（材料加工工程专业论文）竹纤维粉体发泡缓冲包装材料的实验研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 针对目前资源短缺及“白色污染”同益严重的问题，以竹纤维为原料，在特定条件作 用卜- ，制得具有定缓冲性能的缓冲包装材料，通过对原料添加比例、发泡时间、发泡温 度等一些主要的工艺参数和材料缓冲性能的试验研究，为竹纤维发泡缓冲材料的工业化生 产奠定试验基础。 本文主要做了以下几方面的研究： 1 基于竹材纤维制造发泡缓冲材料特性出发，对竹原材料和竹纤维粉体的物理理化性 能进行了研究，掌握了不同粒度竹纤维粉体、不同种淀粉、各种发泡参数对发泡材料质量 的影响，确定了最佳原料；并利用正交试验获得了各组分之间的最优配比。 2 基于试验研究，通过现代手段对材料的宏观和微观结构形态进行了深入研究分析， 得出各因素对发泡材料发泡倍率和泡孔直径的影响关系，为新材料工艺的优化提供了试验 依据。 3 通过静态缓冲性能试验数据，在包装动力学基础上建立数学模型，得出：竹纤维发 泡材料已具备了定的缓冲性能，在变形1 0 2 5 范围内缓冲系数较小，此时缓冲效率较 好，且材料在发泡剂含量为2 0 情况下缓冲性能最好；蠕变性能测试表明：材料随着静应 力的增加到达接近蠕变极限的时间越短，卸载2 4 h 后材料的残余应变随着静应力的增大而 增人。缓冲材料性能测试得到的特征曲线为缓冲包装结构设计提供了理论依据。 4 通过对e p s 泡沫塑料和蜂窝纸板静态缓冲性能的试验研究，比较得出：在应变5 5 范 围内竹纤维发泡材料具有较e p s 缓冲性能好，应变超过5 5 时，泡沫塑料具有较竹纤维发泡 材料更好的缓冲性能；竹纤维发泡材料属于硬弹性材料，比较适合小型电子、精密仪器等 脆值较小产品的包装，e p s 泡沫塑料不仪适合于小型电子、精密仪器的包装，而且适合大 型家电产品的包装：同时在较小的外力作用卜竹纤维发泡缓冲材料具有比蜂窝纸板较好的 缓冲性能。 5 基于缓冲材料其他缓冲性能的评价，材料的温度稳定性试验研究表明：在1 2 0 o 烘 箱条件下初始阶段重量变化率相对较大，j h 后相对稳定；成品在室温条件下i 天时间内 重量变率相对较大，2 0 天后相对稳定；热重分析表明在7 0 0 。c 以后制品的质量几乎不再发 生变化，制品的重量只剩余1 0 左右。材料的热稳定性测试为研究缓冲材料温度适用范罔 提供了参考价值。 浙江耻t 大学坝l 。学位论义 6 对发泡材料进行了成本预算表明：【：业级原料较实验室制得材料价格更便宜、更 经济，能有效的保证工业化连续性生产。 关键词：竹纤维；发泡机理；泡孔结构；缓冲性能；特征曲线。 浙江婵t 入学硕l j 学位论文 a b s t r a c t a i m e da tt h ep r o b l e m so f r e s o u r c es h o r t i n ga n d w h i t ep o l l u t i n g a r ei n c r e a s i n gs f i o u s ，t h i s p a p e rs t u d i e dh o wt om a k ec u s h i o n i n gp a c k a g i n gm a t e r i a lf r o mb a m b o of i b r e s a t s p e c i a l c o n d i t i o na c t i o n ，e s p e c i a l l ys t u d i e do ns o m em a i nt e c h n i c ss u c ha ss t u f f sa p p e n d i n g p r o p o r t i o n s ， f o a m i n gt i m e ，f o a m i n gt e m p e r a t u r ee t c ，a n dm a t e r i a l s b u f f e rp e r f o r m a n c e s ，a l lt h e s eo f f e r e d e x a m i n a t i o nb a s e sf o ri n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c i n g t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e do ns o m ea s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 s t u d y e do nb a m b o or a wm a t e r i a l sa n db a m b o op o w d e r ，m a s t e r y i n gw h a tw e r ei n f e c tt h e f o a m i n gm a t e r i a l sq u a l i t ys u