纸浆模塑制品发泡机理的研究

纸浆模塑制品发泡机理的研究,专业：包装工程姓名：孙玉冰学号：02032012指导教师：骆光林,一、绪论,塑料制品进入日常生活领域曾经给人们带来了不少方便，然而一些塑料制品造成的白色污染也是非常严重的。废弃塑料包装物进入环境后，由于很难降解，会造成长期的、深层次的生态环境问题。缓冲包装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，因发泡剂采用氟氯烃系列（F11，F12等），对臭氧层有较大的破坏性，国际上已经禁止使用EPS及F11，F12等发泡剂。2003年初，欧盟公布了报废电子电气设备指令和关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令两项法令，对电子电器产品制造提出了更高的环保要求。这更加迫切地要求我们寻找一种新型可降解的缓冲发泡材料。,与EPS相比，纸浆模塑制品具有原料来源丰富，成本低、透气性、柔软性，具有一定的刚性和强度，可对商品具有一定的保护性能和防震缓冲性能，且具有通风散热的特点，因此它主要应用于新鲜水果、食品、家具和其它产品的缓冲衬垫包装上，同时也可用于非包装用途的器皿，如植物花盆等。不过，现今的纸浆模塑制品的致命弱点是其结构强度与缓冲性能不及EPS发泡塑料。纸浆模塑制品虽然已用于产品的缓冲包装，但由于缓冲效果不佳，目前只适用于鸡蛋托，手机等的内衬缓冲材料，因此，就需要改善纸浆模塑纸品的强度与缓冲性能。,如何来提高纸浆模塑制品的缓冲性能呢？本课题拟采用纸浆模塑制品发泡技术。目前，虽有资料显示纸浆模塑制品的发泡可以实现，但这仍属于实验室研究范围，没有具体的发泡配方与发泡工艺用以借鉴和参考。而且，目前市场上也尚未出现纸浆模塑发泡制品，因此需要查询塑料发泡和食品发泡的相关资料，通过不断的试验，研究出一种能够使纸浆模塑制品发泡的工艺方法。,二、纸浆模塑制品及其发泡原理,1.纸浆模塑制品,纸浆模塑制品是用可完全回收循环使用的植物纤维浆或废弃纸品作基础材料,采用独特的工艺技术制成的一种广泛用于食(药)品盛放,电器包装、种植育苗、医用器皿、工艺品底坯和易碎品衬垫包装等领域的无污染科技型绿色环保制品。纸浆模塑制品的生产过程包括制浆、成型、干燥和整饰四个步骤。2.发泡原理塑料发泡是将烃类发泡剂和成核剂混溶在塑料颗粒或珠粒中，塑料熔化到黏流态，这时发泡剂气化产生气泡，在塑料中形成泡孔，冷却后发泡制品成型。,食品发泡是在面粉、淀粉等原料中加入热水，这样原料就会具有一定的黏性，在加热过程中，发泡剂会产生气体，而面粉或淀粉中的面筋成分就会形成网络将气体包住，使面团膨胀形成海绵状结构。纸浆模塑制品发泡不同于塑料和食品发泡，纸浆没有黏性且纸浆纤维短，发泡剂形成的气泡，不会纸浆中保持，这就造成了纸浆模塑制品的发泡困难。纸浆中加入一定量的黏合剂，这样就会使纸浆具有足够的黏性，发泡剂产生的气泡会保持在纸浆中，从而在纸浆内部形成气孔，达到发泡效果。为了适当减少纸浆模塑发泡制品干燥后的硬度，需要在纸浆中在加入一定量的增塑剂。考虑到纸浆模塑制品的干燥时间相对较长，干燥期间，纸浆内部会出现发霉现象，可在纸浆中加入一定量的防腐剂，这样，既可以达到防霉腐的作用，同时，防腐剂与发泡剂作用可以产生气体，这在一定程度上也起到发泡的作用。,三、纸浆模塑制品发泡试验方法,1试验仪器烤箱-CKF-10R，220V/50Hz温度范围：100200，时间范围：060min烧杯、玻璃棒、模具、电子天平2试验原料纸浆：由生产纸浆模塑制品厂家取回的原浆，由废纸箱、废报纸等制成.玉米淀粉：在试验中作黏合剂。混合发泡剂：既可以起发泡的作用，又可以起到一定的交联作用。辅助发泡剂：起到辅助发泡的作用。成核剂：起气泡的成核作用。,合成树脂：和玉米淀粉一起用作黏合剂。