秸秆生物质基包装材料发展及应用研究

（哈尔滨商业大学）

摘 要：生物质绿色可再生资源具有产量大、资源丰富、环境友好、可加工制作性强等优点，是国内外能源与包装行业研究的热点材料。随着科技发展，秸秆生物质基包装材料被研究加工并应用的范围越来越大。

关键词：秸秆生物质；包装材料；资源丰富

1 引言

当今世界公认的第四大能源是农林生物质，它仅次于煤炭、石油和天然气。农林生物质廉价而宝贵、对环境友好，是绿色可再生的资源。全球每年农林生物质资源十分丰富，品种多样、地域分散、产量巨大、收储季节性强。我国每年仅农作物秸秆产量8.5亿吨，包括粮食作物和经济作物秸秆，其中以小麦秸秆、稻草为代表的粮食作物秸秆占总量的70%左右。可用于工业能源原料的能源林和灌木林有3亿多吨。因此，可以说我国农林生物质资源极其丰富。随着学科交叉和领域融合，当今科技水平快速发展，社会对科学发展的环境可持续性的认识越来越多。目前，我国林业化工、机械工程等学科对生物质基材料的研究内容主要集中于高效转化生物质纤维，使“纤维组分分离、分级定向转化过程”，制备新材料。现在生物质纤维材料加工研究技术包括两种，物理改性和化学改性。物理改性是让生物质纤维化学成分不变，通过一些机械力学、传热学、加高压等方法改变生物质纤维的结构和表面性能；化学改性常用方法有酸碱法、有机溶剂法、界面偶合法、接枝共聚和脂化法等。化学改性是让生物质纤维改变化学成分的同时结构和表面性能也发生改变，改性后的新材料表现出不同的性能。改性生物质基包装材料既是一个多学科交叉并融合的研究新领域，又是一个新兴的生态产业链群体，比如从秸秆的收集组分分离（或不分离）微生物发酵（或重组）能源（或可降解产品），实现秸秆的高效合理、生态环保的综合利用。

2 国内外研究现状及发展动态分析

在过去，人类将秸秆收割后用作农田肥料、燃料、建房、家畜饲料、手工制品和工具等。现在国外，许多发达国家在生物质能源利用方面已经制定了一些大型的开发研究项目，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、丹麦秸秆发电厂、美国的能源农场和巴西的乙醇能源计划等。这些研究项目中因存在污染环境、易产生有害物质和难于综合利用等问题，发达国家也已经逐步转向用纤维素酶水解方法的研究[1]。丹麦是世界上首先使用秸秆发电的国家。阿维多发电厂建于上世纪90年代，每年燃烧15万吨秸秆，可满足几十万用户的供热和用电需求，被誉为全球效率最高、最环保的热电联供电厂之一。发电原料和煤、油、天然气相比，秸秆发电成本低、污染少，是最划算的燃料；另外，秸秆燃烧后的草木灰还可以作为农田肥料。日本是一个相对资源紧缺的国家，每年的秸秆几乎被全部利用，其中主要是还田、粗饲料、混合燃料等。混合燃料沼气发酵真正对纤维素原料转化沼气的研究还很不够，日本正在积极挖掘秸秆的燃料转化潜力，日本地球环境产业技术研究机构与本田技术研究所已成功从秸秆所含纤维素中提取出了乙醇燃料。欧洲和美国在生物制气化发电的研究与开发方面处于领先水平，但因为生物质燃气净化的研究长期以来一直没有突破，所以这一技术难以应用和推广。

国内在生物质可再生能源的能源化技术方面，我国针对秸秆先后开展了沼气发酵和秸秆气化。在沼气发酵中，秸秆转化率很低，而且严重影响产气率。在秸秆发酵乙醇研究方面，主要沿用木材处理或淀粉发酵乙醇的技术路线，昂贵的“完全”酸水解或酶水解难以实现完全利用秸秆中木质素、半纤维素和高结晶度纤维素的理想，难以适应工业化的要求。

