熊麗珍，張效林，楊紫怡，陳超，周子昂

混合廢紙纖維對發(fā)泡緩沖包裝材料性能的影響

熊麗珍，張效林，楊紫怡，陳超，周子昂

（西安理工大學(xué)，西安 710048）

研究廢箱板紙和數(shù)字印刷廢紙混合比例對發(fā)泡材料各項(xiàng)性能的影響，確定最佳纖維混合比例。以廢箱板紙和數(shù)字印刷廢紙為主要原料，通過微波發(fā)泡法制備了一種廢紙纖維發(fā)泡材料，通過微距鏡頭及掃描電鏡對發(fā)泡材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。研究表明，當(dāng)廢箱板紙纖維和數(shù)字印刷廢紙纖維質(zhì)量比為12.5∶2.5時，得到的材料綜合性能最優(yōu)，其密度為0.112 g/cm3、發(fā)泡倍率為1.728、變形能為6.463×104J/m3、緩沖系數(shù)為5.922。將2種廢紙纖維混合起來所制備的發(fā)泡材料具有低密度、高發(fā)泡倍率和較好的緩沖性能。

廢紙纖維；微波發(fā)泡；力學(xué)性能

隨著實(shí)體經(jīng)濟(jì)尤其是電商的繁榮發(fā)展，帶來了貨品流通速率快速增長，同時也帶動了包裝產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，包裝緩沖材料的需求量在急劇增多。用于包裝領(lǐng)域的傳統(tǒng)緩沖材料如：發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）和發(fā)泡聚乙烯（EPE）等因其質(zhì)輕價廉、工藝簡單、便于儲存以及優(yōu)良的緩沖性能等特性得到了廣泛的應(yīng)用。這些傳統(tǒng)塑料制品在大自然中不可降解或降解周期極長，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重不利影響[1-2]。近年來，隨著國家“限塑令”的頒布，傳統(tǒng)塑料類包裝緩沖材料的應(yīng)用和發(fā)展受到了巨大限制，質(zhì)輕、緩沖性能良好且環(huán)境友好型的可降解緩沖材料成為近年來行業(yè)關(guān)注的新熱點(diǎn)，其中，紙漿模塑制品的研發(fā)備受關(guān)注。紙漿模塑材料具有優(yōu)良的環(huán)保性能，但是其抗震緩沖性能效果不太理想，限制了其應(yīng)用范圍。眾所周知，植物纖維基發(fā)泡緩沖材料既具有傳統(tǒng)塑料泡沫材料的良好緩沖性能，又具有紙漿模塑制品的資源可再生性，且原料來源廣泛、制備工藝簡單、具有環(huán)境友好性，在作為大型家電產(chǎn)品、電子產(chǎn)品的包裝襯墊及填充等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。這種材料是以廢紙纖維為主要原料，添加膠黏劑、發(fā)泡劑以及其他助劑，通過微波發(fā)泡法制備而成，其發(fā)泡機(jī)理見圖1，其制備過程中的泡孔成型可以分為3個階段：氣泡核的形成、氣泡核的膨脹生長和氣泡的穩(wěn)定固化。多相混合體系中由于發(fā)泡劑和成核劑的存在產(chǎn)生許多氣泡核，隨著溫度逐漸上升，發(fā)泡劑會慢慢分解，水分也開始蒸發(fā)，氣泡受到內(nèi)外壓力的作用，逐漸膨脹生長直至穩(wěn)定固化狀態(tài)[4]。