c ha s ：d i f f e r e n tg r a n u i a r i t i e sb a m b o op o w d e r s ，d i f f e r e n tf e c u l a s ， d i f f e r e n tv e s i c a n t sa n df o a m i n gt e c h n i c s m o r e o v e rv i aq u a l i t ye v a l u a t es y s t e mc o n f i r m e de v e r y g r o u p s b e s tm a t c h 2 b a s e do ne x p e r i m e n tr s e a r c h ，v i am o d e r na r t i f i c e sl u c u b r a t e df o a m i n gm a t e r i a l s m a c r oa n d m i c r oi n s t m c t u r e ，e l i c i t e dd i f f e r e n tf a c t o r sh a dd i f f e r e n te f f e c t so nf o a m i n gm a t e r i a l s f o a m i n g r a t i oa n df o a n r i n gd i a m e t r a l ，w h i c ho f f e r e dt e s t i n gt h e r e u n d e rf o rn e wm a t e r i a lt e c h n i c a l o p t i m i z e 。 3 o v e r p a s s e ds t a t i cp e r f o r m a n c et e s t d a t a se s t a b l i s h e dm a t hm o d e lb a s e a t p a c k a g i n g d y n a m i c s ，g o tt h a ta tt h ed i s t o r t i o no f10 一2 5 a r e at h em a t e r i a lh a dt h el e s sc u s h i o nc o e f f i c i e n t ， i t sc u s h i o n g i n gp e r f o r m a n c ew a sb e s tw h e ni tw i t h2 0 v e s i c a n tw i t hi n c r e a s i n go ft h ew h i s h t s t r e s st h a tt h em a t e r i a l sa p p r o a c h e su l t i m a t es q u i r mt i m ew a sm o r es h o r t e r ，t h em a xs q u i r mr a t i o w a si n c r e a s i n g ，t o o a f t e ru n i n s t a l l e df o r2 4h o u r s ，t h em a t e r i a l sr u m pc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n w a sa l s oi n c r e a s i n g t h ec h a r a c t e rc u r v e sw h i c hw e r eg e t t i n gf r o mp e r f o r m a n c et e s t i n gc o u l d o f f e rt h e o r yt h e r e u n d e rf o rc u s h i o n i n gp a c k a g i n gd e s i g n 4 b yc o m p a r e df o a mw i t hh o n e y c o m bb o a r ds t a t i cb u f f e rp e r f o l m a n c e ，g o tt h a ta tt h er a n g e o fd i s t o r t i o n5 5 t h eb a m b o om a t e r i a lh a dt h eb e t t e rc u s h i o np e r f o r m a n c et h a ne p s ，w h e nt h e e x c e s s e d5 5 t h a te p sm a t e r i a l sc u s h i o np e r f o r m a n c ew a sb e t t e ri tc o u l da l s o g e tt h a t b a m b o of o