淀粉及其衍生物在植物纤维发泡缓冲材料中的应用

郗 伟

(陕西国防工业职业技术学院 化学工程学院 ，陕西 西安 710300)

在低碳生活、绿色环保的要求下，植物纤维发泡缓冲材料势必会替代聚苯乙烯泡沫等石化制品。从可再生以及循环利用的角度出发，充分利用农作物秸秆纤维和废弃的纸质包装材料纤维制备植物纤维发泡缓冲材料将是大势所趋。单纯的植物纤维不足以支撑包装材料的缓冲作用和强度要求，淀粉及其衍生物具有良好的膨胀性能及抗静电性能，作为增强剂克服了聚丙烯酰胺抗静电差的缺点，同时淀粉具有优良的生物降解性能。在植物纤维缓冲材料中加入淀粉，可显著提高发泡缓冲材料的强度，还可有效提高植物纤维的利用率，降低发泡包装材料的成本。开发绿色环保的植物纤维缓冲材料，淀粉对纤维发泡缓冲材料强度的提高具有重要意义，为充分利用丰富的植物纤维资源，使淀粉和植物纤维代替EPS(聚苯乙烯泡沫)制备发泡缓冲材料，对自然资源合理利用和环境保护都将产生至关重要的影响。

1 纤维原材料的选取与预处理

植物纤维缓冲包装材料制备工艺流程分为纤维预处理、淀粉预处理、添加化学助剂、发泡成型4个阶段，如图1所示。为了保障纤维缓冲材料的强度和缓冲作用以及外观性能参数指标，分别添加了淀粉及其衍生物作为增强剂，添加了发泡剂结合淀粉的填充作用在纤维之间形成了不规则的空洞，增强了材料的缓冲作用，达到了安全包装的目的[1]。

图1 植物纤维发泡缓冲包装材料工艺流程

1.1 植物纤维的选取

作为纤维发泡材料的核心组成部分，植物纤维是天然高分子聚合物，成分包含纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素和木质素为发泡缓冲材料提供主要强度，并为发泡过程中产生的气泡提供基本的支撑和膨胀的空间。不同来源的植物纤维其组成是不同的，因此植物纤维原材料的选用受到纤维发泡材料的应用空间、循环利用、生物降解等诸影响因素。

不同的植物纤维制得的缓冲材料性能也不尽相同。植物纤维具有较好的力学性能、缓冲性能及自身的降解性能，这样在发泡缓冲包装材料中可以起到一种增强作用，提高包装材料的抗压强度和撕裂强度。索晓红、李新平[2]等研究了纤维素纤维(棉短绒纤维)发泡缓冲材料，通过添加增强剂、胶黏剂等助剂，发泡体密度在 0.02 ～ 0.05g/cm3的范围内，泡孔结构为开孔且分布均匀；李志嘉等[3]研究了竹纤维发泡缓冲材料的静态测压仿真，得到材料应力-应变关系，为材料性能的测定及后续的应用提供了一种理论方法；王瑜等[4]研究发现，玉米秸秆纤维和变性淀粉，添加量对材料的缓冲性能有较大影响，当纤维质量分数为 15%时，发泡材料表观密度为0.568 g/cm3，拉伸强度达到8.031 MPa。总体来讲，每种植物纤维材料都有其优点和应用范围，常用植物纤维发泡缓冲材料见表2。

表2 常用植物纤维发泡缓冲材料一览表

1.2 植物纤维的预处理

植物纤维是制备缓冲包装材料的主要成分，纤维长度、浆料均匀性及纤维种类等都对缓冲材料成型的各项性能有不同程度的影响。

制备纤维发泡材料时，需要对植物纤维进行预处理便于在成型发泡时使用。若以废箱板纸、农作物秸秆等植物纤维制备原料时，首先需要对其先进行分类，再经过裁切、浸泡、或改性等操作；另外，还需将植物纤维碱化制浆，意在打破纤维素中的酯键和醚键有利于纤维间的氢键结合，同时降解部分半纤维素，提高植物纤维的热稳定性；如果有颜色需求还需要再经漂洗中和，最后烘干至所需含水量的要求，作为植物纤维发泡缓冲原材料待用。

2 淀粉的选用

淀粉在植物纤维发泡缓冲材料中主要是起增强剂的效果和填充的作用，作为增强剂和填充型材料，由于淀粉原有的强极性，在发泡材料体系内的纤维相互粘合形成网络，使其在发泡膨胀过程中能够承受气体的膨胀压力，并最终形成均匀分布的稳定泡孔结构，因此淀粉的使用量对发泡材料的发泡效果和性能极为重要。在作为植物纤维发泡缓冲材料的增强剂时其填充量一般不超过纤维重量的30%[5]。