目前，對于植物纖維發(fā)泡材料的研究主要在發(fā)泡成型、多功能應(yīng)用以及各類纖維原料上。在發(fā)泡成型上，物理發(fā)泡法比化學(xué)發(fā)泡法更環(huán)保，但目前國內(nèi)技術(shù)不太成熟，大多采用化學(xué)發(fā)泡劑如碳酸氫銨、AC發(fā)泡劑等，以及表面活性劑如十二烷基硫酸鈉、十二醇等；國外大多采用物理發(fā)泡劑如二氧化碳、異丁烷、氮?dú)獾萚5-6]，通過不同的成型方法制備發(fā)泡材料，如微波發(fā)泡法、機(jī)械發(fā)泡法、模壓發(fā)泡法、烘焙成型法、擠出發(fā)泡法[7-11]。文中使用碳酸氫銨和AC發(fā)泡劑，通過微波發(fā)泡法制備發(fā)泡材料，主要是因?yàn)檫@種方法加熱均勻、效率高，發(fā)泡效果穩(wěn)定。在多功能應(yīng)用方面，目前研究主要集中于阻濕、阻燃、吸聲、抗菌等方面[12-18]。在原料上，很多研究主要是以一次纖維或二次纖維或混合纖維為主要原料制備發(fā)泡材料。研究表明，僅僅以二次纖維為主要原料制備的發(fā)泡材料力學(xué)性能不夠，可以將一次纖維作為增強(qiáng)纖維加入其中，從而提升材料力學(xué)強(qiáng)度。陳玉芬等[19]以玉米秸稈粉末和廢瓦楞紙板為主要原料,制備出了一種力學(xué)強(qiáng)度高緩沖性能較好，泡孔較均勻的環(huán)境友好型環(huán)保緩沖包裝材料。Huang等[20]用經(jīng)過PFI粉碎機(jī)微粉化的漂白甘蔗渣紙漿制備了具有較強(qiáng)的緩沖性能且能夠在一定范圍承受較大的壓縮和沖擊載荷泡沫緩沖材料。也可以通過改性，達(dá)到增強(qiáng)泡沫材料的作用，如Wu等[21]通過在紙漿中摻入殼聚糖和陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）制備了超強(qiáng)紙漿泡沫材料。結(jié)果表明，與不含殼聚糖和CPAM的硼酸鹽交聯(lián)的紙漿泡沫相比，其表現(xiàn)出高度改善的力學(xué)性能，甚至高于大多數(shù)報(bào)道的纖維素基多孔材料，且在阻燃，隔熱，抗菌和吸音方面具有良好的性能。一次纖維也經(jīng)常被添加到淀粉中從而增強(qiáng)泡沫性能。趙月圓等[22]以竹纖維和淀粉為主要原料，制備了緩沖系數(shù)為6.04，單位體積總吸收能量為1.52 MJ/m3的竹纖維/淀粉發(fā)泡復(fù)合材料，其靜態(tài)緩沖性能與EPS接近，可用于產(chǎn)品的物流防護(hù)。Sukaree等[23]以天然木薯淀粉和水葫蘆為原料，通過高溫烘烤制備了一種新型復(fù)合泡沫緩沖材料。

文中選用常見的廢箱板紙纖維和數(shù)字印刷廢紙纖維為主要原料，其中，數(shù)字印刷廢紙的原料為化學(xué)木漿，其纖維中包含高含量的纖維素、少量的半纖維素、少量木素及雜質(zhì)（表面油墨粒子、膠黏物、填料等），其纖維強(qiáng)度較好且熱穩(wěn)定性較好[24]；廢箱板紙所用的原料主要成分是本色漿或者廢紙漿。紙漿中細(xì)小纖維較多，纖維組分中半纖維素含量高，雜質(zhì)成分主要是填料、膠料等[25]，其纖維承力效果好。由于廢紙已經(jīng)過打漿、壓榨和干燥處理，導(dǎo)致廢紙纖維的表面發(fā)生角質(zhì)化現(xiàn)象，即：纖維內(nèi)表面變小、脆性變大、保水性能降低、表面可及度降低等，這些纖維性能的轉(zhuǎn)變都會對所制備發(fā)泡材料的性能造成影響[26]。經(jīng)研究證明，通過堿預(yù)處理可以去除廢紙纖維中部分半纖維素和木質(zhì)素以及大部分的雜質(zhì)，同時增加纖維的潤脹性和表面可及度[26]。因而，實(shí)驗(yàn)時會先對纖維進(jìn)行預(yù)處理，再添加膠黏劑、發(fā)泡劑以及助劑，通過微波發(fā)泡法來制備纖維發(fā)泡緩沖材料，研究了不同廢紙纖維混合比例對發(fā)泡材料各項(xiàng)性能的影響。本研究旨在探索不同類型廢紙纖維在發(fā)泡材料中的應(yīng)用性能，為后續(xù)相關(guān)研究提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：廢紙纖維，自制；玉米淀粉，山東優(yōu)索化工科技有限公司；聚乙烯醇，山東優(yōu)索化工科技有限公司；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液，天津渤化化學(xué)試劑有限公司；偶氮二甲酰胺，昆山雅煬復(fù)合材料科技有限公司；碳酸氫銨，山東優(yōu)索化工科技有限公司；碳酸鈣，上海鎧源化工科技有限公司；丙三醇，山東優(yōu)索化工科技有限公司；硼砂，山東優(yōu)索化工科技有限公司；尿素，山東優(yōu)索化工科技有限公司。

主要設(shè)備：MJ–WBL2501B型攪拌機(jī)，美的電器制造有限公司；912型纖維分析儀，瑞典L&W；HH–4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州智博瑞儀器制造有限公司；P70J17L–V1(W0)型微波爐，格蘭仕電器制造有限公司；FA1004型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司；101–0AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；8014型數(shù)顯游標(biāo)卡尺，上海賽拓五金工具有限公司；XXW–20A型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司；OnePlus 8T手機(jī)，深圳市萬普拉斯科技有限公司；微距鏡頭（15×），江門市卡色學(xué)有限公司；SU–8010型場發(fā)射掃描電鏡，日本日立公司。

