竹粉在印刷包裝用生物降解材料中的應用研究進展

竹粉作為一種來源廣泛、可再生、可生物降解的天然植物纖維填料，在印刷包裝用生物降解材料中展現出巨大的應用潛力。本文介紹了竹粉的特性及其改性處理方式，詳細分析了竹粉的改性對印刷包裝用生物降解材料性能的影響，為竹粉更好的在印刷包裝用生物降解材料中實現應用提供了重要參考。

近年來，竹粉作為一種新型節能環保材料，其應用受到了廣泛關注，隨著“以竹代塑”倡議和《加快“以竹代塑”發展三年行動計劃》等政策性文件的頒布，在包裝領域開發和應用竹粉材料已經成為研究熱點。

竹粉簡介

1.竹粉來源及其主要成分

竹粉，即以竹子為原料，經過破碎、研磨、篩分等物理加工后得到的粉末狀物質，屬填充助劑類。竹材經加工后約30%的廢料可轉化為竹粉使用，竹粉作為一種重要的生物質填充材料，廣泛應用于日用、農業、工業賦形劑等領域，兼具環保和經濟效益。

竹粉的主要成分包括纖維素、木質素和半纖維素等有機成分，同時還含有灰分、蛋白質、脂類、果膠等多種成分。福建省林業科學研究院研究發現，以3年生毛竹材為原料，竹粉中纖維素占37.3%，木質素占24.5%。我國作為竹材種類、面積、產量均居世界首位的“竹子大國”，開發竹材資源充分利用的新方法迫在眉睫。

2.竹粉的物理形態特性

（1）形態：竹粉顆粒通常呈細長纖維狀，平均長度為0.61mm，集中分布在0.1～0.7mm區間，平均寬度為136μm，集中分布在20～220μm區間，這表明竹粉具有較大的長徑比，其能夠在復合材料中能起到類似增強纖維的作用。

（2）粒徑與比表面積：竹粉粒徑范圍可從幾十目到幾百目。粒徑越小，比表面積越大，與基體樹脂的接觸面積也越大，理論上有利于界面結合，但過細的分體也更容易團聚，即竹粉物理化學性質與應用性能高度依賴于粒度分布，因此，結合竹粉應用領域和粒度分布將其分為4類：粗竹粉、細竹粉、微竹粉、超微竹粉。

（3）親水性：竹粉由于富含極性集團（羥基、羧基等），具有強親水性，這與大多數疏水性聚合物基體存在本質矛盾，是制約其應用的關鍵問題。

（4）熱穩定性：竹粉初始分解溫度約200～250℃，最大分解速率溫度為300～350℃，殘炭率15%～25%，熱分解溫度低于許多熔融加工聚合物的加工溫度，這對其在高溫加工過程中的穩定性提出了挑戰。

3.竹粉的可降解特性和其在印刷包裝用可降解材料中的再利用價值

竹粉的主要成分有纖維素、半纖維素和木質素。這些都是天然高分子聚合物，自然界廣泛存在的各種微生物可以通過代謝作用，將這些大分子分解為小分子，最終徹底轉化為二氧化碳，水和腐殖質。竹粉降解機理包括4個階段：初期崩解、酶促水解、木質素降解和最終代謝。這一復雜的生物化學過程使竹粉能夠在自然環境中進行有效降解，并最終分解為無害物質。

研究表明，竹粉中含有的一些成分是高質的可降解材料原料，廣泛應用于環保材料、填充助劑、工業原材料等多種領域。通過對竹粉這種“廢棄物”的再利用，將其創造性地應用于印刷包裝中，可實現資源價值利用的極致化，從而更好的推進循環經濟的發展。

竹粉與傳統填充料的性能對比

相對于常用的無機與有機填充料，竹粉在印刷包裝材料中展現出綜合優勢：

1）密度優勢：竹粉的振實密度遠低于鈣粉、滑石粉，這有效降低了復合材料重量，從而減少運輸能耗。

2）復合性能：竹粉孔隙豐富的結構能使其與聚合物基體形成“互鎖”結構，同等分量的竹粉提升PBAT復合膜拉伸強度的能力優于淀粉填充材料。

3）加工性：竹粉的淀粉含量高，使其熔融流動性好，無需特殊高端設備即可加工，對設備的磨損也比較小。

但竹粉存在親水性強的短板，未改性竹粉填充膜的吸水率可達8%～12%，所以需要通過表面改性改善其界面相容性。

改性竹粉在生物可降解材料中的應用研究進展

由于竹粉的纖維素中含有大量親水性基團，使其與一些疏水性的材料結合時，呈現較差的界面結合性，從而對使用它制備出的復合材料的力學強度降低。可以使用不同的物質或方法對竹粉進行改性，進而對一些復合材料進行相關的研究。

