农作物秸秆应用于生态型包装材料开发的进展分析

1 背景

随着我国物流业的快速发展，每年产生的大量包装材料废弃物已成为了亟待解决和处理的问题。据统计，中国包装行业每年至少可产生约5000多万吨包装垃圾[1]。我国现今使用的主要包装材料包括塑料、金属、纸及复合材料等。大量包装材料的废弃，不仅造成了回收利用困难的问题，大量使用的塑料包装制品因极难以自行降解，也带来了严重的“白色污染”及环境危害。另外，我国包装材料的开发对木材依赖严重，而森林资源匮乏，材料供应和需求之间的矛盾明显，这也使得我国在包装材料开发和利用环节出现较大的潜在风险。

生态型包装材料通常具备生态友好的性能，其生产制作和开发利用可作为木材资源的有效补充。为了合理利用资源、保护环境，提升现有包装材料的生态环保性能，开发环境友好、资源节约型的生态型包装材料已经成为了领域内重要的研究方向之一。

在各类生态型包装材料中，农作物秸秆作为一种数量大且亟待利用的材料，已显示出其优越性。我国是农业大国，每年随着农作物的生产而产生的各类农作物秸秆达7亿多吨，其总量约占世界秸秆总产量的20%至30%[2]。目前，我国大部分秸秆采用的是直接焚烧、用作饲料、制作有机肥料、用于生产沼气等方式处理。其中，最主要的处理方式仍是直接在田间焚烧还田处理，这一方式不仅污染环境，且造成了秸秆资源的严重浪费。将农作物秸秆应用于生态型包装材料的开发，不仅能帮助解决废弃秸秆焚烧所可能造成的环境问题、利用秸秆的纤维资源、减轻木质材料负担，也能为新的生态型包装材料的开发提供参考。

今年以来，我国能源消费实现较快增长。前三季度，在电煤消费增长带动下，全国煤炭消费增速回升。据行业初步统计数据，电力、钢铁、化工、建材4大行业用煤均为正增长，电煤占煤炭消费总量的比重约为53.9%，比去年同期提高约2.3个百分点。天然气表观消费量同比增长16.7%左右，除化工用气小幅下降外，城市燃气、工业燃料和发电用气均保持两位数增长。

2 农作物秸秆应用于包装材料开发现状

常见的应用于包装材料开发的农作物秸秆主要包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、甘蔗渣等，常见的农作物秸秆成分如表1所示。

目前，已有研究者利用农作物秸秆纤维作为缓冲包装材料的原材料。该类缓冲包装材料需要经过粉碎、泡沫分离、泡沫体改性、合模压成型、干燥等步骤制备，可用于填充包装容器的内部空隙，从而起到限位隔离和缓冲的作用。张秀梅等人[14]通过对以小麦秸秆作为主要材料开发的缓冲包装材料进行了静态压缩，通过蠕变松弛等力学实验后发现，小麦秸秆缓冲包装材料的应变曲线与泡沫塑料较接近，且动态缓冲曲线与其他缓冲材料曲线形状类似。郁青等人[9]采用稻草秸秆与淀粉配比后发现，此类缓冲材料的制备可增强材料的抗压性，可用于代替泡沫填充物的缓冲包装材料的开发。黄力等人[15]采用玉米秸秆作为主要原材料，添加可食用淀粉、发泡剂、聚乙烯醇等，经过氢氧化钠预处理等工序后，制备了可部分代替泡沫填充物的缓冲包装材料。由现有研究分析可知，农作物秸秆缓冲包装材料的开发，可以部分取代此前用于填充的泡沫塑料等白色污染物，减少缓冲包装废弃物对环境造成的危害。此外，农作物秸秆缓冲包装材料可以循环使用，可部分取代不可回收的非纸质包装。然而现有的力学测试结果表明，秸秆缓冲材料的缓冲性能较泡沫塑料而言仍有差距，这一差距需在后续不断进行优化和改进。

