植物纖維發(fā)泡包裝制品的研究進(jìn)展

1替代產(chǎn)品的現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人類社會(huì)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)。作為《波特協(xié)議》的簽署國(guó)，中國(guó)正在加大力度限制和淘汰嚴(yán)重污染的產(chǎn)品。對(duì)此,我國(guó)于1996年4月1日頒布了《固定廢棄物環(huán)境保護(hù)法》,法規(guī)中規(guī)定了“三化”原則,即對(duì)固體廢棄物提倡資源化、減量化和無(wú)害化。EPS泡沫塑料制品是污染環(huán)境的主要產(chǎn)品之一,面臨淘汰勢(shì)在必行。然而,EPS泡沫塑料制品作為包裝材料-防震內(nèi)襯的首選產(chǎn)品,其優(yōu)越的包裝性能以及低廉的價(jià)格,至今尚無(wú)更為理想的產(chǎn)品所能替代。目前主要的替代產(chǎn)品是紙漿模塑工業(yè)品防震內(nèi)襯包裝制品。它是以廢舊報(bào)紙、紙箱紙等植物纖維為主要原材料,經(jīng)水力機(jī)械碎漿、模具真空吸附成型,再經(jīng)干燥而成。其產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域可涵蓋電子、機(jī)械零部件、工業(yè)儀表、電工工具、家電、電腦、玻璃、陶瓷和泡沫塑料制品,農(nóng)產(chǎn)品等行業(yè)。但由于其制品過(guò)于致密,抗震耐沖擊性能大大低于EPS材料。該包裝制品的抗震耐沖擊性能主要是通過(guò)制品的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)保證,由于受到模具結(jié)構(gòu)及加工的影響,制品的發(fā)展受到很大的制約。目前只能制作小型包裝襯墊,而制作大型家電產(chǎn)品的包裝襯墊及填充仍需采用EPS發(fā)泡塑料制品,這一技術(shù)難題至今未能得到有效解決。同時(shí)由于紙漿模塑制品的成本比EPS泡沫塑料制品的加工要高,因而也極大的限制了紙漿模塑制品的發(fā)展。近幾年來(lái),一種新型的包裝制品材料-植物纖維發(fā)泡包裝制品及其成型技術(shù)正在研究開發(fā)中。該制品是以植物纖維(廢舊報(bào)紙、紙箱紙、其他植物纖維材料等)以及淀粉添加助劑材料制作而成,具有不污染環(huán)境、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、原料來(lái)源廣、防震隔震性能優(yōu)于紙漿模塑制品。該材料不僅可以制作防震內(nèi)襯,也可替代EPS制作填充顆粒物體,其效果與EPS的制品基本相當(dāng)。國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料的制作及機(jī)理方面的研究,已取得了不同程度的階段性成果。其實(shí)驗(yàn)室制成的樣品,足以顯示出該產(chǎn)品的發(fā)展具有巨大的市場(chǎng)潛力。然而,目前該技術(shù)離實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)還有一定的距離。2可替代性制品的制備植物纖維發(fā)泡制品的性能特點(diǎn)如下:(1)植物纖維發(fā)泡包裝制品的主要原料是廢紙、蔗渣、麥秸、稻草等纖維材料、以及工業(yè)淀粉,不會(huì)對(duì)環(huán)境和回收造成障礙,有利于生產(chǎn)商的產(chǎn)品出口。(2)植物纖維發(fā)泡包裝制品適用范圍廣泛。隨著植物纖維發(fā)泡技術(shù)的進(jìn)步,該制品可用以替代現(xiàn)在使用的EPS泡沫內(nèi)襯及填充包裝。(3)綜合成本低。植物纖維發(fā)泡產(chǎn)品與紙漿模塑產(chǎn)品相比工藝簡(jiǎn)單,無(wú)須形狀復(fù)雜的成型模及熱壓模,生產(chǎn)時(shí)間及周期短,能耗和原料成本低。吳其葉等植物纖維發(fā)泡制品及成型技術(shù)設(shè)計(jì)·研究·制造(4)防靜電、防腐蝕性能優(yōu)于EPS發(fā)泡材料,防震隔震性能優(yōu)于紙漿模塑產(chǎn)品。