1.竹粉的改性處理

（1）使用聚乙烯蠟接枝馬來酸酐（PEWg-MAH）后，竹粉表面的羥基與PEW-g-MAH中的羧基發生酯化反應，使PEW-g-MAH成功地包覆于竹粉表面。PEW-g-MAH比竹粉的熱穩定性高，使PEW-g-MAH改性后的竹粉的熱穩定性有所提高。

（2）使用溶液聚合和乳液原位聚合的方法，通過將竹纖維分散在甲醇溶液或水乳液中，加入醋酸乙烯（VAc）單體和引發劑，在一定的溫度下用VAc對竹纖維進行原位聚合改性，從而提高了其與其他材料的界面作用力。

（3）竹粉經機械活化強化偶聯改性后，由于竹粉中的竹纖維與聚氯乙烯（PVC）結合形成橋聯結構，竹纖維表面的羥基被硅烷包裹，改善了竹粉與PVC之間的相容性。竹粉改性處理方法及結果如表1所示。

2.關于竹粉改性對生物降解材料性能的影響研究

（1）聚乳酸類降解材料

聚乳酸（PLA）這種以玉米、甜菜等農作物為原料，經過一系列操作而形成的高分子聚合物具有較好的生物降解性能、可堆肥性，這一特性使其得到研究人員的廣泛關注。不過，PLA本身存在一定短板，比如脆性大、疏水性不佳、結晶速度遲緩，同時耐熱性也處于較低水平，使這種材料在使用和推廣時受到嚴重限制，因此，研究人員希望通過改性的方式改善PLA塑料的缺點并提高其優異性能。

竹粉竹纖維的物理、力學與耐熱表現，成為復合材料領域的研究熱點。因兼具優異的物理、機械與熱性能，且具備高強度、輕量化的特點，竹纖維既獲得了材料領域研究者的廣泛關注，也成為工業應用場景中的熱門選擇。

吳珊等研究者通過使用熔融共混法，探究竹粉中不同質量分數的竹纖維（BF）對聚乳酸的改性和對BF/PLA復合材料性能的影響，為聚乳酸相關材料研究提供了方向。唐維使用酶解法對竹粉進行處理后，將此改性竹粉與PLA進行均勻混合，以此制得酶催化改性竹粉/PLA復合材料，其綜合性能表現出色。在未使用酶催化改性的竹粉/PLA復合材料中，PLA與竹粉中的竹纖維沒有完全結合，不利于提升復合材料的性能，此時酶催化改性竹粉/PLA復合材料的密度為1.24g/cm3，且拉伸強度較低、壓縮性能強度低、彎曲強度低和沖擊強度低，隨著木聚糖酶使用的質量濃度逐漸升高，此復合材料的性能逐漸提高。當木聚糖酶使用的質量濃度到達3mg/L時，此時復合材料的密度為1.35g/cm3，拉伸性能達到42MPa，壓縮強度為2631MPa，彎曲強度為68MPa。其沖擊強度為0.83kJ/m2，相較于未使用酶催化改性的竹粉/PLA復合材料的沖擊強度提升38.33%。當使用木聚糖酶的質量濃度超過3mg/L時，由于過量的木聚糖酶的存在會破壞竹纖維的結構完整性和阻礙竹纖維中木聚糖的分解，使酶催化改性竹粉/PLA復合材料的各種性能均下降。

在此研究中，當木聚糖酶使用的質量濃度到達3mg/L時，酶催化改性竹粉/PLA復合材料表現出最佳的綜合性能，如表2所示。

（2）聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）

PBAT是一種可完全生物降解的熱塑性高分子材料，是一種半結晶型聚合物。其具有高韌性、較好的耐熱性和抗沖擊性能，易成型加工。通過技術優化，PBAT同時具備脂肪族聚酯卓越的降解能力與芳香族聚酯優異的力學特性，有效兼顧材料的環境適應性與結構穩定性。PBAT是全生物降解樹脂材料，在適當的自然環境條件下，能夠被微生物完全分解成低分子化合物。在理想的堆肥環境中，分解大約需要60～120天。PBAT應用廣，可制農用覆膜、快遞包裝、購物袋等，還可用于醫療用品、藥妝包裝及農藥緩釋材料等領域。隨著全球環保意識的提高和“禁塑令”等政策的推動，PBAT市場需求持續增長。且熱壓溫度的變化會對PBAT與竹粉復合材料的力學強度大小產生影響，如表3所示。

不同熱壓溫度對PBAT與竹粉復合材料力學性能的具體影響：

1）溫度過低（＜180℃）：PBAT未能充分熔融，無法均勻包裹竹粉，界面結合力極弱。拉伸/彎曲強度顯著偏低，因外力作用下竹粉易從PBAT基體中脫落，無法形成有效“補強”。沖擊強度較差，材料內部存在較多空隙，受力時易沿空隙斷裂。

