳酸發泡材料的研究方面，Sterzel 等[23]采用物理發泡的方法制備了聚乳酸發泡塑料，但這種加工方法因實施困難而沒有得以推廣發展。Kameoka 等[24]以聚乳酸為主要原料，不加填充物，采用化學發泡直接擠出的方法制備聚乳酸塑料，所得泡沫塑料密度為0.5 g/cm3，這種工藝雖然過程簡單但對設備和人工操作的要求均比較高。日本鐘紡公司[25]開發了以水蒸氣為發泡劑的聚乳酸發泡材料和發泡珠粒法制備的發泡成型體，用其來作為發泡苯乙烯的替代品，實踐證明這種聚乳酸發泡材料的使用壽命很低。日本積水化成品工業公司[26]開發出在加熱到150℃時仍具有產品尺寸穩定性的聚乳酸樹脂發泡體，該新型發泡體是通過粒料法制備的，其具有優良的熱穩定性、環境適應性、耐溶劑性和耐氣候性等特點。

盡管PLA 發泡材料具有許多優良的性能，但其應用卻受到兩大問題的制約：一是熔融溫度低，普通聚乳酸的熔融溫度只有150℃左右，軟化溫度不超過90℃，大大限制了聚乳酸發泡材料的應用；二是室溫脆性，表現為制品因沖擊韌性不足而不能作為緩沖包裝材料。為了解決單一PLA 發泡體系加工及使用性能的不足，孔穎[27]等通過對PLA、PCL 與納米蒙脫土復合改性發泡的獲得一種性能優異的PLA 基發泡材料，解決了聚乳酸的室溫脆性、耐熱性問題。

3. 結語

為了滿足物流運輸業以及為環境友好、可持續發展戰略的要求，性能優良的可降解運輸包裝泡沫材料的開發和研究是研究重點，因此，基于可降解的泡沫運輸包裝新型材料具有廣闊的市場應用前景。通過對聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯醇、聚乳酸、聚丙烯等可降解泡沫的研究狀況、研究過程中的難點進行分析可以看出，低成本、良好的吸水保溫性能、優異的力學性能仍是可降解泡沫運輸包裝材料未來研究的重點，可降解泡沫材料的生產工藝還有待提高。