一次性成型新型防水抗压隔热纸板复合材料与成型技术

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一次性成型新型防水抗压隔热纸板复合材料与成型技术包装行业高新技术研发资金项目一次性成型新型防水抗压隔热纸板复合材料与成型技术可行性报告一、立项依据本项目将传统的瓦楞纸板、蜂窝纸板材料与自行研发的可全降解性的，具有优异的抗压缓冲性、防潮防水且隔热性的发泡材料进行多层复合，并采用自制的具备优异粘合效果的专用淀粉胶为粘合剂，得到一种新型环保纸板材料。该新型复合纸板相对于传统瓦楞纸板和蜂窝纸板具有明显优越的抗压性、回弹性、防水防潮和隔热性。同时，本项目将自行研发生产该复合材料的成型设备，在传统瓦楞纸板、蜂窝纸板

2、生产设备上改进并增加同步多层共挤辅助成型设备，实现材料一次性成型，工艺简单，生产效率高。本项目关键技术的突破、将会开拓纸板行业的新领域，综合提高纸板的性能，为商品提供更好的包装防护，有利于环保产业的发展与传统纸板行业的产业升级。(一)项目的目的及意义1、项目背景随着社会经济水平的不断进步和人们生活水平的普遍提高,商品包装产业获得了快速的发展并正在成为研究的热点。近年来，我国包装产业快速发展，包装业产值增长迅速，2012年达到12000亿元，已成为世界上第二个包装大国。纸包装产品在各种包装制品总量中占40%左右，且其产量每年以大约15%的速度在递增。纸包装容器之所以能够得到如此快速的发展，是因为

3、纸包装容器具有重量轻、成本低、节省资源、便于回收、运输方便、机械加工性能好、能适应机械化大生产、易于印刷、使用时无害无毒、包装废弃物容易处理等优点。在商品流通领域里，不论是用于运输包装的瓦楞纸箱，还是用于销售包装的纸盒、纸袋或是以纸板为基材的复合包装材料，都居各种包装材料之首。纸制包装容器在现代化包装领域中占有极为重要的地位。据报导，世界发达国家纸制包装容器的产值在包装工业总产值中所占的比例约为50%，日本占53.4%，美国占49.1%，我国仅为36.7%。 纸和纸板的消费水平是衡量国家现代化水平和文明程度的重要标志。随着我国国民经济的快速发展，纸制品产品迅速增长，为我国造纸工业发展提供了广阔

4、市场。2003年中国造纸工业增长17%，2004年增长幅度达到20%。入世以来，瓦楞纸箱、纸盒、纸袋和印刷工业的迅猛发展，加上外贸进口贸易迅速扩大，直接拉动了纸产品需求的增长。预计到2010年，我国纸浆需求量将由2003年的3500万吨增加到6500万吨 ；纸及纸板需求量将由2003年的4800万吨增加到7000万吨 ；纸制品需求量将由2003年的1700万吨增加到3000万吨。瓦楞纸箱是用瓦楞纸板制成的包装运输纸箱，是一种十分优良的包装材料，是必不可少的包装容器，它具有轻便、牢固、保护商品的作用，便于装卸运输等特点，被广泛应用于家用电器、纺织品、食品等运输包装。随着商品市场的发展，纸箱包装数

5、量逐年递增，就上海纸箱业十年中每年以30的速度递增。目前国内纸箱销售以迅猛速度增长1996年纸箱销售量达80亿平方米，2000年增长到125亿平方米，2002年产量已达148亿平方米。可以纸代木、以纸代塑，加上纸材料可以回收利用，是绿色包装材料，因而受到重视环保的现代社会的青睐，具有良好的发展前景。纸箱工业的发展必然带动纸业和机械制造业以及辅料工业的发展。从这个角度分析，瓦楞原纸、机械制造还需加快步伐，紧紧跟上滚动式发展。在纸板生产与运用中，主要包括瓦楞纸板与蜂窝纸板两种。其中，在中国纸品消费高速增长的20002010年，瓦楞原纸的消费年均增幅近30%，居第一位。2010年，高强度瓦楞原纸不仅

6、消费量增长15.8%（在主要纸品增幅居第二位），达到545万吨，而且成为纸品消费增长快于产量增长的少数品种之一。瓦楞纸箱是用瓦楞纸板制成的包装运输纸箱，是一种十分优良的包装材料，是必不可少的包装容器，它具有轻便、牢固、保护商品的作用，便于装卸运输等特点，被广泛应用于家用电器、纺织品、食品等运输包装。高强度瓦楞原纸消费需求增长快，从市场方面来看，瓦楞原纸正在向低定量、高强度、全规格方向发展，高中强度瓦楞原纸需求量较大，且价格趋升。但目前来看，国产传统型瓦楞纸板的强度、功能化仍不能达到高档包装的要求，尤其运用承载商品重量大，保存或运输条件不规范的情况下，很容易损坏并对商品造成影响。蜂窝纸板是近年来