a m i n gm a t e r i a lb e l o n g e dt oh a r dc h a r a c t e rm a t e r i a l ，w h i c hw a sf i tf o rm i n i t y p e e l e c t r o n ，e x a c t i t u d ei n s t r u m e n te c tm o r es m a l ld i s r e p a i rc o s tp r o d u c tp a c k a g i n g ，b u tt h ee p s f o a mw a sn o to n l yf i tf o rp a c k a g i n gm i n i t y p ee l e c t r o n ，e x a c t i t u d ei n s t r u m e n t ，a l s of i tf o r p a c k a g i n gb i gf a m i l ye l e c t r o n i e s ，a l s oa tt h ec o n d i t i o no fn o th e a v y o u t s i d ef o r c e s ，b a m b o of i b e r f o m nm a t e r i a lh a db e t t e rb u f f e rp e r f o m l a n c et h a nh o n e y c o m bb o a r d 5t h et e s to nl b a m i n gm a t e r i a l so t h e rc u s h i o n i n gp e r f o r m a n c es u c ha st e m p e r a t u r es t a b i l i t y ， t h er e s n l t ss h o w e dt h a ta t12 0 。co v e i 、c o n d i t i o n ，t h ep r o d u c e sw e i g h tc h a n g er a t i ow sm o r e g r e a t e r ，5h o u r sl a t e ri ta l m o s tn o tc h a n g e a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h ep r o d u c t sw e i g h tc h a n g e r a t i ow a sm o r eg r e a t e ri n5d a y s ，a f t e r2 0d a y st h eq u a l i t yw a sh a r d l yc h a n g e t h eh o tw e i g h t a n a l y s es h o w e d t h a ta f t e r7 0 0 。ct h ep r o d u c t sq u a l i t yw a sa l m o s tn oc h a n g ea g i n ，a tt h i st i m et h e p r o d u c t sw e i g h to n l yl e f ta b o u t1 0 t h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yp e r f o r m a n c eo f f e r e dr e f e r e n c e v a l u ef o rr e s e a r c h i n gm a t e r i a l st e m p e r a t u r ea p p l y i n gr a n g e 6 c o m p a r e dl a bw i t hi n d u s t r yg r a d e sc o s tb u d g eo ft h ef o a m i n gm a t e r i a l ，t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h i sm a t e l i a lh a dl o wc o s ti nt h ec o n d i t i o no fi n d u s t r yg r a d e s ，m o r ee c o n o m ya n de c o n o m i z e w h i c hc a na s s u r ec o n t i n u i t ym a n u f a c t u r eo fi n d u s t r i a l i z a t i o n k e yw o r d s ：b a m b o of i b e r ；f o a mt e c h n i c s ；c e l ls t r u c t u r e ；c u s h i o np e r f o r m a n c e ；c h a r a c t e r 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导帅 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明利引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：客陟 日期：。