發(fā)泡植物纖維制品的研發(fā)

泡沫緩沖材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品和家用電器的包裝中。當(dāng)前,應(yīng)用最多的緩沖包裝材料是發(fā)泡聚苯乙烯(EPS),由于所含氟氯烴物質(zhì)破壞臭氧層,且不可降解,故已被“蒙特利爾協(xié)議”所禁止;繼之研發(fā)的氫化EPS雖減少對臭氧層的破壞,但仍被美國禁用,這也將是今后世界的趨勢;其他發(fā)泡塑料由于不具商業(yè)化的可回收性價(jià)值,被歐盟等國家所摒棄,成為“綠色貿(mào)易壁壘”。緩沖材料用量巨大,研發(fā)取代EPS緩沖材料已成為世界性的熱點(diǎn)。目前,主要的替代產(chǎn)品是紙漿模塑防震內(nèi)襯制品,該制品以廢紙、廢紙箱紙為主要原材料,經(jīng)水力機(jī)械碎漿、模具真空吸附成型的濕法加工,再經(jīng)干燥而成。其制品已用于機(jī)械零部件、電子儀表、電工工具、陶瓷和食品的緩沖包裝上,但由于該制品過于致密,、抗震、耐沖擊性大大低于EPS材料,且其抗震耐沖擊性能又主要依靠制品的幾何結(jié)構(gòu)來保證,使模具的結(jié)構(gòu)加工困難,故使紙漿模塑緩沖制品的發(fā)展受到很大制約,只能制作小型包裝襯墊,而制作大型家電產(chǎn)品的包裝襯墊及填充仍需采用EPS材料。近年來,一種新型的緩沖材料——發(fā)泡植物纖維材料及其成形(模壓或擠出成形)技術(shù)正在研究開發(fā)中,該制品以植物纖維(廢紙和稻麥稈等)和淀粉為主要原料,加上各種添加劑,經(jīng)模壓和擠出成形而成。該制品具有制作工藝簡單、原料來源廣泛、良好的防震緩沖性能、成本低廉和全降解等一系列優(yōu)點(diǎn),不僅可以制作防振內(nèi)襯,也可以替代EPS制作填充顆粒物體,其效果與EPS制品基本相當(dāng)。1植物纖維的固有屬性和改性1.1材料中的纖維素天然植物纖維具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、模量和比較小的密度以及較好的化學(xué)穩(wěn)定性,適合用作復(fù)合材料的增強(qiáng)體,它在產(chǎn)品中起骨架作用,可以顯著提高其拉伸強(qiáng)度。植物纖維原材料由細(xì)胞構(gòu)成,細(xì)胞有兩類:一類是薄壁細(xì)胞,壁薄短小,不適合造紙;另一類是中空、細(xì)長、呈紡錘狀、富有饒曲、柔韌性的厚壁細(xì)胞,在植物體內(nèi)它起到機(jī)械支撐作用,在形成紙張后使之具有良好的物理強(qiáng)度,因而厚壁細(xì)胞又被稱為纖維。纖維比例越高,細(xì)長均勻,薄壁細(xì)胞含量越低,生產(chǎn)出來的紙張機(jī)械強(qiáng)度就越高,反之越差。實(shí)驗(yàn)使用的植物纖維原材料系非木材類的禾本科類植物纖維,這樣不僅節(jié)約了寶貴的木材資源也使得豐富的農(nóng)作物秸稈資源得到充分的利用,也增加了農(nóng)民的收入。它們包括稻草、麥草、玉米秸稈、棉稈、竹林、蘆葦?shù)忍烊蛔魑锏睦w維。從表1中可以看出,蘆葦、毛竹、棉稈等禾本科類植物的纖維素含量較高,可應(yīng)用到緩沖包裝中作為增強(qiáng)材料。但是,禾本科類植物纖維也存在較多的缺點(diǎn),比如脆性大、與其他材料的相容性差以及親水性強(qiáng)等,這就需要對其進(jìn)行一些改性,以制作出性能良好的植物纖維緩沖包裝材料。1.2增塑劑用量的影響植物纖維和淀粉一樣,均系大分子、支鏈性或直鏈性結(jié)構(gòu),導(dǎo)致性質(zhì)較脆,必須進(jìn)行改性處理(如加入增塑劑),增強(qiáng)其柔韌性和彈性。在植物纖維緩沖材料中,增塑劑的用量至關(guān)重要,量達(dá)一定值時(shí),增塑劑充分發(fā)揮作用,降低了材料基質(zhì)間的次價(jià)鍵,使材料基質(zhì)變得疏松、柔軟并易發(fā)泡,致使材料密度下降。增塑劑在最佳值時(shí),材料的緩沖系數(shù)最小。