1.2 方法

將廢紙碎解并烘干，加水置于60 ℃水浴鍋中水浴，水浴之后進(jìn)行打漿。將氫氧化鈉溶液加入至碎好的紙漿中，水浴加熱1 h，取出洗漿。將聚乙烯醇、淀粉、硼砂分別加水，水浴加熱。稱取AC發(fā)泡劑、碳酸氫銨、碳酸鈣、尿素。待聚乙烯醇完全融化和淀粉糊化且都冷卻之后，加入甘油，將上述混合體加到廢紙纖維里，攪拌均勻，再加入硼砂溶液。發(fā)泡機(jī)理見圖1。將待發(fā)泡漿料平鋪于模具中，置于微波爐中進(jìn)行發(fā)泡，發(fā)泡完成之后放入80 ° C烘箱烘干。具體實(shí)驗(yàn)過程見圖2。

圖1 發(fā)泡機(jī)理[27]

1.3 測試與表征

1.3.1 纖維形態(tài)分析

從粉碎制得的廢紙纖維中取出少量試樣，將其分散于蒸餾水中，利用纖維分析儀可測出廢紙纖維的長度和寬度。

1.3.2 表觀密度

在電子天平上測量出試樣的質(zhì)量，使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量試樣4個角與中心的厚度，求取其平均值以表示該試樣的厚度，厚度用表示。再分別對試樣的長和寬測量3次，并計(jì)算得到長和寬的平均值，從而得到橫截面積，通過與乘積得到體積。則試樣的表觀密度可由密度公式（1）直接求出。

1.3.3 發(fā)泡倍率

發(fā)泡倍率用來表征材料發(fā)泡效果，其值越大，發(fā)泡效果越好，緩沖效果越優(yōu)良。本文實(shí)驗(yàn)選用的模具是方形模具，四周被模具壁限制，故發(fā)泡倍率由材料發(fā)泡前后的厚度計(jì)算：

式中：為發(fā)泡倍率，%；0為材料發(fā)泡前的厚度，mm；1為發(fā)泡后的材料厚度，mm。

1.3.4 應(yīng)力應(yīng)變

依據(jù)GB/T 4857.2—2005《包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)》[28]中規(guī)定的預(yù)處理?xiàng)l件，將試樣在溫度為23 ℃、相對濕度為50%的環(huán)境下預(yù)處理24 h，試樣處理后放入壓縮材料試驗(yàn)機(jī)中，根據(jù)壓縮速度12 mm/min可以得到某段時間內(nèi)的厚度變化，實(shí)驗(yàn)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變可以由式（3）計(jì)算得出。

式中：為應(yīng)力，MPa；為樣品所受的壓縮力，N；為待測樣品的橫截面積，mm2；為應(yīng)變，%；為壓縮力下樣品在高度方向上的壓縮距離，mm；1為樣品的高度，m。

1.3.5 回彈性

回彈性試驗(yàn)先是測量試樣的原始厚度，依據(jù)GB/T 8168—2008《包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》[29]使用萬能試驗(yàn)機(jī)設(shè)置壓板速度為12 mm/min，沿著試樣的厚度方向逐漸增加載荷至試樣厚度變形量為50%時停止，卸載、靜置1 min，測量回彈后試樣的厚度，每次壓縮間隔時間為1 min，重復(fù)壓縮4次，計(jì)算每次回彈率，并求得4次平均回彈率。為減小誤差，測量回彈后試樣厚度5次，取平均值?；貜椔实挠?jì)算公式為：

圖2 實(shí)驗(yàn)流程

式中：為壓縮回彈率，%，0為壓縮前材料的厚度，mm；1為壓縮后的材料厚度，mm。

1.3.6 變形能

由試樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線可計(jì)算出試樣變形能。根據(jù)公式可計(jì)算得到材料的變形能：

式中：為試樣變形能，單位為104J/m3；為試樣壓縮應(yīng)力，單位為MPa；m為應(yīng)變的50%，%，文中以應(yīng)變的50%作為最大應(yīng)變m來計(jì)算材料的彈性比能。

1.3.7 緩沖系數(shù)

緩沖系數(shù)是材料緩沖性能表征最常見的參數(shù)，間接反映緩沖效率，指的就是在一定壓力下，反映緩沖材料吸收能量情況的一個物理量，它是通過應(yīng)力應(yīng)變曲線來計(jì)算的。于緩沖材料而言，緩沖系數(shù)選擇較小值為好，這樣可適當(dāng)減少材料用量，其計(jì)算公式為：