2n 月矽几 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名：享e 易彬 日期。泸；月刁日 年解密后使用本版权书。 同 吁w 秽州 隧 跏 蝴 ： 特 醐 浙江理t 大学硕p 学位论文 第一章绪论 包装是伴随着人类生产活动的发展而发展的，现代商品包装中，为有效保护商品的完 整性，普遍采用了缓冲衬垫，以避免商品在流通过程中冲击与振动造成的破损，因而也产 生了缓冲包装技术。 1 1 缓冲包装理论基础 为使物品安全可靠地到达消费者，就要对物品实施合理的防振缓冲包装结构设计，包 装缓冲设计的目的在于合理设计缓冲材料的形状和尺寸，正确选择外包装，使内装物在包 装费用最低的前提下，仍不致在流通过程中受到使产品失去或降低使用价值的损伤。包装 结构设计的理论基础就是包装动力学。 包装动力学作为缓冲减振包装设计的理论基础，主要研究包装内装物在流通过程中， 特别是受到冲击和振动时，如何运动和引起运动的原因；研究作为减损主要手段的缓冲材 料的性能及新材料的开发；研究由内装物、缓冲材料和外包装构成的动力学系统在外界冲 击振动作用下的运动规律的理论和实验方法等。 通过包装动力学理论基础，可以探讨出适合包装件受力损坏的动力学模型，求解方法 并得到相应的结果，从而保护被包装产品以免破损。 1 2 缓冲包装材料现状 在缓冲包装领域中最初人们主要将稻麦草、稻壳、刨花、纸屑、木丝和藤丝等用于包 装容器内空隙填充，起限位隔离和缓冲作用。但是这些材料易吸潮，吸潮后极易长霉、长 虫。而且，由于零散使用，造成包装操作困难，缓冲性能难以预测：拆卸时，凌乱烦杂， 给人以不愉快的感觉，所以不能用于高、精、尖产品的包装，更不适于礼品包装。为此， 人们就i 丌发了一系列的缓冲包装材料目前国内外采用的缓冲包装材料主要是泡沫塑料、 瓦楞纸板、蜂窝纸板、纸浆模塑、气泡薄膜、醉屑状材料、橡胶、植物纤维等。 1 2 1 泡沫塑料 泡沫塑料用做缓冲包装材料，其主要品种有p s ( 聚苯乙烯泡沫塑料) 、e p s ( 发泡聚苯 乙烯泡沫塑料) 、p u ( 聚氨酯泡沫塑料) 、p e ( 聚乙烯泡沫塑料) 和e p e ( 发泡聚乙烯) 。 浙江理t 大学颀i 学位论文 泡沫塑料清洁、美观、振动传递性小、冲击吸收性强、弹性好、对产品表面的保护性好、 耐化学腐蚀性好，因此它是目的应用最普遍的缓冲包装材料。聚苯乙烯泡沫塑料是目前包 装上用量最大的缓冲材料，广泛用于各种精密仪器、家电产品、医用器械等易碎物品的缓 冲包装。这种泡沫塑料对于大批量的产品包装具有很大优势，但对于一些不能成批量的产 品却不合适，如几件、几十件的产品，人们就不可能做几套昂贵的模具作为聚苯泡沫塑料 成型件。 尽管泡沫塑料具有重量轻、易加工、保护性能好、适应性广、价廉物美等优势，但是 也存在着体积大、废弃物不能自然风化、发泡过程中c f c 发泡剂会破坏臭氧层、焚烧处理 会产生有害气体等缺点。在环境污染严重、自然界资源匮乏的情况下泡沫塑料对环境的危 害引起人们的极大重视。虽然随着科技的发展已经研制出可降解的泡沫塑料，缓冲性能较 好，但是这种塑料价格昂贵，处理的条件要求严格，且不能百分之百地降解，因此这种可 降解塑料的大范围推广应用受到限制。所以，泡沫塑料将逐渐被其它环保缓冲材料所替代。 1 2 2 瓦楞纸板 瓦楞纸板是人们较早使用的一种缓冲包装材料，它具有良好的加工性能，成本低，使 用温度范围宽，既有利于环境保护，又可以回收利用。据有关资料报道，全球瓦楞纸板的 消费量约占全部纸和纸板消费量的1 3 。据专家预测，2 0 0 5 年我国纸和纸板消费量约5 0 0 万 吨，瓦楞纸和纸板的消费如按3 0 测算，届时我国瓦楞纸板的消费量将达到1 5 0 0 万吨”。 随着我国加入世界贸易组织，对纸制品包装的需求量更大，这无疑为瓦楞纸包装的发展， 带来了千载难逢的发展机遇。 瓦楞纸板有许多优良的性能，但也存在一些缺点：如表面较硬，在包装高级商品时不 能直接接触内装物的表面，使内装物与缓冲纸板之间出现相对移动而损坏内装物表面；耐 潮湿性能差；复原性小等。这无疑在一定程度上限制了瓦楞纸板的发展。 1 2 3 蜂窝纸板 蜂窝纸板是用高强度正六边形蜂窝纸芯和各种高强度的牛皮纸复合而成，具有新型夹 层结构的环保节能材料。其显著特点是以最少的材料获得最大的受力，即强度质量比最大。 蜂窝纸板的比强度和比刚度高，材耗少、重量轻、内芯密度几乎可与发泡塑料相当。 蜂窝纸板由于内芯中充满空气且互不流通，因此具有良好的防震、隔热、隔音性能。蜂窝 纸板的生产采用再生纸板材料和水溶胶粘剂，可以百分之百回收，克服了泡沫塑料衬挚对 人和自然环境的危害。