发泡材料工艺研究

发泡材料工艺研究 摘要目前，很多发泡剂（EPS、EPE等）造成的白色污染，面临淘汰势在必行。 为了缓解EPS、EPE发泡塑料制品带来的环境污染问题，国内外纷纷研究植物纤维缓冲包装材料。 本论文首先介绍了制造废纸淀粉发泡材料的工艺流程,分析了发泡过程中影响发泡质量的影响因素,并针对应该如何控制这些因素而达到最佳发泡质量作了相应的分析研究。 本论文研究的发泡剂以淀粉添加剂、以柠檬酸钠为成核剂、以聚乙烯醇为黏结剂、以丙三醇为增塑剂、以硼砂为助剂和废旧报纸制作而成，具有不污染环境、制作工艺简单、成本低廉、原料广、防震隔震性能优于纸浆模塑制品等特点。 在实验过程中，选取了众多影响因素中的四个因素为主要正交试验研究对象，即柠檬酸钠、碳酸钠、丙三醇、聚乙烯醇。 采用单因素试验法研究了废旧报纸、淀粉、硼砂、发泡温度、发泡湿度、发泡时间等的影响。 通过正交试验和单因素试验的结合研究分析,采用极差分析法,最终建立了一套最佳的工艺条件,发泡率为84.71%。 对以后的研究具有指导作用和应用价值。 但EPS泡沫塑料制成的包装防震材料、一次性快餐盒以及蛋糕托盘等造成白色污染的主要，在环境中难于降解，是环境恶化的隐形杀手，成为全人类的公敌。 然而即使淘汰氟氯烃类发泡剂，采用丁烷和戊烷等纯烃类发泡剂，烃类的释放也和其它挥发性有机化合物一样，污染低层大气层，产生光化学烟雾。 从长远角度来看,EPS等造成的白色污染，面临淘汰势在必行。 就目前情况而言，作为环保替代品，主要是纸浆模塑工业品防震内衬包装制品。 但其制品过于致密，抗震耐冲击性能大大低于EPS材料，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离不开EPS发泡塑料制品。 为研究以废旧报纸为主要原材料发泡,本文对此进行了大量的研究。 本论文主要采用正交试验法和单因素试验法，主要研究内容有成核剂柠檬酸钠对发泡材料发泡效果的影响；增塑剂丙三醇对发泡材料发泡效果的影响；无水碳酸钠对发泡材料发泡效果的影响；黏结剂聚乙烯醇PVA对发泡材料发泡效果的影响；废纸纤维用量、淀粉用量对发泡材料发泡效果的影响；硼砂对发泡材料发泡效果的影响；发泡温度对发泡材料发泡效果的影响；发泡湿度对发泡材料发泡效果影响。 研究过程中所用的主要仪器JJ-1型定时电动搅拌器；101-0A型电热鼓风干燥箱；电子天平；78HW-1显温磁力搅拌器；游标卡尺等等。 在撰写此论文及做实验中，参考了数篇文献、查询了众多资料，这些文献不仅提供了发泡原理及工艺，更重要的是提出了一些影响发泡的因素。 本课题研究的意义在于讲述了发泡过程的各个操作步骤，研究了实验方案，分析了影响发泡的因素，借鉴已有计算公式，得出了最佳发泡方案。 为以后的研究及操作提供了重大的参考价值。 21.概述1.1简介发泡材料,也称发泡剂,是指能在物质内部气化产生气泡使之成为多孔物质的发泡物质,如制造泡沫塑料、泡沫橡胶、泡沫树脂、发泡食品(馒头、包子、面包、蛋糕)等,发泡材料可分为化学发泡材料、物理发材料和表面活性剂三大类2。 随着科学技术的迅速发展，人类社会对环境保护日益重视，限制和淘汰对环境有严重污染的产品，提倡固体废弃物资源化、减量化和无害化是一种发展趋势。 EPS泡沫塑料制品作为包装材料、防震内衬的首选产品，其优越的包装性能以及低廉的价格，至今尚无更为理想的产品能够取而代之。 但EPS泡沫塑料制成的包装防震材料、一次性快餐盒、蛋糕托盘等等是造成白色污染的主要，在环境中很难降解，已经成为令人头疼的问题。 1.2发展现状目前，一些发达国家正在加紧进行植物纤维发泡技术的研究，期望该新型包装材料能够替代还在广泛使用的EPS发泡材料1-3。 国外植物纤维发泡制品所采用的方法主要集中在不添加化学发泡剂的工艺方面，原料是通过水蒸汽的作用发泡，形成颗粒型发泡纸浆。 日本在该项技术上已取得较为显著的成绩。 日本工业技术研究所开发了用废纸作原料的干式纸浆发泡技术。 这种废纸无需用水溶化，该制作包装材料的技术与湿式纸浆模法相比，所制出的产品具有更好的生物分解性，不会造成二次公害。 该项技术是将废纸粉碎到5mm以下，与淀粉浆糊混合制成直径13mm的粒子4。 