7、兴起的新型纸板材料，它以质轻、价廉、强度高、可回收等特性深受市场欢迎，特别是荷兰、美国、日本等发达国家和地区，已成为具有节省资源、保护环境的一种新型绿色包装。 蜂窝纸板包装箱是中国出口商品的理想包装。它的推广应用，一方面可降低商品在流通过程中的破损率；另一方面，取代木箱，利于环保。蜂窝纸板主要具有以下优势：（修改）(1)质轻、用料少、成本低。蜂窝夹层结构与其他各种板材结构相比，具有最大的强度/质量比，因而其制成品的性能/价格比好，这是蜂窝纸板成功的关键。(2)高强度，表面平整，不易变形。蜂窝夹层结构近似各向同性，结构稳定性好，不易变形，其突出的抗压能力和抗弯能力是箱式包装材料需要的最重要的特性

8、。(3)抗冲击性、缓冲性好。蜂窝纸板由柔性的纸芯和面纸做成，具有较好的韧性和回弹性，独特的蜂窝夹芯结构提供了优异的缓冲性能，在所有的缓冲材料中具有更高的单位体积能量吸收值，高厚度的蜂窝纸板可替代现己大量使用的EPS塑料泡沫缓冲垫。(4)吸声、隔热。蜂窝夹层结构内部为封闭的小室，其中充满空气，因此具有很好的隔声保温性能。(5)无污染，符合现代环保潮流。蜂窝纸板全部由可循环再生的纸材制作，使用后可以百分之百地回收再利用。 总的来说，虽然蜂窝纸板因其结构特点具备了比瓦楞纸板优异的抗压性能，但由于其纸板的特性，其防水、隔热性仍较差，长期使用易发霉、变形，纸板较软易产生下压下陷，且在高强度应用时仍显不足

9、。如能在结合瓦楞纸板及蜂窝纸板优点的基础上，改善其缺陷，得到一种具有更优异性能，尤其是可针对包装要求对性能进行调整的新型纸板材料，一方面可以提升纸板包装材料的整体性能，更对相关企业的发展与产业升级找到了新的领域与方向，具有重要的社会与经济意义。2、项目的必要性（经济、社会、生态效益） 本项目在传统瓦楞纸板、蜂窝纸板基础上通过复合自行研发的具有可降解性的具有良好抗压、防潮防水、隔热性的泡沫材料进行多层复合。同时，配合自行研发的有针对性及优异粘合效果的新型淀粉胶为粘合剂，得到的新型纸板复合材料拥有非常优异的综合性能，相对传统纸板，具有明显优越的抗压、防水防潮、隔热性和缓冲性。同时，该复合纸板可根据

10、运用要求，对性能进行调节，还可通过结构设计与传统瓦楞和蜂窝纸板配合使用，具有非常强的实用性。而成型设备也为自行研发，在传统的瓦楞纸板、蜂窝纸板生产设备上改进并增加同步多层共挤辅助成型设备，实现材料一次性成型，工艺简单，生产效率高。保证了该复合材料产业化的顺利实施。本项目具有以下社会经济效益：（1）本项目将推进环保型纸板材料的性能优化并开拓纸板材料的运用领域。多年以来，纸板材料一直作为包装领域的主力军，但由于其来源（纸浆）本身的分子结构特性，导致无法直接提高其性能，只能通过结构的设计，如瓦楞纸板、蜂窝纸板，通过对应力的分散来实现性能的提高。而在成本一定的空间内，蜂窝纸板结构已经是一种较理想的应力

11、分散结构，无法再通过结构设计达到纸板性能的质的提高。这一瓶颈已存在多年，一直无法突破。而本项目采用一种特殊的降解发泡材料与之复合，有效地提高了瓦楞纸板、蜂窝纸板的综合性能如防潮性、隔热性，尤其是缓冲性能，而这将极大地开拓瓦楞纸板的应用领域，可运用于对性能有更高要求的缓冲和包装领域，将会为传统的纸板生产企业带来新的机遇，也将产生巨大的经济效益。（2）本项目所用缓冲材料为以淀粉、纤维等为主的生物基材料，属于农产品废物利用和资源综合再生利用范畴，可提升农产品经济价值，利于农业发展，促进节材代木工作，同时也有利于包装废弃物的回收利用，有利于森林资源和环境的保护。所用植物纤维和淀粉为可再生资源，其单位价

12、格远比传统塑料低，平均成本随产量的递增而降低。植物纤维原料，是自然界中丰富的有机原料，其品种众多，如谷壳、桔秆、草纤维和木材加工废弃物等。我国是生产稻谷的大国，每年废弃的谷壳超过5亿吨，秸秆约6亿吨以上，而木材加工的废弃物也在3000万吨以上。对于淀粉原料，国内外多年来库存数量巨大，我国近年来也大量压库，因此急需开拓利用，同时也需要提高其附加值来促进农业生产。毋庸置疑，此复合材料将是处理废弃农作物和提升淀粉农产品经济价值的有效途径，利于农业发展，符合产业政策并享受优惠政策。（3）本项目的开发无需重新大规模改造原有的瓦楞纸板与蜂窝纸板生产设备，而只需要在此基础上附加设备，还选择性同步或非同步生产

