紙漿模塑制品發(fā)泡機理的研究

1、一、緒論 塑料制品進入日常生活領域曾經(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重 的。廢棄塑料包裝物進入環(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， F12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 報廢電子電氣設備指令和關于在電子電氣設備 中禁止使用某些有害物質(zhì)指令兩項法令，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。

2、 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度，可對商品具 有一定的保護性能和防震緩沖性能，且具有通風散熱的 特點，因此它主要應用于新鮮水果、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是其結(jié)構(gòu)強度與 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，手機等的內(nèi)襯緩沖材料，因此，就需要改善紙 漿模塑紙品的強度與緩沖性能。 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。 目前，雖有資料顯示

3、紙漿模塑制品的發(fā)泡可以實現(xiàn)， 但這仍屬于實驗室研究范圍，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)泡的相關資料，通過不斷的試驗，研究出一種能 夠使紙漿模塑制品發(fā)泡的工藝方法。 二、紙漿模塑制品及其發(fā)泡原理 1. 1.紙漿模塑制品紙漿模塑制品 紙漿模塑制品是用可完全回收循環(huán)使用的植物纖維漿 或廢棄紙品作基礎材料,采用獨特的工藝技術制成的一 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

4、。 2. 2.發(fā)泡原理發(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?；?珠粒中，塑料熔化到黏流態(tài)，這時發(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。 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)絡將 氣體包住，使面團膨脹形成海綿狀結(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

5、成氣孔，達到發(fā)泡效果。為了適當減少 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?？紤]到紙漿模塑制品的干燥時間 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，既可以達到防 霉腐的作用，同時，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。 三、紙漿模塑制品發(fā)泡試驗方法 1 1 試驗儀器試驗儀器 烤箱-CKF-10R，220V/50Hz 溫度范圍：100200，時間范圍：060min 燒杯、玻璃棒、模具、電子天平 2 2 試驗原料試驗原料 紙漿：由生產(chǎn)紙漿模塑制品廠家取回的原漿，由廢紙 箱、廢報紙等制成. 玉米淀粉：在試驗

6、中作黏合劑。 混合發(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。 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)泡劑反應形成氣泡，又能起到防腐 的作用。 3 3 試驗內(nèi)容試驗內(nèi)容: : （試驗一） 表1.實驗配方與實驗條件 名 稱用 量名 稱用 量 紙 漿100g溫 度130160 玉米淀粉40g時 間60min 混合發(fā)泡劑4g 說明：本試驗所用淀粉為糊化淀粉（固含量12.5%）； 紙漿（

7、含水量40%）。 試驗過程：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。 （試驗二） 表2.試驗配方與試驗條件 說明：所用玉米淀粉為糊化淀粉（固含量12.5%）；紙 漿（含

8、水量40%）。 試驗過程：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。 試驗現(xiàn)象：隨著烘烤時間的延長，試樣表面干燥。 試驗結(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 間60min 發(fā)泡劑2g 改進方法：第一，考慮繼續(xù)增大淀粉含量，同時慮去 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。 （試驗三）

9、表3.試驗配方與試驗條件 試驗過程：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150200 玉米淀粉120g時 間80min 發(fā)泡劑5g 試驗結(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 致氣泡無法發(fā)出。 改進方法：將黏合劑

10、玉米淀粉改為合成樹脂溶液。 （試驗四） 表4.試驗配方與試驗條件 名 稱用 量名 稱用 量 紙 漿50g水30g 合成樹脂液25g溫 度190150 發(fā)泡劑5g時 間90min 助劑2.5g 試驗過程：將紙漿濾干，放入大燒杯中，加入50g水攪 拌，將合成樹脂溶液放入燒杯中，加入250g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，但是隨著加熱的進行，氣泡不斷從試樣表面 逸出，導致試樣表面塌陷。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，試樣

11、完全塌 陷，發(fā)現(xiàn)未干燥部分有霉點。 試驗結(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，導致氣泡逸出；所制試樣水分含量過高， 形成的氣泡較大，導致氣泡壁過?。桓稍锼俣嚷?，易 形成霉點。 改進方法：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?shù)販p少發(fā)泡劑用量并加入酸；加入防腐劑。 （試驗五） 表5.試驗配方與試驗條件 試驗過程：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，

12、溫度升至150。 試驗現(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，此時升高溫度，體積有 膨脹，但是不明顯。繼續(xù)加熱干燥。試驗結(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140150 助劑2.5g時 間70min 成核劑1g 試驗結(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，導致氣泡逸出,不能通過加入成核劑達到留 住氣泡的目的；水分含量過高。 改進方法:改變黏合劑的成分，試采用在合成樹脂溶液 作為黏結(jié)劑的基礎上加入玉米淀粉，