将粒子吹入处于开启状态的金属模后再关闭加热，浆糊中含有的水分在加热过程中从通气孔排出，可制作成精度、厚与金属模相应的包装制品。 在制作发泡包装材料时，可预先将废纸和淀粉浆糊的小粒发泡，该发泡体涂上淀xx届印刷工程专业毕业设计（论文）3粉浆糊吹入金属模，或者将粒子加入发泡材料在金属模内使之发泡。 由于该项技术不需用大量的水，因而不需要配备干燥流水线和废水处理设备。 1.2.1国内研究现状近年来，我国有几所院校正在进行这方面的技术研究开发，并已取得了阶段性成果。 国内的工艺方法主要集中在使用添加剂化学发泡剂方面。 目前武汉远东绿世界公司和通山科学工业技术研究所共同研制的双发泡植物纤维发泡包装新材料，可用于家电生产企业替代泡沫塑料包装。 该材料是用改性淀粉和高纤维填充物为原料，在高效复合发泡的作用下经低温发泡选粒，高温发泡成型技术生产而成，具有防潮，抗震，抗压，强度好，重量轻，价格低等特点，该材料降解率可达到78.4%，是一种新型环保包装材料，是塑料泡沫包装材料的极佳替代品2-4。 目前国内植物纤维发泡材料方面技术的研究和开发，已取得了阶段性的成果。 国内开发研究的植物纤维发泡制品一般通过添加化学发泡剂的方法发泡，使用发泡剂的发泡工艺较为简单。 1.2.2国外研究现状目前，一些发达国家正在加紧进行植物纤维发泡技术的研究，期望该新型包装材料能够替代还在广泛使用的EPS发泡材料。 国外植物纤维发泡制品所采用的方法主要集中在不添加化学发泡剂的工艺方面，原料是通过水蒸气的作用发泡，形成颗粒型发泡纸浆。 日本在该项技术上已取得较为显著的成绩。 日本工业技术研究所开发了用废纸作原料的干式纸浆发泡技术。 这种废纸无需用水溶化，该制作包装材料的技术与湿式纸浆模法相比，所制出的产品具有更好的生物分解性，不会造成二次公害。 该项技术是将废纸粉碎到5mm以下，与淀粉浆糊混合制成直径1-3mm的粒子。 将粒子吹入处于开启状态的金属模后再关闭加热，浆糊中含有的水分在加热过程中从通气孔排出，可制作成精度、厚与金属模相应的包装制品。 在制作发泡4包装材料时，可预先将废纸和淀粉浆糊吹入金属模，或者将粒子加入发泡材料在金属模内使之发泡。 由于该项技术不需用大量的水，因而不需要配备干燥流水线和废水处理设备。 天然纤维素纤维树脂复合发泡材料属于以高分子材料为基体的一种复合材料，是一种气固二相体系的复合材料，其内部均匀地分散着无数微小气孔，天然纤维素纤维作为一种有机固相聚合物，起到生物降解和增强作用。 由于聚合物发泡体具有质量轻、比强度高、吸收冲击载荷能力大、隔热性能好、隔音性能优良等许多宝贵的性能，因此被广泛地应用于日用品、工业、农业、交通运输、军事工业、航天业等多方面。 国外在进行发泡型植物纤维缓冲包装材料的制作及机理方面的研究，已取得了不同程度的阶段性成果。 其实验室制成的样品，足以显示出该产品的发展具有巨大市场潜力，但目前该技术离实现工业化大规模生产还有一定的距离5。 1.3研究内容本课题对废纸淀粉发泡工艺做了研究，将制好的淀粉糊与成核剂、增塑剂、黏结剂等按一定量混合，再将混合物加入制好的纸浆中，搅拌均匀后放在表面皿上并置于干燥箱中加热发泡，一定时间后，取出半干的发泡体自然条件下晾干即可。 实验过程中采用正交试验法和单因素试验法，正交试验方案选用四因素三水平实验方案,单因素试验方案选用了纸浆用量、淀粉用量、发泡时间等为变量，最终确定出最佳的实验方案。 1.4成果及意义本课题研究的制品是以植物纤维（废旧报纸）以及淀粉添加助剂材料制作而成，具有不污染环境、制作工艺简单、成本低廉、原料广等特xx届印刷工程专业毕业设计（论文）5点。 同时废弃泡沫在环境中降解快速完全，不污染环境。 该材料不仅可以制作防震内衬，也可替代EPS作填充颗粒物体。 现在，发泡植物纤维或发泡变性淀粉制品已部分应用于包装抗震材料和蛋糕托盘领域，其生产成本仍高于EPS制品，限制了其制品的推广应用，但已经显示出该产品的发展具有巨大的市场潜力。 主要意义在于讲述了发泡过程的各个具体操作步骤，研究了实验方案，分析了影响发泡的因素，借鉴已有计算公式，得出了最佳发泡方案。 为以后的研究及操作提供了重大的参考价值。 62实验部分2.1实验材料和仪器2.1.1发泡所用材料 (1)废旧报纸纸张的原料主要为木材、草、芦苇、竹等植物纤维，废纸又被称为“二次纤维”最主要的用途是纤维回收再生纸品3。 