戴武軍 譚益民

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

塑料編織袋、塑料袋是日益增長(zhǎng)的快遞包裝、人們?nèi)粘Ｉ畹挠闷罚ǔＳ删垡蚁?、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(shí)，也給全球環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[2-3]。聯(lián)合國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)顯示，全球每年使用5 000 億個(gè)塑料袋，每年至少有800 萬t 塑料垃圾進(jìn)入海洋。海洋塑料污染日益嚴(yán)重，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出海洋的自凈能力。更為嚴(yán)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(zhǎng)期殘留在土壤、水源中，會(huì)對(duì)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(chǎng)前景看好[4-5]。

可降解生物質(zhì)復(fù)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(duì)生物質(zhì)復(fù)合材料的研究受到極大關(guān)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(fù)合材料；Chaharmahali 等[10]分析了由廢纖維板和刨花板制備的木塑復(fù)合板的力學(xué)性能；孫正軍等[11]提出了一種制備分級(jí)竹絲復(fù)合材料的方法，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

竹材是我國(guó)豐富的天然生物資源，約占世界總量的1/3。竹材具有生長(zhǎng)區(qū)域廣、成材快、價(jià)格低廉、可再生等優(yōu)點(diǎn)，還具有較高的比強(qiáng)度和比模量等力學(xué)特征，因此竹材是一種實(shí)用價(jià)值較高的結(jié)構(gòu)材料。大力開發(fā)以竹代塑產(chǎn)品，對(duì)節(jié)約使用化石資源、保護(hù)人類環(huán)境具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。本研究以竹材為對(duì)象，研究提出了一種制備竹微絲復(fù)合包裝材料的方法，以期為可降解生物質(zhì)復(fù)合包裝材料的制備提供參考。

1 材料制備與性能測(cè)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(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)；甘油、分析純，廣東茂名化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。

2) 儀器。大型智能化竹拉絲設(shè)備： 德國(guó)圖特斯工具系統(tǒng)技術(shù)集團(tuán)公司生產(chǎn)；電子顯微鏡： 德國(guó)徠卡DM2500P 生產(chǎn)。

1.2 竹微絲復(fù)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(jìn)行剖篾，加工成篾片，利用手工或竹拉絲設(shè)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(xì)薄竹片的規(guī)格可根據(jù)應(yīng)用功能和要求而定)；采用已取得國(guó)家專利的淺碳化法技術(shù)(《一種原竹材半成品物理法智能化控制碳化處理設(shè)備》，專利號(hào)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?jǐn)?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(fù)合材料；最后采用傳統(tǒng)竹編織技術(shù)將竹線復(fù)合材料進(jìn)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(fù)合包裝材料。

1.3 竹微絲復(fù)合材料形態(tài)與性能測(cè)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(cè)試。根據(jù)GB/T 15780—1995 《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》，用百分表測(cè)量處于飽和水分狀態(tài)的試樣的長(zhǎng)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(cè)量結(jié)果之差小于0.002 g 時(shí)，即為全干，全干時(shí)試樣質(zhì)量為m0。試樣基本密度(ρ) 的計(jì)算公式為：

3) 干縮性測(cè)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(gè)圓點(diǎn)，用百分表測(cè)量圓點(diǎn)處弦向尺寸(Lmax)；然后將試樣置于溫度為20±2 ℃、相對(duì)濕度為65%±5%的恒溫恒濕箱中氣干10 d 后，測(cè)量試樣的弦向尺寸，然后每隔2 d 測(cè)試一次，至連續(xù)2 次測(cè)量結(jié)果之差小于0.02 mm，即達(dá)到氣干，氣干時(shí)試樣的弦向尺寸為L(zhǎng)0；最后，烘干試樣，測(cè)量全干時(shí)試樣的弦向尺寸為L(zhǎng)1。弦向干縮率(B0) 和弦向全干干縮率(B1) 按式(2) 計(jì)算：