式中：為緩沖效率；為外力；為材料的厚度；為變形能。

1.3.8 微距

使用手機(jī)搭配微距鏡頭（15×）進(jìn)行拍攝。

1.3.9 掃描電鏡

用刀片切取一小片植物纖維發(fā)泡緩沖材料的樣品，真空噴金，在SEM下分別觀察在不同倍數(shù)（×400、× 1 000、× 1 500）情況下纖維的形態(tài)及分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維形態(tài)分析

數(shù)字印刷廢紙和廢箱板紙的質(zhì)均纖維長度分布及各長度區(qū)間所對應(yīng)的平均寬度見圖3和圖4?？梢钥吹?，兩種纖維的質(zhì)均長度呈正態(tài)分布趨勢，且都分布在0.001～3.5 mm。2種廢紙纖維長度分布都比較集中，數(shù)字印刷廢紙中大部分纖維的長度分布在0.6～1 mm，其次是<0.6 mm的較短纖維，>1 mm的較長纖維占比較小。廢箱板紙纖維中分布較多的是0.001～1 mm的較短纖維。數(shù)字印刷廢紙纖維中，較短纖維占比為29.1%，較長纖維占比為7.6%；廢箱板紙纖維中，較短纖維占比為44.2%，較長纖維占比為12.3%。相比于數(shù)字印刷廢紙纖維，廢箱板紙纖維具有更多較長纖維和較短纖維。在0.001～1 mm時，纖維平均寬度較為均勻，而廢箱板紙纖維相較于數(shù)字印刷廢紙平均寬度更大。數(shù)字印刷廢紙平均寬度為19.4 μm，廢箱板紙纖維在各長度區(qū)間平均寬度更大，為24.9 μm[24]。上述分析表明，數(shù)字印刷廢紙中存在較多纖細(xì)的中長纖維，廢箱板紙中具有較多的短纖維。數(shù)字印刷廢紙纖維因?yàn)槠淅w細(xì)形態(tài)，容易纏結(jié)交織，形成更好的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，經(jīng)攪拌混合后的待發(fā)泡纖維漿料中存在許許多多錯綜復(fù)雜的纖維網(wǎng)絡(luò)，纖維越長，所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就越大。對于纖維發(fā)泡材料來說，較長纖維容易實(shí)現(xiàn)低密度，較細(xì)纖維有助于提高強(qiáng)度，因此結(jié)合廢箱板紙纖維和數(shù)字印刷廢紙纖維的形態(tài)特征，文中將2種纖維混合起來制備纖維發(fā)泡緩沖材料，并研究了混合比例對材料各項(xiàng)性能的影響。

圖3 2種纖維的質(zhì)均長度分布及所對應(yīng)的平均寬度

2.2 不同數(shù)字印刷廢紙與廢箱板紙比例對材料性能的影響

選取數(shù)字印刷廢紙:廢箱板紙質(zhì)量比分別為12.5∶2.5、10∶5、7.5∶7.5、5∶10、2.5∶12.5以及純數(shù)字印刷廢紙（15∶0）與純廢箱板紙（0∶15）來制備纖維發(fā)泡材料。制備方法如1.2節(jié)中所述。

2.2.1 表觀性能

發(fā)泡材料的表觀效果主要由人眼根據(jù)材料的發(fā)泡情況、軟硬程度、表面坍塌情況以及泡孔分布情況來評價，不同數(shù)字印刷廢紙與廢箱板紙比例制備的發(fā)泡材料的表觀效果評價見表1。微距圖片借助微距鏡頭拍攝，主要對材料的表觀性能進(jìn)行觀測，作為一個直觀的評價指標(biāo)，見圖4。綜合表觀效果和微距圖片，當(dāng)數(shù)字印刷廢紙占比較大時，材料結(jié)合地不太緊密，較為疏松，或泡孔分布不均勻；或泡孔均勻，但容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。主要是因?yàn)閿?shù)字印刷廢紙纖維占比大，由于其表面相對平滑，致使難以與廢箱板紙纖維以及各助劑更好地結(jié)合[24]。純廢箱板紙發(fā)泡材料表現(xiàn)出和純數(shù)字印刷廢紙發(fā)泡材料相似的疏松和較大的泡孔，且發(fā)泡效果不佳。當(dāng)數(shù)字印刷廢紙與廢箱板紙以5∶10和2.5∶12.5配比時，材料結(jié)合緊密，但比例為5∶10時泡孔過于小且發(fā)泡效果不佳。當(dāng)數(shù)字印刷廢紙占比較小時，制備的發(fā)泡材料表觀效果更佳，因?yàn)閺U箱板紙纖維表面相對粗糙，有助于纖維與纖維、纖維與助劑之間更加穩(wěn)固地結(jié)合，且廢箱板紙纖維相對擁有較多的細(xì)小纖維和少量較長纖維，較長纖維容易實(shí)現(xiàn)低密度，較細(xì)纖維有助于提高力學(xué)強(qiáng)度。

