紙漿模塑制品發(fā)泡機(jī)理的研究第1頁/共27頁一、緒論塑料制品進(jìn)入日常生活領(lǐng)域曾經(jīng)給人們帶來了不少方便，然而一些塑料制品造成的白色污染也是非常嚴(yán)重的。廢棄塑料包裝物進(jìn)入環(huán)境后，由于很難降解，會造成長期的、深層次的生態(tài)環(huán)境問題。緩沖包裝材料大部分都是使用泡沫塑料，其中，泡沫塑料的EPS用量最大。泡沫塑料EPS，因發(fā)泡劑采用氟氯烴系列（F11，F(xiàn)12等），對臭氧層有較大的破壞性，國際上已經(jīng)禁止使用EPS及F11，F(xiàn)12等發(fā)泡劑。2003年初，歐盟公布了《報(bào)廢電子電氣設(shè)備指令》和《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令》兩項(xiàng)法令，對電子電器產(chǎn)品制造提出了更高的環(huán)保要求。這更加迫切地要求我們尋找一種新型可降解的緩沖發(fā)泡材料。第2頁/共27頁與EPS相比，紙漿模塑制品具有原料來源豐富，成本低、透氣性、柔軟性，具有一定的剛性和強(qiáng)度，可對商品具有一定的保護(hù)性能和防震緩沖性能，且具有通風(fēng)散熱的特點(diǎn)，因此它主要應(yīng)用于新鮮水果、食品、家具和其它產(chǎn)品的緩沖襯墊包裝上，同時(shí)也可用于非包裝用途的器皿，如植物花盆等。不過，現(xiàn)今的紙漿模塑制品的致命弱點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與緩沖性能不及EPS發(fā)泡塑料。紙漿模塑制品雖然已用于產(chǎn)品的緩沖包裝，但由于緩沖效果不佳，目前只適用于雞蛋托，手機(jī)等的內(nèi)襯緩沖材料，因此，就需要改善紙漿模塑紙品的強(qiáng)度與緩沖性能。第3頁/共27頁如何來提高紙漿模塑制品的緩沖性能呢？本課題擬采用紙漿模塑制品發(fā)泡技術(shù)。目前，雖有資料顯示紙漿模塑制品的發(fā)泡可以實(shí)現(xiàn)，但這仍屬于實(shí)驗(yàn)室研究范圍，沒有具體的發(fā)泡配方與發(fā)泡工藝用以借鑒和參考。而且，目前市場上也尚未出現(xiàn)紙漿模塑發(fā)泡制品，因此需要查詢塑料發(fā)泡和食品發(fā)泡的相關(guān)資料，通過不斷的試驗(yàn)，研究出一種能夠使紙漿模塑制品發(fā)泡的工藝方法。第4頁/共27頁二、紙漿模塑制品及其發(fā)泡原理1.紙漿模塑制品

紙漿模塑制品是用可完全回收循環(huán)使用的植物纖維漿或廢棄紙品作基礎(chǔ)材料,采用獨(dú)特的工藝技術(shù)制成的一種廣泛用于食(藥)品盛放,電器包裝、種植育苗、醫(yī)用器皿、工藝品底坯和易碎品襯墊包裝等領(lǐng)域的無污染科技型綠色環(huán)保制品。紙漿模塑制品的生產(chǎn)過程包括制漿、成型、干燥和整飾四個步驟。2.發(fā)泡原理塑料發(fā)泡是將烴類發(fā)泡劑和成核劑混溶在塑料顆?；蛑榱Ｖ?，塑料熔化到黏流態(tài)，這時(shí)發(fā)泡劑氣化產(chǎn)生氣泡，在塑料中形成泡孔，冷卻后發(fā)泡制品成型。第5頁/共27頁食品發(fā)泡是在面粉、淀粉等原料中加入熱水，這樣原料就會具有一定的黏性，在加熱過程中，發(fā)泡劑會產(chǎn)生氣體，而面粉或淀粉中的面筋成分就會形成網(wǎng)絡(luò)將氣體包住，使面團(tuán)膨脹形成海綿狀結(jié)構(gòu)。紙漿模塑制品發(fā)泡不同于塑料和食品發(fā)泡，紙漿沒有黏性且紙漿纖維短，發(fā)泡劑形成的氣泡，不會紙漿中保持，這就造成了紙漿模塑制品的發(fā)泡困難。紙漿中加入一定量的黏合劑，這樣就會使紙漿具有足夠的黏性，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣泡會保持在紙漿中，從而在紙漿內(nèi)部形成氣孔，達(dá)到發(fā)泡效果。為了適當(dāng)減少紙漿模塑發(fā)泡制品干燥后的硬度，需要在紙漿中在加入一定量的增塑劑。考慮到紙漿模塑制品的干燥時(shí)間相對較長，干燥期間，紙漿內(nèi)部會出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象，可在紙漿中加入一定量的防腐劑，這樣，既可以達(dá)到防霉腐的作用，同時(shí)，防腐劑與發(fā)泡劑作用可以產(chǎn)生氣體，這在一定程度上也起到發(fā)泡的作用。第6頁/共27頁三、紙漿模塑制品發(fā)泡試驗(yàn)方法