13、，设备适应性强，节能环保，具有很强适应性和实用性，这也将为纸板产品的设备升级提供新途径。（二）、国内外研究现状与发展趋势1、 行业发展技术现状（修改）瓦楞纸板是一种应用广泛的以纸代木的板材, 特别是用于商品包装。按照瓦楞的形状可分为U、v 、U v 形瓦楞。按照瓦楞层截面的结构可分为A 、B 、C、D、E 五种瓦楞纸板。按照瓦楞层数的多少还可分为一层、双层、三层、五层、七层纸板(即三重瓦楞纸板)。瓦楞纸板的主要特点是: （1） 用瓦楞纸板制成的瓦楞纸箱, 通常是以折叠或平铺的形式来运送的, 搬运方便, 提高了运输效率, 节省了存储空间。（2） 瓦楞纸板包装箱的制作成本低, 而且节省材料。（3）

14、 强度高、缓冲性能好, 可以避免被包装的商品受到碰撞和冲击, 特别适合机械、机电等重型产品的运输包装。（4） 瓦楞纸箱的生产可在高度机械化与自动化、高效率的设备上进行, 工作效率高。蜂窝纸板是根据自然界蜂巢结构原理制作的, 它是把瓦楞原纸用胶粘结法连接成无数个空心立体正六边形,形成一个整体的受力件一一纸芯, 并在其两面粘合面纸而成的一种新型夹层结构的环保节能材料。蜂窝纸板的主要特点是: （1）质轻、用料少、成本低。蜂窝夹层结构与其他各种板材结构相比, 具有最大的强度/质量比, 因而其制成品的性能/价格比好, 这是蜂窝纸板成功的关键。（2）高强度, 表面平整, 不易变形。蜂窝夹层结构近似各向同性

15、, 结构稳定性好, 不易变形, 其突出的抗压能力和抗弯能力是箱式包装材料需要的最重要的特性。（3）抗冲击性、缓冲性好。蜂窝纸板由柔性的纸芯和面纸做成, 具有较好的韧性和回弹性, 独特的蜂窝夹芯结构提供了优异的缓冲性能, 在所有的缓冲材料中具有更高的单位体积能, 吸收值, 高厚度的蜂窝纸板可替代现己代替使用的EPS 塑料泡沫缓冲垫。（4）吸声、隔热。蜂窝夹层结构内部为封闭的小室, 其中充满空气, 因此具有很好的隔声保温性能。（5）无污染, 符合现代环保潮流。蜂窝纸板全部由可循环再生的纸材制作, 使用后可以百分之百地回收再利用。瓦楞纸箱生产过程中的废品及边角余料也可模切后进行粘合, 制成各种形状的

16、蜂窝状瓦楞纸板缓冲衬垫, 即使弃之不用,也可被大自然降解、吸收, 是很好的绿色环保包装材料。在欧美国家, 由我国进口的商品所据用的木材包装必须经过熏蒸处理, 而蜂窝纸板作为一种新型的环保材料, 能充分满足欧美等国对从我国进口商品的包装要求。但目前的纸板材料问题也非常明显：（1）瓦楞纸板性能提高已近极限，在力学性能，如缓冲性，防潮性等均较差，瓦楞规格基本定型，针对不同的瓦楞纸板要求, 选择合适的瓦型, 这已成为通用的常识。（2）瓦楞纸箱的制作已经实现了机械化。自从英国人发明瓦楞以来, 瓦楞纸箱的生产由原来的手工原始制作发展到自动化生产, 生产的产品品质和款式都已经完全满足市场用户对瓦楞纸箱的要求

17、。而蜂窝纸板虽然在性能上在瓦楞纸板的基础上有了本质的提升，但蜂窝纸板制成的包装箱、托盘, 受潮后强度减弱, 经不起撞击和振动。而在抵挡外物侵入的能力上, 瓦楞纸板却比蜂窝纸板高出几倍。（3）蜂窝纸板价格实际上不比木质包装便宜多少。（4）影响市场的还有代木效果问题, 蜂窝纸板主要用途是托盘、缓冲衬垫, 而防水、防潮等技术问题尚未很好解决, 影响了使用效果。人们开始寻找提高纸板材料性能的途径。而纸板复合材料也成为最佳选择。复合纸板材料又包括纸板之间通过结构设计和搭配来实现性能的互补与增强。如将瓦楞纸板和蜂窝纸板联用, 可以发挥瓦楞纸板和蜂窝纸板的优势, 其复合纸板的侧压强度和平压强度均可以提高。另