2.2.2 表觀密度和發(fā)泡倍率

不同纖維混合比例所制備的發(fā)泡材料的密度和發(fā)泡倍率見圖5。纖維混合比例為15∶0時，發(fā)泡材料的發(fā)泡倍率最大，對應(yīng)的表觀密度較最小，其次是2.5∶12.5。隨著數(shù)字印刷廢紙含量減少，廢箱板紙含量的增加，材料的發(fā)泡效果逐漸變好，表觀密度也隨之降低，直至二者含量一樣。當(dāng)纖維混合比例為5∶10時，材料的發(fā)泡效果不佳，內(nèi)部泡孔數(shù)量少，導(dǎo)致表觀密度較大。數(shù)字印刷廢紙纖維長徑比較大，其纖維纏結(jié)交織程度高，當(dāng)其在混合纖維中占比較大時，會導(dǎo)致整體的纖維在發(fā)泡過程中容易纏結(jié)團(tuán)聚，不能更好的舒展，使單根纖維受力不均衡，從而影響發(fā)泡效果。而純數(shù)字印刷廢紙制備的發(fā)泡材料中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由純數(shù)字印刷廢紙纖維搭建起來，其形成的泡孔更密更均勻，不存在像較寬纖維和較窄纖維搭接而成的大小不一的泡孔或雜亂纏結(jié)形態(tài)；純廢箱板紙由于其纖維平均長度較小，纖維間不易纏繞成團(tuán)，阻礙氣體散出，因而制備的發(fā)泡材料發(fā)泡倍率高、表觀密度較低。

表1 不同纖維混合比例下發(fā)泡材料的的表觀效果

Tab.1 Apparent effect of foaming materials with different fiber mixing ratios

圖4 不同纖維混合比例下發(fā)泡材料的的微距圖片

圖5 不同纖維混合比例下發(fā)泡材料的表觀密度和發(fā)泡倍率

2.2.3 緩沖性能

不同纖維混合比例所制備的發(fā)泡材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線、回彈率、變形能以及緩沖系數(shù)分別見圖6—8?？梢钥吹?，不同纖維混合比例下制備的發(fā)泡材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化明顯。在50%應(yīng)變處，纖維混合質(zhì)量比為12.5∶2.5時，發(fā)泡材料的應(yīng)力最大，其次是10∶5。質(zhì)量比為5∶10、15∶0、0∶15、7.5∶7.5時，應(yīng)力比較低。當(dāng)數(shù)字印刷廢紙與廢箱板紙比為12.5∶2.5和10∶5時，制備的材料硬度大，彈性差，抗壓強(qiáng)度大，緩沖性能不好。這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)字印刷廢紙占比較大時，形成的泡孔較少且大小不一，而泡孔分布密度較小的材料其內(nèi)部纖維間的距離小，纖維間相互纏結(jié)緊密，易壓實(shí)，泡孔密度越小，纖維發(fā)泡材料對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線越陡，材料對應(yīng)的應(yīng)力值越大，其緩沖效果不佳。純數(shù)字印刷廢紙、純廢箱板紙以及纖維混合質(zhì)量比為7.5∶7.5、5∶10時制備的發(fā)泡材料硬度小，抗壓強(qiáng)度小，材料吸能有限，也達(dá)不到所需緩沖效果。數(shù)字印刷廢紙纖維較高的扭結(jié)程度一定程度上制約了其力學(xué)性能的提高，致使由其所制備的發(fā)泡材料受到外部載荷時，其承力作用有限[24]。材料的泡孔分布密度越大，在同一應(yīng)力條件下越容易發(fā)生變形，其應(yīng)力應(yīng)變曲線越平緩，緩沖效果越好[30]。當(dāng)以呈片狀較寬的廢箱板紙纖維作為主體支撐纖維，再以少量的較窄中長度的數(shù)字印刷廢紙纖維作為與主體纖維相搭接的輔助纖維，即纖維混合比例為2.5∶12.5時，所制備的材料泡孔多且較為均勻，其應(yīng)力應(yīng)變曲線較為平緩，抗壓強(qiáng)度較高，且回彈性良好，吸收外界能量的能力強(qiáng)，具有較好的緩沖性能。

圖6 不同纖維混合比例下發(fā)泡材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 不同纖維混合比例下發(fā)泡材料的回彈率

圖8 不同纖維混合比例的變形能和緩沖系數(shù)

