发泡植物纤维制品的研发

发泡植物纤维制品的研发

泡沫缓冲材料广泛应用于工业产品和家用电器的包装中。当前,应用最多的缓冲包装材料是发泡聚苯乙烯(EPS),由于所含氟氯烃物质破坏臭氧层,且不可降解,故已被“蒙特利尔协议”所禁止;继之研发的氢化EPS虽减少对臭氧层的破坏,但仍被美国禁用,这也将是今后世界的趋势;其他发泡塑料由于不具商业化的可回收性价值,被欧盟等国家所摒弃,成为“绿色贸易壁垒”。缓冲材料用量巨大,研发取代EPS缓冲材料已成为世界性的热点。目前,主要的替代产品是纸浆模塑防震内衬制品,该制品以废纸、废纸箱纸为主要原材料,经水力机械碎浆、模具真空吸附成型的湿法加工,再经干燥而成。其制品已用于机械零部件、电子仪表、电工工具、陶瓷和食品的缓冲包装上,但由于该制品过于致密,、抗震、耐冲击性大大低于EPS材料,且其抗震耐冲击性能又主要依靠制品的几何结构来保证,使模具的结构加工困难,故使纸浆模塑缓冲制品的发展受到很大制约,只能制作小型包装衬垫,而制作大型家电产品的包装衬垫及填充仍需采用EPS材料。近年来,一种新型的缓冲材料——发泡植物纤维材料及其成形(模压或挤出成形)技术正在研究开发中,该制品以植物纤维(废纸和稻麦秆等)和淀粉为主要原料,加上各种添加剂,经模压和挤出成形而成。该制品具有制作工艺简单、原料来源广泛、良好的防震缓冲性能、成本低廉和全降解等一系列优点,不仅可以制作防振内衬,也可以替代EPS制作填充颗粒物体,其效果与EPS制品基本相当。1植物纤维的固有属性和改性1.1材料中的纤维素天然植物纤维具有较高的机械强度、模量和比较小的密度以及较好的化学稳定性,适合用作复合材料的增强体,它在产品中起骨架作用,可以显著提高其拉伸强度。植物纤维原材料由细胞构成,细胞有两类:一类是薄壁细胞,壁薄短小,不适合造纸;另一类是中空、细长、呈纺锤状、富有饶曲、柔韧性的厚壁细胞,在植物体内它起到机械支撑作用,在形成纸张后使之具有良好的物理强度,因而厚壁细胞又被称为纤维。纤维比例越高,细长均匀,薄壁细胞含量越低,生产出来的纸张机械强度就越高,反之越差。实验使用的植物纤维原材料系非木材类的禾本科类植物纤维,这样不仅节约了宝贵的木材资源也使得丰富的农作物秸秆资源得到充分的利用,也增加了农民的收入。它们包括稻草、麦草、玉米秸秆、棉秆、竹林、芦苇等天然作物的纤维。从表1中可以看出,芦苇、毛竹、棉秆等禾本科类植物的纤维素含量较高,可应用到缓冲包装中作为增强材料。但是,禾本科类植物纤维也存在较多的缺点,比如脆性大、与其他材料的相容性差以及亲水性强等,这就需要对其进行一些改性,以制作出性能良好的植物纤维缓冲包装材料。1.2增塑剂用量的影响植物纤维和淀粉一样,均系大分子、支链性或直链性结构,导致性质较脆,必须进行改性处理(如加入增塑剂),增强其柔韧性和弹性。在植物纤维缓冲材料中,增塑剂的用量至关重要,量达一定值时,增塑剂充分发挥作用,降低了材料基质间的次价键,使材料基质变得疏松、柔软并易发泡,致使材料密度下降。增塑剂在最佳值时,材料的缓冲系数最小。采用EVA增塑剂,EVA和植物纤维的相容性较好,能渗透到植物纤维分子链间,增加植物纤维分子的流动性,使其更易加工成型。再加入分散剂聚乙烯蜡,它是一种低熔点的固体,能够起到润滑、分散、光亮的作用,能使植物纤维制品更易加工,且外观性能更好。1.3材料的复合性植物纤维的属性与其他无机物、合成物有很大的差别,表面结构各异,所以它在制作植物纤维缓冲制品时,和粘合剂、填充剂等融合时相容性会比较差,亲和力不够好,这将影响整体材料的性能和强度,因此需对天然纤维进行预处理,采用表面活性法改善其结合性、浸润性和相容性。再选用粘合剂,将各种物料充分地融合在一起。(1)粉碎和纤维的预处理首先对农作物植物纤维进行预处理,主要包括秸秆的粉碎和纤维的预处理。在锤式粉碎机4500r/min的转速下将干燥的秸秆粉碎成3～5cm的纤维丝,掺入适量水形状如同发泡的棉花。