18、外, 在制作包装箱时, 若以瓦楞纸箱作为箱体, 箱内上下四壁用蜂窝纸板做衬垫, 可以提高包装箱的防潮、抗压、保温、抗戮穿能力和承载能力。贺丹华等研究了蜂窝/E形瓦楞复合纸板的缓冲特性，蜂窝纸板的平压强度远高于瓦楞纸板; 瓦楞纸板的纵向侧压强度远高于蜂窝纸板, 而横向的侧压强度则低于蜂窝纸板;蜂窝纸板的弯曲强度高于瓦楞纸板。瓦楞纸板和蜂窝纸板的性能各有自己的优点。将瓦楞纸板和蜂窝纸板复合, 可以发挥瓦楞纸板和蜂窝纸板的优势。蜂窝/E 形瓦楞复合纸板可重复使用、面层强度大。耿敏等详细研究了蜂窝纸板与瓦楞纸板的复合刚度，并作出了试验及分析，得到了蜂窝与瓦楞较合适的实用方式。刘冰等详细研究了蜂窝瓦楞复

19、合纸板的面外承载及静态缓冲性能。但目前纸板材料的开发仍局限在不同纸板的搭配和结构设计上，无法突破两者其本质特性所带来的性能局限，而如能突破其局限，将为纸板材的开发与运用打开新的空间。2、国内外研究现状在纸板与其它材料复合方面，国内外仍处于研发阶段，较成熟的为木质材料与纸板的复合，徐朝阳等利用木质面板与纸质蜂窝材料复合，该夹芯材料不但保留了原蜂窝材料的优点，而且还大大提高了力学强度。同时，还运用国内外学者研究的针对不同材料蜂窝结构的理论研究，对其力学传导进行了深入的研究。而国外学者Shalizadeh和Seferis等也对复合木-蜂窝板的力学传导进行了研究与分析。但其它材料与纸板之间的复合研究仍

20、然较少。本项目研究具有先行性。针对本项目中的降解复合发泡材料，国内外已进行了一定的研究。陕西科技大学丁毅等人以农作物秸秆粉碎物和果渣为原料，添加淀粉类助剂，经选料、配料、水分调节、膨化、回潮、模压等工艺后，得到了缓冲系数在 3.5 以上的缓冲材料，通过对材料的动态缓冲特性图线进行分析，得出了该材料能满足大多数工业产品、缓冲要求的结论。索晓红等人以纤维素纤维为原料，添加明胶、甲基纤维素等助剂，用模内成型法制备了纤维素纤维发泡缓冲包装材料，并利用压缩试验机对发泡体的缓冲性能进行测试，研究了各助剂添加量对发泡体性能的影响，得出了明胶：甲基纤维素：瓜尔胶=2:1:1，发泡剂 1.5%，填充物 18%，

21、胶黏剂总量 15%的最佳配比。西安理工大学骆光林等人以纸浆为原料，使用复合发泡剂（碳酸氢钠、钾明矾酒石酸氢钾）、淀粉以及轻质碳酸钙等原料，制作纸浆发泡缓冲材料，得到稳定的试验配方，所得发泡材料的静态缓冲系数在4-5 之间。另外，该校裴璐对纸浆模塑制品发泡机理进行了深入研究，结合纸浆模塑制品和发泡塑料的成型工艺，设计相关试验并结合理论分析，研究了纸浆的发泡技术机理以及粘结剂、发泡剂和其他助剂对纸浆发泡材料结构及性能的影响。哈尔滨商业大学高德、常江等人将经过预处理的玉米秸秆粉碎，与糊化淀粉溶液，聚乙烯醇水溶液和其他助剂混合，添加发泡剂及泡沫稳定剂，经过加热发泡模压成型，制得具有一定缓冲性能的缓冲材

22、料。浙江理工大学李友良等人研究了用废纸浆、马铃薯淀粉、偶氮类发泡剂制取缓冲衬垫的方法。探讨了在废纸浆发泡材料的制备过程中发泡剂、增塑剂两方面因素对试样静态缓冲性能的影响，并确定适宜的工条件：干纸浆、发泡剂、增塑剂三者质量之比为 10：0.75：1.3 时，试样具有良好的缓冲性能，可达到缓冲包装材料的使用要求。重庆工商大学李媛媛研究了发泡植物纤维模压制品的关键生产技术，将农作物秸秆纤维与淀粉和各种助剂混合，采用一次发泡成型工艺制备缓冲衬垫，并对其缓冲力学性能、防潮性能、降解性能及卫生安全性能进行研究，结果表明该材料可以满足实际使用要求。在国外的研究中，具有代表性的有：2006年，德国不莱梅 PS