1試驗(yàn)儀器

烤箱----CKF-10R，～220V/50Hz溫度范圍：100～200℃，時(shí)間范圍：0～60min燒杯、玻璃棒、模具、電子天平2試驗(yàn)原料紙漿：由生產(chǎn)紙漿模塑制品廠家取回的原漿，由廢紙箱、廢報(bào)紙等制成.玉米淀粉：在試驗(yàn)中作黏合劑?；旌习l(fā)泡劑：既可以起發(fā)泡的作用，又可以起到一定的交聯(lián)作用。輔助發(fā)泡劑：起到輔助發(fā)泡的作用。成核劑：起氣泡的成核作用。第7頁/共27頁合成樹脂：和玉米淀粉一起用作黏合劑。其成膜性好，可以防止氣泡逸出，對水蒸氣和許多氣體有高度的不透過性。（該試驗(yàn)用合成樹脂液為10%）助劑：用作黏合劑的增塑劑.防腐劑：既能與發(fā)泡劑反應(yīng)形成氣泡，又能起到防腐的作用。3試驗(yàn)內(nèi)容:

（試驗(yàn)一）表1.實(shí)驗(yàn)配方與實(shí)驗(yàn)條件名稱用量名稱用量紙漿100g溫度130～160℃玉米淀粉40g時(shí)間60min混合發(fā)泡劑4g

第8頁/共27頁說明：本試驗(yàn)所用淀粉為糊化淀粉（固含量12.5%）；紙漿（含水量40%）。試驗(yàn)過程：將紙漿與淀粉、發(fā)泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入130℃烤箱中烘烤，30min后，將溫度升至160℃。試驗(yàn)現(xiàn)象：烘烤30min后，試樣無發(fā)泡現(xiàn)象；溫度升高，繼續(xù)烘烤，亦無發(fā)泡現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果：取出試樣觀察，試樣體積無明顯變化，無氣泡產(chǎn)生。分析原因：第一，可能是淀粉含量過低，黏度低，使氣泡無法形成；第二，亦可能是初始溫度低，使氣泡無法形成；第三，選用的發(fā)泡劑不合適。改進(jìn)方法：第一，增大淀粉用量；第二，提高烘烤溫度；第三，使用另外一種發(fā)泡劑。第9頁/共27頁（試驗(yàn)二）表2.試驗(yàn)配方與試驗(yàn)條件說明：所用玉米淀粉為糊化淀粉（固含量12.5%）；紙漿（含水量40%）。試驗(yàn)過程：將紙漿與淀粉、發(fā)泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入140℃烤箱中烘烤，烘烤60min。試驗(yàn)現(xiàn)象：隨著烘烤時(shí)間的延長，試樣表面干燥。試驗(yàn)結(jié)果：取出試樣觀察，無氣泡產(chǎn)生原因分析：第一，可能是淀粉含量過低，黏度低，使氣泡無法形成；第二，亦可能是初始溫度低，使氣泡無法形成；第三，發(fā)泡劑用量少。名稱用量名稱用量紙漿100g溫度140℃玉米淀粉50g時(shí)間60min發(fā)泡劑2g

第10頁/共27頁改進(jìn)方法：第一，考慮繼續(xù)增大淀粉含量，同時(shí)慮去紙漿中的水分，降低紙漿的含水量，以提高淀粉含量的百分比。第二，繼續(xù)升高溫度；第三，增大發(fā)泡劑的用量。（試驗(yàn)三）表3.試驗(yàn)配方與試驗(yàn)條件試驗(yàn)過程：將紙漿與淀粉、發(fā)泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入150℃烤箱中烘烤，50min后，將溫度升至200℃。試驗(yàn)現(xiàn)象：肉眼看不出試樣體積變化，掰開試樣，發(fā)向內(nèi)部有很小的蜂窩狀的氣孔，試樣表面已經(jīng)完全干燥，內(nèi)部干燥不好。名稱用量名稱用量紙漿100g溫度150～200℃玉米淀粉120g時(shí)間80min發(fā)泡劑5g

