众所周知,发泡聚苯乙烯泡沫缓冲材料因环保问题在很多国家已被限制使用,如何开发出综合性能及经济性上能够替代该类材料的新型缓冲材料是当前该领域亟待解决的问题。
植物纤维制品统指非原生木材来源纤维,采用植物纤维模压工艺成型制品,包括传统纸浆模塑产品。传统纸浆模塑制品属于废物利用,且在使用后能快速自然降解,是非常常见的缓冲发泡材料种类,常见于鸡蛋、水果、红酒、小型设备等的运输缓冲。对于缓冲要求较高的应用场合,相应则需更大壁厚支持,而这对于湿法成型的纸浆模塑工艺而言,将大大增大制品密度,延长干燥时间,增加生产能耗,同时造成制品在厚度方向上的不均匀性及综合制品性能的下降。
新发展的植物纤维模压制品,一般是将废纸或农作物秸秆等采用机械粉碎、打浆、帚化等一系列预处理后,通过配方设计,添加发泡剂、胶黏剂、防潮剂等助剂,经高速搅拌及混炼后置于成型机热压成型。该类制品的发泡过程可在热压时完成,也可根据不同制品特点分2次进行。植物纤维发泡的意义在于可在纤维支撑材料内 部形成气泡孔,其泡孔尺寸及分布由助剂配方及工艺决定;储运过程中,根据包装件受载荷情况,发泡材料内 部气泡会相应发生挤压变形,同时吸收外界冲击能量,载荷消失后,气泡则自动恢复原始支撑状态,达到持续保护内装物品的功能。
日本和一些欧洲国家如芬兰等近年在植物纤维发泡领域的实验研究和技术推广取得了非常显著的成绩,其研究及技术成果主要集中在基于物理发泡的两步成型法:不添加化学发泡剂,直接利用物料所含水分在挤出机模头部位挤出时的内外压差,瞬间汽化形成气泡,制成颗粒型发泡制品;将前述制品置于金属模具加热加压最终成型成所需形状和发泡倍率的制品。两步物理发泡工艺较传统化学一步发泡工艺稍复杂,但在生产、使用及废弃物处理整个生命周期内都较安全且环境友好,因而是非常有前景的工艺技术。德国不莱梅PSP公司、日本帝人公司、日本工业技术研究所、日本索尼公司等开发的植物纤维制品已有不错的市场反馈。近年芬兰国家技术研究中心(VTT)不但研究开发技术突破显著,且其植物纤维发泡技术已经实现大批量产业化生产,市场前景非常看好。可见,国外的缓冲包装制品研究与产业化已经进入较为成熟的发展阶段。
农业废弃物还可用于各种复合发泡材料的生产加工。如将各类经预处理后的植物秸秆材料与可发性聚苯乙烯(EPS)、聚丙烯(PP)、回收聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乳酸(PLA)、水玻璃凝胶等进行复合发泡制备不同特性复合发泡材料。刘壮[16]等采用玉米秸秆纤维与可发性聚苯乙烯共混物为原料,制备了一种新型可降解缓冲包装材料。通过大量实验与分析,研究了玉米秸秆纤维长度、使用量、表面处理方法及聚合物成分的预发泡条件、后熟化条件对复合材料回弹性、缓冲特性、密度的影响。王瑜[17]等通过SEM、力学性能测试等方法研究了纤维对聚乳酸/玉米秸秆纤维复合发泡材料(PFFM)微观结构、发泡倍率、表观参数、力学性能及热力学性能的影响。扫描电镜结果表明,聚乳酸和玉米秸秆纤维等2种基材之间的共混相容性较好,纤维的加入改变了泡孔成型方式,增强了制品的综合力学性能。力学性能测试表明,当纤维的质量分数达15%时,制品的综合力学性能最好。葛正浩[18—19]等分别研究了秸秆粉/PP微孔发泡复合材料、秸秆粉/废旧PE发泡复合材料的发泡工艺,研究了AC发泡剂用量、偶联剂种类、秸秆粉比例和其他助剂添加量等对发泡材料密度、力学强度的影响。
PVC/秸秆复合发泡材料是通过废弃回收PVC粒料与秸秆纤维共混,通过添加助剂形成的一种微孔发泡制品。该制品内发泡孔分布连续且均匀,较未经发泡而直接挤出后热压成型复合材料密度明显减少,力学性能(如抗拉伸及抗弯曲性)都得到较大改善,且吸热隔音效果良好。根据不同应用目标,可通过变更主辅料配方,加工出不同密度及硬度的材料,如较硬的仿红木家具饰面板,仪器设备的缓冲防震包装衬垫等。薛盘芳[22]研究了PVC/秸秆复合发泡材料成形工艺。夏星兰[23]以农作物纤维和聚氯乙烯(新料或回收料)为主料,制备出一种具有产业化价值的秸秆纤维/PVC发泡制品。为改善纤维与聚合材料界面相容性,夏星兰先对棉秸秆纤维进行碱化和接枝改性,再与聚氯乙烯进行混炼,详细讨论了改性方法、主料配比、助剂的种类及含量、混炼时间与成品性能的影响,并获得了最佳配方和工艺加工数据。林振[24]采用溶胶-凝胶法和机械发泡法相结合制备出水玻璃凝胶复合材料,可用于建筑或包装领域,以取代聚苯乙烯泡沫材料。
秸秆等农业废弃物还可作为发泡混凝土增强材,制备强度、保温隔音效果等综合性能更优的新型轻质建筑材料。孔令鹏[25]等利用正交实验法,在陶粒泡沫混凝土中掺入大量的稻草秸秆纤维,研制出新型环保轻质保温墙体材料,并研究了水泥掺量、水胶比、纤维率和气泡掺量对掺入大量秸秆纤维的泡沫混凝土的干表观密度、抗压强度、吸水率和导热系数的影响,确定了掺入大量秸秆纤维的泡沫混凝土的最佳配合比。
对于农作物秸秆制备发泡材料或作为发泡增强组分的实验研究已非常普遍,主料来源为不同秸秆,种类分布十分广泛,各机构研究重点主要集中在主料的改性、助剂的种类及用量、发泡工艺及参数等方面。此外,热发泡加工过程中纤维的热降解,制品的综合性能,如发泡倍率、表观密度、力学强度、缓冲吸能特性等问题均需进一步解决。