紙漿模塑制品發泡機理的研究第1頁/共27頁一、緒論塑料制品進入日常生活領域曾經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境后，由于很難降解，會造成長期的、深層次的生態環境問題。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，國際上已經禁止使用EPS及F11，F12等發泡劑。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指令》兩項法令，對電子電器產品制造提出了更高的環保要求。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，現今的紙漿模塑制品的致命弱點是其結構強度與緩沖性能不及EPS發泡塑料。紙漿模塑制品雖然已用于產品的緩沖包裝，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。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泡技術。目前，雖有資料顯示紙漿模塑制品的發泡可以實現，但這仍屬于實驗室研究范圍，沒有具體的發泡配方與發泡工藝用以借鑒和參考。而且，目前市場上也尚未出現紙漿模塑發泡制品，因此需要查詢塑料發泡和食品發泡的相關資料，通過不斷的試驗，研究出一種能夠使紙漿模塑制品發泡的工藝方法。第4頁/共27頁二、紙漿模塑制品及其發泡原理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保制品。紙漿模塑制品的生產過程包括制漿、成型、干燥和整飾四個步驟。2.發泡原理塑料發泡是將烴類發泡劑和成核劑混溶在塑料顆粒或珠粒中，塑料熔化到黏流態，這時發泡劑氣化產生氣泡，在塑料中形成泡孔，冷卻后發泡制品成型。第5頁/共27頁食品發泡是在面粉、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，發泡劑會產生氣體，而面粉或淀粉中的面筋成分就會形成網絡將氣體包住，使面團膨脹形成海綿狀結構。紙漿模塑制品發泡不同于塑料和食品發泡，紙漿沒有黏性且紙漿纖維短，發泡劑形成的氣泡，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，發泡劑產生的氣泡會保持在紙漿中，從而在紙漿內部形成氣孔，達到發泡效果。為了適當減少紙漿模塑發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，干燥期間，紙漿內部會出現發霉現象，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，防腐劑與發泡劑作用可以產生氣體，這在一定程度上也起到發泡的作用。第6頁/共27頁三、紙漿模塑制品發泡試驗方法

1試驗儀器

烤箱----CKF-10R，～220V/50Hz溫度范圍：100～200℃，時間范圍：0～60min燒杯、玻璃棒、模具、電子天平2試驗原料紙漿：由生產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：在試驗中作黏合劑。混合發泡劑：既可以起發泡的作用，又可以起到一定的交聯作用。輔助發泡劑：起到輔助發泡的作用。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：既能與發泡劑反應形成氣泡，又能起到防腐的作用。3試驗內容:

（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130～160℃玉米淀粉40g時間60min混合發泡劑4g

第8頁/共27頁說明：本試驗所用淀粉為糊化淀粉（固含量12.5%）；紙漿（含水量40%）。試驗過程：將紙漿與淀粉、發泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入130℃烤箱中烘烤，30min后，將溫度升至160℃。試驗現象：烘烤30min后，試樣無發泡現象；溫度升高，繼續烘烤，亦無發泡現象。試驗結果：取出試樣觀察，試樣體積無明顯變化，無氣泡產生。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，使用另外一種發泡劑。第9頁/共27頁（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（含水量40%）。試驗過程：將紙漿與淀粉、發泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入140℃烤箱中烘烤，烘烤60min。試驗現象：隨著烘烤時間的延長，試樣表面干燥。試驗結果：取出試樣觀察，無氣泡產生原因分析：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發泡劑2g

第10頁/共27頁改進方法：第一，考慮繼續增大淀粉含量，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，繼續升高溫度；第三，增大發泡劑的用量。（試驗三）表3.試驗配方與試驗條件試驗過程：將紙漿與淀粉、發泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入150℃烤箱中烘烤，50min后，將溫度升至200℃。試驗現象：肉眼看不出試樣體積變化，掰開試樣，發向內部有很小的蜂窩狀的氣孔，試樣表面已經完全干燥，內部干燥不好。名稱用量名稱用量紙漿100g溫度150～200℃玉米淀粉120g時間80min發泡劑5g

第11頁/共27頁試驗結果：試樣內部有微量氣泡，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，內部即使有氣泡形成，由于試樣表面過硬，導致氣泡無法發出。改進方法：將黏合劑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190～150℃發泡劑5g時間90min助劑2.5g

第12頁/共27頁試驗過程：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，加入發泡劑和助劑，攪拌均勻，放入模具中。在190℃烤箱中加熱。試驗現象：20min后，試樣膨脹，發泡明顯，不斷有起泡產生，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℃，繼續加熱，再無氣泡產生，放置24小時，試樣完全塌陷，發現未干燥部分有霉點。試驗結果：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，導致氣泡壁過薄；干燥速度慢，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；適當地減少發泡劑用量并加入酸；加入防腐劑。第13頁/共27頁（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℃。試驗現象：10min后，開始有明顯發泡，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。繼續加熱干燥。試驗結束，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發泡劑4g溫度140～150℃助劑2.5g時間70min成核劑1g

第14頁/共27頁試驗結果：過程中有發泡，但最終發泡結果不明顯。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劑的基礎上加入玉米淀粉，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混合發泡劑5g溫度120～150℃玉米淀粉5g時間60min第15頁/共27頁試驗過程：將紙漿、玉米淀粉、發泡劑與水充分混合，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℃。試驗現象：將試樣放入烤箱中，5min后開始明顯發泡，15min后，試樣體積膨脹到最大值，20min后，試樣表面開始塌陷，此時，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。試驗結果：試樣內部有氣泡，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，試樣體積也不會發生太大的變化；為了增大發泡量，可在紙漿中加入少量輔助發泡劑。第16頁/共27頁（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、發泡劑、輔助發泡劑和水充分混合，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℃烤箱中進行烘烤，20min后，溫度降到140℃，繼續烘烤。試驗現象：將試樣放入烤箱中，5min后開始明顯發泡，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混合發泡劑5g溫度190～140℃玉米淀粉5g時間90min輔助發泡劑0.1g

第17頁/共27頁20min后，試樣表面出現輕微塌陷，此時，溫度降至140℃，繼續烘烤，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%。試驗結果：出現明顯氣泡，肉眼可見到氣泡孔，但試樣上表面較硬。結果分析：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。第18頁/共27頁（試驗八）試驗配方與試驗條件試驗結果達到預期要求。重復試驗，發泡效果基本不變。下圖為紙漿模塑發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混合發泡劑10g溫度190～140℃玉米淀粉8g時間60min輔助發泡劑0.2g

第19頁/共27頁第20頁/共27頁試驗結果分析1.紙漿模塑制品發泡，考慮到環保，首先要正確選用黏合劑。淀粉在各種環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.發泡劑的選擇，發泡劑與混合發泡劑雖然都具有發泡的作用，但是混合發泡劑中含有交聯成分，能使紙漿很好的交聯。3.紙漿、黏合劑、發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。第21頁/共27頁四、紙漿模塑發泡制品

緩沖性能測試與分析

對紙漿模塑發泡制品和未經發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6.6