农作物秸秆与淀粉结合生产包装材料也是当今包装新材料开发领域的重要研究方向。郁青等人[9]采用稻草、玉米秸秆及马铃薯淀粉作为主要材料，使用一次模压成型法制成淀粉-秸秆缓冲包装材料。该结果称，新型材料在使用后可以采用土埋方式自行降解，可为土壤中的微生物提供养分。刘军军等人[4]对不同秸秆与淀粉的复合材料力学性能进行了研究，分析比较不同尺寸的秸秆纤维、不同的淀粉类型对复合材料的内结合强度、弯曲强度等力学性能的影响。该研究发现，淀粉基复合材料具备一定的弯曲强度和拉伸强度。时君友等人[10]采用玉米淀粉作为胶黏剂并压制水稻秸秆，制造了人造板材料。该研究发现，玉米淀粉胶黏剂使得板坯的预压性和施胶均匀性得到很大改善。候人鸾等人[11]将预处理后的水稻秸秆与改性淀粉混合，并在最佳成型工艺条件下模压制得水稻秸秆-玉米淀粉胶复合材料。该研究称，糊化后的淀粉颗粒可嵌于秸秆的大分子骨架中，并与秸秆纤维紧密结合，从而提高材料的机械强度。吕铁庚[12]采用水稻秸秆与玉米、木薯、豌豆三种淀粉进行配比，通过搅拌、模压成型等工艺制成了新型的包装材料，该研究对新材料的耐水性及导热性进行研究。结果表明，在适宜的条件下，淀粉混合秸秆复合材料的综合性能优良。高飞等人[13]以玉米交联淀粉和稻草秸秆纤维作为主料，添加聚乙烯醇和羧甲基纤维素作为复合增强剂，以甘油作为增塑剂制备了复合膜。该研究发现，几种添加物在添加合理的情况下，膜的拉伸强度及断裂伸长率均有所提高。利用秸秆纤维及淀粉作为主要材料进行复合，可为新型包装材料的开发提供大量技术参考。

2.1 农作物秸秆应用于纸张材料的生产

子弹抛撒、飞行到落地的过程中受诸多因素的影响,进而影响子弹落点散布。所以在计算弹道时,加入干扰因素能使计算结果更符合实际,为此建立阻力系数和子弹落点随机模型。

 

表1 农作物秸秆基本成分比对[3-6]

  

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2.2 农作物秸秆与淀粉结合生产包装材料

由表1可知，玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆等均含有约30%-70%的纤维素及17%-25%左右的半纤维素，这些纤维质材料均可被认为是纸质包装材料的良好原材料。对于木质材料缺乏、且对木质纤维需求量极大的包装行业而言，农作物秸秆材料可以为木质包装材料的开发提供大量新的资源。如今，已有研究者将农作物秸秆进行各类分析和应用，现对其进行总结如下：

农作物秸秆纤维含量高，可作为纸质材料的原材料。如今，已有许多研究者在这一领域开展研究。谭薇等人[3]将玉米秸秆与穰分离后分析了玉米秸皮的主要成分，并得出玉米秸皮能作为良好的造纸原料这一结论。陈洪雷等人[6]对玉米秸秆进行成分分析后发现，玉米秸秆的纤维素高达45%，高出其他草类原料，这对于提升纸浆得率和纸张强度是十分重要的性能。李雅丽等人[7]采用小麦秸秆、玉米秸秆等进行纤维素含量的测定后发现，农作物秸秆中纤维素含量普遍较高。杨金玲等人[8]通过对制浆法进行分析后发现，秸秆制纸浆的得率普遍较高，使用爆破制浆法的稻草秸秆制浆得率在65%左右，棉花秸秆皮在碱性过氧化氢双螺旋挤压法下制浆，可得到得率为80%的本色浆。农作物秸秆中的纤维素和半纤维素可以用作纸张生产的原材料。纤维素是造纸的原料之一，有良好的柔韧性、分散性和化学稳定性，能够增加包装材料的抗裂性[9]。在流通过程中使用的包装纸板对纸张的强度要求较高，有研究者称[5]，木质素含量高有利于增强包装材料的物理强度。在农作物秸秆的利用领域，许多其他的处理利用方式，例如沼气发酵、能源开发等，都需要去除秸秆纤维的木质素。在将农作物秸秆作为生态型纸质包装材料开发的过程中，可以不改变秸秆纤维本身的化学结构，减少分离农作物秸秆中木质素、纤维素及半纤维素的处理工序。