目前用作纤维发泡缓冲材料增强剂的淀粉主要是变性淀粉，主要有阳离子淀粉、阴离子淀粉、两性及多元变性淀粉、接枝共聚淀粉和双醛淀粉，发泡材料常用淀粉及其衍生物见表3。

表3 发泡材料常用淀粉及其衍生物一览表

2.1 阳离子淀粉

阳离子淀粉是原淀粉与胺类化合物反应引入的阳离子基团，具有醚键结构在水中带正电荷的变性淀粉。用于造纸工业的阳离子淀粉主要有各类胺盐阳离子淀粉及络合阳离子淀粉等。阳离子淀粉对带负电荷的物质具有亲和性，经阳离子试剂醚化后的变性淀粉,可在冷水中溶解。在浆料中纤维带阴电荷,很容易与阳离子淀粉的正电荷分子相互吸附，能够起到增强和填充的作用，一般用于纤维浆料内添加。李志嘉等[3]人以蔗渣纤维为主要原料，添加一定量的阳离子淀粉、发泡剂等助剂，采用万能电子试验机作为测试系统表征材料的缓冲性能，为材料的性能测试提供了新的途径。

2.2 阴离子淀粉

原淀粉通过用不同的试剂、采用不同的化学反应在分子上引人阴离子基团，使其在溶液中带负电荷，具有代表性的阴离子淀粉是氧化淀粉、磷酸酷淀粉、羧甲基淀粉等。另外，由于阴离子淀粉带有羟基和羧基，并且溶液呈阴性与纸浆中铝离子络合能力差，与纤维结合能力也差，在纤维浆料中留着率低。因此，一般不用于纤维浆内增强，而用于纤维包装材料的表面施胶以提高包装材料强度。曹斌[6]以木纤维为原料，以淀粉和聚乙烯醇为胶粘剂，加入发泡剂以及其他助剂，制得缓冲包装材料，该材料的密度为 0.201g/cm3，抗压强度为 0.74 MPa，回弹率为 82.1%，整体缓冲性能良好。

2.3 两性淀粉

在同一个淀粉分子中接上阴离子，再接上阳离子或非离子等两种或两种以上反应基团的淀粉，称之为两性淀粉。两性淀粉生产工艺相对复杂，要经过多步化学反应才能完成，要防止阴阳离子试剂之间的相互影响。两性淀粉溶液呈电中性，分子中的阴离子基团与阳离子基团之间有相互保护作用，可以对带阴电荷的纤维浆料起分散作用，避免絮凝造成材料分布不均匀。两性淀粉分子中各基团相互协调作用，在作为增强剂时性能更优异、效果更突出。黄君[7]等以农作物秸秆为原料，加入玉米两性淀粉等胶粘剂、填充剂和交联剂后烘焙发泡，得到最优的反应温度在65～67 ℃。

2.4接枝共聚淀粉

接枝共聚淀粉是原淀粉的接枝共聚物。以亲水的淀粉大分子为基础与烯类化合物单体接枝共聚引入不同官能团，同时根据用途调节亲水和亲油基团结构的比例，从而得到的高分子聚合物。接枝共聚淀粉既有多糖化合物的分子间作用力，又有合成高分子材料的机械强度与生物作用稳定性，因此接枝共聚淀粉在植物纤维发泡缓冲材料、造纸工业助剂、可降解地膜等多方面应用中具有优异的性能。陈一[8]以纳米植物纤维、淀粉 聚乳酸接枝共聚物、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯等材料，添加塑化剂及抗氧剂复合，通过超临界CO2为发泡剂挤出发泡加工而成，发明了“一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料”。该材料具有较低的密度和高韧性的特征，具有一定的阻隔性，可广泛应用于有特殊要求的缓冲包装领域。

3 小结

用于植物纤维发泡缓冲材料的纤维来源虽然广泛但组成非常复杂，目前主要是考虑绿色环保和循环利用如秸秆、蔗渣和二次回收纤维等原料，能满足普通的包装材料性能要求；木纤维、棉纤维、麻纤维造价相对较高，但是在发泡成型、材料强度方面具有一定优势。

用于增强、填充和胶黏植物纤维发泡缓冲材料的淀粉来源非常广泛，通过氧化、糊化、交联、接枝共聚等化学反应生成各种淀粉衍生物。在生产研究植物纤维发泡缓冲材料时，使用那种淀粉要依据纤维的种类来源和发泡缓冲材料需要达到的性能参数进一步确定；同时依据是否进行表面增强或纤维浆料内部增强，以及浆料的电荷、极性，确定具体的类型和用量。

[1] 郗 伟，孙宾宾.植物纤维发泡缓冲包装材料的检测与评价方法[J].轻工科技,2012(2):36-37.

[2] 索晓红，李新平．纤维素纤维发泡缓冲包装材料制备工艺初探[J]．包装工程，2006，27(6)：116-118．

[3] 李志嘉，黄崇杏， 陈宜昭 ，等.蔗渣-淀粉发泡缓冲材料的本构方程及有限元仿真[J].包装工程.2017,38(11): 50-54.

[4] 王 瑜.基于聚乳酸/玉米秸秆纤维食品包装材料发泡性能及其模型研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[5] 陈玉芬.植物纤维发泡缓冲材料的制备及其性能研究[D].无锡：江南大学，2015.

[6] 曹 斌.木质剩余物缓冲包装材料制备工艺的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

[7] 黄 君，王华林.秸秆/淀粉发泡材料的制备与表征[J].安徽化工，2011，37(2)：21-24.

[8] 陈 一．一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料：CN，201510347059.2[P]．2015-06-23．