2.2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

不同纖維混合比例的發(fā)泡材料在不同倍數(shù)下（×400、×1 000、×1 500）的SEM圖見圖9。當(dāng)數(shù)字印刷廢紙與廢箱板紙質(zhì)量比為2.5∶12.5時，即數(shù)字印刷廢紙占比較小時，纖維交聯(lián)較好，纖維搭接在一起，孔洞較多。廢箱板紙纖維形態(tài)為長條片狀，數(shù)字印刷廢紙纖維為較窄條狀，當(dāng)廢箱板紙纖維和少量的數(shù)字印刷廢紙相混合時，前者在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中起著橋梁骨架的作用，后者主要起著連接纖維，形成較小孔隙的作用，因而在此比例下，材料的發(fā)泡效果良好，密度較小。質(zhì)量比為5∶10時，可以看出纖維分布較松散，纖維之間沒有互相搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且未見明顯孔洞；二者占比相當(dāng)時，纖維結(jié)構(gòu)雜亂，孔洞較少且不均勻。這說明當(dāng)較窄的數(shù)字印刷廢紙纖維加入量較多時，纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)難以構(gòu)建起來，纖維表現(xiàn)為松散、結(jié)合狀態(tài)不佳或纖維纏結(jié)導(dǎo)致的氣體通道堵塞，使發(fā)泡時產(chǎn)生的氣體難以散出，造成纖維發(fā)泡效果不佳，泡孔大小不一，以及材料表面的坍塌。

圖9 不同纖維混合質(zhì)量比下發(fā)泡材料的的SEM圖片

3 結(jié)語

研究選用數(shù)字印刷廢紙與廢箱板紙，在控制其他試劑與條件相同的前提下，研究了數(shù)字印刷廢紙與廢瓦楞紙的混合質(zhì)量比對發(fā)泡材料性能的影響，得到最佳纖維配比。通過實(shí)驗(yàn)與分析，得出以下結(jié)論：

當(dāng)數(shù)字印刷廢紙占比較大時，材料結(jié)合地不太緊密，表現(xiàn)為泡孔分布不均勻，纖維或雜亂或松散。當(dāng)數(shù)字印刷廢紙與廢箱板紙質(zhì)量比為2.5∶12.5時，纖維交聯(lián)較好，纖維搭接在一起，孔洞較多，泡孔分布較為均勻。同時，材料的發(fā)泡倍率也大，對應(yīng)的表觀密度小。當(dāng)纖維混合質(zhì)量比為5∶10時，材料的發(fā)泡效果不佳，內(nèi)部泡孔數(shù)量少，導(dǎo)致表觀密度較大。

當(dāng)數(shù)字印刷廢紙占比較大時，所制備的材料要么硬度過大，導(dǎo)致幾乎沒有緩沖效果；要么硬度小，從而抗壓強(qiáng)度小，材料吸能有限，也達(dá)不到所需緩沖效果。纖維混合質(zhì)量比為2.5∶12.5時，所制備的材料泡孔多且較為均勻，抗壓強(qiáng)度較高，且回彈性良好，吸收外界能量的能力強(qiáng)，具有較好的緩沖性能。

[1] 郁青, 何春霞. 淀粉/植物纖維類發(fā)泡緩沖材料性能缺陷分析研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2009, 23(S1): 418-419.

YU Qing, HE Chun-xia. Study on Performance Drawback of Starch/Vegetable Fiber Foaming Cushion Material[J]. Materials Review, 2009, 23(S1): 418-419.

[2] 曾廣勝, 林瑞珍, 鄭良杰, 等. 不同發(fā)泡劑制備廢紙漿增強(qiáng)淀粉基復(fù)合發(fā)泡材料性能的對比[J]. 功能材料, 2013, 44(1): 51-55.

ZENG Guang-sheng, LIN Rui-zhen, ZHENG Liang-jie, et al. Comparison with Performance of Waste Paper Pulp Reinforced Starch-Based Foams with Different Foamer[J]. Journal of Functional Materials, 2013, 44(1): 51-55.

[3] 吳其葉. 植物纖維發(fā)泡材料制品緩沖特性的探討[J]. 包裝工程, 2006, 27(3): 47-48.

WU Qi-ye. Discussion for CushioningProperty of Plant Fiber Foaming Material[J]. Packaging Engineering, 2006, 27(3): 47-48, 56.

[4] 陳玉芬. 植物纖維發(fā)泡緩沖材料的制備及其性能研究[D].無錫:江南大學(xué), 2015: 6-7.

CHEN Yu-fen. Study on the Preparation and Properties of the Plant Fiber Foaming Cushion Material[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2015: 6-7.

[5] ROKKONEN T, PELTOLA H, SANDQUIST D. Foamability and Viscosity Behavior of Extrusion Foamed PLA-Pulp Fiber Biocomposites[J]. JournalofAppliedPolymerScience, 2019, 136(41): 48202.