它是包装领域替代木箱、塑料箱( 含塑料托盘、泡沫塑料) 的一种 新型绿色包装材料。适用于精密仪器、仪表、家用电器及易碎物品的运输包装。 浙江理丁大学顾 学位论文 但是蜂窝纸板制品使用量并不乐观，主要原因有：1 ) 生产自动化程度低，难以达到纸 蜂窝制品的标准化、系列化，纸蜂窝设备及制品在技术、工艺等方面有待进一步改进、提 高和完善：2 ) 目前纸蜂窝制品不仅表匝粗糙，而且印刷色彩不佳，不够档次，尤其是防水、 防潮问题还没有得到很好解决：3 ) 目韵纸蜂窝制品的价格用户难以接受“1 。 1 2 4 纸浆模塑 纸浆模塑是以纸浆( 或废纸) 为主要原料，经碎解制浆、调料后，注入模具中成型、 干燥而得。纸浆模塑制品除具有质轻、价廉、防震等优点外，还具有透气性好、有利于生 鲜物品的保鲜等特点，在商品流通上，被广泛用于蛋品、水果、玻璃制品等易磅、易破、 怕挤压物品的周转包装上，是目前流行于国内外市场的泡沫塑料包装材料的换代产品。 但其制品过于致密，抗震耐冲击性能大大低于e p s 材料，不及e p s 材料的1 1 0 ，该制品 的抗震耐冲击性能主要是通过制品的几何结构来保证，由于受到模具结构及加工的影响， 制品的发展受到很大的制约，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 填充仍然采用e p s 发泡塑料制品，这一技术难题至今未能得到有效解决。同时，由于纸浆 模塑成本 ：l e p s 泡沫制品的成本要高，因而也极大地限制了纸浆模塑制品的发展。1 。 1 2 5 气垫缓冲材料 早期的气垫缓冲材料为气挚薄膜，它是用聚氯乙烯薄膜高频热压成形，内充氮气，外 形类似小枕头，透明、富有弹性，适用于轻小型产品的缓冲包装。但是该气挚薄膜易受其 周围气温的影响而膨胀和收缩。膨胀将导致外包装箱和被包装物的损坏，收缩则导致包装 内容物的移动，从而使包装失稳，最终引起产品的破损。 1 2 6 植物纤维类 植物纤维类缓冲包装材料是在考虑充分利用自然资源的情况下发展起来的。这种材料 是以植物纤维、废旧报纸、纸箱纸和其他植物纤维材料淀粉添加助剂制作而成，可用于制 造各种一次性餐具、家电产品的包装和缓冲包装物，替代目前广泛使用的塑料及泡沫塑料 包装材料及制品，可较好解决这些量大面广的普通塑料包装废弃物所造成的“白色污染” 等问题，并在一定程度上对缓解石油短缺以及处理或综合利用农业废弃物方面都有积极作 用。 这种新兴包装制品材料主要有以下特点“1 ： 主要原料是废纸、蔗渣、麦秸、稻草等植物纤维以及工业淀粉等，原料束源广泛， 且不会对环境和回收造成障碍，有利于生产商的产品出口。 制品安全、卫生、无毒、无污染、可降解性好，产品可回收再利用，粉碎后经堆砌 1 浙江理t 大学硕j 学位论文 可作为肥料使用，是一种绿色包装材料。 防静电、防腐蚀性能优于e p s 发泡材料，通过添加助剂可具有耐热、耐酸碱、防水、 防油等多种功能和特点，可在微波炉和冰箱冷冻室等环境要求较高的条件下使用。 可替代e p s c 5 t 作填充颗粒物体，其效果与e p s 发泡塑料基本相同，可制作大型家电产 品及电子产品的包装衬挚及填充，可填补纸浆模塑产品至今还无法制作该类产品的空缺。 植物纤维发泡制品与纸浆模塑产品相比，工艺简单，无需形状复杂的成型模及热压 模，降低了制品的制作难度，生产时间及周期短，能耗和原料成本低。 植物纤维发泡材料与e p s 发泡塑料、纸浆模塑制品的性能比较见表1 1 表1 1 植物纤维发泡材料与e p s 发泡塑料、纸浆模塑制品的性能比较 1 3 缓冲包装材料应具备的力学性质 在包装力学模型中，一般都把缓冲材料视为理想的弹性体，实际缓冲材料的弹性，从 它们的力二形变曲线来看是相当复杂的。下面介绍几类常用的缓冲材料”1 。 1 线弹性材料 这类缓冲材料的力一变形曲线呈直线性。如果用f 表示作用在材料上的力，用x 表示在 力f 作用下引起的形变，则f 与x 的关系可用下式表示： f = o r( 1 1 ) 式中k 是缓冲材料的弹性系数。 4 ：堑坚些三尘兰堡兰兰竺堡皇 从式卜i 可以看出，k 越大，则要使材料发生同样的x 所需的f 也越大。或者说k 越 大，要产生很小的x ，所需的f 却很大。这种情况对应的缓冲材料呈刚硬态。反之k 越小， 表明材料容易变形，在很小的f 下可以产生很大的x ，这种情况对应的缓冲材料呈流体态。 实际上严格说具有线弹性性质的材料是极少的，线弹性材料意味着在使用范围内力一 形变关系遵循虎克定律，也就是使用范围未超出线弹性，或者说是线弹性范围较大的材料。 2 正切型弹性材料 这类缓冲材料的力一形变曲线呈正切函数型。 f = 半嗡 力f 与形变x 的函数关系可用下式表示： ( 1 - 2 ) 式中1 【0 为曲线在x o 时的斜率，称初始弹性系数；d b 为材料的形变极限，在x d b 时f 具有正切函数型性质的缓冲材料很多，如泡沫橡胶、棉花、乳胶海绵、碎纸、涂胶纤 维以及欲压后的聚苯乙烯泡沫塑料等等。 3 双曲工f 切型弹性材料 这类缓冲材料的力一形变曲线呈双曲正切型。