秸秆生物质基新材料在包装行业也成为偏爱和研究的热点。林业部林产工业规划设计院、南京林业大学、东北林业大学也陆续开展了以竹材、麦秸、稻草、玉米秆等为主要原料研究人造板工艺技术。中国林科院木材工业研究所进行了复合材料“非木质纤维人造板”工艺与材料性能研究，并成功开发出了稻壳板、麦秸板、棉秆和麻秆板、稻草板等新材料。在生物质材料产品方面，秸秆作为工业原料主要用于工业造纸，其它的应用主要有：西北农林科技大学开展模压制品的研究[3]，如一次性快餐盒、托盘、家具构件和建筑构件等；南京林业大学将秸秆压缩成型制作复合秸秆板材，建筑墙体材料，复合秸秆包装材料等；西南师范大学也进行了可降解餐盒的研究，但由于植物纤维成分各异、含水量不等和化学特性不同，在研发技术和配方上存在较大差别，很多技术参数只能在实验中摸索，因此也就影响了餐具制品的性能稳定。目前符合国家食品包装安全材料标准的生物质基包装材料还不多，尤其是产品的耐水耐油性、耐酸碱性、良好的机械力学性等。东华大学以秸秆纤维为基体进行了木质陶瓷材料的研究[4]，以秸秆纤维为原料制成高密度秸秆纤维非织造布；然后采用气流成网法进行材料陶瓷化，工艺操作简单，新材料性能可以和以木材为原料加工的中密度纤维板性能媲美。

3 应用前景

植物秸杆类包装容器，原材料来源极其丰富，不仅可以完全降解，而且可以增加农民的收入、缓解资源短缺，有利于保护环境，同时具有经济效益、社会效益和环境效益。

3.1 经济效益

建立一个以年产5000万只托盘的生产线规模计算，年创产值1250万元，正常生产年产品总成本为900万元，年纯利润可达270万元，投资利润率为24%。以产品使用秸秆颗粒45g（以托盘计），该生产规模的加工厂，每年消耗秸秆2250吨，若秸秆以300元/吨的价格收购，每年可以直接为农民带来67.5万元的收入。从包装容器的市场需求量来看，对于一个数百万的城市，每天的需求量就达10万只以上，需要目前的成型设备18台，预计在未来5年内成型设备的销售量将达到240台，仅设备制造可以创产值6720万元。

3.2 社会效益

该技术研究成功，可以拓宽更多的应用领域，如农业生产用育苗钵盘、木炭盆景、复合板材、电子产品包装缓冲衬垫、建筑材料的隔热保温板等，为农民致富提供良好的产业化技术，促进农村循环经济的发展。

3.3 环境效益

减少对环境的污染。秸秆的使用避免了就地焚烧造成的环境污染，另一方面全降解一次性包装容器的使用，直接减少了由于使用发泡材料（EPS）带来的白色污染，环境效益显著。

因此，无论从可持续发展、还是环境保护、可利用资源等问题来分析，秸秆生物质基包装材料的研制成功，代表了目前和更长远时间内一次性全降解包装容器的发展方向。生物质基包装材料的市场前景非常广阔，各种食品及农产品包装的多样化需求，也为新材料的研究成果提供广泛的应用空间，激发了秸秆生物质基包装材料的新研究领域。

参考文献

[1]陈牧，连之娜，李鑫.玉米秸秆蒸爆渣的氨基酸辅助纤维素酶水解[J].生物质化学工程，2010，（44）：15-18.

[2]马晓轩，范代娣，马沛等.秸秆微生物降解及发酵生产乙醇的研究[J].西北大学学报，2009，（39）：71-74.

[3]高宝云，邱涛，李荣华等.巯基改性玉米秸秆粉对水体重金属离子的吸附性能初探[J].西北农林科技大学学报，2012，（40）：185-190.

[4]宋，王洪，靳向煜.以秸秆纤维为基体的木质陶瓷材料的制备[J].非织造布，2005，（13）：18-20.

作者简介：智慧（1984-），女，硕士，工程师，主要研究方向为包装机械设计与包装材料研发。