其成膜性好，可以防止气泡逸出，对水蒸气和许多气体有高度的不透过性。（该试验用合成树脂液为10%）助剂：用作黏合剂的增塑剂.防腐剂：既能与发泡剂反应形成气泡，又能起到防腐的作用。3试验内容:（试验一）表1.实验配方与实验条件,说明：本试验所用淀粉为糊化淀粉（固含量12.5%）；纸浆（含水量40%）。试验过程：将纸浆与淀粉、发泡剂充分混合，揉30min，做成饼状试样，放入130烤箱中烘烤，30min后，将温度升至160。试验现象：烘烤30min后，试样无发泡现象；温度升高，继续烘烤，亦无发泡现象。试验结果：取出试样观察，试样体积无明显变化，无气泡产生。分析原因：第一，可能是淀粉含量过低，黏度低，使气泡无法形成；第二，亦可能是初始温度低，使气泡无法形成；第三，选用的发泡剂不合适。改进方法：第一，增大淀粉用量；第二，提高烘烤温度；第三，使用另外一种发泡剂。,（试验二）表2.试验配方与试验条件说明：所用玉米淀粉为糊化淀粉（固含量12.5%）；纸浆（含水量40%）。试验过程：将纸浆与淀粉、发泡剂充分混合，揉30min，做成饼状试样，放入140烤箱中烘烤，烘烤60min。试验现象：随着烘烤时间的延长，试样表面干燥。试验结果：取出试样观察，无气泡产生原因分析：第一，可能是淀粉含量过低，黏度低，使气泡无法形成；第二，亦可能是初始温度低，使气泡无法形成；第三，发泡剂用量少。,改进方法：第一，考虑继续增大淀粉含量，同时虑去纸浆中的水分，降低纸浆的含水量，以提高淀粉含量的百分比。第二，继续升高温度；第三，增大发泡剂的用量。（试验三）表3.试验配方与试验条件试验过程：将纸浆与淀粉、发泡剂充分混合，揉30min，做成饼状试样，放入150烤箱中烘烤，50min后，将温度升至200。试验现象：肉眼看不出试样体积变化，掰开试样，发向内部有很小的蜂窝状的气孔，试样表面已经完全干燥，内部干燥不好。,试验结果：试样内部有微量气泡，但不明显。原因分析：淀粉黏度低。而且，随着温度的升高，淀粉的黏度会降低。在高温烘烤下，试样表面很快干燥、变硬，内部即使有气泡形成，由于试样表面过硬，导致气泡无法发出。改进方法：将黏合剂玉米淀粉改为合成树脂溶液。（试验四）表4.试验配方与试验条件,试验过程：将纸浆滤干，放入大烧杯中，加入50g水搅拌，将合成树脂溶液放入烧杯中，加入250g水，水浴加热30min，其间不停的搅拌。冷却后，加入发泡剂和助剂，搅拌均匀，放入模具中。在190烤箱中加热。试验现象：20min后，试样膨胀，发泡明显，不断有起泡产生，但是随着加热的进行，气泡不断从试样表面逸出，导致试样表面塌陷。40min后将温度降至150，继续加热，再无气泡产生，放置24小时，试样完全塌陷，发现未干燥部分有霉点。试验结果：过程中有气泡，但是最终试样中没有气泡。原因分析：随着温度的升高，合成树脂溶液黏性增大，不易成型，导致气泡逸出；所制试样水分含量过高，形成的气泡较大，导致气泡壁过薄；干燥速度慢，易形成霉点。改进方法：改变黏合剂的黏度，使之介于糊化玉米淀粉和合成树脂之间，可加入成核剂；减少水的用量；适当地减少发泡剂用量并加入酸；加入防腐剂。,（试验五）表5.试验配方与试验条件试验过程：将纸浆，合成树脂溶液与水混合，水浴加热，边加热边搅拌，使其混合均匀，加入酸、助剂，待冷却后，加入发泡剂、成核剂，搅拌均匀，将试样放入140烤箱中烘烤20min后，温度升至150。试验现象：10min后，开始有明显发泡，试样体积膨胀。20min后，试样表面开始塌陷，此时升高温度，体积有膨胀，但是不明显。继续加热干燥。试验结束，试样表面塌陷。,试验结果：过程中有发泡，但最终发泡结果不明显。原因分析：随着温度的升高，合成树脂溶液黏性增大，不易成型，导致气泡逸出,不能通过加入成核剂达到留住气泡的目的；水分含量过高。改进方法:改变黏合剂的成分，试采用在合成树脂溶液作为黏结剂的基础上加入玉米淀粉，使其在高温下成型；减少水的用量；改选用混合发泡剂，并增大其用量。