23、P 公司顺利研发了一种泡沫纸制品，该材料以粉碎磨解的废旧报刊纸为主要原料，与面粉以 2:1 比例混合，在挤出机挤压作用下成为圆柱颗粒，圆柱颗粒粘结后即可得缓冲材料。此种发泡纸可以一次成型，其最大特点是在挤出机高压作用下水蒸气起到发泡作用，无需其他化学添加剂，制备过程对环境无任何不利影响，材料使用后可降解。日本工业技术研究所开发了以废纸为原料的干式纸浆发泡技术。该技术与以前的湿式纸浆模法相比，所制出的产品具有更好的生物分解性。具体实施时，将废纸粉碎成小纸屑，与淀粉浆糊混合制成直径 l-3 mm 的粒子，再将粒子吹入金属模具并进行加压加热发泡，可制得精度和壁厚与金属模相应的包装制品。Tsutomu

24、 Noguchi, Mayumi Miyashita, Yasuhito Inagaki, Haruo Watanabe 从柑橘类水果果皮中提取出 d-柠檬烯，将其作为溶解废弃 EPS 板材的新型溶剂，EPS 板材经 d-柠檬烯的溶解分解为一个个 EPS 珠粒，取 10的改性淀粉与 3%的回收 EPS 颗粒，与废纸纤维混合后入模成型，在 100蒸气条件下加热 1.5min。该材料已作为索尼公司包装 28英寸电视机的缓冲材料。Heartwin Amaladhas Pushpadass, Govindarajan Suresh Babu, Robert W. Weber, Milford A. H

25、anna 将玉米淀粉与聚苯乙烯以 7:3 的比例混合，添加滑石粉和聚碳酸酯，经由单螺杆挤出机挤出发泡，制备发泡缓冲材料。研究结果表明：水分和滑石粉的含量对泡沫的径向膨胀效果具有显著影响，当水分含量和挤出温度升高时，泡沫材料的密度增加，通过 X 射线透视发现，淀粉和聚苯乙烯聚合物经挤出成型充分分散，泡沫具有一定的防水性能。Y. Lin 和 F. Hsieh 将大豆分离蛋白、大豆纤维、玉米淀粉加入软质聚氨酯原料之中进行发泡，制得发泡材料，最后研究了生物质原料含量、初始水含量对材料力学性能和密度的影响。结果表明：当生物质原料含量在 10-20%时，材料的应力应变曲线上具有很大的平台应力区域，生物质原

26、料含量的增加和初始水含量的增加都会使材料密度增大，此外，经过预压缩，生物质含量为1040%的材料其永久变形量比对照材料的永久变形量低。Samina Arif, Gary Burgess, Ramani Narayan, Bruce Harte 研究了一种用特殊玉米淀粉生产的可降解发泡包装材料的缓冲性能、阻热性能和防潮性能。结果表明（采用 ASTM测试法）：该材料层合之后可应用于缓冲领域，当材料厚度为 1 英寸时，较之相同厚度的普通泡沫塑料具有较差的缓冲性能，当材料厚度为 2 英寸时，缓冲性能与相同厚度的塑料泡沫相近，此外，几位研究者通过确定其三个温度下（20，25和 30）的水分吸收等温线来确

27、定它的吸湿性能，结果表明，当温度较高时（30），该材料的尺寸改变量较为明显。综合来看，虽然国内外针对降解缓冲材料的研究已有一定进展，但是普遍成本较高，或仍存在一定的缺陷，如化学处理过程较复杂，缓冲性能不足等，产业化过程仍不足。所以，如能将全降解缓冲材料的优点与纸板相结合，则复合材料将极具发展空间。（三）、项目的产业化前景分析目前国内纸箱销售以迅猛速度增长2000年增长到125亿平方米，2002年产量达148亿平方米，到了2010年已达到242亿平方米，且仍在以平均每年30%的速度增加，尤其是蜂窝纸板，增长速度更快。而在缓冲材料领域，全球近年包装材料和容器的消费市场规模在6000亿美元左右。中国

28、3000亿人民币的国内商品和1200亿美元的出口商品提供配套包装。过去不少电子产品、家电产品及许多易碎、易损产品的包装，主要使用纸板或者EPS泡沫塑料作缓冲衬垫材料，显然，本项目的开发只要部分替代瓦楞与蜂窝纸板材料，或者用于更高端的缓冲防震包装领域，具有非常广阔的市场前景。二、研究开发内容、方法、技术路线（一）主要研究内容本项目在传统瓦楞纸板、蜂窝纸板的基础上，开发可与纸板相复合的可降解发泡层，使用自制的淀粉胶粘合，并通过相应的挤出与压制设备，在原纸板生产线的基础上实行热固化粘结，得到新型的纸板复合材料。具体研究内容包括：（1）针对复合纸板性能的全降解发泡复合层的开发可降解发泡材料可用多种材料

