基于专利分析的我国农作物秸秆制备缓冲包装材料技术研究

李金丽，张荣荣，舒忠

（1.荆楚理工学院电子信息工程学院，湖北 荆门448000；2.荆楚理工学院新农村发展研究院，湖北 荆门448000）

基于专利分析的我国农作物秸秆制备缓冲包装材料技术研究

李金丽1,2，张荣荣1，舒忠1

（1.荆楚理工学院电子信息工程学院，湖北 荆门448000；2.荆楚理工学院新农村发展研究院，湖北 荆门448000）

农作物秸秆由于其中纤维具备良好的性能可以作为缓冲包装材料原料，本文通过对秸秆制备缓冲包装材料技术领域的专利申请趋势，专利申请人进行了总体分析，并重点针对原材料、发泡方式、成型方式等核心技术问题进行了梳理，通过分析，提出了未来发展研究方向，可为该领域的研究和技术创新提供一定的参考价值。

秸秆；缓冲包装；原材料；发泡；成型

引言

农作物秸秆纤维作为自然界中储量较丰富的天然高分子材料，具有密度小、力学性能较高、可降解、可再生、可循环利用和环境友好等特性，利用其作为缓冲包装可以取代无法降解会造成大量污染的发泡塑料，正越来越受到研究者关注[1-4]。为了研究我国农作物秸秆制备缓冲包装材料的技术发展情况，笔者以SooPAT软件专利数据库中的检索结果为分析样本，从专利文献的视角对农作物秸秆制备缓冲包装材料技术的发展历程进行了较全面地统计分析，并对其关键技术理论进行了技术分析和发展展望。可为该领域的研究和技术创新提供一定的参考价值。

1 专利总体情况分析

1.1 专利申请年份分析

通过SooPAT软件，以“秸秆”、“缓冲包装”两个关键词进行检索，得到了62个专利检索结果，图1为利用农作物秸秆制备缓冲包装材料技术中国历年专利申请量分布。从图中可以看出，2000年以前鲜有相关专利申请；从2000年开始，利用秸秆制备缓冲包装材料技术在我国才陆续有申请量；2010年以前，该技术也只是处于探索发展阶段，直到2010年以后，相关专利呈逐渐增多之势；近两年，这项技术的专利申请维持在8件以上。表明该技术目前正处于不断创新的新阶段，这与近年来国家严控农作物秸秆焚烧，加快秸秆综合利用技术开发息息相关。

图1 利用农作物秸秆制备缓冲包装材料中国历年专利申请量分布

1.2 专利申请人分析

通过对专利申请人的分析发现，西安建筑科技大学和江南大学以3件居首，2件的申请人有浙江大学宁波理工学院、深圳市美盈森环保科技股份有限公司、大连轻工业学院、青岛科技大学、西北农业大学、广东省造纸研究所、青州荣美尔生物科技有限公司、张建超、张瑜、杨雪枣、刘晨等。这也可以看出利用农作物秸秆制备缓冲包装材料的相关技术主要集中在设有包装、造纸及高分子材料的高校和科研院所，少数注重环保新材料技术开发的企业出于企业可持续发展也抢占了部分先机，布局了这方面的知识产权。另外，由于该项技术实施起来难度小，不少个人也投入到了该项技术的发明创造，为该技术的发展增添了新的动力。

2 专利关键技术分析

2.1 原材料分析

农作物秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗及其它农作物在收获籽实后的剩余部分，主要是由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成，不同种类秸秆所含比例也不一致。由专利检索结果来看，用作缓冲包装材料原材料较多的分别是玉米秸秆（CN201210155334.7、CN201510796732.0、CN 201610892964.0等）、稻草（CN99115870.9、CN2010 10235939.8、CN201410193063.3等）和蔗渣（髓）（CN201410639171.9、CN201610618134.9等 ），当然麦秸、高粱秆、芦苇秆、棉花秆也有出现。另外，由于各种纤维性能不同，搭配可以实现性能优化，因此大多以多种秸秆混合或配合锯末、稻壳、废纸纤维等其他材料混合使用，如专利CN02114611.X所述农作物秸秆包括了玉米秸秆、芦苇秆、高粱秆、麦秸、稻草、蔗渣、稻谷壳、荞麦皮、灯芯草等10余种。专利CN200610045700.8主要采用玉米秸秆髓和制浆废液为主要原料，制备得到了性能良好的包装缓冲材料。专利200610066477.5采用秸秆与锯末比例为65:35制备得到了一种可降解的发泡缓冲包装材料。