根据纤维成分的不同，按纸种进行对应循环利用才能最大程度发挥废纸资源价值。 使用废纸纤维原料,不仅比木材和草类纤维造纸具有环保上的优势,减少对生态环境的污染与破坏,更是造纸业可持续发展,长期生存的需要。 综合利用好废纸,不仅利国利民,更是企业竞争和生存的重要手段。 近年来,印刷包装用纸和纸板的生产量及消费量与日俱增,废纸的产生量也在迅猛上升。 废纸纤维结构和性质与天然植物纤维相似，因此在发泡中也可得到合理的利用，这样不仅解决了废纸利用问题，也在发泡行业发展空间巨大。 （2）淀粉淀粉材料的发泡方法可分为两类1）升温发泡，即在常压下迅速加热材料使得其中的水分汽化蒸发，从而在淀粉材料中形成多孔结构；2）降压发泡，即在一定的压力下加热材料，使得材料中的水成为过热液体，然后快速释放外部压力造成其中过热的水汽化蒸发，从而使淀粉材料发泡。 淀粉材料的粘弹性是影响泡体长大的主要因素。 而淀粉材料的粘弹性不但与温度有关，而且与淀粉的塑化程度及其水含量有关。 为了使淀粉材料发泡，首先必须提供足够的热量，使淀粉材料的温度高于其玻璃化转变温度而处在橡胶态。 水的存在将有效地降低淀粉材料的玻璃化转变温度。 在发泡过程中，随着水的蒸发消失，材料的玻璃化转变温度不断升高，最终从橡胶态回到玻璃态，从而将体内的孔洞结构保持下来。 如果材料的最终状态仍然是橡胶态，则体内的孔洞结构将逐渐塌陷萎缩。 xx届印刷工程专业毕业设计（论文）7 （3）柠檬酸钠在发泡过程中柠檬酸钠起着成核剂的作用。 柠檬酸钠又称枸橼酸钠,它的分子式是C6H5Na3O7，分子量为258.07，相对密度1.875(23.5)，外观为无色晶体或白色结晶粉末。 物理性质无毒，无臭，味咸，并有清凉感，易溶于水及甘油,难溶于醇类及其他有机溶剂，有潮解性,在热空气中有风化性，150以上失去结晶水并分解。 5%水溶液的PH为7.6-8.6，150时易失去结晶水。 （4）无水碳酸钠无水碳酸钠分子式为Na2CO3，分子量105.99。 无水碳酸钠的生成方法用氨气通入食盐的浓溶液中至饱和，在加压的条件下通过二氧化碳生成碳酸氢钠沉淀，过滤后用冷水洗净，焙烧而成。 物理性质白色结晶或结晶性粉末，具吸水性，无臭味，有碱味，相对密度2.4，熔点850，易溶于水，溶解时放出溶解热，不溶于醇、丙酮，能溶于甘油，与酸相遇放出二氧化碳，有潮解性，长期暴露于空气中，吸收二氧化碳而生成碳酸氢钠，结成硬块，水溶液呈强碱性(pH为116)。 作用与用途在药剂中用作碱性浸出辅助剂，碱化剂、pH调节剂；在食品工业中用作碱性剂、膨松剂，用于制备馒头、糕点等食品。 安全性:碱性强不可直接供药用，易损坏皮肤、粘膜。 （5）聚乙烯醇（PVA）聚乙烯醇结构式为-CH2CH(OH)n，外观为白色，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡胶之间，它的用途可分为纤维和非纤维两大用途。 聚乙烯醇是一种不由单体聚合而通过聚醋酸乙烯酯水解得到的水溶性聚合物，外观为白色乳状黏稠物，可溶于水，在泡沫中起发泡稳定作用，可确保发泡剂的发泡稳定性。 聚乙烯醇的物理性质受化学结构、醇解度、聚合度的影响。 用途在织物发泡中作稳定剂。 8 （6）丙三醇（增塑剂）丙三醇俗名甘油，是一种无色、无臭、味甘的粘稠液体。 （7）硼砂（助剂）硼砂也叫粗硼砂，是一种既软又轻的无色结晶物质。 硼砂有着很多用途，我们熟悉的如消毒剂、保鲜防腐剂、软水剂、洗眼水、肥皂添加剂、陶瓷的釉料和玻璃原料等，在工业生产中硼砂也有着重要的作用。 （8）水2.1.2实验仪器 1、搅拌器JJ-1型定时电动搅拌器搅拌的第一个作用，是使反应物混合均匀，使温度均匀；第二个是在一个密闭的容器中加热，需要防止暴沸，例如在蒸馏过程中，可以加入沸石，也可以用磁力搅拌器；第三个作用是加快反应速度，或者蒸发速度，缩短时间。 但在本次试验中搅拌的作用主要是将废纸彻底打碎，并使纸张纤维充分暴露，这对后续发泡起到很好的作用。 JJ-1型定时电动搅拌器的使用步骤如下1）使用搅拌器前需检查搅拌器是否干净，以防止赃物给实验带来误差；2）检查搅拌器是否完好，有否露电现象，以及查看纸浆所用电源是否正常；3）将已准备好的废旧报纸放入搅拌器中；4）开始搅拌，本次试验中采用的是手动搅拌，搅拌时间根据实验安排而定；5）搅拌好之后，将搅拌好的纸浆置入过滤带中，挤出多余水分，即制作完成。 