第11頁/共27頁試驗(yàn)結(jié)果：試樣內(nèi)部有微量氣泡，但不明顯。原因分析：淀粉黏度低。而且，隨著溫度的升高，淀粉的黏度會降低。在高溫烘烤下，試樣表面很快干燥、變硬，內(nèi)部即使有氣泡形成，由于試樣表面過硬，導(dǎo)致氣泡無法發(fā)出。改進(jìn)方法：將黏合劑玉米淀粉改為合成樹脂溶液。（試驗(yàn)四）表4.試驗(yàn)配方與試驗(yàn)條件名稱用量名稱用量紙漿50g水30g合成樹脂液25g溫度190～150℃發(fā)泡劑5g時(shí)間90min助劑2.5g

第12頁/共27頁試驗(yàn)過程：將紙漿濾干，放入大燒杯中，加入50g水?dāng)嚢?，將合成樹脂溶液放入燒杯中，加?50g水，水浴加熱30min，其間不停的攪拌。冷卻后，加入發(fā)泡劑和助劑，攪拌均勻，放入模具中。在190℃烤箱中加熱。試驗(yàn)現(xiàn)象：20min后，試樣膨脹，發(fā)泡明顯，不斷有起泡產(chǎn)生，但是隨著加熱的進(jìn)行，氣泡不斷從試樣表面逸出，導(dǎo)致試樣表面塌陷。40min后將溫度降至150℃，繼續(xù)加熱，再無氣泡產(chǎn)生，放置24小時(shí)，試樣完全塌陷，發(fā)現(xiàn)未干燥部分有霉點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果：過程中有氣泡，但是最終試樣中沒有氣泡。原因分析：隨著溫度的升高，合成樹脂溶液黏性增大，不易成型，導(dǎo)致氣泡逸出；所制試樣水分含量過高，形成的氣泡較大，導(dǎo)致氣泡壁過薄；干燥速度慢，易形成霉點(diǎn)。改進(jìn)方法：改變黏合劑的黏度，使之介于糊化玉米淀粉和合成樹脂之間，可加入成核劑；減少水的用量；適當(dāng)?shù)販p少發(fā)泡劑用量并加入酸；加入防腐劑。第13頁/共27頁（試驗(yàn)五）表5.試驗(yàn)配方與試驗(yàn)條件試驗(yàn)過程：將紙漿，合成樹脂溶液與水混合，水浴加熱，邊加熱邊攪拌，使其混合均勻，加入酸、助劑，待冷卻后，加入發(fā)泡劑、成核劑，攪拌均勻，將試樣放入140℃烤箱中烘烤20min后，溫度升至150℃。試驗(yàn)現(xiàn)象：10min后，開始有明顯發(fā)泡，試樣體積膨脹。20min后，試樣表面開始塌陷，此時(shí)升高溫度，體積有膨脹，但是不明顯。繼續(xù)加熱干燥。試驗(yàn)結(jié)束，試樣表面塌陷。名稱用量名稱用量紙漿50g防腐劑2.5g合成樹脂液25g水25g發(fā)泡劑4g溫度140～150℃助劑2.5g時(shí)間70min成核劑1g

第14頁/共27頁試驗(yàn)結(jié)果：過程中有發(fā)泡，但最終發(fā)泡結(jié)果不明顯。原因分析：隨著溫度的升高，合成樹脂溶液黏性增大，不易成型，導(dǎo)致氣泡逸出,不能通過加入成核劑達(dá)到留住氣泡的目的；水分含量過高。改進(jìn)方法:改變黏合劑的成分，試采用在合成樹脂溶液作為黏結(jié)劑的基礎(chǔ)上加入玉米淀粉，使其在高溫下成型；減少水的用量；改選用混合發(fā)泡劑，并增大其用量。（試驗(yàn)六）表6.試驗(yàn)配方與試驗(yàn)條件名稱用量名稱用量紙漿25g防腐劑0.5g合成樹脂液10g水20g混合發(fā)泡劑5g溫度120～150℃玉米淀粉5g時(shí)間60min第15頁/共27頁試驗(yàn)過程：將紙漿、玉米淀粉、發(fā)泡劑與水充分混合，揉勻，放置30min，然后加入合成樹脂溶液，攪拌均勻，最后加入酸，攪拌，并將其放入模具中，放入120℃烤箱中進(jìn)行烘烤，20min后，溫度升高到140℃，30min后，溫度升高到150℃。試驗(yàn)現(xiàn)象：將試樣放入烤箱中，5min后開始明顯發(fā)泡，15min后，試樣體積膨脹到最大值，20min后，試樣表面開始塌陷，此時(shí)，升高溫度至140℃，試樣無明顯變化，30min后，升溫至150℃，亦無明顯變化。試驗(yàn)結(jié)果：試樣內(nèi)部有氣泡，但試樣塌陷程度過大；干燥情況良好。分析原因：表面塌陷現(xiàn)象，考慮原因可能是因?yàn)樵嚇痈稍镙^慢，氣泡形成過程中會流失，因?yàn)榇藭r(shí)，試樣尚未成型，體積會隨著氣泡的增減而發(fā)生變化。改進(jìn)方法：升高溫度，使試樣表面快速干燥成型，這樣，即使氣泡會流失，試樣體積也不會發(fā)生太大的變化；為了增大發(fā)泡量，可在紙漿中加入少量輔助發(fā)泡劑。第16頁/共27頁（試驗(yàn)七）表7.試驗(yàn)配方與試驗(yàn)條件試驗(yàn)過程：在紙漿中加入淀粉、發(fā)泡劑、輔助發(fā)泡劑和水充分混合，揉勻，放置30min，然后加入酸、合成樹脂溶液，攪拌均勻，并將其放入模具中，放入190℃烤箱中進(jìn)行烘烤，20min后，溫度降到140℃，繼續(xù)烘烤。試驗(yàn)現(xiàn)象：將試樣放入烤箱中，5min后開始明顯發(fā)泡，15min后，試樣體積膨脹到最大值，約為原來的1.5倍。名稱用量名稱用量紙漿25g防腐劑0.5g合成樹脂液10g水25g混合發(fā)泡劑5g溫度190～140℃玉米淀粉5g時(shí)間90min輔助發(fā)泡劑0.1g

