以竹代塑新產(chǎn)品竹微絲復合包裝材料的制備及其性能

戴武軍 譚益民

(1 中山大學廣州 510275；2 湖南工業(yè)大學湖南株洲 412007)

塑料編織袋、塑料袋是日益增長的快遞包裝、人們?nèi)粘Ｉ畹挠闷?，通常由聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子化合物制成[1]。這些塑料制品在給人們生活帶來便利的同時，也給全球環(huán)境造成了嚴重污染[2-3]。聯(lián)合國相關機構統(tǒng)計顯示，全球每年使用5 000 億個塑料袋，每年至少有800 萬t 塑料垃圾進入海洋。海洋塑料污染日益嚴重，已遠遠超出海洋的自凈能力。更為嚴峻的是，隨著電商、快遞和外賣等新業(yè)態(tài)的發(fā)展，塑料餐盒、塑料包裝等消耗量快速上升。塑料垃圾和塑料微粒長期殘留在土壤、水源中，會對土質(zhì)、水體和人體健康造成極大危害。因此，發(fā)展綠色環(huán)保、可降解包裝材料，符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展需要，有著極其巨大的世界環(huán)保需求，市場前景看好[4-5]。

可降解生物質(zhì)復合材料是將天然植物纖維材料和來源于植物資源的可生物降解塑料，通過共混、擠出、熱壓、注塑等工藝制得[6-8]。近年來，對生物質(zhì)復合材料的研究受到極大關注。Cunha 等[9]利用松木粉和淀粉-醋酸纖維素制備了可生物降解的復合材料；Chaharmahali 等[10]分析了由廢纖維板和刨花板制備的木塑復合板的力學性能；孫正軍等[11]提出了一種制備分級竹絲復合材料的方法，并對其力學性能進行了分析。

竹材是我國豐富的天然生物資源，約占世界總量的1/3。竹材具有生長區(qū)域廣、成材快、價格低廉、可再生等優(yōu)點，還具有較高的比強度和比模量等力學特征，因此竹材是一種實用價值較高的結構材料。大力開發(fā)以竹代塑產(chǎn)品，對節(jié)約使用化石資源、保護人類環(huán)境具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。本研究以竹材為對象，研究提出了一種制備竹微絲復合包裝材料的方法，以期為可降解生物質(zhì)復合包裝材料的制備提供參考。

1 材料制備與性能測定方法

1.1 材料和儀器

1) 材料。竹子采自羅霄山脈湖南攸縣酒埠江鎮(zhèn)；聚氯乙烯(PVC)： 湖南株化有限公司生產(chǎn)；聚乙烯(PE)： 神華集團有限責任公司生產(chǎn)；甘油、分析純，廣東茂名化學試劑公司生產(chǎn)。

2) 儀器。大型智能化竹拉絲設備： 德國圖特斯工具系統(tǒng)技術集團公司生產(chǎn)；電子顯微鏡： 德國徠卡DM2500P 生產(chǎn)。

1.2 竹微絲復合包裝材料的制備

選取0.7～1 年竹齡的竹子，截成一定規(guī)格的竹筒，再進行剖篾，加工成篾片，利用手工或竹拉絲設備順著篾片的徑向剖出寬度為0.05～0.50 mm、厚度為0.05～0.30 mm 的竹微絲(竹絲或細薄竹片的規(guī)格可根據(jù)應用功能和要求而定)；采用已取得國家專利的淺碳化法技術(《一種原竹材半成品物理法智能化控制碳化處理設備》，專利號CN201720791583.3)，改善竹微絲的相容性、穩(wěn)定性；再將竹微絲與高分子輔料(柔韌劑、黏接劑)按照一定比例(各組分的質(zhì)量分數(shù)為： 竹微絲為85%～98%，黏接劑為1%～9%，柔韌劑為0.1%～8.0%) 制備成竹線復合材料；最后采用傳統(tǒng)竹編織技術將竹線復合材料進行編織，并在竹微絲與竹微絲之間、相鄰竹微絲的接口處采用黏接劑粘接，即得竹微絲復合包裝材料。