采用EVA增塑劑,EVA和植物纖維的相容性較好,能滲透到植物纖維分子鏈間,增加植物纖維分子的流動(dòng)性,使其更易加工成型。再加入分散劑聚乙烯蠟,它是一種低熔點(diǎn)的固體,能夠起到潤滑、分散、光亮的作用,能使植物纖維制品更易加工,且外觀性能更好。1.3材料的復(fù)合性植物纖維的屬性與其他無機(jī)物、合成物有很大的差別,表面結(jié)構(gòu)各異,所以它在制作植物纖維緩沖制品時(shí),和粘合劑、填充劑等融合時(shí)相容性會(huì)比較差,親和力不夠好,這將影響整體材料的性能和強(qiáng)度,因此需對天然纖維進(jìn)行預(yù)處理,采用表面活性法改善其結(jié)合性、浸潤性和相容性。再選用粘合劑,將各種物料充分地融合在一起。(1)粉碎和纖維的預(yù)處理首先對農(nóng)作物植物纖維進(jìn)行預(yù)處理,主要包括秸稈的粉碎和纖維的預(yù)處理。在錘式粉碎機(jī)4500r/min的轉(zhuǎn)速下將干燥的秸稈粉碎成3～5cm的纖維絲,摻入適量水形狀如同發(fā)泡的棉花。(2)秸稈粉浸泡液和壓漿秸稈纖維預(yù)處理包括表面處理和打漿帚化。表面處理可使用表面活性劑(氫氧化鈉或山梨酸鉀),采用氫氧化鈉,對秸稈粉進(jìn)行浸泡和增容處理,在浸泡過程中使用高速攪拌器打漿帚化一定時(shí)間,使纖維分離出更多的細(xì)小纖維和微細(xì)纖維,以便在成型時(shí)形成更多的空間構(gòu)架,使淀粉及填充料鑲嵌其中,形成網(wǎng)絡(luò)狀的有機(jī)整體,使強(qiáng)度和緩沖性能都能達(dá)到要求。(3)固化劑及改性劑的用量對粘合劑溶液的使用效果粘合劑是一種能將同種或不同種材料粘合在一起,使接合面有足夠強(qiáng)度的物質(zhì),它能起到膠接、固定、密封、補(bǔ)漏以及修復(fù)等作用。粘合已與鉚接、焊接并列為3種主要連接工藝。粘合劑以富有粘性的粘料為基礎(chǔ),并加以固化劑及改性劑(增塑劑、填料、分散劑等)。加入改性劑有助于膠粘劑的配制、儲(chǔ)存、加工工藝及性能等方面的改進(jìn)。粘合劑以玉米淀粉為主,因?yàn)橛衩椎矸劢?jīng)糊化過后高度的粘合性能使各物料很好的混合相容,起到主要的粘接作用。除了玉米淀粉,實(shí)驗(yàn)中還加入了適量的醋酸乙烯-乙烯(EVA)共聚液,該物質(zhì)是一種粘性很強(qiáng)的粘合劑,它與淀粉共用,對極性材料體系有協(xié)同粘接作用,從而體系中的各材料,包括植物纖維、淀粉膠粘劑、填料、發(fā)泡劑等形成一個(gè)有機(jī)整體,最終熱壓發(fā)泡形成網(wǎng)絡(luò)化的整體結(jié)構(gòu),從而使植物纖維制品體現(xiàn)出作為模壓緩沖制品所需的柔韌性、緩沖性和天然可降解性等。1.4適當(dāng)?shù)谋ｕr劑和復(fù)合涂料其植物纖維的主要成分是纖維素,含有大量親水性的羥基,包括結(jié)晶部分和非結(jié)晶部分,水分很容易自由進(jìn)入纖維中的非晶部分。因此,植物纖維具有很強(qiáng)的親水性,容易吸潮,在潮濕的環(huán)境和多雨的季節(jié)以及鹽分較高的海洋運(yùn)輸中,制品易發(fā)生霉變質(zhì)變,因而防潮是植物纖維緩沖襯墊需解決的重要問題。通過加入適當(dāng)?shù)姆莱眲?可以解決制品的防潮問題。防潮劑以選用防潮性能好的EVA為宜。EVA是一種質(zhì)地柔軟,耐屈繞性好、耐候性好的聚合物,具有很高的粘合性能。用作塑料成型材料的EVA,其醋酸乙烯含量從百分之幾到百分之三十。其主要優(yōu)點(diǎn)是:(1)極高的柔韌性,甚至在低溫條件下(-25℃);(2)與許多橡膠、熱塑性塑料及其他材料有極高的相容性;(3)優(yōu)良的密封防潮性能;(4)不易燃,無毒,對人體無害;(5)可降解,用量少,雖不能完全降解,但能使植物纖維制品經(jīng)水發(fā)泡后,扯爛成很小的片狀。所以,使用EVA不僅能起到粘接作用,更能起到防潮作用,并且可自行降解。