竹纤维发泡缓冲材料的研究

竹纤维发泡缓冲材料的研究 浙江理工大学,第24卷,第1期.2007年1月 JournalofZhejiangSci—TechUniversity Vo1.24,No.1,Jan.2007 文章编号:1673.3851(2007)01.0032—04 竹纤维发泡缓冲材料的研究 祁书艳,刘晔,史锃瑛 (浙江理工大学材料与纺织学院,杭州310018) 摘要:研究以竹纤维为原料,使其在水混合态中搅拌引起帚化,发泡剂在一定温度条件下分解产生气体,加入 胶粘剂使纤维定向,结合,后在其他助剂作用下,形成很多小汽室从而达到减小密度的目的,然后通过合适的干燥工 艺.使材料具有开孔小室结构从而有一定的机械强度与缓冲性能.最终对制品的外观和内部形貌进行表征,对其性 能进行研究并绘制出相应的曲线,.曲线和c_E曲线供缓冲 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 用. 关键词:竹纤维;发泡工艺;缓冲材料;静态压缩试验;缓冲系数 中图分类号:TB484文献标识码:A 0引言 发泡聚苯乙烯(EPS)和发泡聚乙烯(EPE)是目前常用的缓冲包装材料,虽然具有良好的缓冲性能,低廉 的成本和简单的生产工艺,但在生产该发泡塑料的过程中,CFC发泡剂的使用会破坏臭氧保护层,且废弃物 不能自然风化,焚烧处理会产生有害气体等缺点,危害人类安全.近年来以植物纤维(废旧报纸,纸箱纸,其 他植物纤维材料等)以及淀粉添加助剂材料制作而成的缓冲材料,具有不污染环境,制作工艺简单,成本低 廉,原料来源广等优点,其制成的缓冲包装衬垫是新型的环保缓冲材料,用它取代目前广泛应用的EPS缓冲 衬垫,具有重大的环保意义.目前国内外在这方面的研究已取得了不同程度的阶段性成果,其中一些单位和 院校利用废旧纸浆进行研究比较广泛,也取得了相应的成果. 本文在前人研究的基础上,选用浙江省资源丰富的毛竹为研究对象,制得有一定强度,刚度,韧性和缓冲 性能的新型环保缓冲材料. 1实验 1.1原料 竹纤维粉体:100目的竹粉原料,深黄色,灰份2%以下,水分3%以下,临安明珠竹粉有限公司生产. 发泡剂:碳酸氢钠(NaHCO)白色结晶状粉末,碳酸氢铵(NHHCO,)白色粒状结晶或坚硬块状物,无水 碳酸铵((NH)CO,)白色片状固体,均为分析纯,上海四赫维化工有限公司生产. 胶粘剂:马铃薯淀粉(CH..O)(生化试剂);聚乙烯醇(PVA),聚合度1750?50,上海化学试剂公司 生产. 其他添加剂:碳酸钙(CaCO)(分析纯),硼砂(NazBO,?10HO)(分析纯),硬脂酸(CH,(CH:)-COOH) (分析纯)等. 1.2缓冲材料的制备 首先,称取40g竹纤维粉体在适量的水中搅拌引起帚化,2g的硼砂在热水中溶解,待用.然后称取20 收稿日期:2006—06—20 作者简介:祁书艳(1981一),女,河南平顶山人,硕士研究生,从事缓冲包装材料的研究. 第1期祁书艳等:竹纤维发泡缓冲材料的研究33 g的马铃薯淀粉,溶于140ml水中,用电动搅拌器在水浴锅中边加热边搅拌升温至65c【=,糊化30min后取 出放置一段时间,后将已经帚化了的竹粉原料倒人其中,在40c【=条件下与之混合搅拌均匀,再按照淀粉与发 泡剂1.5:1的质量比,NaHCO,,NHHCO,和(NH):CO,1:2:1的质量比称取一定量的3种物质,并制成溶 液,待用.将已经称好的填料(占总混合物料质量的30%)与发泡剂充分混合后加入到纤维体的混合物料中 二次混合搅拌均匀,后加入硼砂,待交联反应完全后,将最终的混合物注模成型并置于干燥箱中120%条件 下加热发泡,发泡4h后,将半干的发泡体取出晾干,即成发泡的成型制品. 1.3 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 发泡缓冲材料所用仪器设备 IXUS50型数码相机;OLYMPUSVANOXABH—K1型电子万能显微镜;DXS一10型扫描电镜,RGL20.A微 机控制电子万能试验机. 1.4制品静态压缩性能测试方法 按照GB8168((包装用缓冲材料静态压缩试验方法》,对竹纤维衬垫进行试验.该压缩试验中取试样尺 寸为10cm×10cm,即面积为100cm,厚度为12.22mm.试验上压板的速度为(12?3)mm/min…,接近于 静态力,随着压力的不断增加,衬垫的厚度不断减少,变形量不断增加,测量的结果可以得到衬垫的力一形变 曲线.为了消除不同受力面积或不同厚度对衬垫的力一形变曲线的影响,需对试验结果进行处理.计算公 式分别如下: s=x/T(1) =F/A(2) C=tr/E(3) E=E一 1+(AirA8)/2+A8(一Air)(4) 式中:s一应变/%;一变形-l~/mm;卜材料的厚度/mm;一应变/N?cm,;F一压力/N;A一面i~,/cm;C一 缓冲系数;E一各压力区段变形能量累计值/(N?cm/cm). 分别根据以上公式绘制出一s曲线,C—s曲线和C—E曲线,来检测材料的缓冲性能,并为缓冲包装设计 提供依据. 2结果与讨论 2.1成型机理 竹材及其它各种植物材料基本上是由纤维素,木质素和半纤维素三大部分所构成.整竹由50%一70% 的全纤维素,30%的戊聚糖和20%一25%的木质素组成.竹类纤维细长,长宽比约在120—200之间,壁厚 腔小,比重大,纤维较挺硬. 纤维素的分子式为CH.O,其大分子的2,3,6位置上有3个游离羟基一OH,一根微纤丝由300—500 个葡萄糖基组成,纤维束含有大量微纤丝,纤维束尾端的活性羟基基团可以通过帚化使其更多地显露出 来].