29、共同制备，如各种不同淀粉，包括玉米淀粉、木薯淀粉等具有不同支链结构的淀粉；不同纤维，如竹纤维，木纤维，芥杆，麦秆等；蛋白质、明胶、植物提取胶等，还可包括其他塑料如PVA，PE，PS，PLA。通过不同的发泡技术，如有机发泡剂、无机填充剂发泡和水蒸汽发泡等。虽然原材料和工艺可选择性较多，但产品的特性不一，尤其是在作为纸板的复合材料时并不一定合适，这就需要针对与纸板复合开发合适的发泡材料。本项目针对纸板的力学特性，通过淀粉、改性纸浆、纤维为主要原材料，通过对原料的改性，利用动态反应挤出方法、引入水蒸气作为主发泡剂、再辅以其他自行开发添加助剂，生产出一类高性能的可降解材料。此材料可通过配方的调整调节材

30、料性能，进而调整纸板复合材料的各种不同特性如力学性能、防潮性，阻隔性等。（2）针对性专用淀粉胶的开发基于发泡层与纸板的特点，尤其是纸板纤维和发泡材料的分子结构组成，在原有淀粉胶的基础上，加入一定具有偶联特性基团以提高发泡材料与原纸板的粘合程度，从而提高复合材料的使用时间和性能保持能力。（3）复合材料的加工与设备开发该复合材料的加工过程包括发泡材料的加工及发泡材料与纸板的复合。而发泡设备因环保需要最优选择水蒸气发泡，同时，发泡材料的要求是具有良好的力学性能、表面形态、防潮与阻隔性能等。而这除了配方设计外，加工设备相当重要，如何控制水蒸汽在生物基质中的发泡效果，即泡孔的结构、开孔闭孔、孔径等以及纤

31、维在基质中的均匀分散与增强效果则成为了该设备的关键。而复合材料与纸板的有效复合也需要自动上胶、热固化和压延系统结合，针对于此，我们将展开该新型复合材料专用加工与设备开发。（4）复合材料的结构设计：不同的纸板间的相互结合，纸板与复合材料的搭配因其力学传导机理的不同，将导致材料的性能差异。如复合材料的层数，发泡层在复合材料中的位置等。在纸板复合材料的开发中，将通过实验充分考虑不同纸板与发泡材料层的结构，调整材料的工艺、配方，及其互配结构，通过最优化的成本得到性能最佳的复合材料。最终的复合材料将具有优异的抗压、隔热、防潮性。同时，加工简单且不增加成本。（二）拟解决的关键技术（1）针对瓦楞纸板与蜂窝纸

32、板的全降解复合发泡层的配方设计与制备。针对适合不同纸板材料的性能可起到互不作用的全降解复合发泡层是本项目实施的关键，而配方的选择与原材料的改性与搭配则是技术实现需要解决的问题。（2）发泡材料成型工艺与技术针对降解材料的发泡工艺对压力和温度的控制以及剪切过程的精确控制均相当重要，均匀混合与发泡的控制将直接关系材料的性能。所以，对成型设备参数的设计及其工艺的控制均是需要解决的关键技术。（3）复合材料成型设备实现纸板与发泡层是紧密结合是实现复合材料性能的保证，这就要求复合成型设备在保障两方面性能不受损失的基础上顺利成型。（4）针对纸板特性的复合材料结构设计与功能实现不同纸板的搭配，如瓦楞-蜂窝配合可

33、得到不同性能的纸板，而根据实验结果对发泡层及其纸板的搭配进行设计也是实现性能最优化的基础。（三）拟采用的方法、技术路线以及工艺流程1、技术路线与工艺流程：（1）发泡材料的配方研发： 根据瓦楞和蜂窝分别对强度、缓冲性、回弹性和阻隔性的要求，本项目将先针对性的进行复合发泡材料的配方研究，以得到具有优良性能且性能可调可控的复合发泡层材料。下面将就各原料选择与处理进行阐述。1）淀粉选用玉米淀粉,因为玉米淀粉经糊化过后高度的粘合性能使各物料很好的混合相容,起到主要的粘接作用。同时，通过玉米淀粉的轻微氧化与酯化改性，将使得淀粉具有一定的加工性和较好的力学性能。同时，塑化剂丙三醇的加入将提高整体材料的加工性

34、。除了玉米淀粉,实验中还加入了适量的自制的植物提取胶,该物质是一种粘性很强的粘合剂,它与淀粉共用,对极性材料体系有协同粘接作用,从而体系中的各材料,包括植物纤维、淀粉胶粘剂、填料、发泡剂等形成一个有机整体,最终热压发泡形成网络化的整体结构,从而使植物纤维制品体现出作为模压缓冲制品所需的柔韧性、缓冲性和天然可降解性等。2）植物纤维填料是将如木材、糠壳、竹屑、豆类、亚麻、稻杆、玉米淀粉和坚果硬壳等粉碎成粉状、纤维状和刨花等形态。根据张建东等对竹粉、稻糠、 松木、稻草纤维和麦秸纤维等木质纤维热稳定性能的研究，本项目选用热稳定性好的秸秆纤维作为填料，在锤式粉碎机4500r/min的转速下将干燥的秸秆粉