力f 与形变x 的函数关系可用下式表示： ，一f 0 , h 等 ， 式中l ( 0 为曲线的初始弹性系数；f o 为x 一一、f f o 时力f 的极限值。 从式1 3 可知，在形变x 允许的范围内，不论x 怎么增大，f 或。始终被限制在规定范 围内。如果选用这种材料作为缓冲包装材料，在冲击过程中，传递到内装产品上的力可被 限制到小于产品本身的承受能力，起到保护产品的目的。 4 三次函数型弹性材料 这类缓冲材料的力一形变曲线呈三次函数型。力f 与形变x 之间的函数关系可用下式表 示： f=ko+蹦3(1-4) 式中k 0 为曲线的初始弹性系数；y 是弹性系数增加率。 这类弹性材料的特性，与线弹性材料相比，其不同处在于当变形增加时，随着弹性系 数增长率y 的f 负性不同，曲线方向成为向上或向下的，弹性系数增长率的绝对值越大， 曲线偏离线弹性直线的速度越大，与之对应的材料也会变的越硬( y 0 ) 或越软( y b d ，即影响最大的因 素是发泡剂质量比，影响最小的是淀粉与其他添加剂质量比。影响压缩强度各因素的极差 由大到小b c d a ，即影响最大的因素是淀粉发泡剂质量比，最小的是竹纤维淀粉质量 3 l 浙江理工人学硕j 学位论义 比。 在分析最优方案时，基于制备缓冲材料的目的，选择发泡体密度越小越好，发泡体的 压缩强度越大越好。故通过比较密度栏中确定的最优方案是c z a ：b ，d 。，压缩强度栏中确定的 最优方案是b ；c d 4 ：，所以： a 因素：对比两个指标知，a 因素均选择2 水平较好，所以选择a ： b 因素：对比两个指标知，b 因素均选择3 水平较好，故选择b 。 c 因素：对比两个指标知，对于密度选择2 水平好，而对于压缩强度选择l 水平好；对 于两个指标而言，从极差分析表和趋势图上可以看出c 因素对密度的影响是处于主要地位， 而对压缩强度的影响处于次要地位，所以根掘多数倾向和c 因素对不同指标的重要程度， 选取c ：。 d 因素：对比两个指标知，均选择3 水平较好，故选择d 。 表3 1 4 体系参数的确定 3 2 发泡材料结构表征 3 2 1 发泡材料宏观结构表征 图3 3 表面较平整发泡体外观图图3 4 表面翘曲发泡体外观图图3 5 无发泡现象制品切面图 3 2 浙江理t 大学顾十学位论文 图3 6 破孔制品侧面图图3 7 制品切面发泡图图3 8e p s 泡沫塑料切面图 图3 3 为表面较平整发泡体外观照片，这是在试验研究最佳工艺参数和工艺条件下严 格按照工艺流程制得的发泡材料，制品的外观比较平整，表面比较光滑，从图3 7 可以清 楚地观察到制品内部发泡效果，泡孔比较致密、均匀。图3 4 为表面严重变形制品外观图， 是由于在试验的过程工艺条件的控制不得当，温度过高时l 日j 过长，使的材料在泡孔成型之 后仍保持在高温状态，水分和其他小分子挥发物几乎全部逃逸，纤维问架起的桥梁不足以 抵抗材料热收缩产生的外力，淀粉大分子胶粘剂等物质的性能也发生了变化，促使制品收 缩变形。图3 5 为没有发泡制品外观图，在此试验中没有添加发泡剂，故此得到的制品犹 如一块木板，硬而实，没有缓冲性能。 而图3 6 是制品泡孔严重破裂现象之一，这是因为泡孔增长过程在某一阶段未被中断， 一些泡孔增长到非常大，使形成泡孔壁的材料达到材料达到破裂极限，最后所有泡孔会相 互串通，使泡沫结构坍塌，或会出现了所有的气体从泡孔中缓慢地扩散到大气中的现象， 泡沫中气体的压力逐渐地衰减，那么泡孔会渐渐地变小并消失。 那么通过竹纤维发泡制品与应用广泛的发泡聚苯乙烯( e p s ) 泡沫塑料外观比较知： 竹纤维制品的发泡厚度不如e p s 泡沫塑料好，常用的板材状e p s 泡沫塑料有2 0 m m 和5 0 m m 厚，根掘需要还有更厚或更薄的材料，而该实验室研究制得的竹纤维发泡材料厚度最高只 有1 5 m m ，与e p s 厚度的差异较大，这主要是由于两者发泡方法和发泡工艺的不同所造成的。 该研究所采用的工艺过程是在考虑试验条件和简化工艺的基础上进行的，一步成型、试验 室手工操作，采用无机发泡剂在一定温度范围内分解进行的，胶粘剂与此同时包住发泡剂 产生的气泡，从而使气体均匀的分散在竹纤维细胞内，减小竹纤维密度而制得具有一定缓 冲性能的材料；而e p s 泡沫塑料是在聚苯乙烯珠粒中加入低沸点的液体发泡剂，在加温加 压的条件下，渗透到聚苯乙烯珠粒中，使其溶胀，制成可发性聚苯乙烯树脂。在受热的情 况下，聚苯乙烯软化而低沸点烷烃挥发导致聚苯乙烯粒子膨胀，利用这一原理，将其经过 预发、熟化、成型、烘干及切割等加工工艺制得可发性聚苯乙烯制品。正是因为这种工艺 上的差别，致使两者的发泡倍率有很大的不同，从而对其缓冲性能也会产生一定的影响， 浙江理工人学硕l 学位论文 至于两者缓冲性能的差别再后面性能测试中将会进一步分析。 