4) 強(qiáng)度測(cè)試。根據(jù)JG/T 199—2007 《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，用鉗口夾緊試樣的兩端，豎直地安裝在試驗(yàn)機(jī)上。所有強(qiáng)度值需換算為含水率為12%時(shí)的強(qiáng)度值，以消除含水率差異的影響。測(cè)試順紋抗拉強(qiáng)度時(shí)，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(shí)的順紋抗拉強(qiáng)度(σw) 按式(3) 計(jì)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(shí)的順紋抗拉強(qiáng)度計(jì)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(guān)鍵是編織。編織技藝都是以挑壓編織為基礎(chǔ)，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(qiáng)度要求和用途的不同，將纖細(xì)的竹微絲復(fù)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(fù)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(gè)方向即縱向或橫向順排，竹微絲之間的間距可以調(diào)整?？v向編織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1b—d所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 竹微絲的特性和結(jié)構(gòu)

竹材具有較輕的質(zhì)量、較高的強(qiáng)度和彎曲度、可降解等特性。其化學(xué)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(huì)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(shè)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(zhǎng)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(shè)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(fù)合包裝材料的力學(xué)性能

3.2.1 不同竹編織法對(duì)復(fù)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?jǐn)?shù)為90%的竹微絲、2%的聚氯乙烯、8%的甘油，制備竹微絲復(fù)合材料，再按照不同的竹編織法制備竹微絲復(fù)合包裝材料。測(cè)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(qiáng)度(σw) 等性能，測(cè)定結(jié)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(fù)合包裝材料抗拉性能更好，且當(dāng)橫向竹微絲間無間距時(shí)，材料的抗拉性能最優(yōu)。

3.2.2 竹微絲復(fù)合包裝材料與傳統(tǒng)塑料袋的性能對(duì)比

試驗(yàn)同時(shí)測(cè)定了由PE、PVC 制備的塑料袋順紋拉伸強(qiáng)度，分別為55.00 MPa 和42.00 MPa。對(duì)比可知，竹微絲包裝材料的順紋拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于PE、PVC 等傳統(tǒng)塑料包裝材料。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，制備的竹微絲復(fù)合包裝材料不但能夠保持竹微絲的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)還顯著增強(qiáng)了竹微絲的柔韌性。

表1 不同編織技法的試樣性能

4 小結(jié)

本研究提出的制備竹微絲復(fù)合包裝材料的方法，解決了5 項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)： 現(xiàn)代工業(yè)化高速剖拉絲技術(shù)或薄竹片智能碾壓揉搓順梳成絲技術(shù)；竹絲智能微孔負(fù)壓吸引復(fù)合成線技術(shù)；物理法數(shù)據(jù)化淺碳化改善相容性技術(shù)；高分子柔韌技術(shù)；現(xiàn)代智能化“竹微絲編織或中空薄攤” 技術(shù)。研究期間，申報(bào)了國(guó)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(yīng)用》(CN201910146461.2)、實(shí)用新型專利《一種竹絲編織袋的竹絲成線智能數(shù)控設(shè)備》 和《一種薄竹片智能碾壓揉搓順梳成絲設(shè)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(shè)備》(CN201720791583.3) 等國(guó)家專利7 項(xiàng)。

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

1) 本復(fù)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(diǎn)。利用薄竹片智能碾壓揉搓順梳成絲技術(shù)、竹絲智能微孔負(fù)壓吸引復(fù)合成線技術(shù)、智能淺碳化改善相容性技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，并按照一定比例輔以黏結(jié)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(xué)強(qiáng)度，還起到連接、增效作用，增加竹微絲的柔韌性。

2) 竹微絲復(fù)合包裝材料參照傳統(tǒng)竹絲編織技藝，進(jìn)行現(xiàn)代竹線編織，工藝流程簡(jiǎn)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(fù)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(jī)、航天器的內(nèi)飾板材等領(lǐng)域，能有效降低塑料的使用量，從而減少塑料對(duì)環(huán)境的污染。