2、101-0A型电热鼓风干燥箱图2-1是101-0A型电热鼓风干燥箱平面示意图，见下图所示xx届印刷工程专业毕业设计（论文）9图2-1是101-0A型电热鼓风干燥箱1)工作原理工作室内空气经电加热器加热后，经风机强制循环，在工作区与被加热物品进行均匀的热量交换，以达到烘烤式干燥的目的。 2)使用条件:环境温度540；相对湿度不大于85。 3)结构特点外壳用优质冷轧钢板制作，表面经静电喷涂工艺处理；内胆A型为冷轧板经防腐处理、加工成型，内胆B型机型内胆采用不锈钢板材料；箱门中间装有玻璃观察窗，可随时观察工作内被加热物品的情况；箱门口镶嵌耐高温胶条，密封性好，防止热量流失；电器控制系统采用先进的元器件组装，品质优良、性能可靠；数字显示工作室的温度，观察容易、读取方便；具有时间比例调节功能的温控器及铂传感器作为本设备的测温控温系统，测量误差小，控温精度高；工作室上侧设置排风阀，工作过程中可随时将被加热器释放的潮气排出箱外。 4）使用方法首先检查电源及插座是否完好；如果电源和插座无碍，插好电源并打开电源；然后按set键，设置温度为实验所需温度；调节风速为实验所需；等到温度升至设定温度时，打开箱门，放入待发泡体加热。 3、游标卡尺游标卡尺，是一种测量长度、内外径、深度的量具。 游标卡尺由主尺和附在主尺上能滑动的游标两部分构成。 主尺一般以毫米为单位，而游标10上则有 10、20或50个分格，根据分格的不同，游标卡尺可分为十分度游标卡尺、二十分度游标卡尺、五十分度格游标卡尺等。 游标卡尺的主尺和游标上有两副活动量爪，分别是内测量爪和外测量爪，内测量爪通常用来测量内径，外测量爪通常用来测量长度和外径。 使用方法用软布将量爪擦干净，使其并拢，查看游标和主尺身的零刻度线是否对齐。 如果对齐就可以进行测量，如没有对齐则要校准。 游标的零刻度线在尺身零刻度线右侧的叫正零误差，在尺身零刻度线左侧的叫负零误差（这件规定方法与数轴的规定一致，原点以右为正，原点以左为负）。 测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左手拿待测外径（或内径）的物体，使待测物位于外测量爪之间，当与量爪紧紧相贴时，即可读数。 读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以毫米为单位的整数部分。 然后看游标上第几条刻度线与尺身的刻度线对齐，如第6条刻度线与尺身刻度线对齐，则小数部分即为0.6毫米。 如有零误差，则一律用上述结果减去零误差，读数结果为L整数部分小数部分零误差判断游标上哪条刻度线与尺身刻度线对准，可用下述方法选定相邻的三条线，如左侧的线在尺身对应线之右，右侧的线在尺身对应线之左，中间那条线便可以认为是对准了。 L=对准前刻度+游标上第n条刻度线与尺身的刻度线对齐，分度值如果需测量几次取平均值，不需每次都减去零误差，只要从最后结果减去零误差即可。 4、电子天平电子天平使用方法介绍1）操作电子天平的主要步骤接通电源并预热使天平处于备用状态；打开天平开关(按操纵杆或开关键)，使天平处于零位，否则按去皮键；放上器皿，读取数值并记录，用手按去皮键清零，使天平重新显示为零；在器皿内加人样品至显示所需重量时为止，记录读数，如有打印机可按打印键完成；将器皿连同样品一起拿出；按天平去皮键清零，以备再用。 2）电子天平操作前的注意事项电子天平选择的电压档，应与使用xx届印刷工程专业毕业设计（论文）11处的外接电源电压相符；电子天平应处于水平状态；电子天平应按说明书的要求进行预热；称量易挥发和具有腐蚀性的物品时，要盛放在密闭的容器内，以免腐蚀和损坏电子天平；天平室内温湿度应恒定，温度应在20，湿度亦在50左右；对天平进行校正，使其达到最佳状态。 3）安装电子天平前的清洁要求首先要用毛刷或鹿皮等除去浮土等物；称量室或靠近磁钢处要用潮湿的绸布等除尘，不要让尘土和脏物落人磁钢中，以造成天平的故障；用潮湿的绒布等将天平及部件擦拭干净(不宜使用溶剂)；用干净的鹿皮或绸布等将天平及其部件擦拭干净，确保天平的干净。 