1.3 竹微絲復合材料形態(tài)與性能測試

1) 電子顯微鏡觀察。采用電子顯微鏡觀察竹微絲的微觀形貌。

2) 密度測試。根據(jù)GB/T 15780—1995 《竹材物理力學性質(zhì)試驗方法》，用百分表測量處于飽和水分狀態(tài)的試樣的長l、寬b和厚度d，然后將試樣置于溫度為103±2℃的烘箱內(nèi)，4 h 后稱試樣質(zhì)量，之后每隔2h 稱量一次，至連續(xù)2 次測量結果之差小于0.002 g 時，即為全干，全干時試樣質(zhì)量為m0。試樣基本密度(ρ) 的計算公式為：

3) 干縮性測試。根據(jù)GB/T 15780—1995，先在尺寸為10 mm×10 mm×dmm 的試樣中心位置畫一個圓點，用百分表測量圓點處弦向尺寸(Lmax)；然后將試樣置于溫度為20±2 ℃、相對濕度為65%±5%的恒溫恒濕箱中氣干10 d 后，測量試樣的弦向尺寸，然后每隔2 d 測試一次，至連續(xù)2 次測量結果之差小于0.02 mm，即達到氣干，氣干時試樣的弦向尺寸為L0；最后，烘干試樣，測量全干時試樣的弦向尺寸為L1。弦向干縮率(B0) 和弦向全干干縮率(B1) 按式(2) 計算：

4) 強度測試。根據(jù)JG/T 199—2007 《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》，用鉗口夾緊試樣的兩端，豎直地安裝在試驗機上。所有強度值需換算為含水率為12%時的強度值，以消除含水率差異的影響。測試順紋抗拉強度時，以200 N/ (mm2·min)的均勻速度加荷，直至試樣破壞[12]。試樣含水率為w%時的順紋抗拉強度(σw) 按式(3) 計算，

式(3) 中：Pmax為破壞載荷；be為試樣有效部分的寬度；de為試樣有效部分的厚度。

σw轉(zhuǎn)化為含水率為12%時的順紋抗拉強度計算公式為：

式(4) 和(5) 中，Kσw為修正系數(shù)。

2 竹編織方法

傳統(tǒng)竹器成型的關鍵是編織。編織技藝都是以挑壓編織為基礎，可分為垂直挑壓交織法、多角挑壓交織法、翻轉(zhuǎn)彈插交織法、其他穿插交織法等。根據(jù)包裝材料的功能、強度要求和用途的不同，將纖細的竹微絲復合材料按照純縱向或縱橫向交叉編織成薄紗或“布”，以得到綠色環(huán)保、柔韌性好、可折疊、可降解的竹微絲復合包裝材料。本研究采用如下2 種竹編織方法：

1) 單向編織法，即竹微絲朝一個方向即縱向或橫向順排，竹微絲之間的間距可以調(diào)整。縱向編織結構示意圖如圖1a 所示。

2) 縱橫向交叉編織法，即竹微絲按縱橫向交叉編織。橫向竹微絲之間的間距可以調(diào)整。按照間距的大小，縱橫向交叉編織方式分為無間距、較密間距、較寬間距3 種。無間距、橫向間距為3 和8 cm 的縱橫向交叉編織結構示意圖分別如圖1b—d所示。

3 結果與討論

3.1 竹微絲的特性和結構

竹材具有較輕的質(zhì)量、較高的強度和彎曲度、可降解等特性。其化學成分主要是半纖維素、纖維素和木質(zhì)素，占其總質(zhì)量的90%以上。由于竹齡不同，竹子的半纖維素和纖維素含量也不同，且隨著竹齡的增加，其含量會隨之降低，如嫩竹的半纖維素和纖維素含量約為75%，1 年生竹的約為66%，3年生竹的約為58%。因此，原料一般選取0.7～2 年竹齡的竹子。

