李金寶 董慧玲 楊雪 修慧娟 成銳 宋特

摘要：植物纖維基泡沫材料因其可完全降解及原料可持續(xù)再生等優(yōu)勢，在取代傳統(tǒng)泡沫塑料方面極具前景，探索其微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，進(jìn)而研究其結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控技術(shù)，對于該新型發(fā)泡材料的開發(fā)具有重要的意義。本研究將植物纖維通過原纖化處理、發(fā)泡、注模、干燥成型等一系列工藝制得了植物纖維基泡沫材料，研究了表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）用量對植物纖維基泡沫材料泡孔結(jié)構(gòu)及靜態(tài)壓縮性能的影響。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)SDS用量，可以實(shí)現(xiàn)對植物纖維基泡沫材料泡孔結(jié)構(gòu)及靜態(tài)壓縮性能的有效調(diào)控；當(dāng)SDS用量在002%～003%時(shí)，植物纖維基泡沫材料的泡孔分布均勻，此時(shí)獲得的植物纖維基泡沫材料具有良好的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：植物纖維；泡沫材料；表面活性劑；泡孔結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TS76文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：1011980/jissn0254508X201807001

（1 College of Bioresources Chemical and Materials Engineering， National Demonstration Center for Experimental Light

Chemistry Engineering Education， Shaanxi University of Science & Technology， Xian， Shaanxi Province， 710021；

2 State Key Lab of Pulp and Paper Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong Province， 510640）

（*Email： 652743567@qqcom）

Abstract：Plant fiber based foam material has a great prospect in place of traditional polyfoam because of the foam can be completely degraded and the raw materials are sustainable renewable It is of great significance to study the relationship between the foam microstructure and its performance for developing the new foam material In this study， plant fibers based foam material was prepared through fibrillating of the fibers， foaming， injection molding and drying Furthermore the relationships between the content of SDS and both of pore structure and static compression properties of the foam material were discussed The results showed that the pore structure and static compression performance could be controlled by adjusting the content of SDS The pores of the foam distributed evenly and the foam also had well mechanical properties when the content of SDS was in the range of 002%～003%.

Key words：plant fiber； foam materials； surfactant； pore structure

泡沫塑料是現(xiàn)代包裝業(yè)不可或缺的緩沖包裝材料，具有質(zhì)輕、能量吸收性能好、密度小、吸聲性能好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通運(yùn)輸、人民生活等領(lǐng)域[1]，但是傳統(tǒng)的泡沫塑料不易降解，回收利用困難，對環(huán)境造成“白色污染”[2]。因此，尋找一種可降解、可回收利用、資源豐富的新型泡沫材料來替代傳統(tǒng)泡沫塑料已成為亟需解決的重大問題[34]。

植物纖維基泡沫材料具有完全降解及原材料可持續(xù)再生等優(yōu)勢，在取代傳統(tǒng)泡沫塑料方面具有很好的前景。在植物纖維體系中添加發(fā)泡劑生成大量氣泡，穩(wěn)定后形成泡孔結(jié)構(gòu)，最終形成泡沫材料，其中泡孔結(jié)構(gòu)對其性能的影響至關(guān)重要[5]。發(fā)泡劑可以分為化學(xué)發(fā)泡劑、物理發(fā)泡劑和表面活性劑3大類[6]，十二烷基硫酸鈉（SDS）作為一種陰離子表面活性劑[7]，本課題組在前期研究時(shí)發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的發(fā)泡性能，因此本實(shí)驗(yàn)選用SDS對泡孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，通過改變發(fā)泡體系中SDS用量，調(diào)節(jié)泡沫材料泡孔的結(jié)構(gòu)，探索其微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，進(jìn)而對其結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控技術(shù)進(jìn)行研究。

本實(shí)驗(yàn)通過植物纖維原纖化、發(fā)泡、注模、干燥成型等一系列工藝過程處理制得了植物纖維基泡沫材料，分析了不同SDS用量下泡沫材料表觀密度、發(fā)泡率及收縮率，探究了不同SDS用量對植物纖維基泡沫材料泡孔結(jié)構(gòu)及靜態(tài)壓縮性能的影響效果，得到較佳的制備植物纖維基泡沫材料工藝參數(shù)，為植物纖維環(huán)保類緩沖包裝材料的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)與應(yīng)用參考。

1實(shí)驗(yàn)

11實(shí)驗(yàn)原料

漂白硫酸鹽闊葉木漿板，由國內(nèi)某造紙廠提供；十二烷基硫酸鈉（SDS），由天津市福晨化學(xué)試劑廠提供；去離子水。

12植物纖維基泡沫材料制備

利用TD15A標(biāo)準(zhǔn)纖維解離器將浸泡后的漂白硫酸鹽闊葉木漿板完全解離，然后采用PFI磨對漿料進(jìn)行原纖化處理[8]，得到原纖化處理后的纖維原料。