5、78HW-1显温磁力搅拌器1）最大搅拌容量1000ml；室温0-100；加热功率为200W；调速02400转/分。 2）应用范围应用于工业、农业、医药卫生、环保、教育等行业的实验室和化验室常用的必备工具。 3）搅拌器特点 （1）圆形加热盘受热均匀，加热不变形； （2）数字控温，清晰直观，控温准确； （3）多种工作方式可供选择二连、四连、六连； （4）无级调速，运行平稳，操作简单； （5）适合多种体积的搅拌。 6、过滤袋作用在制造纸浆时，打浆过程中加水较多，这样不但方便打浆，而且使得打浆的效果更佳。 但是，最终的纸浆所需水量较小，因此，多余的水需用过滤袋过滤。 7、烧杯作用本次实验中，几乎每个步骤都会用的烧杯。 比如，打浆前泡纸张4小时、盛放过滤纸浆时的过滤物、称量并加热聚乙烯醇和淀粉糊、称量硼砂、柠檬酸钠、无水碳酸钠、丙三醇、盛放加热前的发泡体等等。 8、玻璃棒作用玻璃棒的作用主要是搅拌，如在聚乙烯醇、制造淀粉糊时、当12药品加入纸浆中时等等。 9、玻璃皿作用在干燥箱中干燥发泡体时，需把发泡体发在玻璃皿上发泡。 10、直尺作用测量发泡体体积。 11、药品勺作用取各类固体药品时，不能用手直接接触药品，需用药品勺取出。 12、小刀作用为方便测量发泡体体积，需将发泡材料切成小块。 2.1.3发泡工艺纸浆发泡一般有不使用化学和使用化学发泡剂法两种工艺。 （1)不使用化学发泡剂的发泡工艺是通过水蒸气的作用发泡，国外工业发达的国家如欧美、日本等均采用不添加化学发泡剂法。 而通过水蒸气的作用发泡，形成颗粒型发泡纸浆的制作工艺，这种方法制作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发泡的高，发泡工艺的控制也要难一些。 （2)化学发泡法。 该种方法是使用化学发泡剂使之受热分解产生气体而发泡。 工艺简单，无需特殊设备，发泡剂的选择是关键。 发泡剂一般又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6-7。 2.1.4发泡原理在植物纤维发泡过程中，若让气泡能稳定的停留在植物纤维间，并且气泡和植物纤维间有相互作用力，使得植物纤维能很好的膨胀且凝聚为一xx届印刷工程专业毕业设计（论文）13团。 （1）气泡核的形成。 发泡初始阶段是在熔体或液体中形成大量的气泡核，然后使其膨胀形成泡体。 气泡核的形成条件是把化学发泡剂加入熔融混合物中，经过化学反应产生气体(或加入的气体)就会形成气-液溶液。 在实际生产中常加入成核剂以利于较低的气体浓度下发生发泡，使气泡能聚集到成核点形成微泡。 常用的成核剂有滑石粉、碳酸钙、柠檬酸、金属粉等。 （2)气泡的长大。 温度升高，在发泡剂作用下，聚合物内的气体量增加，同时高温使气体膨胀和气泡合并有利于气泡增长。 气体从小气泡长大后，气泡内气体压力与其半径成反比，气泡越小，内部压力越高。 同时，成核剂的加入也大大增加了气泡的数量，气泡膨胀也使气泡的孔径扩大。 在整个发泡过程中，随着温度升高，使得熔体的黏度降低，会导致泡孔壁膜变薄而破裂。 要得到较为理想的泡沫体，必须在熔体中存在大量气泡核和过饱和气体。 3)气泡的稳定。 影响气泡稳定的因素很多。 因为气液相共存体系本身就是不稳定的，随着气泡的产生和不断增长，使泡沫体系的体积和表面积增大，气泡壁变薄，导致泡沫体系不稳定。 特别是前面提到的随着温度的升高，熔体黏度降低，气泡壁出现排液现象，气泡就会破裂或塌陷5-8。 根据以上的不稳定因素，在实际应用中稳定泡沫一般按照以下方法加入表面活性剂，减少气体的扩散促使泡沫稳定，提高熔体的黏度，避免气泡壁过薄破裂，以达到稳定泡沫的作用。 2.1.5发泡效果的评价发泡效果的评价是利用发泡产品的孔隙率来评定的，其中孔隙率（P）是指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率。 14具体做法是将发泡成品用真空吸塑法裹上一层塑料薄膜,然后用排水法测定其体积,并根据其质量求出表观密度。 然后用下式计算发泡体的孔隙率:P=(1-/1.55)*100%8（2-1）其中P发泡体的孔隙率（%）；发泡体的表观密度（g/cm3）。 2.2实验研究方法探讨本课题主要采用两种方法来研究，正交试验法和单因素试验法。 