35、碎成35cm的纤维丝,掺入适量水形状如同发泡的棉花，添加量为20%60%，纤维的加入将极大提高材料的强度和形状保持能力。3）植物纤维表面存在诸多氢键，具有较强的吸水性，且极性很强且具有亲水性，使其制品容易受潮, 在潮湿的环境、多雨的季节、盐份较高的海洋运输中, 制品均易发生霉变, 引起质变, 植物纤维缓冲衬垫还会使其包装的家电、仪表、五金产品发生锈蚀。因而防潮是植物纤维制品需解决的重要问题。本项目即通过加入自制VAE的共聚乳液来改进这一缺点。4）钙或醋的盐类可作为本材料的增强剂和防水剂，少量的加入可使材料的耐水性能得到改善。耐水性的提高可以显著改善材料的使用性能，对于包装应用领域，具有实际意义

36、。本实验选用氢氧化钙作为增强剂。5）稳定剂的应用也随着人们对复合材料质量和耐用性要求的提高得到迅速发展。它能使复合材料中聚合物不发生降解或力学性能下降。常用的有受阻胺类光稳定剂和紫外线吸收剂。美的性能，常常需要加入防菌剂。防菌剂的选择要考虑木粉的种类、添加量、复合材料使用环境中的菌类、产品的含水量等多种因素。如硼酸锌可以防腐但不能防藻类。（2）专用粘合胶的开发：在复合材料的制备过程中，因发泡层涉及与纸板（面纸）的复合，在粘合固化与压制过程中，采用原有的纸板淀粉胶在热固化过程和会出现与发泡层粘合松动等问题，这将导致整体材料易在使用过程中出现脱胶从而导致性能的降低和包装的破坏。而这就需要开发一种可

37、对发泡层稳定粘合的新型粘合胶。我们在原有淀粉胶的基础上加入不同的自行开发的丙烯酸酯成分，并配合植物提取胶，可在热固化时提高发泡层的粘合能力。（3）复合加工技术与设备的开发为提高材料的生产效率，本项目将开发可一次性对复合材料进行成型的加工设备，其中包括复合材料制备与纸板复合工艺。 其中，发泡材料的制备将采用自制的多阶动态挤出发泡专用设备来完成。即设计多螺杆系统，每一阶均采用不同工艺来对不同物性材料进行精确控制。首先将预处理后的纤维、部分改性淀粉、植物提取胶输入动态二阶三螺杆中进行动态混合；同时，淀粉及部分助剂通过动态一阶三螺杆混合均匀，再和动态二阶三螺杆中的纤维和其他组分共混，并在添加剂、振动场

38、、剪切场、温度场、以及水蒸气等的作用下混合、硫化交联、发泡，形成高性能的发泡材料。在挤出的同时，进入纸板复合设备，纸板复合材料可采用同步或非同步复合设备，即通过自动上胶、热固化和压延系统结合，将挤出发泡材料与纸板材料结合。2、研究方法:所采用研究方法如下流程图:总体性能设计配方设计原材料的选择与处理制备工艺参数的设计加工设备设计加工设备工艺参数实验样品反馈调整确定工艺参数与配方系列合格不合格中试产业化不合格（四）项目的特色和创新突破点本项目涉及到一种新型防水抗压隔热纸板复合材料的开发及一次性成型技术。项目将新型材料的开发与成型技术成型设备相结合，具有很强的创新性。该新型材料在传统的瓦楞纸板、蜂

39、窝纸板的纸板层和面纸层中加入中纸与自行研发的可降解发泡材料层，采用加入植物提取物的新型淀粉胶来进行粘合，使得复合纸板材料具有优异的抗压、隔热、防潮性。同时，加工简单且不增加成本。本项目有以下创新点。（1）复合材料配方创新 在本项目中，所用复合降解发泡层及专用淀粉胶均为自行研发，具有创新性。发泡材料配方创新 本项目所涉及新型复合纸板材料为在面纸与瓦楞（蜂窝）芯中添加不同层数、配方的降解复合发泡材料层。该发泡材料层采用废纸浆、植物纤维、改性植物纤维、改性淀粉及少量可全降解生物塑料复合发泡，并加入自制防潮剂，以水蒸气为发泡剂，发泡层为闭孔结构。该发泡材料具有良好的回弹性，防潮与隔热性，与瓦楞纸板复合