綜上所述,進(jìn)行一系列改性處理,能使植物纖維的固有脆性、親水性等得到改善,從而與其他配料相容相親和,形成網(wǎng)絡(luò)化的整體結(jié)構(gòu),若使植物纖維緩沖包裝材料具備足夠的彈韌性及緩沖性,則還需進(jìn)行發(fā)泡處理。2泡沫技術(shù)為具備良好的緩沖性能,植物纖維緩沖制品必須進(jìn)行發(fā)泡,通過施加發(fā)泡劑,在成形模具中通過壓力、時(shí)間、溫度的作用發(fā)泡成形。2.1化學(xué)發(fā)泡劑的種類當(dāng)物料混合進(jìn)模后,隨著溫度上升,物料中的發(fā)泡劑開始分解發(fā)氣,溫度繼續(xù)上升,發(fā)氣量逐步加大,使模內(nèi)物料水分蒸發(fā)形成水蒸氣,在植物纖維制品中形成氣泡和泡孔,同時(shí)物料中的粘合劑及其他助劑也發(fā)生作用,有效保住氣泡并形成分布均勻的、穩(wěn)定的泡體結(jié)構(gòu)。發(fā)泡劑分為化學(xué)發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑兩大類。化學(xué)發(fā)泡劑在成形過程中分解,產(chǎn)生氣體,從而氣化產(chǎn)生氣泡,形成泡孔,化學(xué)發(fā)泡劑又分為有機(jī)和無機(jī)發(fā)泡劑;而物理發(fā)泡劑則主要以壓縮氣體的形式使用,發(fā)泡過程并不發(fā)生化學(xué)組成的變化。植物纖維制品的發(fā)泡工藝主要有兩種:使用化學(xué)發(fā)泡劑及不使用化學(xué)發(fā)泡劑。不使用化學(xué)發(fā)泡劑的發(fā)泡工藝,系通過水蒸氣的作用發(fā)泡,這種方法制作植物纖維發(fā)泡制品不污染環(huán)境,是最佳的發(fā)泡方法,但制作的設(shè)備和費(fèi)用較使用化學(xué)發(fā)泡劑高,對發(fā)泡工藝的控制也要難一些,國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家如歐美、日本等均采用該種方法發(fā)泡。目前使用的化學(xué)發(fā)泡劑主要有:碳酸氫銨、重碳酸鈉、尿素、氧化雙苯磺酰肼、偶氮二甲酰胺、甲苯磺酰肼等,其中有些發(fā)泡劑對環(huán)境有不利影響,選用不當(dāng)在生產(chǎn)過程中以及使用后的處理過程中會(huì)對環(huán)境造成一定的影響?？紤]到設(shè)備及費(fèi)用的限制,采用化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡?；瘜W(xué)發(fā)泡法工藝簡單,無需特殊設(shè)備。在此發(fā)泡劑的選擇是關(guān)鍵,化學(xué)發(fā)泡劑一般又可分為有機(jī)發(fā)泡劑和無機(jī)發(fā)泡劑。有機(jī)發(fā)泡劑通常用于塑料發(fā)泡,分偶氮化合物和亞硝基化合物等;無機(jī)發(fā)泡劑主要是碳酸氫氨、碳酸氫鈉、碳酸鈉等。考慮到實(shí)際生產(chǎn)因素,選用價(jià)格便宜、來源廣泛、對環(huán)境影響較小的無機(jī)發(fā)泡劑。表3列出了以上3種無機(jī)發(fā)泡劑的分解溫度和分解產(chǎn)物。發(fā)泡劑受熱分解,生產(chǎn)出氣體。其過程在一定溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。不同發(fā)泡劑分解溫度不同,如NH4HCO3分解溫度較低(60℃),而NaHCO3的分解溫度則就較高,在100～140℃時(shí)發(fā)氣量很大,在270℃以上完全分解。同時(shí)不同發(fā)泡劑的產(chǎn)氣量也不同。選用NH4HCO3作為發(fā)泡劑,原因有兩個(gè):一是NH4HCO3雖然分解溫度低,不如NaHCO3那么好控制,但是NH4HCO3產(chǎn)氣量遠(yuǎn)大于NaHCO3,而且由于分解溫度低,產(chǎn)氣也比較快,產(chǎn)氣量大且快有利于材料瞬間發(fā)泡;二是NH4HCO3的價(jià)格也低于NaHCO3的價(jià)格,最新市場價(jià)格顯示:工業(yè)用NH4HCO3的價(jià)格在900元/t左右,而NaHCO3卻達(dá)到了1250元/t。