[6] YUSA A, YAMAMOTO S, GOTO H, et al. A New Microcellular Foam Injection-Molding Technology Using Non-Supercritical Fluid Physical Blowing Agents[J]. PolymerEngineering& Science, 2017, 57(1): 105-113.

[7] 張惠瑩, 張晶, 江興亮, 等. NaOH預(yù)處理對廢紙纖維發(fā)泡材料性能的影響[J]. 包裝學(xué)報(bào), 2012, 4(3): 11-15.

ZHANG Hui-ying, ZHANG Jing, JIANG Xing-liang, et al. Influence of Pretreatment with NaOH on Property of Waste Paper Fiber Foamed Material[J]. Packaging Journal, 2012, 4(3): 11-15.

[8] 王海珍. 沙柳廢紙混合纖維超輕質(zhì)材料的制備[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015: 7-12.

WANG Hai-zhen. Preparation of Ultra-light Material Combined Salix Fiber with Waste Paper Fiber[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2015: 7-12.

[9] 梁雙. 玉米秸稈阻燃發(fā)泡材料的制備及其在包裝行業(yè)中的應(yīng)用[D].蘭州:西北民族大學(xué), 2019: 23-30.

LIANG Shuang. Preparation of Flame Retardant Foaming Materials Based on Corn Straw and Its Application in Packaging Industry[D]. Lanzhou:Northwest University for Nationalities, 2019: 23-30.

[10] BARBOSAJV. Effect of Peroxide Oxidation on the Expansion of Potato Starch Foam[J]. Industrial Crops and Products, 2019, 137: 428-435.

[11] 修慧娟, 楊雪, 李金寶, 等. 淀粉用量對植物纖維基泡沫材料結(jié)構(gòu)與性能的影響[J]. 中國造紙, 2019, 38(8): 34-39.

XIU Hui-juan, YANG Xue, LI Jin-bao, et al. Effect of Amylopectin Dosage on the Structure and Properties of Plant Fibers Based Foam Material[J]. China Pulp ＆ Paper, 2019, 38(8): 34-39.

[12] KAISANGSRIN. Cellulose Fiber Enhances the Physical Characteristics of Extruded Biodegradable Cassava Starch Foams[J]. Industrial Crops and Products, 2019, 142: 111810.

[13] 李博, 張新昌, 孫昊, 等. 硅鋁鎂復(fù)配阻燃劑改性混合纖維發(fā)泡材料[J]. 功能材料, 2018, 49(6): 6213-6220.

LI Bo, ZHANG Xin-chang, SUN Hao, et al. Flame Retardant Properties of Mix Fiber Modified by Water Glass, magnesium Sulfate and Aluminum[J]. Journal of Functional Materials, 2018, 49(6): 6213-6220.

[14] HE Si-han, . Bio-Inspired Lightweight Pulp Foams with Improved Mechanical Property and Flame Retardancy via Borate Cross-Linking[J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 371: 34-42.

[15] HASSAN M M, etal. Thermal, Mechanical and Viscoelastic Properties of Citric Acid-Crosslinked Starch/ Cellulose Composite Foams[J]. Carbohydrate Polymers, 2020, 230: 115675.

[16] 卓麗菊, 鄂玉萍, 王家俊, 等. 可調(diào)濕發(fā)泡緩沖包裝材料的制備及性能研究[J]. 振動與沖擊, 2020, 39(13): 134-140.

ZHUO Li-ju, E Yu-ping, WANG Jia-jun, et al. Preparation and Properties of Adjustable Moisture Foaming Cushioning Packaging Materials[J]. Journal of Vibration and Shock, 2020, 39(13): 134-140.

[17] 董凱輝, 王習(xí)文. 硅溶膠/植物纖維吸聲材料的制備及其性能研究[J]. 中國造紙, 2020, 39(8): 57-61.

DONG Kai-hui, WANG Xi-wen. Preparation and Characterization of Silica Sol/Plant Fiber Sound Absorbing Material by Foam Forming[J]. China Pulp ＆ Paper, 2020, 39(8): 57-61.

[18] OTTENHALL A, SEPP?NEN T, EK M. Water-Stable Cellulose Fiber Foam with Antimicrobial Properties for Bio Based Low-Density Materials[J]. Cellulose, 2018, 25(4): 2599-2613.

[19] 陳玉芬, 錢怡, 孫昊. 一種新型植物纖維發(fā)泡緩沖材料制備研究[J]. 化工新型材料, 2016, 44(5): 243-245.

CHEN Yu-fen, QIAN Yi, SUN Hao. Research on the Preparation of a New Plant Fiber Foaming Cushion Material[J]. New Chemical Materials, 2016, 44(5): 243-245.