40、可大幅度加强其抗压力强度，回弹性与形状稳定性。与蜂窝纸板复合可一定程度提高抗压强度，同时大幅提高纸板的防潮性、形状稳定性、隔热性，并改善纸板翘曲、变形等缺陷。专用淀粉胶配方创新 本项目将针对加入的发泡层与面纸的特性，调整淀粉胶的配方，并加入植物提取胶和具有两种材料特性的偶联改性剂，使得复合材料层与面纸、中纸间具有良好的粘结性，不易变形、脱落。 （2）成型设备创新 本项目所涉及材料采用一次性成型，即在纸板成型设备的基础上配置自动化挤出发泡设备，实现在纸板生产后即时进行多层复合及中纸、面纸的粘合。工艺简单，自动化程度高，生产效率高。（3）复合结构创新 本项目通过对复合材料的结构设计来实现对材料的性

41、能进行控制与调节。可调节因素包括加入发泡层的配方、材料及泡孔结构、与纸板复合的结构如纸芯层的规格，发泡层的厚度、层数，瓦楞纸板与蜂窝纸板的搭配等。根据包装所需要求对其进行设计与调整，可控制复合材料的强度与性能。所制备材料有以下先进性： （1）该项目中的新型纸板复合材料具有优异的抗压强度，与瓦楞纸板复合材料可提高强度达100%以上，与蜂窝纸板复合的该材料可提高强度20%以上。 （2）该项目中的新型纸板复合材料具有优异的防潮性，在湿度为40%的环境中使用1月以上，纸板不变形。可在水润湿后继续使用。耐水时间明显增强，可降低纸板在使用过程中因遇潮而出现的强度、挺度过快下降的问题。（3）该项目中的新型纸

42、板复合材料具有优异的隔热性能，尤其是针对瓦楞纸板复合后，可达到蜂窝纸板的隔热效果。（4）该项目中的新型纸板复合材料经反复弯曲后不会因脱胶而导致面纸脱落及性能的大幅度降低。（5）该项目中的新型纸板复合材料具有优异的抗压回弹性。（6）该项目所研发的设备工艺简单，能耗低，可对该材料一次型成型，不会大幅提高生产成本与人力成本。（五） 项目完成后预期实现的技术、经济指标及社会和经济效益，对产业的带动和提升作用。技术指标：所实现技术指标分别包括单独降解发泡层的性能指标，如表1所示；复合后纸板的性能指标，如表2所示。表1 复合发泡材料的物理性能目标（通过与泡沫塑料对比）性能参数参考标准发泡聚乙烯本项目产品值

43、泡孔直径GB/T6343-1995200um40um压缩强度（50%，23）GB/T6669-20011.26KPa1KPa压缩永久变形（50%，23，24h）GB/T6669-200130分钟/24小时后 5.3%/0.3%30分钟/24小时后 4%/0.3%拉伸强度GB/T 6344-199645.1KPa50KPa断裂伸长率GB/T 6344-1996123.00%100%氧指数GB/T2406-932530隔热性（热导率）GB/T10294-880.24w/m.k0.1w/m.k表2 传统瓦楞纸板和新型瓦楞纸板物理性能目标单瓦楞纸板产品(max)新型瓦楞纸板边压强度(kgf/cm)79

44、耐波度(kgf/cm2)2022戳穿强度(kg-cm)100125粘合强度(kgf/楞 10cm)68吸水率%11393 除以上所述指标外，因此新型纸板材料为纸板复合材料，最终成型复合材料性能仍取决于所复合的纸板与结构，本新型纸板材料的性能目标值为较未采用自制发泡材料复合前提高10%以上。经济指标：在纸质包装缓冲领域，采用本项目研发的纸板复合材料，其功用与传统瓦楞纸板和蜂窝纸板相同，但性能可调整性大,综合性能更佳,且单位体积成本不增加.可替代目前的发泡塑料产品和纸制品包装品，广泛应用于包装行业。如各种工业防震包装材料，各类大小家用电器、电子仪器仪表、陶瓷、玻璃器皿等易碎物品内包装。2010年瓦

45、楞纸板年产量600万吨，年销量730万吨。行家估计到2013年需量将达到1500万吨以上。部分替代纸板材料将使得该项目材料具有及其广泛的市场。以下将对本单位的潜在效益和行业相关的潜在效益进行分析。对实施单位产生的效益正业包装（中山）有限公司年消耗原纸约13万吨，加上关联企业2家，全资子公司4家，合计年消耗原纸约20万吨以上。现原纸利用率约为89%，年产生废纸约2.2万吨，本项目研发成果，能解决公司纸箱生产长期存在的抗压、回弹等技术难关，能够使纸板成品抗压性、回弹性、防水防潮和隔热性得到有效提升，成果应用预计至少可提升公司原纸利用率1-3%，达到90-92%，预计每年可为公司节约原纸采购成本：2.2万吨（现年废纸量）-（1.6-2万）吨（提高利用率1-3%后年废纸）3500（原纸单价）-1300（废纸单价）=440-1320万元，同时还会间接降低公司其它辅料采购成本。其次，本项目开发材料因综合质量的提高，将提高公司产品的销售水平和市场占有情况，如按公司纸板销售增加销量5%，或按现有销量中10%产品因质量提高而提价10%