與發(fā)泡塑料制品的緩沖性性能基本相當(dāng),而無(wú)需象紙模制品須通過(guò)其復(fù)雜的幾何形狀構(gòu)成力學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)增大緩沖性能,降低了制品的制作難度。(5)在力值檢測(cè)中吸震和抗震均優(yōu)于紙漿模塑產(chǎn)品。并可按不同被包裝產(chǎn)品要求加入增強(qiáng)劑、柔軟劑、防水劑、防油劑、阻燃劑等多種輔助添加劑,實(shí)現(xiàn)多種功能。(6)可制作大型家電產(chǎn)品及電子產(chǎn)品的包裝襯墊及填充料,可填補(bǔ)紙漿模塑產(chǎn)品至今還無(wú)法制作該類包裝產(chǎn)品的空缺。各類包裝制品的性能對(duì)比見(jiàn)表1。3發(fā)泡劑在制作工藝中的應(yīng)用植物纖維發(fā)泡材料與發(fā)泡塑料相比,具有生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單,無(wú)需多次發(fā)泡和冷卻的工藝,植物纖維發(fā)泡制品的發(fā)泡工藝主要有兩種:使用化學(xué)發(fā)泡劑及不用化學(xué)發(fā)泡劑。不用發(fā)泡劑的植物纖維發(fā)泡制品是采用舊書廢報(bào)紙或其他纖維和淀粉作原料。該發(fā)泡制品不需要化學(xué)發(fā)泡劑,而是通過(guò)水蒸氣的作用發(fā)泡,其制品生產(chǎn)和使用都不會(huì)損害環(huán)境,用過(guò)的制品可以和普通垃圾一樣處理,還可以回收,重新加工。從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看,生產(chǎn)同樣數(shù)量的包裝材料,纖維發(fā)泡制品比泡沫塑料還要便宜,具有廣闊的應(yīng)用前景。使用發(fā)泡劑的植物纖維發(fā)泡制品的制作工藝方法與不用發(fā)泡劑植物纖維發(fā)泡制品基本相同,只是發(fā)泡的媒介不是利用水蒸汽,而是采用各種發(fā)泡劑。該方法對(duì)于發(fā)泡的控制比較容易,目前的發(fā)泡劑主要有:碳酸氫鈉、尿素、4,4-氧代雙苯磺酰肼、偶氮二甲酰胺、甲苯磺酰肼等。其中有些發(fā)泡劑對(duì)環(huán)境有不利的影響,因而如果選用不當(dāng),在生產(chǎn)過(guò)程中以及在使用和回收處理過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響。植物纖維發(fā)泡制品的制作方法主要有兩種:一步法成型和兩步法成型。一步法成型的工藝特點(diǎn)是:采用的是整體澆注發(fā)泡成型,其工藝流程主要為:物料→混合→制漿→澆注→發(fā)泡成型→熟化→脫?！善?。兩步法成型的工藝特點(diǎn)是:將回收的舊書報(bào)紙或其他植物經(jīng)粉碎碾成纖維狀,使其和淀粉按一定的比例混合,在擠壓機(jī)中制成直徑1~3mm的圓柱顆粒。在擠壓過(guò)程中,原料受水蒸氣作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿。再用發(fā)泡紙漿顆粒作原料,將發(fā)泡紙漿顆粒送入專用的金屬模具中進(jìn)行加壓加熱,制作成相應(yīng)形狀的包裝制品。植物纖維發(fā)泡制品的生產(chǎn)線主要有下列設(shè)備組成:粉碎機(jī)、混煉機(jī)、反應(yīng)釜、顆粒膨化機(jī)、氣力輸送機(jī)、制品成型機(jī)以及控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備。4發(fā)酵紙制作設(shè)備是利用自然原料生產(chǎn)的產(chǎn)品,利用泡沫紙作為包裝原料,可發(fā)展生物膠囊目前,歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求無(wú)污染的新吳其葉等植物纖維發(fā)泡制品及成型技術(shù)設(shè)計(jì)·研究·制造型環(huán)保包裝材料,正在加緊進(jìn)行植物纖維發(fā)泡技術(shù)的研究,期望該新型包裝材料能夠替代目前還在廣泛使用的EPS發(fā)泡材料所制作的工業(yè)品防震內(nèi)襯及襯墊。國(guó)外植物纖維發(fā)泡制品所采用的方法主要集中在不添加化學(xué)發(fā)泡劑的工藝方面,原料是通過(guò)水蒸氣的作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿。該制作工藝比采用添加化學(xué)發(fā)泡劑的工藝方法難度大,但生產(chǎn)和使用對(duì)環(huán)境無(wú)不利影響。目前發(fā)達(dá)國(guó)家在該項(xiàng)技術(shù)上已取得較為顯著成績(jī)的有以下幾家:(1)德國(guó)不萊梅PSP公司采用廢舊書報(bào)紙和面粉作原料,開發(fā)出發(fā)泡紙生產(chǎn)工藝。它的生產(chǎn)工序是先將回收的舊書報(bào)紙切成碎條,再碾成纖維狀紙漿,使其和面粉以2∶1的比例混合,混合后的紙漿米注入擠壓機(jī)壓成圓柱顆粒,在擠壓過(guò)程中,原料受水蒸氣作用發(fā)泡,形成發(fā)泡紙。再用發(fā)泡紙顆粒作原料,根據(jù)需要生產(chǎn)不同形狀的包裝制品。發(fā)泡紙相對(duì)泡沫塑料而言,其生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單,可以一次成型,免去多次發(fā)泡和冷卻的工藝。該發(fā)泡紙的發(fā)泡不需要化學(xué)添加劑,只用水蒸氣,它可以和普通垃圾一樣處理。用過(guò)的泡沫紙還可以回收,重新加工,它的生產(chǎn)和使用對(duì)環(huán)境都不會(huì)產(chǎn)生不利的影響。從經(jīng)濟(jì)效益看,生產(chǎn)同樣數(shù)量的包裝材料,泡沫紙比泡沫塑料要便宜10%。這種泡沫紙具有很大的應(yīng)用前景,它不僅可以作為包裝材料,還可以開發(fā)成絕緣材料和建筑材料。(2)日本帝人公司開發(fā)出了以紙漿做原料的新型環(huán)保型發(fā)泡材料。該新型發(fā)泡材料以天然紙漿為原料,加工成粒狀或條狀,加熱后很容易塑成各種形狀。材料的發(fā)泡率較高,膨脹后和傳統(tǒng)的發(fā)泡材料保麗龍一樣輕,有相同的吸收沖擊性能,完全可以用作理想的包裝材料。目前這種材料的最大不足是造價(jià)較高,相當(dāng)于保麗龍的2倍,該公司現(xiàn)在還未批量生產(chǎn),正在設(shè)法降低成本。(3)日本工業(yè)技術(shù)研究所開發(fā)了用廢紙作原料的干式紙漿發(fā)泡技術(shù)。這種廢紙無(wú)需用水溶化,該制作包裝材料的技術(shù)與以前的濕式紙漿模法相比,所制出的產(chǎn)品具有更好的生物分解性,不會(huì)造成二次公害。該項(xiàng)技術(shù)是將廢紙粉碎到5mm2以下,與淀粉漿糊混合制成直徑1~3mm的粒子。將粒子吹入處于開啟狀態(tài)的金屬模后再關(guān)閉金屬模進(jìn)行加壓加熱,漿糊中含有的水分在加熱過(guò)程中從通氣孔排出,可制作成精度和壁厚與金屬模相應(yīng)的包裝制品。在制作發(fā)泡包裝材料時(shí),可預(yù)先將廢紙和淀粉漿糊的小粒發(fā)泡,該發(fā)泡體涂上淀粉漿糊吹入金屬模,或者對(duì)小粒子加入發(fā)泡材料在金屬模內(nèi)使之發(fā)泡。由于該項(xiàng)技術(shù)不需用大量的水,因而不需要象濕式紙漿模產(chǎn)品那樣配備干燥流水線和廢水處理設(shè)備。5可選用的材料、方法和技術(shù)研究國(guó)內(nèi)也有幾所院校及單位正在進(jìn)行這方面技術(shù)的研究和開發(fā),并已取得了階段性的成果?？梢哉J(rèn)為,這項(xiàng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室已有可能。國(guó)內(nèi)所開發(fā)研究的植物纖維發(fā)泡制品的工藝方法主要集中在使用添加化學(xué)發(fā)泡劑,即采用發(fā)泡劑產(chǎn)生發(fā)泡,原料是通過(guò)化學(xué)發(fā)泡劑的作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿。使用發(fā)泡劑的工藝比不用發(fā)泡劑的工藝較為簡(jiǎn)單,但如發(fā)泡劑選擇不當(dāng),該類植物纖維發(fā)泡的方法及制品在生產(chǎn)過(guò)程和使用后的處理中對(duì)環(huán)境有可能造成一些不利的影響,故該項(xiàng)技術(shù)還有待于改進(jìn)和提高。