第17頁/共27頁20min后，試樣表面出現(xiàn)輕微塌陷，此時(shí)，溫度降至140℃，繼續(xù)烘烤，試樣體積有微小變化，變小，取出試樣，放置36h，試樣的干燥度約為80%。試驗(yàn)結(jié)果：出現(xiàn)明顯氣泡，肉眼可見到氣泡孔，但試樣上表面較硬。結(jié)果分析：這次試驗(yàn)基本達(dá)到了預(yù)期效果，試樣表面塌陷，考慮原因有兩方面：一方面是因?yàn)闅怏w有少量的流失，另一方面是因?yàn)闊崦浝淇s的緣故，造成試樣表面塌陷，但這些都是無法避免的。試樣上表面較硬，可能是因?yàn)楸砻娓稍镞^快，并且直接與烤箱空氣接觸造成的，可以在紙漿中加入少量助劑提高它的柔軟度，也可將模具上方加蓋，避免試樣上表面與烤箱空氣直接接觸。改進(jìn)方法：適當(dāng)減少玉米淀粉用量；試樣中加入能緩和試樣硬度的助劑。第18頁/共27頁（試驗(yàn)八）試驗(yàn)配方與試驗(yàn)條件試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求。重復(fù)試驗(yàn)，發(fā)泡效果基本不變。下圖為紙漿模塑發(fā)泡制品名稱用量名稱用量紙漿50g防腐劑1.0g合成樹脂液20g水40g混合發(fā)泡劑10g溫度190～140℃玉米淀粉8g時(shí)間60min輔助發(fā)泡劑0.2g

第19頁/共27頁第20頁/共27頁試驗(yàn)結(jié)果分析1.紙漿模塑制品發(fā)泡，考慮到環(huán)保，首先要正確選用黏合劑。淀粉在各種環(huán)境中都具備完全的生物降解能力，本試驗(yàn)初步選擇淀粉為黏合劑，但是，試驗(yàn)證明，只采用淀粉作為黏合劑與紙漿混合，因淀粉在高溫下干燥過快，其粘性隨著溫度升高很快的降低，很難使紙漿制品達(dá)到發(fā)泡效果。選用合成樹脂，雖然克服了淀粉的以上不足。但是，合成樹脂與紙漿的混合物干燥后硬度不夠，不能使紙漿達(dá)到發(fā)泡的效果。因此，本試驗(yàn)選用合成樹脂與玉米淀粉的混合物作為黏合劑。2.發(fā)泡劑的選擇，發(fā)泡劑與混合發(fā)泡劑雖然都具有發(fā)泡的作用，但是混合發(fā)泡劑中含有交聯(lián)成分，能使紙漿很好的交聯(lián)。3.紙漿、黏合劑、發(fā)泡劑的比例也是關(guān)鍵。要通過大量的試驗(yàn)找出它們之間的合適配比。4.助劑的選擇同樣重要。第21頁/共27頁四、紙漿模塑發(fā)泡制品

緩沖性能測試與分析

對紙漿模塑發(fā)泡制品和未經(jīng)發(fā)泡的紙漿模塑制品試樣做抗沖擊試驗(yàn)，檢驗(yàn)試樣的緩沖性能。沖擊臺重量為6.6