[20] HUANG Chong-xing, ZHU Qi, LI Cui-cui, et al. Effects of Micronized Fibers on the Cushion Properties of Foam Buffer Package Materials[J]. BioResources, 2014, 9(4): 5940-5950.

[21] WU Mei-yan, et al. A Pulp Foam with Highly Improved Physical Strength, Fire-Resistance and Antibiosis by Incorporation of Chitosan and CPAM[J]. Carbohydrate Polymers, 2022, 278: 118963.

[22] 趙月圓, 鄂玉萍, 蔣玥彤. 竹纖維/淀粉發(fā)泡復(fù)合材料制備及性能研究[J]. 包裝工程, 2016, 37(9): 1-6.

ZHAO Yue-yuan, E Yu-ping, JIANG Yue-tong. Preparation and Properties of Bamboo Fiber/Starch Foam Composites[J]. Packaging Engineering, 2016, 37(9): 1-6.

[23] CHAIREHS, etal. Novel Composite Foam Made from Starch and Water Hyacinth with Beeswax Coating for Food Packaging Applications[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 165: 1382-1391.

[24] 張效林, 迪靜靜, 李少歌, 等. 不同種類廢紙纖維形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性研究[J]. 包裝工程, 2021, 42(3): 47-53.

ZHANG Xiao-lin, DI Jing-jing, LI Shao-ge, et al. Morphological and Structural Characteristics of Different Types of Wastepaper Fibers[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(3): 47-53.

[25] 郭秀艷, 蔣正武, 馬國金. 不同廢紙木質(zhì)纖維素纖維的性能評價[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(2): 147-151.

GUO Xiu-yan, JIANG Zheng-wu, MA Guo-jin. Performance Evaluation of Various Lignocellulosic Fibers from Waste Paper[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2015, 36(2): 147-151.

[26] 張惠瑩. 廢紙纖維發(fā)泡材料的配方優(yōu)化及微波發(fā)泡工藝研究[D].無錫:江南大學(xué), 2013: 9-10.

ZHANG Hui-ying. Research on Formula Optimization and Microwave Foaming Process of Waste Paper Fiber Foaming Materials[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2013: 9-10.

[27] 石璞, 歐陽龍, 蔡淑容. 植物纖維發(fā)泡材料的發(fā)泡機(jī)理與成型工藝探討[J]. 包裝學(xué)報(bào), 2013, 5(3): 55-58.

SHI Pu, OUYANG Long, CAI Shu-rong. Discussion on Foaming Mechanism and Molding Process of Foaming Plant Fiber Material[J]. Packaging Journal, 2013, 5(3): 55-58.

[28] GB/T 4857.2—2005,包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)第2部分：溫濕度調(diào)節(jié)處理[S].

GB/T 4857.2-2005, Basic Test for Packaging and TransportationPart 2: Temperature and Humidity Regulation Treatment[S].

[29] GB/T 8168—2008, 包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法[S].

GB/T 8168-2008, Test Method for Static Compression of Cushioning Materials for Packaging[S].

[30] 羅瑜瑩, 肖生苓, 李琛, 等. 纖維多孔緩沖包裝材料泡孔參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系[J]. 林業(yè)科學(xué), 2017, 53(5): 116-124.

LUO Yu-ying, XIAO Sheng-ling, LI Chen, et al. Relationships between Bubble Parameters and Mechanical Properties of Fiber Porous Cushioning Packaging Material[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2017, 53(5): 116-124.

Effects of mixing waste paper fibers on properties of foaming and buffering packing material

Xiong Li-zhen, ZHANG Xiao-lin, Yang Zi-yi, Chen Chao, ZHOU Zi-ang

(Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

The work aims to study the effects of mixing ratio of waste box board paper and digital printing waste paper on the properties of foaming materialand determine the optimum fiber mixing ratio. A kind of waste paper fiber foaming material was prepared by microwave foaming method withwaste box board paper and digital printing waste paper as main raw materials. The microstructure of foaming material was observed by macro lens and scanning electron microscope. The results showed that when the ratio of waste box board paper fiber and digital printing waste paper fiber was 12.5:2.5, the material hadthe best comprehensive performance, the density was 0.112 g/cm3, the foaming ratio was 1.728, the deformation energy was 6.463×104 J/m3, and the buffer coefficient was 5.922. The foaming material prepared by mixing two kinds of waste paper fibers has low density, high foaming ratio and good buffering performance.

waste paper fiber; microwave foam; mechanical property

TB484

A

1001-3563(2022)23-0071-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.23.009

2022?11?09

陜西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2021SF–448）；陜西省教育廳重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目（20JY051）

熊麗珍（1998—），女，碩士生，主攻纖維基發(fā)泡緩沖材料研究。

張效林（1979—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樘烊焕w維復(fù)合材料。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