3 2 2 发泡材料微观结构表征 3 2 2 1 万能显微镜微观结构分析 图3 9 发泡材料( 1 0 0 倍) 显微镜图图3 1 0 无发泡现象制品( 1 0 0 倍) 显微镜图 图3 1 1 破孔制品( 1 0 0 倍) 显微镜图图3 1 2 胶膜在纤维间分布( 1 0 0 倍) 显微镜图 从图3 9 可以观察到在成品中纤维也形成了一个个小室结构，图中白色部分就是发泡 过程中产生的气泡所形成的小气室，泡孔呈现一定的不均匀性，但达到了减小竹纤维密度 的目的，实现了最初的目标。图3 1 0 是在没有添加发泡剂的情况下制得的材料，材料相 当致密，看不到空腔小室结构。如图3 1 1 所示在实际中有些气泡干燥过程中会由于干燥 过快而产生破裂，或由于干燥过慢而由小气泡合并为大气泡，都会影响试样内部的空间结 构，造成内部的应力缺陷从而影响制品的强度。图3 1 2 中较亮的反光部分充分说明纤维 经过搅拌帚化后与胶粘剂共同参与成膜，从而使制品的强度得到了提高。 3 2 2 2 扫描电镜结构分析 1 ) 泡孔结构s e m 图 浙江理t 大学硕 学位论文 图3 1 3 竹纤维发泡材料( 1 0 0 倍) s e m 图图3 1 4e p s 泡沫颦料( 1 0 0 倍) s e m 图 图3 1 5 竹纾维发泡材料( 2 0 0 倍) s e m 图图3 1 6e p s 泡沫蝈料( 2 4 0 倍) s e m 图 罔3 1 3 是在纵多不同条件下制缛的经感官质量评价相对较好制品之一，从中可以清 晰的看到竹纤维发泡制品泡孔微观结构彤念：泡孔较均匀，呈不规则形状排列，孔璧较厚， 发泡效果一般。比较e p s 泡沐邶料稚：k i l i , i ! 的放大倍数f 的泡孑l 结构( 图3 1 4 ) 明显观察到 其泡孔大小均匀、致密，呈有规 i ! i j 的形状排列，孔壁比较薄，各孔之间的连接比较紧密。 两者泡孔形态上的筹异正如3 2 1 节中所述的该课题研究省去了制造发泡母粒的过 程，不仅简化了生产工艺，生产过程中无需像泡沫塑料会有大量的有害气体排放 来，无 形之中保护了环境，而且节约了能源，减少了成本，当然该材料的研究只是甚于实验窒条 件下进行的，拿于丁业化生产还彳待丁进一步充善工艺参数和条件，生产出结构更加均匀、 性能更住优良、应用更佳广泛的发泡缓冲利料。 2 ) 发泡制品纤维问联结状况s e m 图 浙江理t 人学顾f 学位论文 图3 1 7 纤维定向排列结合 横截面( 5 0 0 倍) s 删图 图3 1 8 材料内部网状交联 结构( 5 0 0 倍) s e m 图 如图3 1 7 所示可以看到竹纤维粉体在胶粘剂作用下纤维纵横向的定向排列结合，从 而增强了制品的连接牢度。如图3 1 8 所示，在纤维交叉处胶层集中在纤维及结合的部分， 形成了网状交联结构，也即离散状态的竹纤维在一定介质的作用下架成的网状结构，发泡 剂分解产生的气泡张力对竹纤维形成了“托起”作用；同时，纤维问的活性基团由于与水 分子问氢键作用被相互牵扯到一起，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”，这种联结形成的“立体网”结构在胶粘剂等其它化学物质得作用下提 高了强度，减小了竹纤维的密度，并具有了一定的缓冲性能。 3 3 各因素对材料发泡倍率和泡孔直径的影响 材料发泡倍率和泡孔直径的研究为新材料的丌发提供参数依据。发泡倍率和泡孔直径 分别按照2 4 5 节中所述的计算方法进行计算，其中在计算各因素对泡孔直径的影响时， 扫描电镜照片的放大倍数为2 0 0 倍，照片尺寸为2 2 1 2 c m x 2 5 8 5 c m 。 3 3 1 淀粉含量对制品发泡倍率和泡孔直径的影响 在体系中以正交试验条件下得到的最佳配比为依据，改变淀粉含量测其对发泡材料泡 孔结构的影响，分别依次加入质量百分含量为1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 的淀粉，在 1 2 0 c 温度下，5 小时时间内按实验流程操作制备材料，计算得到的结果如下图所示： 浙江理t 大学硕 学位论文 淀粉含量 图3 1 9 淀粉含量对发泡倍率和泡孔直径的影响 从图3 1 9 可以看出，在没有加入淀粉进行发泡的体系，初始发泡倍率极低，只有1 1 倍，也即没有加入淀粉的体系进行发泡时效果不佳，随着淀粉的加入，发泡倍率开始呈递 增趋势，当淀粉的含量为2 0 时，体系的发泡倍率最大为2 0 5 倍，此时泡孔直径也最大为 0 2 7 m m ，淀粉的作用加强了纤维之问的粘合能力，使孔与孔之问有一定的相互作用下联结 在一起，提高了立体网状结构的强度；但随着淀粉量的再增加，由于粘度过大，致使纤维 之间的结合力过大，气泡膨胀的动力不足以克服纤维之问的粘合力从而致使发泡的程度减 小，也即发泡倍率下降，泡孔直径也大大减小。 3 3 2 发泡剂含量对制品发泡倍率和泡孔直径的影响 在体系中以正交试验条件下得到的最佳配比为依据，改变发泡剂含量测其对发泡材料 泡孔结构的影响，分别依次加入质量百分含量为1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 的发泡剂，在 1 2 0 温度下，5 小时时间内按实验流程操作制备材料，计算得到的结果如下图所示： 糌 也 粤 煞 发泡剂含量 图3 2 0 发泡剂含量对发泡倍率和泡孔直径的影响 从图3 2 0 可以看出，制品的发泡倍率和泡孔直径都是随着发泡剂含量的增加而逐渐增 加，最大发泡倍率可达2 0 2 倍，最大泡孔直径可达0 2 7 8 n n 。