2.2.1正交试验法正交试验法是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从所有试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，它是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。 正交实验法就是利用排列整齐的正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的实验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺效果。 正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具有较强的代表性，由于正交表具备均衡分散的特点，保证了全面实验的某些要求，这些试验往往能够较好地达到实验的目的。 正交实验设计包括两部分内容第一，是怎样安排实验；第二，是如何分析实验结果。 我们知道如果有很多的因素制约着一个事件的变化，那么为了弄明白哪些因素重要，哪些不重要，什么样的因素搭配会产生极值，必须通过做实验验证，如果因素很多，而且每种因素又有多种变化，那么实验量会非常的大，显然是不可能每一个实验都做的。 能够大幅度减少试验次数而且并不会降低试验可行度的方法就是使用正交试验法。 首先需要选择一张和xx届印刷工程专业毕业设计（论文）15实验因素水平相对应的正交表。 所谓正交表，就是一套经过周密计算出的现成实验方案，每次实验时，用几个互相匹配的因素进行实验，这套方案的总实验次数远小于每种情况考虑后的实验次数。 我们同理可推算出如果因素水平越多，试验的精简程度会越高。 建立好实验表后，根据表格进行实验，然后处理数据。 由于试验次数大大减少，使得试验数据处理显得尤为重要。 首先可以从所有的实验数据中找到最优的一个数据，当然，这个数据肯定不是最佳匹配数据，但是却是最接近最佳的数据。 这是能得到的一组因素，也是最直观的一组最佳因素。 接下来将各个因素当中同水平的实验值求和，就得到了各个水平的实验结果表，从这个表中又可以得到一组最优的因素，通过比较前一个因素，可以获得总体因素变化趋势，指导下一步的试验。 各个因素中不同水平试验值之间也可以进行如极差、方差等计算，可以获知这个因素的敏感度等等。 然后再根据统计数据，确定下一步的试验，这次实验的范围就很小了，目的就是确定最终的最优值。 当然，如果因素水平很多，这种寻优过程可能不止一次。 2.2.2交互性理论利用正交试验法解决问题时，如果试验的目的主要是想比较准确的弄清楚各个因素对指标影响的大小，特别是各个因素水平不同搭配对指标的影响，在这个基础上，将因素和水平的选择再做一些调整，才考虑合适的工艺条件，这时，就要引入交互作用。 交互作用，就是各个因素水平的好坏不能单独说明问题，要依赖于另一个因素的水平；这一因素水平的选择要依赖于另一因素水平选择的现象。 通过第一部分理论的研究可知，此次发泡实验中，设计因素很多。 比如:发泡时间、发泡温度、淀粉用量、柠檬酸钠用量、碳酸钠用量、聚乙烯醇用量、丙三醇用量等多个因素共同作用，而且各个因素关系密切，互相影响。 所以实验中不能排除因素间存在交互作用。 162.2.3正交试验设计正交表是一整套规则的设计表格，用L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。 例如L9 (34)，它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平。 一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表。 正交试验设计的基本思想考虑进行一个三因素、每个因素有三个水平的试验。 如果作全面试验，需作33=27次（见图2-1所示）。 图2-1正交试验设计示意图若从27次试验中选取一部分试验，常将A和B分别固定在A1和B1水平上，与C的三个水平进行搭配，A1B1C1,A1B1C2,A1B1C3。 