13、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。 （試驗六） 表6.試驗配方與試驗條件 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120150 玉米淀粉5g時 間60min 試驗過程：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 箱中進行烘烤，20min后，溫度升高到140，30min后， 溫度升高到150。 試驗現(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

14、 面開始塌陷，此時，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，考慮原因可能是因為試樣 干燥較慢，氣泡形成過程中會流失，因為此時，試樣 尚未成型，體積會隨著氣泡的增減而發(fā)生變化。 改進方法：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。 （試驗七） 表7.試驗配方與試驗條件 試驗過程：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

15、液，攪拌均勻，并將其放入模具中，放入190 烤箱中進行烘烤，20min后，溫度降到140，繼續(xù)烘 烤。 試驗現(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190140 玉米淀粉5g時 間90min 輔助發(fā)泡劑0.1g 20min后，試樣表面出現(xiàn)輕微塌陷，此時，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：

16、這次試驗基本達到了預期效果，試樣表面 塌陷，考慮原因有兩方面：一方面是因為氣體有少量 的流失，另一方面是因為熱脹冷縮的緣故，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， 可能是因為表面干燥過快，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。 改進方法：適當減少玉米淀粉用量；試樣中加入能緩 和試樣硬度的助劑。 （試驗八） 試驗配方與試驗條件 試驗結(jié)果達到預期要求。 重復試驗，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

17、合發(fā)泡劑10g溫 度190140 玉米淀粉8g時 間60min 輔助發(fā)泡劑0.2g 試驗結(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，本試驗初步選擇淀粉為黏合劑，但是，試驗證明， 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 漿達到發(fā)泡的效果。 因此，本試驗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

18、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)泡劑的比例也是關鍵。要通過大 量的試驗找出它們之間的合適配比。 4. 助劑的選擇同樣重要。 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，檢驗試樣的緩沖性能。 沖擊臺重量為6.6Kg，跌落高度為60cm.其沖擊 加速度信號分別如圖（1、2）所示： 圖1 圖2 測量試樣的緩沖性能，應該采用大量的試樣，對試樣 逐一進行跌落試驗，根據(jù)每個試樣的最大加速度值繪 出曲線，進而評價試樣的緩沖性能。但是，由于紙漿 模塑制品發(fā)泡試驗材料和時間有限，不能在短時間內(nèi) 做出大量

19、的試樣，因此，只能采取對少量試樣作連續(xù) 沖擊的試驗方法，雖然這樣結(jié)果不夠精確，尚存在一 定的誤差，但是可以反映出試樣的緩沖性能。 由圖可以看出，發(fā)泡紙漿模塑制品的最大加速度為 203.23。未經(jīng)發(fā)泡的紙漿模塑制品的最大加速度為 412.23。這些數(shù)據(jù)可以說明紙漿模塑發(fā)泡制品的緩沖 性能較未經(jīng)發(fā)泡得紙漿模塑制品的緩沖性能要好得多。 五、紙漿模塑制品發(fā)泡試驗結(jié)論 總的來說，本次研究比較成功，并得出如下結(jié)論： 由試驗得出了較好的紙漿模塑發(fā)泡制品的黏合劑、 發(fā)泡劑、助劑的種類、它們之間的合適配比以及發(fā)泡 工藝（試驗八）； 紙漿模塑發(fā)泡制品做緩沖性能測試，在相同的實驗條 件下，其最大加速度值比未經(jīng)發(fā)泡的

20、紙漿模塑制品小 一倍多，這說明紙漿模塑發(fā)泡制品的緩沖性能優(yōu)于未 經(jīng)發(fā)泡的紙漿模塑制品； 如果繼續(xù)試驗，不斷改進配方，會得到不同緩沖性能 的紙漿模塑發(fā)泡制品，但是由于時間的限制，這些嘗 試還未能實現(xiàn)。 謝 謝！ 一、緒論 塑料制品進入日常生活領域曾經(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重 的。廢棄塑料包裝物進入環(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， F12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

21、發(fā)泡劑。2003年初，歐盟公布了 報廢電子電氣設備指令和關于在電子電氣設備 中禁止使用某些有害物質(zhì)指令兩項法令，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。 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)絡將 氣體包住，使面團膨脹形成海綿狀結(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，達到發(fā)泡效果。為了適當減少 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間 相對較長，干燥期