稱量纖維原料、水及不同質(zhì)量的SDS（添加量為總質(zhì)量的001%～005%）配制得到固含量為2%的纖維懸浮液，再由SDF400實(shí)驗(yàn)分散磨砂機(jī)進(jìn)行機(jī)械發(fā)泡處理，形成微泡沫體系后將其均勻注入模具，在電熱鼓風(fēng)干燥箱中脫水干燥，得到植物纖維基泡沫材料。

13植物纖維基泡沫材料的性能表征

131微觀形貌的觀察

采用Vega 3 SBH場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察不同條件下的植物纖維及植物纖維基泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)。

132表觀密度、發(fā)泡率、收縮率的測定

對植物纖維基泡沫材料的高度進(jìn)行測量（用游標(biāo)卡尺在周圍及中間部位量取5個(gè)具有代表性的高度，求其平均值作為樣品的高度），并根據(jù)其質(zhì)量求出表觀密度，其表觀密度可通過公式（1）計(jì)算得到。

ρf=mv （1）

式中，m為樣品的質(zhì)量，kg；v為樣品的表觀體積，m3。

發(fā)泡率為發(fā)泡前后混合體系在容器中高度方向上尺寸增加的程度[9]，反映了發(fā)泡體系中空氣的含量，可通過公式（2）計(jì)算得到。

發(fā)泡率=h1- h0h0×100%（2）

式中，h0為體系發(fā)泡前高度，mm；h1為體系發(fā)泡后高度，mm。

收縮率反映了泡沫制品干燥前后高度方向上尺寸縮減的程度，計(jì)算方法如公式（3）所示。

收縮率=H0-H1H0×100%（3）

式中，H0為樣品干燥前高度，mm；H1為樣品干燥后高度，mm。

133力學(xué)性能的測定

材料的靜態(tài)壓縮性能使用AI7000NGD高低溫伺服拉力機(jī)進(jìn)行測定[10]。在室溫（25℃）條件下，載荷向下對樣品進(jìn)行壓縮，可以得到樣品的壓縮力F與樣品高度方向上的壓縮距離δ的記錄數(shù)據(jù)，利用公式（4）和公式（5）可以求得應(yīng)力σ與應(yīng)變ε，經(jīng)過Origin分析，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線。

σ=FS（4）

ε=δH1 （5）

式中，σ為應(yīng)力，MPa；F為樣品所受的壓縮力，N；S為樣品所受到壓縮力的橫截面積，mm2；ε為應(yīng)變，%；δ為樣品在壓縮力下高度方向上的壓縮距離，mm；H1為樣品干燥后高度，mm。

2結(jié)果與討論

21SDS用量對植物纖維基泡沫材料微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖1所示為不同SDS用量下植物纖維基泡沫材料的微觀形貌圖。由圖1可以看出，經(jīng)原纖化處理的纖維產(chǎn)生細(xì)纖維絲與纖維主體在一定量SDS作用下，形成了具有豐富網(wǎng)絡(luò)狀的微觀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對植物纖維基泡沫材料泡孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控。隨著SDS用量的不斷增加，植物纖維基泡沫材料的結(jié)構(gòu)由局部致密、泡孔數(shù)量少且小、泡孔大小相差較多（見圖1（a））的形態(tài)向泡孔數(shù)量增多、泡孔大小分布更均勻（見圖1（c）和圖1（d））的方向發(fā)展，從而使得片狀致密結(jié)構(gòu)減少（見圖1（f））。SDS用量較低時(shí)，纖維緊密地結(jié)合在一起，分散不均勻，導(dǎo)致纖維無法形成均一泡孔結(jié)構(gòu)；隨著SDS用量逐漸增大，產(chǎn)生的泡沫量增加，纖維分散得更均勻，泡孔數(shù)量增加，圖1不同SDS用量下植物纖維基泡沫材料微觀形貌圖（×100）SDS用量的增加可以減小體系的表面張力，氣泡合并速度減慢[11]，有利于提高孔徑的勻度；隨著SDS用量繼續(xù)增大，此時(shí)泡沫體系表面張力很小，成核速率增大，氣泡生長所受的阻力很小[12]，氣泡更容易破裂形成大氣泡，纖維間出現(xiàn)了疏松的懸空結(jié)構(gòu)。通過分析不同SDS用量下植物纖維基泡沫材料的微觀形貌，對新型植物纖維基泡沫材料結(jié)構(gòu)的調(diào)控是有意義的，但SDS用量并非越高越好，其最佳用量還需要通過植物纖維基泡沫材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能來確定。因此，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了SDS用量對其結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能的影響。