利用大型智能化竹拉絲設備和傳統(tǒng)竹篾工匠手工制備的竹微絲電子顯微鏡圖如圖2 所示。竹微絲的長度約為889 mm，寬度為0.05～0.50 mm，厚度為0.05～0.30 mm。由圖2 可知： 由大型智能化竹拉絲設備制備的竹微絲邊緣較齊整，而傳統(tǒng)竹篾工匠手工制備的竹微絲邊緣呈現(xiàn)鋸齒狀。

圖2 竹微絲的電子顯微鏡圖

3.2 竹微絲復合包裝材料的力學性能

3.2.1 不同竹編織法對復合包裝材料性能的影響

竹微絲的寬度為0.05 mm，厚度為0.30 mm，以質(zhì)量分數(shù)為90%的竹微絲、2%的聚氯乙烯、8%的甘油，制備竹微絲復合材料，再按照不同的竹編織法制備竹微絲復合包裝材料。測定了4 種不同編織技法試樣的基本密度(ρ)、弦向干縮率(B0)、弦向全干干縮率(B1)、順紋抗拉強度(σw) 等性能，測定結果見表1。由表1 可知： 與單純縱向編織法相比，采用縱橫向交叉編織的竹微絲復合包裝材料抗拉性能更好，且當橫向竹微絲間無間距時，材料的抗拉性能最優(yōu)。

3.2.2 竹微絲復合包裝材料與傳統(tǒng)塑料袋的性能對比

試驗同時測定了由PE、PVC 制備的塑料袋順紋拉伸強度，分別為55.00 MPa 和42.00 MPa。對比可知，竹微絲包裝材料的順紋拉伸強度遠大于PE、PVC 等傳統(tǒng)塑料包裝材料。試驗還發(fā)現(xiàn)，制備的竹微絲復合包裝材料不但能夠保持竹微絲的力學強度，同時還顯著增強了竹微絲的柔韌性。

表1 不同編織技法的試樣性能

4 小結

本研究提出的制備竹微絲復合包裝材料的方法，解決了5 項核心關鍵技術： 現(xiàn)代工業(yè)化高速剖拉絲技術或薄竹片智能碾壓揉搓順梳成絲技術；竹絲智能微孔負壓吸引復合成線技術；物理法數(shù)據(jù)化淺碳化改善相容性技術；高分子柔韌技術；現(xiàn)代智能化“竹微絲編織或中空薄攤” 技術。研究期間，申報了國家發(fā)明專利 《一種以竹代塑的新型包裝材料及其制備方法和應用》(CN201910146461.2)、實用新型專利《一種竹絲編織袋的竹絲成線智能數(shù)控設備》 和《一種薄竹片智能碾壓揉搓順梳成絲設備》，并獲得《一種原竹材半成品物理法智能化控制碳化處理設備》(CN201720791583.3) 等國家專利7 項。

與現(xiàn)有技術相比，竹微絲復合包裝材料制備方法和工藝流程有如下創(chuàng)新：

1) 本復合新材料，以可再生、資源豐富的生物質(zhì)竹材為原料，具有綠色環(huán)保、可降解的優(yōu)點。利用薄竹片智能碾壓揉搓順梳成絲技術、竹絲智能微孔負壓吸引復合成線技術、智能淺碳化改善相容性技術等現(xiàn)代技術，并按照一定比例輔以黏結劑、柔韌劑等高分子輔料，該處理方法不但能夠保持竹微絲的力學強度，還起到連接、增效作用，增加竹微絲的柔韌性。

2) 竹微絲復合包裝材料參照傳統(tǒng)竹絲編織技藝，進行現(xiàn)代竹線編織，工藝流程簡單，生產(chǎn)成本較低，量產(chǎn)后其成本與普通塑料袋接近。

3) 竹微絲復合包裝材料可代替一般的塑料包裝材料，可被加工成日常使用的包裝袋、飯盒、水杯等產(chǎn)品，還可用于紡織業(yè)、建筑材料、軍工、醫(yī)療，以及汽車、火車、高鐵、飛機、航天器的內(nèi)飾板材等領域，能有效降低塑料的使用量，從而減少塑料對環(huán)境的污染。