不同纤维上活性基团之间次价键力(氢键力一范德华力)的相互作用,具有使纤维相互联结架桥的作 用J.理想的植物纤维发泡材料的结构应为立体网状结构,这一结构的强度取决于纤维束自身的强度和纤 维束之间的联结强度.为保证这一结构的实现,应使离散状态的纤维在一定介质的作用下架成网状结构,并 使纤维间相互联结.无机发泡剂在一定温度下分解产生大量分布于各纤维间的气泡,利用气泡张力对纤维 形成的”托起”作用,同时,纤维间的活性基团由于与水分子间氢键作用被相互吸引到一起,即在气泡表面张 力和次价键力取向的作用下,架起所需的立体网].与此同时胶粘剂包住发泡剂产生的气泡,从而使气体 均匀地分散在竹纤维细胞内,达到减小整个缓冲材料的密度而起到缓冲作用的目的. 2.2制品外观和内部形态表征 图1为成型制品外观剖面数码照片图;从图2能看到制品内部膨化发泡形态,证实了该研究最终需要达 到的发泡效果.图3是在电子万能显微镜作用下拍到的图片,其中较亮的发光体即是纤维胶膜表面.由于 胶的作用从而加强了纤维间的联接强度,使其结合更加牢固.图4的扫描电镜可看到制品内部所形成的细 小纤维之间的网状交联结构,在纤维交叉部分由于液膜破裂后胶层集中在纤维及结合的部分,可以对材料的 整体结构起到加强的作用. 第1期祁书艳等:竹纤维发泡缓冲材料的研究 2.3.2与传统缓冲材料静态性能比较 为了验证该制品是否达所预期性能,在此将其与传统常用缓冲包 装材料进行比较,评价其缓冲性能.对比采用的泡沫塑料为常见的PS 泡沫塑料,厚度为50mm,密度为0.028g/cm,采用的蜂窝纸板的厚 度为常用的厚度40mm,密度0.04721g/cm. 从图9PS泡沫塑料的.和蜂窝纸板的.曲线可知,竹纤维衬 垫与泡沫塑料均符合正切型弹性材料曲线特征,都是软而韧的材料, 在较小的外力下,衬垫就能对产品起到缓冲作用;而蜂窝纸板是一种 硬而韧的材料,线弹性范围大,在较高的应力下才可以达到材料的屈 服阶段.也就是说,蜂窝纸板的刚度较大,在较大的外力下,蜂窝图9 纸板才能够对产品起到缓冲作用.竹纤维衬垫刚度差,韧性好,比较 适合包装产品质量和产品脆值比较小的产品,但其密度仍不及泡沫塑 料,蜂窝纸板理想,其工艺有待于进一步改进. 1.PS泡沫塑料,2.蜂窝纸板,3.竹纤维 发泡材料 竹纤维发泡材料与常见缓冲材料 应力一应变曲线 3结论 a)竹纤维经过与其他助剂膨化发泡作用处理后,不仅加强了纤维 间的结合强度,提高了其机械强度,而且减小了整个材料的密度,使其具有一定的缓冲防震性能. b)在较小的外力下,衬垫就能对产品起到缓冲作用,缓冲效果较好. C)竹纤维发泡材料与泡沫塑料具有几乎相同的缓冲曲线特征,是一种软而韧的材料,但竹纤维发泡材 料刚度差.比较适合产品质量和产品脆值比较小的产品的缓冲包装. 参考文献: [1]彭国勋.运输包装[M].北京:印刷工业出版社,1999:98—100. [2]于文吉,江泽慧,叶克林.竹材特性研究及其进展[J].世界林业研究,2002,15(2):50—55. [3]陈国符,邬义明.植物纤维化学[M].北京:轻工业出版社,1984:127—198. [4]杨之礼.纤维素与粘胶纤维:中册[M].北京:纺织工业出版社,1985:215—226. [5]谢拥群,陈彦,张壁光.植物纤维膨化材料的研究[J].木材工业,2004,18(2):30—31. [6]王梅.蜂窝纸板缓冲性能的研究与应用[J].包装工程,2000,21(4):5—8. [7]郭彦峰,张景绘,许文才,等.蜂窝纸板及其衬垫缓冲特性研究[J].包装工程,2000,21(4):5—8. StudyonFoamedPackagingMaterialfrOmBambooFibres QIShu-yan,LIUye.SH/Zeng-y/ng (CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci—TechUniversity,Hangzho u310018,China) Abstract:Studyingonhowtomakecushioningpackagingmaterialfrombamboofibres,mixandstirinwater andcausetheplantfibrebrooming.Foamingagentsaledecomposinggasesatcertaintemperature.Thenaddadhe— sivestomakebamboofibresorientate,combinewitheachothertoformanewwebstructuretodecreasethemateri— al’Sconsideration.Suitabledrytechnologyisadoptedtomakematerialhaveopen?cellstructuresandacertainme— chanicalintensityandbufferperformances.Atlast,testingthecushioningpropertiesaccordingtostaticcompress experiments.ThenseveralcurvessuchasF.,?,C?ECanbeget.Thesecurvesareprovidedforreferenceof packagingdesign. Keywords:Bamboofibres;Foamingtechnics;Cushioningmaterial;Staticcompresstest;Ctishioningcoegi’ cient(责任编辑:张祖尧)