作完这3次试验后，若A1B1C3最优，则取定C3这个水平，让A1和C3固定，再分别与B因素的三个水平搭配，A1B1C3,A1B2C3,A1B3C3。 这3次试验作完以后，若A1B2C3最优，取定B2,C3这两个水平，再作两次试验A2B2C3,A3B2C3,然后与一起比较，若A3B2C3最优，则可断言A3B2C3是我们欲选取的最佳水平组合。 这样仅作了7次试验就选出了最佳水平组合。 我们发现，这些试验结果都分布在立方体的一角，代表性较差，所以按上述方法选出的试验水平组合并不是真正的最佳组合。 如果进行正交试验设计，利用正交表安排试验，对于三因素三水平的试xx届印刷工程专业毕业设计（论文）17验来说，需要作9次试验，用“”表示，标在图中。 如果每个平面都表示一个水平，共有九个平面，可以看到每个平面上都有三个“”点，立方体的每条直线上都有一个“”点，并且这些“”点是均衡地分布着，因此这9次试验的代表性很强，能较全面地反映出全面试验的结果，这就是正交实验设计所特有的均衡分散性。 我们正是利用这一特性来合理的设计和安排试验，以便通过尽可能少的试验次数，找出最佳水平组合6-10。 正交试验设计的过程1)确定试验因素及水平数；2)选用合适的正交表；3)列出试验方案及试验结果；4)对正交试验设计结果进行分析；5)确定最优或较优因素水平组合。 2.2.4单因素试验法单组单因素实验模式在单组单因素实验中，只有一个实验组，而且只有一个需要操纵的自变量。 根据实验研究的需要和具体情况，这种实验可能在是否改变发泡温度、淀粉用量、发泡湿度等方面有所不同，由此形成多种实验模式。 在本次发泡实验中，除正交试验法考虑因素以外，还需研究对本实验有影响的其他因素，例如淀粉用量（即纸浆与淀粉用量比例）、发泡温度、发泡湿度、硼砂用量。 182.3实验影响因素及实验方案设计2.3.1实验影响因素本论文主要研究废纸-淀粉工艺条件对发泡性能的影响，为方便进行实验研究，将所考虑到的因素分为以下几点 1、成核剂柠檬酸钠对发泡材料发泡效果的影响本次实验中，柠檬酸钠对发泡材料发泡性能的影响比较大。 在试验初期，为研究清楚各因素对发泡率的影响，对其用量分三类进行研究，即1g、2g、3g。 但要考虑别的因素的影响，最终将柠檬酸钠作为正交试验四因素之一。 2、增塑剂丙三醇对发泡材料发泡效果的影响丙三醇，是一种无色、无臭、味甘的粘稠液体，每次取药品时误差相对比较大。 本次实验中，用移液管取少量丙三醇，迅速移向已在电子天平上的烧杯中（带烧杯的电子天平已清零），然后让液体一滴一滴滴向烧杯，这样当电子天平显示数字达到所用量时，迅速移开移液管。 3、无水碳酸钠对发泡材料发泡效果的影响无水碳酸钠俗称苏打，在药剂中用作碱性浸出辅助剂，碱化剂、pH调节剂。 在食品工业中用作碱性剂、膨松剂，用于制备馒头、糕点等食品。 在废纸淀粉发泡中，它可使废纸纤维与纤维间得到很好的发泡。 正交试验中,无水碳酸钠作为四因素之一,其用量分别定为0.5g、1.5g、2.5g作为三个水平。 4、黏结剂聚乙烯醇PVA对发泡材料发泡效果的影响聚乙烯醇分为难溶性聚乙烯醇和易溶性聚乙烯醇，难溶性聚乙烯醇只有在高温下才能溶解；易溶性聚乙烯醇为白色片状、絮状或粉末状固体、无味，在65度以上可溶于水，外观为白色乳状黏稠物，在泡沫中起发泡稳定作用，可确保发泡剂的发泡稳定性。 但是当和有机物如丙三醇混合加热时，聚乙烯醇溶解后又直接析出为团状。 因此，每次试验室时，需提xx届印刷工程专业毕业设计（论文）19前将聚乙烯醇加热溶解加入纸浆中搅拌，再加入其他药品搅拌。 本次实验中，每次聚乙烯醇加入在10ml水中加热至溶解。 5、废纸纤维用量、淀粉用量对发泡材料发泡效果的影响本论文研究废纸淀粉发泡材料工艺条件，因此，废纸淀粉用量影响研究是必不可少的。 故设计了不加任何药品，只用废纸和淀粉发泡实验。 分为三组试验，每组发泡时间设置为4小时，发泡温度为80度，废纸10g且最终制造纸浆60g，三组淀粉用量分别4g、5g、6g即为单因素试验的三个变量，并计算其发泡率。 这组实验作为后实验的对比实验，这对分析个药品对发泡率的影响有很大帮助。 6、硼砂对发泡材料发泡效果的影响在本次实验中硼砂是一种助剂，故在正交试验前，作为单因素实验对其进行分析研究。 分为三组即0g、0.5g、1.0g。 