而制品发泡倍率在开始阶段 3 7 o o 0 o o o o o o o 目晕 2 2 1 1 1 1 1 o 0 静连舞鲻 浙江理工人学硕p 学位论文 随着发泡剂含量的增加递增速度比较快，此后再随着发泡剂含量的增加发泡倍率增加缓慢 究其原因丌始阶段发泡剂含量较少时，发泡荆与共混体系的氢键作用，使体系的熔体强度 降低，粘度降低，发泡倍率提高；但发泡剂含量过高时，淀粉和纤维大分子降解，分子量降低 粘度有所降低，使体系无法完全包容气体，体系的发泡倍率虽仍有所上升，但比较缓慢；且 过量的发泡剂会造成泡孔分布不均匀，泡孔直径差异大，甚至形成中空。一般控制在发泡 倍数2 3 倍较好，目前该材料的发泡倍率尚未达到预定目标，有待于进一步改进工艺。 3 3 3 填料含量对制品发泡倍率和泡孔直径的影响 在体系中以正交试验条件下得到的最佳配比为依据，改变填料含量测其对发泡材料泡 孔结构的影响，分别依次加入质量百分含量为5 、8 、1 2 、1 6 、2 0 的碳酸钙，在1 2 0 温度下，5 小时时间内按实验流程操作制备材料，计算得到的结果如下图所示： 填料含晕 图3 2 1 填料含量对发泡倍率和泡孔直径的影响 从图3 2 1 可以看出随着填料含量的增加，体系的发泡倍率和泡孔直径均先增大后减小， 在填料含量为1 2 时，发泡倍率最大位1 5 7 倍，孔径也最大为0 2 1 8 r a m 。在制备发泡材料的 过程中，填料碳酸钙在体系中不仅起到填补纤维之间空隙，加强纤维之间的连接作用，提高 尺寸的稳定性，可以提高制品的伸长率和拉伸强度。 3 3 4 交联剂含量对制品发泡倍率和泡孔直径的影响 在该实验的研究过程中，交联剂起着重要的作用，常采用硼砂作为淀粉的交联剂，以硼 砂占淀粉比例的变化来衡量体系的发泡倍率和孔径大小。在体系中以萨交试验条件下得到 的最佳配比为依据，研究硼砂分别占淀粉百分含量0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 的条件下对发泡 材料泡孔结构的影响，在1 2 0 。c 温度下，5 小时时间内按实验流程操作制备材料，计算得 12鸺他们叮 褂逛卿越 浙江理t 大学硕l 学位论文 到的结果如下图所示 静 坦 羽 铺 图3 2 2 硼砂含量对发泡倍率和泡孔直径的影响 从图3 2 2 可以看出，体系发泡倍率和泡孔直径都随着硼砂与淀粉比例的增加先增大后 减小。在硼砂用量占淀粉比例的1 0 一1 5 最好，这是因为硼砂水解时以硼氧为中心离子，能 与淀粉胶粘剂中的羟基结合为配体，形成网状结构的多核络合物，从而增加黏度，并能很好 的固着在带有羧基的纤维的表面上，增加了胶粘剂的初粘力，并使生成的薄膜固定，提高了 抗水性和自然干燥能力，但是硼砂的用量也不能太多，否则会使胶层发脆，起不到粘结作 用。 3 3 5 发泡温度对制品发泡倍率和泡孔直径的影响 在体系中以正交试验条件下得到的最佳配比为依据，设定发泡成型的温度分别为9 0 、 1 0 0 ( 2 、1 1 0 、1 2 0 、1 3 0 ，发泡时间为5 小时按工艺流程制备材料，计算得到的结果 如下图所示： 图3 2 3 温度对发泡倍率和泡孔直径的影响 从图3 2 3 可以看到，体系的发泡倍率和泡孔直径随着发泡体系的温度的升高变化趋势 比较大，在1 2 0 时体系的发泡倍率和孔径最好，发泡倍率达1 6 8 倍，泡孔直径为0 2 4 1 r a m 。 3 9 浙江理t 大学硕| - 学位论文 再次升高温度均有所下降，这可能因为温度升高淀粉熔体强度降低，体系无法完全包容气 体：同时温度升高还可使发泡剂分解加快，发泡膨胀动力增大，使气泡破裂，发泡倍率降低， 孔径也减小。 3 3 6 发泡时间对制品发泡倍率和泡孔直径的影响 在体系中以正交试验条件下得到的最佳配比为依掘，1 2 0 。c 温度下，分别设定3 h 、4 h 、 5 h 、6 h 、7 h 时间内按实验流程操作制备材料，计算得到的结果如下图所示： 重 靶 品 图3 2 4 时间对发泡倍率和泡孔直径的影响 从图3 2 4 可以看出材料的发泡倍率随着发泡时问的增加，先增大后减小，且发泡倍 率在3 h 、4 h 、5 h 内变化率较小，此后变化率较大。这是由于在发泡初期，发泡剂分解的 速度较快，发气量较大，产生的气体较多，胶粘剂还没完全包覆住生成的气泡，也即泡沫 此时尚未成型，孔径在逐渐增大，当到达一定的时间和温度，泡沫在各种助剂的作用下逐 渐成型，并在纤维骨架作用下，强度提高了。5 h 后若仍未取出半成品，会由于时间过长， 气泡之问会发生碰撞而合并的几率也随之上升，并泡作用也加剧了，从而发泡倍率又下降。 而比较泡孔直径在5 h 时问内制得的材料孑l 径最大，但孔的强度、材料缓冲性能的优良还 有待于进一步研究。 纵观以上各因素对材料发泡倍率和孔径的影响，该材料的发泡倍率平均在1 3 - 1 7 7 之间