(2)秸秆粉浸泡液和压浆秸秆纤维预处理包括表面处理和打浆帚化。表面处理可使用表面活性剂(氢氧化钠或山梨酸钾),采用氢氧化钠,对秸秆粉进行浸泡和增容处理,在浸泡过程中使用高速搅拌器打浆帚化一定时间,使纤维分离出更多的细小纤维和微细纤维,以便在成型时形成更多的空间构架,使淀粉及填充料镶嵌其中,形成网络状的有机整体,使强度和缓冲性能都能达到要求。(3)固化剂及改性剂的用量对粘合剂溶液的使用效果粘合剂是一种能将同种或不同种材料粘合在一起,使接合面有足够强度的物质,它能起到胶接、固定、密封、补漏以及修复等作用。粘合已与铆接、焊接并列为3种主要连接工艺。粘合剂以富有粘性的粘料为基础,并加以固化剂及改性剂(增塑剂、填料、分散剂等)。加入改性剂有助于胶粘剂的配制、储存、加工工艺及性能等方面的改进。粘合剂以玉米淀粉为主,因为玉米淀粉经糊化过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,实验中还加入了适量的醋酸乙烯-乙烯(EVA)共聚液,该物质是一种粘性很强的粘合剂,它与淀粉共用,对极性材料体系有协同粘接作用,从而体系中的各材料,包括植物纤维、淀粉胶粘剂、填料、发泡剂等形成一个有机整体,最终热压发泡形成网络化的整体结构,从而使植物纤维制品体现出作为模压缓冲制品所需的柔韧性、缓冲性和天然可降解性等。1.4适当的保鲜剂和复合涂料其植物纤维的主要成分是纤维素,含有大量亲水性的羟基,包括结晶部分和非结晶部分,水分很容易自由进入纤维中的非晶部分。因此,植物纤维具有很强的亲水性,容易吸潮,在潮湿的环境和多雨的季节以及盐分较高的海洋运输中,制品易发生霉变质变,因而防潮是植物纤维缓冲衬垫需解决的重要问题。通过加入适当的防潮剂,可以解决制品的防潮问题。防潮剂以选用防潮性能好的EVA为宜。EVA是一种质地柔软,耐屈绕性好、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,其醋酸乙烯含量从百分之几到百分之三十。其主要优点是:(1)极高的柔韧性,甚至在低温条件下(-25℃);(2)与许多橡胶、热塑性塑料及其他材料有极高的相容性;(3)优良的密封防潮性能;(4)不易燃,无毒,对人体无害;(5)可降解,用量少,虽不能完全降解,但能使植物纤维制品经水发泡后,扯烂成很小的片状。所以,使用EVA不仅能起到粘接作用,更能起到防潮作用,并且可自行降解。综上所述,进行一系列改性处理,能使植物纤维的固有脆性、亲水性等得到改善,从而与其他配料相容相亲和,形成网络化的整体结构,若使植物纤维缓冲包装材料具备足够的弹韧性及缓冲性,则还需进行发泡处理。2泡沫技术为具备良好的缓冲性能,植物纤维缓冲制品必须进行发泡,通过施加发泡剂,在成形模具中通过压力、时间、温度的作用发泡成形。2.1化学发泡剂的种类当物料混合进模后,随着温度上升,物料中的发泡剂开始分解发气,温度继续上升,发气量逐步加大,使模内物料水分蒸发形成水蒸气,在植物纤维制品中形成气泡和泡孔,同时物料中的粘合剂及其他助剂也发生作用,有效保住气泡并形成分布均匀的、稳定的泡体结构。发泡剂分为化学发泡剂和物理发泡剂两大类。化学发泡剂在成形过程中分解,产生气体,从而气化产生气泡,形成泡孔,化学发泡剂又分为有机和无机发泡剂;而物理发泡剂则主要以压缩气体的形式使用,发泡过程并不发生化学组成的变化。植物纤维制品的发泡工艺主要有两种:使用化学发泡剂及不使用化学发泡剂。不使用化学发泡剂的发泡工艺,系通过水蒸气的作用发泡,这种方法制作植物纤维发泡制品不污染环境,是最佳的发泡方法,但制作的设备和费用较使用化学发泡剂高,对发泡工艺的控制也要难一些,国外工业发达国家如欧美、日本等均采用该种方法发泡。目前使用的化学发泡剂主要有:碳酸氢铵、重碳酸钠、尿素、氧化双苯磺酰肼、偶氮二甲酰胺、甲苯磺酰肼等,其中有些发泡剂对环境有不利影响,选用不当在生产过程中以及使用后的处理过程中会对环境造成一定的影响。