2）溫度適宜（190～210℃）：PBAT完全熔融且流動性好，能緊密包裹竹粉，同時竹粉未發生碳化（竹粉熱分解起始溫度約200℃，此區間內短期熱壓可耐受）。拉伸/彎曲強度達到峰值，竹粉的剛性與PBAT的韌性形成良好協同，界面應力傳遞高效。沖擊強度處于較高水平，PBAT基體的韌性可緩沖外力，不易脆斷。

3）溫度過高（＞220℃）：一方面，竹粉發生碳化（表面變黑、結構破壞），失去補強作用；另一方面，PBAT可能發生熱降解，分子鏈斷裂，韌性下降。拉伸/彎曲強度大幅下降，碳化竹粉與PBAT界面結合失效，甚至成為“內部缺陷點”。沖擊強度驟降，材料變脆，受力時易沿碳化竹粉處直接斷裂。

熱壓溫度的波動會顯著影響PBAT/竹粉復合材料的力學強度，因此，在優化工藝參數時，必須著重關注該因素。隨著熱壓溫度增高，復合材料的力學性能，包括拉伸、彎曲及沖擊強度，均表現為先增強后減弱的規律。

（3）聚丁二酸丁二醇酯（PBS）

PBS是一種全生物降解型熱塑性聚酯，核心優勢是力學性能均衡、降解性優異且加工適配性強，是目前商業化應用成熟的環保材料之一。其由丁二酸和丁二醇通過縮聚反應制得，分子鏈中含易被微生物分解的酯鍵，奠定了全降解基礎。熔點約為114℃，密度1.26g/cm3，常溫下韌性、耐沖擊性與聚乙烯（PE）接近，同時具備一定剛性，不易脆裂，綜合力學性能優于多數脂肪族聚酯。此外，全周期環保：在堆肥、土壤、海水等環境中，可被微生物完全分解為CO2和水，無有毒殘留，降解周期通常為60～180天（視環境條件而定），契合“禁塑令”對一次性制品的要求。加工友好：可兼容傳統塑料加工設備（如注塑、擠出、吹膜機），無需大幅改造生產線，能直接生產薄膜、餐具、管材等多種制品，降低企業轉型成本。通過與竹粉、淀粉、PLA等材料共混，可進一步優化剛性、降解速度，從而降低成本，適配不同場景需求。

竹材源于自然生長，其加工過程不產生環境污染。作為一種增強材料，它能有效規避其他有機纖維可能帶來的副作用。將其與PBS復合，在維持生物降解性能不受損失的同時，還能提升PBS的機械性能。此外，通過調整共混

比例，可以靈活調控復合材料的降解性能與力學性能。竹粉的不同處理方式對PBS復合材料的性能影響如表4所示。

隨著竹粉用量的增加，材料剛性逐漸增大，使得復合材料的彎曲強度提高。然而，由于大量竹粉在復合材料內部發生團聚，易在外力作用下誘發微裂紋并產生應力集中效應，這導致材料的沖擊強度下降。

總結與展望

本文系統探討了竹粉的來源、成分、特性及其在生物可降解材料中的應用與改性路徑。竹粉由竹子經物理加工而成，主要成分包含纖維素、半纖維素、木質素等，具有細長纖維狀形態、較大長徑比、強親水性及熱穩定性不足等特性，同時具備可生物降解的優勢。在與傳統填充料的性能對比中，竹粉展現出密度低、復合性能優、加工性好的特點，但親水性強的短板需通過表面改性解決。

圖1 PBAT結構式

在竹粉改性研究中，已有PEW-g-MAH改性、VAc原位聚合改性、機械活化強化偶聯改性等方法，有效提升了竹粉與聚合物基體的界面相容性及熱穩定性等性能。同時，深入探討了其對PLA、PBAT、PBS等包裝用生物降解材料的改性作用。研究說明，酶催化改性竹粉與PLA復合時，木聚糖酶質量濃度達3mg/L時性能最佳；熱壓溫度對PBAT與竹粉復合材料力學性能影響顯著，在190～210℃區間性能最優；竹粉用量對PBS復合材料性能也存在規律性影響。

圖2 PBS結構式

作為一種來自竹加工廢料的再生資源，竹粉具有來源廣泛、成本較低和環境兼容性好的優勢，在生物可降解材料及印刷包裝等領域的應用潛力正逐步顯現。未來，相關研究可朝以下幾個方向繼續深化：一是進一步優化改性工藝，發展更加綠色、高效的表面處理技術，從根本上改善竹粉與疏水性基體的界面結合，提升復合材料整體性能；二是拓展竹粉在新興領域的應用，如生物醫療、電子器件等高附加值方向，挖掘其更廣泛的市場空間；三是推動產業化發展，完善規模化生產工藝，在保證性能的前提下進一步控制成本、提升效率；四是加強降解行為與機制研究，實現對材料降解速率的有效調控，從而更精準地匹配不同應用場景的需求，為綠色材料的創新發展提供支撐。