7、发泡温度对发泡材料发泡效果的影响发泡温度作为单因素实验对其进行分析研究，分为三组，即70、80、90。 8、发泡湿度对发泡材料发泡效果影响发泡温度作为单因素实验对其进行分析研究，分为四组，即60ml、70ml、80ml、90ml纸浆。 2.3.2实验方案设计该实验的具体操作步骤依照以下分步进行第 一、采用搅拌机将废旧报纸制造成纸浆由于报纸受潮后水分占据了废纸的重量,这样实验误差比较大，那么首先将废旧报纸(陕西人民日报、西安晚报、华商报、西安理工大学校报等各类报纸)晾干。 然后将废旧报纸剪成大约2*2cm2大小的纸片，以方便搅拌器搅拌，利于植物纤维很好的发泡,称取10g废纸片，加入250ml水浸泡4小时，这样使得纸张纤维可充分的接触水分。 其次，将静置好的废纸和水20倒入搅拌器中手动搅拌，每次按开关搅拌5秒钟，连续按18次，共计90秒。 再次，搅拌好之后，将纸浆导入过滤袋中，挤出定量水，再称量剩余的纸浆，若少水，将挤出的水用滴管加入，若多水，再重复上述操作，直至到达试验设定要求。 第 二、加入定量加热过的黏结剂置纸浆由于聚乙烯醇的特殊性，必须先将聚乙烯醇加入至10ml水中，然后加热至65度溶解。 当聚乙烯醇溶解后，不能再继续加热，继续加热使得聚乙烯醇变为横黄色。 第 三、取淀粉糊与纸浆按一定比例混合本实验中使用的是可溶性淀粉，在设置实验时，废纸和淀粉比例是废纸为定量即10g，淀粉为变量而选择二者比例的。 以用烧杯称取定量淀粉，然后用滴管加入10ml水，用玻璃棒搅拌直至淀粉全部溶解，然后将其加热至65度制造淀粉糊。 第 四、加入定量增塑剂置混合物称取每次试验所设定的丙三醇，由于丙三醇为粘稠状液体，直接称重不太方便。 实验时，用移液管取少量丙三醇，迅速移向已在电子天平上的烧杯中（带烧杯的电子天平已清零），然后让液体一滴一滴滴向烧杯，这样当电子天平显示数字达到所用量时，迅速移开移液管。 然后其加入至淀粉糊中。 第 五、加入定量成核剂置混合物中用药品勺把柠檬酸钠加入置烧杯中，用烧杯称取实验研究量的柠檬酸钠，将称取好的柠檬酸钠加入至淀粉糊混合物中搅拌均匀。 第 六、加入定量无水碳酸钠置混合物中；按步骤五同样操作，取研究量无水碳酸钠加入淀粉糊中搅拌均匀。 第 七、加入定量硼砂置混合物中按步骤五和六操作，取研究量硼砂加入淀粉糊中搅拌均匀。 第 八、将搅拌好的淀粉糊加入到纸浆混合物中，然后用玻璃棒继续搅xx届印刷工程专业毕业设计（论文）21拌，每次搅拌大约5min-10min，使得各药品间能充分接触。 将治好的发泡体放置在玻璃皿上，并使得发泡体厚度尽量均匀。 最后将玻璃皿放置在干燥箱中加热干燥。 223实验数据分析及结果评定3.1实验数据分析在本论文所安排的实验中，分别安排了单因素试验和正交试验。 分析研究决定，单因素实验方案的各因素分别为淀粉用量（即废纸与淀粉用量比例）、发泡温度、发泡湿度、硼砂用量。 正交试验设定为三水平四因素。 3.1.1单因素试验方案数据分析 （1）淀粉用量淀粉用量及实验结果如下表3-1所示。 表3-1淀粉用量及其表观密度和发泡率组号淀粉用量（g）1（组号淀粉用量（g）1（g/cm3）2（）2（g/cm3）3（）3（g/cm3）4（）4（g/cm3）5（）5（g/cm3）、（g/cm3）P(%)）P(%)140.35502810.3360.3420.3340.32978.73250.2840.3020.2670.3170.2830.29081.30360.2980.2780.3130.2860.3080.29680.90140.35502810.3360.3420.3340.32978.73250.2840.3020.2670.3170.2830.29081.30360.2980.2780.3130.2860.3080.29680.90注表中，n代表第n组表观密度，、为平均表观密度由上表中可以看到，当淀粉量为5g时，即废纸淀粉比例为2:1，此时发泡率最高为81.30%。 说明此时发泡效果最好，则选用淀粉量为5g时实验效果也最佳，能够达到预期结果。 因此后续试验选取淀粉用量为5g。 （2）硼砂用量xx届印刷工程专业毕业设计（论文）23硼砂用量及实验结果如下表3-2所示表3-2硼砂用量及其表观密度和发泡率组号