图2 按原材料区分的专利申请比例

2.2 发泡方式分析

在这一领域，常规的发泡方法有物理发泡法、化学发泡法和机械发泡法，通过低沸点液体、产气性化学药品或机械搅拌的方法向混合物体系内注入气体来制备发泡材料[5]。如图3所示，所公开的专利还是以化学发泡方式为主（占85%），常见的化学发泡剂有偶氮二甲酰胺、十二烷基硫酸钠、甲酰胺、十二烷基苯磺酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢铵、偶氮二异丁腈等，而物理发泡和机械发泡对于发泡工艺和设备要求较高，泡孔控制相对复杂，因此没有在我国真正实施起来。而近年来生物发泡法涌现出来，如专 利 CN201410697117.X、CN201510796732.0、C N201510931445.6、C N201610892360.6、CN201611096381.3。它是根据植物纤维类发泡材料的形成机理，采用微生物中的酵母菌或真菌等新陈代谢过程中产生的气体代替发泡剂进行发泡的方法。生物发泡法具有发气量大、反应能耗低、反应条件温和、过程无污染等优点，但也有反应时间较长和气泡核分布难以控制的不足。如能通过加入适当的助剂对其缺点加以克服，生物发泡方式的前景非常乐观。

图3 按发泡方式区分的专利申请比例

2.3 成型方式分析

基于农作物秸秆纤维制备多孔缓冲包装材料的成型工艺主要有热压成型、挤出成型、微波成型和烘培成型等[5]。热压成型是将混合好的发泡体系填入模具中在一定的温度和压力作用下模压成型，这种工艺简单易操作，在所公开的专利中绝大多数也是这种成型方式（占82%）。挤出成型由于需要专门的挤出成型设备实施起来相对复杂，因为专利申请也不多（CN200610066477.5和CN201510163679.0）。微波成型是利用电磁辐射的原理，使发泡体系中的极性分子在快速变化的电磁场作用下，发生有规律的周期运动，产生类似摩擦的效应，使物料温度升高，发泡并得到成型材料。专利CN201410440336.X和CN201410441889.7均是将混合好发泡体系采用微波成型方式得到缓冲包装材料。对于烘培成型，国内仅有一些学者做了一些探索性的研究，还未见专利申请。

图4 按成型方式区分的专利申请比例

3 结语

由于国家环保政策越发严格，具有环境友好特点的绿色生物质材料引发了广泛关注，通过以上分析也可以看出基于农作物秸秆的缓冲包装材料制备技术正处于创新的上升期。从其原料分析，多种秸秆纤维复合型及功能型缓冲包装材料是未来的研发重点，就发泡方式和成型方式，简单高效的生物发泡和微波成型将得到进一步完善才能得到更大范围的推广应用。

[1]罗瑜莹, 肖生苓, 李琛, 等. 植物纤维多孔缓冲包装材料的研究现状与展望[J].包装工程. 2016, 37 (7): 17-22.

[2]肖俊芳, 肖生苓, 高献策. 发泡型植物纤维缓冲包装材料研究现状及发展趋势[J].森林工程. 2013, 29 (2): 62-64.

[3]朱向东, 韩涛, 孙红旗.植物秸秆纤维缓冲包装材料的发展与研究[J].中国包装工业. 2012, 26 (17): 13,20.

[4]高德, 孙智慧. 可降解缓冲包装材料的现状及发展前景[J].包装工程. 2002, 23 (5): 141-144.

[5]郭震, 黄俊彦. 植物纤维类发泡材料的成型机理及生物发泡方法探讨[J].包装工程. 2010, 31 (15): 55-57,65.

Study on Preparation of Buffer Packaging Material from Crop Straw in China Based on Patent Analysis

LI Jin-li, ZHANG Rong-rong, SHU zhong

Crop straw was used as raw material for preparation of buffer packaging because of its excellent capability. General analysis for patent application tendency and patent applicants in the preparation of buffer packaging materials were carried out. And raw material, foaming method and molding technique were systematic researched in this paper. Future research directions are proposed and this can provide some reference for the research and technical innovation in this fi eld.

straw; buffer packaging; raw material; foaming; molding

TB484

A

1400 (2017) 10-0059-03

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.10.005

荆楚理工学院新农村发展研究院科研项目（2017Z003）；荆门市科技计划项目（YDKY2017009）

李金丽（1985-），女，山东德州人，荆楚理工学院讲师，研究方向为包装印刷新材料与工艺。