22SDS用量對植物纖維基泡沫材料表觀密度、發(fā)泡率和收縮率的影響

圖2所示為不同SDS用量下植物纖維基泡沫材料的表觀密度、發(fā)泡率與收縮率。由圖2可以看出，在本實(shí)驗(yàn)SDS用量范圍內(nèi)，可以對發(fā)泡體系及植物纖維基泡沫材料的物理性能進(jìn)行調(diào)控，植物纖維基泡沫材料的表觀密度隨著SDS用量的增加而減小，根據(jù)表面活性劑的成核機(jī)理[13]，SDS用量直接決定了體系產(chǎn)生的泡沫量的多少，進(jìn)而影響發(fā)泡體的表觀密度。SDS用量增加，形成的發(fā)泡體系體積增大，最終形成的植物纖維基泡沫材料表觀密度減小。發(fā)泡體系的發(fā)泡率隨著SDS用量的增大而增加，這是因?yàn)楫?dāng)SDS用量低時(shí)（001%），發(fā)泡體系中大部分SDS分子遷移至氣液界面，溶液中沒有足夠的SDS分子，因而無法進(jìn)一步生成泡沫[14]。隨著SDS用量的增加（002%～003%），發(fā)泡體系表面張力降低，成核自由能減小[15]，泡孔數(shù)量增多；當(dāng)SDS用量增加至005%時(shí)，發(fā)泡率增加趨于平穩(wěn)，此時(shí)SDS分子在液膜表面的吸附已經(jīng)接近飽和，表面張力不會繼續(xù)下降，在溶液中形成膠束的剩余表面活性分子，不再具有穩(wěn)定泡沫的作用[16]。植物纖維基泡沫材料的收縮率隨著SDS用量的增大（002%～005%）呈現(xiàn)減小的趨勢，泡沫在干燥過程中狀態(tài)變化較為復(fù)雜，其穩(wěn)定性除了受自身重力和相聯(lián)結(jié)纖維間氫鍵作用力的

材料表觀密度、發(fā)泡率與收縮率影響，還受排液速度和液膜強(qiáng)度的影響[17]，SDS用量為002%～003%時(shí)，泡孔數(shù)量增多導(dǎo)致液膜變薄，在重力作用下排液速度較快，收縮率較大，最高為787%；隨著SDS用量繼續(xù)增大，可能是由于該階段發(fā)泡體系的黏度增大[18]，與模具之間的黏結(jié)力增大，導(dǎo)致收縮變得緩慢，當(dāng)SDS用量為005%時(shí)，收縮率降低至546%。

23SDS用量對植物纖維基泡沫材料力學(xué)性能的影響

圖3所示為不同SDS用量下植物纖維基泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖3中小插圖為應(yīng)力應(yīng)變小于10%時(shí)泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，表1為不同SDS用量下植物纖維基泡沫材料的靜態(tài)壓縮性能。由圖3和表1可以看出，在整個(gè)壓縮過程中，應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢與SDS用量有一定的關(guān)系，通過控制SDS用量可以實(shí)現(xiàn)對植物纖維基泡沫材料力學(xué)性能的調(diào)控。應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為3個(gè)階段[19]，由線彈性段、屈服平臺段以及坍塌密實(shí)段構(gòu)成。隨著SDS用量的增加，線彈性階段模量、屈服平臺段的屈服強(qiáng)度及能量吸收值均呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，植物纖維基泡沫材料的結(jié)構(gòu)由密實(shí)化向三維立體蓬松的結(jié)構(gòu)發(fā)展，植物纖維基泡沫材料的彈性模量從6441 kPa減小到212 kPa，對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線的屈服平臺段變長，該階段對應(yīng)的應(yīng)力由8253 kPa減小到636 kPa，能量吸收值由17102 MJ/m3減小到841 MJ/m3，植物纖維基泡沫材料的表觀密度逐漸減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由致密到疏松，孔隙率逐漸增大，泡孔分布和大小的均勻度均減小，表現(xiàn)在應(yīng)力應(yīng)變曲線上為平壓區(qū)較長，密實(shí)化區(qū)也逐漸向高應(yīng)變點(diǎn)偏移，此時(shí)緩沖形變較大[20]。

3結(jié)論

31適量的十二烷基硫酸鈉（SDS）對調(diào)節(jié)植物纖維基泡沫材料的泡孔結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢，植物纖維基泡沫材料的結(jié)構(gòu)由局部致密、泡孔大小相差較多的形態(tài)朝著泡孔數(shù)量增多、泡孔大小分布更均勻的方向發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)對植物纖維基泡沫材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的調(diào)控，這為植物纖維基泡沫材料的制備方法以及結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控提供了新的思路。

32植物纖維基泡沫材料的表觀密度隨著SDS用量的增加而減小，發(fā)泡率隨著SDS用量增加而增大，收縮率隨著SDS用量的增大先增加后減小，當(dāng)SDS用量為002%～003%時(shí)，泡孔的微觀結(jié)構(gòu)有了明顯的改善，雖然泡孔結(jié)構(gòu)并不是理想中的圓形孔狀，但泡孔分布更加均勻。

33植物纖維基泡孔材料的壓縮性能與泡孔結(jié)構(gòu)具有密切的聯(lián)系，當(dāng)SDS用量在002%～003%時(shí)，植物纖維基泡沫材料具有良好的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，SDS用量過大和過小，都會導(dǎo)致泡孔形狀不規(guī)則，泡孔均勻度下降，力學(xué)性能受到影響。

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