目前已有下列幾家單位在該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)研究上取得了一些進(jìn)展:(1)廣東工業(yè)大學(xué)對(duì)紙漿真空成形制品的發(fā)泡技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了紙制品低溫發(fā)泡(一般不應(yīng)超過(guò)150℃)的方法,發(fā)泡可以在模腔外進(jìn)行,也可在制品的烘干過(guò)程中進(jìn)行。該大學(xué)還對(duì)成發(fā)泡紙托的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了初步研究。研究認(rèn)為:制品的拉伸斷裂強(qiáng)度隨發(fā)泡劑混入量的增加而降低,并在達(dá)到某一臨界值時(shí),斷裂強(qiáng)度開始急劇下降。在發(fā)泡度不太大時(shí),隨發(fā)泡度的增加,跌落最大高度增加,但當(dāng)發(fā)泡度達(dá)到某一臨界值時(shí),隨發(fā)泡度的增加,跌落最大高度開始減小。(2)大連輕工業(yè)學(xué)院進(jìn)行了干法紙漿模鑄制備輕體包裝材料技術(shù)的研究。其主要的工藝為:廢紙的粉碎、淀粉糊的制備、小粒子的膨化和模鑄成型等。其中淀粉糊的制備與小粒子的膨化是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。與濕法成型的紙漿模鑄包裝材料相比,其干法模鑄的工藝使生產(chǎn)過(guò)程需蒸發(fā)的水量大為減少,大大降低了生產(chǎn)過(guò)程中的能量消耗。(3)南通工學(xué)院研究了利用天然植物纖維材料,采用無(wú)機(jī)發(fā)泡劑(以NaHCO3、NH4HCO3為主)和膠粘劑及其他添加劑,通過(guò)整體澆注,一步法發(fā)泡成型。該方法對(duì)模具的要求比較高。已對(duì)產(chǎn)品抗震緩沖性能、壓縮強(qiáng)度、泡體泡孔結(jié)構(gòu)、發(fā)泡倍數(shù)與密度作了初吳其葉等植物纖維發(fā)泡制品及成型技術(shù)設(shè)計(jì)·研究·制造步的研究和測(cè)試。(4)武漢遠(yuǎn)東綠世界公司研制的雙發(fā)泡植物纖維包裝新材料,可用于家電生產(chǎn)企業(yè)替代泡沫塑料包裝。該材料是用改性淀粉和高纖維填充物為原料,在高效復(fù)合發(fā)泡劑的作用下,經(jīng)低溫發(fā)泡造粒、高溫發(fā)泡成型技術(shù)生產(chǎn)而成。它具有防潮、抗震、抗壓、強(qiáng)度好、重量輕、價(jià)格低等特點(diǎn)。該材料降解率可達(dá)到78.4%,是一種新型環(huán)保包裝材料。這種材料是塑料泡沫包裝材料的極佳替代品。與塑料泡沫包裝材料相比,易降解,露天放置24小時(shí)后能完全消失,比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的降解時(shí)間高出15%以上。6當(dāng)前問(wèn)題及對(duì)策(1)化學(xué)發(fā)泡劑的加入在國(guó)內(nèi),現(xiàn)有研究開發(fā)的植物纖維發(fā)泡包裝制品的發(fā)泡方法主要是采用添加化學(xué)發(fā)泡劑來(lái)進(jìn)行的。由于化學(xué)發(fā)泡劑對(duì)環(huán)境會(huì)造成不利的影響,因而應(yīng)象發(fā)達(dá)國(guó)家那樣,大力開發(fā)研究利用水蒸氣實(shí)現(xiàn)植物纖維的發(fā)泡,以徹底避免對(duì)環(huán)境的不利影響。(2)工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)難點(diǎn)的突破在研制、研制、生產(chǎn)設(shè)備、工藝過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題當(dāng)前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,對(duì)植物纖維發(fā)泡制品的研究基本上還處在實(shí)驗(yàn)室階段,還未達(dá)到實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的要