当然，将农作物秸秆与淀粉结合制作包装材料也存在其不足。例如，淀粉秸秆基缓冲包装材料的弹性变形范围与EPS等常用包装材料相比而言更窄，新材料的强度相比传统材料而言较为不足，未来需要从多个角度对纤维进行增强，并对淀粉和PVA的粘弹性的影响开展进一步的研究及优化[4]。此外，在制作淀粉秸秆包装材料的过程中，需要对材料的制备温度、塑化剂的添加量进行严格把控，以避免该环节错漏而导致的复合材料无法成型等问题[12]。另外，农作物秸秆与淀粉共混制备包装材料，普遍存在制作过程繁琐、使用性能较传统材料较差等问题。

2.3 农作物秸秆纤维制备环保缓冲包装材料

①严格管理。完善临床检验的操作制度,检验科室要建立复查、报告审核、实验室感染控制、检验人员技能培训制度等,建立标本的接收、检验报告发放、温度记录、质控记录、检验仪器维护保养、检验人员培训记录、存在检验问题和改进的记录表格,保证临床检验工作顺利实施,在检验中按照实际工作规定执行。

3 农作物秸秆用于包装材料开发的优势及不足分析

农作物秸秆产量大且目前尚无良好的消耗利用处理方式，将农作物秸秆应用于生态型包装材料的开发具有显著的优势，不仅能充分利用秸秆资源，也能符合我国循环经济及可持续发展的要求。利用农作物秸秆中的天然植物纤维材料生产制造的包装材料具备良好生物降解性和环境友好性。在此类包装材料的开发过程中，添加粘合剂、淀粉[10]等物质可对材料进行改性和复配，可在实验室层面制备具备良好使用性能的环保新材料。从这一点来看，农作物秸秆具备作为新型包装材料的潜质，具备一定的研究价值[5]。

然而，农作物秸秆的开发也存在收集耗费资源较多的问题，目前的农作物秸秆制备处理流程较为复杂，农作物秸秆中无法被利用的成分尚无良好的分离和处理方式等问题仍然亟待解决。此外，现有的农作物秸秆包装材料在性能上仍无法与传统的EPS泡沫塑料等材料相抗衡。未来，以农作物秸秆作为包装材料进行开发，仍需要不断调增配比，调整粘合剂、复配剂等的比例，从而筛选和制作具备较强实际使用性能和生态环保性能的新型包装材料。

4 前景分析

目前，我国对于农作物秸秆的开发利用主要集中在设备制造、工业原料开发、包装容器制造、发泡缓冲材料制造、人造板材制造等方面。如今，已出现较多利用农作物秸秆开展生态型包装材料开发的研究，增强农作物秸秆包装材料的强度及抗性已成为重要的研究方向。农作物秸秆中有效成分分离技术的开发，不同种类材料与农作物秸秆的融合复合也是未来的重要发展方向。利用农作物秸秆开发生态型包装材料，具有广泛的研究前景，也能为包装材料向生态型方向发展提供新的动力。

计算连续相时，采用二阶精度迎风差分格式，并基于有限体积法计算连续相控制方程，通过Coupled算法求解压力速度耦合，采用分离式求解器求解控制方程。计算离散相时忽略雾滴运动对气流场的影响，采用非耦合方法考察雾滴分布，通过积分颗粒作用力微分方程得到颗粒的运动轨迹。计算过程中压力、动量、k和ε等的亚松弛因子取默认值。

参考文献：

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[5] 赵蒙蒙,姜曼,周祚万. 几种农作物秸秆的成分分析[J].材料导报,2011,25(16):122-125.

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[11] 侯人鸾,何春霞,于旻. 稻秸秆/玉米淀粉胶复合材料的制备及性能[J]. 合成材料老化与应用,2012,41(02):1-5.

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[15] 黄力,尚大智,张丽. 秸秆材料在缓冲包装中的应用[J].中国科技信息,2016, (10):79-80.