鑒于以上因素,選用NH4HCO3作為發(fā)泡劑。2.2發(fā)泡豆?jié){的制備發(fā)泡成型是指植物纖維制品在模壓機(jī)或擠出機(jī)(或注射機(jī))的成型模具中,在一定壓力、溫度和時(shí)間下發(fā)泡成型。發(fā)泡成型的操作方法主要有兩種:一步法成型和兩步法成型。一步法成型的工藝特點(diǎn)是:制品發(fā)泡成型一步完成,采用的是整體模壓發(fā)泡成型,其工藝流程如圖1所示。兩步法成型的工藝特點(diǎn)是:原料發(fā)泡和制品發(fā)泡成型分兩步完成。將回收的舊書、報(bào)紙或其他植物纖維經(jīng)粉碎碾成纖維狀,與淀粉按一定的比例混合,制成直徑1～3mm的粒子,混合后的紙漿粒子送入擠壓機(jī)制成圓柱顆粒,在擠壓過程中,原料受水蒸氣作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿,再用發(fā)泡紙漿顆粒作原料,將發(fā)泡紙漿顆粒送入專用的金屬模具中,在金屬模具中進(jìn)行加熱加壓,根據(jù)需要生產(chǎn)制作精度和壁厚與金屬模相應(yīng)的、不同形狀的包裝制品,其工藝流程如圖2所示。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采用不添加化學(xué)發(fā)泡劑的方法,通過水蒸氣的作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿的制作工藝;而國內(nèi)對植物纖維制品發(fā)泡主要通過化學(xué)發(fā)泡劑的作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿的制作工藝。制作體積尺寸大、質(zhì)量重的緩沖包裝制品應(yīng)采用兩步法成型;而制作體積尺寸小、質(zhì)量輕的緩沖包裝制品,則可采用整體工藝難度較小的一步法成型工藝。國內(nèi)通常采用一步法在熱壓成型機(jī)的成型模具中發(fā)泡成型。生產(chǎn)植物纖維發(fā)泡制品的設(shè)備有:粉碎機(jī)、混煉機(jī)、反應(yīng)釜、顆粒膨化機(jī)、氣力輸送機(jī)、制品成形機(jī)以及控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備。2.3泡沫形成的影響因素(1)材料的緩沖性能材料成型后內(nèi)部能否有均勻的氣泡產(chǎn)生是影響材料緩沖性能的重要因素,溫度過低,容易造成材料內(nèi)部沒有氣泡或氣泡較少,影響材料緩沖性能;溫度過高,一方面會(huì)使發(fā)泡劑反應(yīng)過快不易控制,另一方面還容易對材料中的纖維及淀粉造成不良影響。因此選擇適當(dāng)?shù)臏囟纫彩侵苽涔に囍胁豢苫蛉钡牟糠?。溫度對發(fā)泡質(zhì)量的影響見表4。由4可以看出,將溫度控制在210℃左右,既能夠保證發(fā)泡劑充分反應(yīng),又可以保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量,因此,將發(fā)泡溫度控制在205～215℃。模具內(nèi)的溫度通過溫度控制器進(jìn)行控制。(2)壓力對模具型腔的影響要使放入模具中的物料充滿整個(gè)型腔,則上模向下運(yùn)動(dòng)時(shí)要具有一定的壓力,在與下模合模時(shí)的一瞬間施加在物料上,使物料在該壓力的作用下沿著模具的形狀充滿,然后才能充分受熱發(fā)泡。壓力過大,會(huì)過度消耗動(dòng)力能量;壓力過小,則物料不能被完全沖開,充滿整個(gè)型腔,使制品壓不成型。上模通過電動(dòng)機(jī)(1860r/min)——渦輪副——齒輪副減速后,再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)沿四立柱向下作直線移動(dòng),并與裝置于底座上的下模合模,其