（试验六）表6.试验配方与试验条件,试验过程：将纸浆、玉米淀粉、发泡剂与水充分混合，揉匀，放置30min，然后加入合成树脂溶液，搅拌均匀，最后加入酸，搅拌，并将其放入模具中，放入120烤箱中进行烘烤，20min后，温度升高到140，30min后，温度升高到150。试验现象：将试样放入烤箱中，5min后开始明显发泡，15min后，试样体积膨胀到最大值，20min后，试样表面开始塌陷，此时，升高温度至140，试样无明显变化，30min后，升温至150，亦无明显变化。试验结果：试样内部有气泡，但试样塌陷程度过大；干燥情况良好。分析原因：表面塌陷现象，考虑原因可能是因为试样干燥较慢，气泡形成过程中会流失，因为此时，试样尚未成型，体积会随着气泡的增减而发生变化。改进方法：升高温度，使试样表面快速干燥成型，这样，即使气泡会流失，试样体积也不会发生太大的变化；为了增大发泡量，可在纸浆中加入少量辅助发泡剂。,（试验七）表7.试验配方与试验条件试验过程：在纸浆中加入淀粉、发泡剂、辅助发泡剂和水充分混合，揉匀，放置30min，然后加入酸、合成树脂溶液，搅拌均匀，并将其放入模具中，放入190烤箱中进行烘烤，20min后，温度降到140，继续烘烤。试验现象：将试样放入烤箱中，5min后开始明显发泡，15min后，试样体积膨胀到最大值，约为原来的1.5倍。,20min后，试样表面出现轻微塌陷，此时，温度降至140，继续烘烤，试样体积有微小变化，变小，取出试样，放置36h，试样的干燥度约为80%。试验结果：出现明显气泡，肉眼可见到气泡孔，但试样上表面较硬。结果分析：这次试验基本达到了预期效果，试样表面塌陷，考虑原因有两方面：一方面是因为气体有少量的流失，另一方面是因为热胀冷缩的缘故，造成试样表面塌陷，但这些都是无法避免的。试样上表面较硬，可能是因为表面干燥过快，并且直接与烤箱空气接触造成的，可以在纸浆中加入少量助剂提高它的柔软度，也可将模具上方加盖，避免试样上表面与烤箱空气直接接触。改进方法：适当减少玉米淀粉用量；试样中加入能缓和试样硬度的助剂。,（试验八）试验配方与试验条件试验结果达到预期要求。重复试验，发泡效果基本不变。下图为纸浆模塑发泡制品,试验结果分析1.纸浆模塑制品发泡，考虑到环保，首先要正确选用黏合剂。淀粉在各种环境中都具备完全的生物降解能力，本试验初步选择淀粉为黏合剂，但是，试验证明，只采用淀粉作为黏合剂与纸浆混合，因淀粉在高温下干燥过快，其粘性随着温度升高很快的降低，很难使纸浆制品达到发泡效果。选用合成树脂，虽然克服了淀粉的以上不足。但是，合成树脂与纸浆的混合物干燥后硬度不够，不能使纸浆达到发泡的效果。因此，本试验选用合成树脂与玉米淀粉的混合物作为黏合剂。2.发泡剂的选择，发泡剂与混合发泡剂虽然都具有发泡的作用，但是混合发泡剂中含有交联成分，能使纸浆很好的交联。3.纸浆、黏合剂、发泡剂的比例也是关键。要通过大量的试验找出它们之间的合适配比。4.助剂的选择同样重要。,四、纸浆模塑发泡制品缓冲性能测试与分析,对纸浆模塑发泡制品和未经发泡的纸浆模塑制品试样做抗冲击试验，检验试样的缓冲性能。冲击台重量为6.6Kg，跌落高度为60cm.其冲击加速度信号分别如图（1、2）所示：,图1图2,测量试样的缓冲性能，应该采用大量的试样，对试样逐一进行跌落试验，根据每个试样的最大加速度值绘出曲线，进而评价试样的缓冲性能。但是，由于纸浆模塑制品发泡试验材料和时间有限，不能在短时间内做出大量的试样，因此，只能采取对少量试样作连续冲击的试验方法，虽然这样结果不够精确，尚存在一定的误差，但是可以反映出试样的缓冲性能。由图可以看出，发泡纸浆模塑制品的最大加速度为203.23。未经发泡的纸浆模塑制品的最大加速度为412.23。这些数据可以说明纸浆模塑发泡制品的缓冲性