考虑到设备及费用的限制,采用化学发泡剂进行发泡。化学发泡法工艺简单,无需特殊设备。在此发泡剂的选择是关键,化学发泡剂一般又可分为有机发泡剂和无机发泡剂。有机发泡剂通常用于塑料发泡,分偶氮化合物和亚硝基化合物等;无机发泡剂主要是碳酸氢氨、碳酸氢钠、碳酸钠等。考虑到实际生产因素,选用价格便宜、来源广泛、对环境影响较小的无机发泡剂。表3列出了以上3种无机发泡剂的分解温度和分解产物。发泡剂受热分解,生产出气体。其过程在一定温度范围内连续进行。不同发泡剂分解温度不同,如NH4HCO3分解温度较低(60℃),而NaHCO3的分解温度则就较高,在100～140℃时发气量很大,在270℃以上完全分解。同时不同发泡剂的产气量也不同。选用NH4HCO3作为发泡剂,原因有两个:一是NH4HCO3虽然分解温度低,不如NaHCO3那么好控制,但是NH4HCO3产气量远大于NaHCO3,而且由于分解温度低,产气也比较快,产气量大且快有利于材料瞬间发泡;二是NH4HCO3的价格也低于NaHCO3的价格,最新市场价格显示:工业用NH4HCO3的价格在900元/t左右,而NaHCO3却达到了1250元/t。鉴于以上因素,选用NH4HCO3作为发泡剂。2.2发泡豆浆的制备发泡成型是指植物纤维制品在模压机或挤出机(或注射机)的成型模具中,在一定压力、温度和时间下发泡成型。发泡成型的操作方法主要有两种:一步法成型和两步法成型。一步法成型的工艺特点是:制品发泡成型一步完成,采用的是整体模压发泡成型,其工艺流程如图1所示。两步法成型的工艺特点是:原料发泡和制品发泡成型分两步完成。将回收的旧书、报纸或其他植物纤维经粉碎碾成纤维状,与淀粉按一定的比例混合,制成直径1～3mm的粒子,混合后的纸浆粒子送入挤压机制成圆柱颗粒,在挤压过程中,原料受水蒸气作用发泡,形成颗粒型发泡纸浆,再用发泡纸浆颗粒作原料,将发泡纸浆颗粒送入专用的金属模具中,在金属模具中进行加热加压,根据需要生产制作精度和壁厚与金属模相应的、不同形状的包装制品,其工艺流程如图2所示。国外工业发达国家均采用不添加化学发泡剂的方法,通过水蒸气的作用发泡,形成颗粒型发泡纸浆的制作工艺;而国内对植物纤维制品发泡主要通过化学发泡剂的作用发泡,形成颗粒型发泡纸浆的制作工艺。制作体积尺寸大、质量重的缓冲包装制品应采用两步法成型;而制作体积尺寸小、质量轻的缓冲包装制品,则可采用整体工艺难度较小的一步法成型工艺。国内通常采用一步法在热压成型机的成型模具中发泡成型。生产植物纤维发泡制品的设备有:粉碎机、混炼机、反应釜、颗粒膨化机、气力输送机、制品成形机以及控制系统、液压系统、空气系统、动力系统、加热系统和其他辅助设备。2.3泡沫形成的影响因素(1)材料的缓冲性能材料成型后内部能否有均匀的气泡产生是影响材料缓冲性能的重要因素,温度过低,容易造成材料内部没有气泡或气泡较少,影响材料缓冲性能;温度过高,一方面会使发泡剂反应过快不易控制,另一方面还容易对材料中的纤维及淀粉造成不良影响。因此选择适当的温度也是制备工艺中不可或缺的部分。温度对发泡质量的影响见表4。由4可以看出,将温度控制在210℃左右,既能够保证发泡剂充分反应,又可以保证实验质量,因此,将发泡温度控制在205～215℃。模具内的温度通过温度控制器进行控制。(2)压力对模具型腔的影响要使放入模具中的物料充满整个型腔,则上模向下运动时要具有一定的压力,在与下模合模时的一瞬间施加在物料上,使物料在该压力的作用下沿着模具的形状充满,然后才能充分受热发泡。压力过大,会过度消耗动力能量;压力过小,则物料不能被完全冲开,充满整个型腔,使制品压不成型。上模通过电动机(1860r/min)——涡轮副——齿轮副减速后,再通过曲柄连杆机构沿四立柱向下作直线移动,并与装置于底座上的下模合模,其