杨木纤维多孔缓冲包装材料的制备与性能研究

发布时间：2020-05-23 16:20

【摘要】：包装材料的绿色发展、创新发展和循环发展是世界各国追求的共同目标和本质要求。在所有包装形式中,缓冲包装所占比例最大,目前,我国缓冲用包装材料以发泡聚苯乙烯(EPS)和发泡聚乙烯(EPE)为主,虽然其质轻、防水、耐油、廉价、压缩性能良好,但无法自然降解,对环境造成巨大污染。由于没有更好的替代品,EPS和EPE的使用已成为无奈之举,而植物纤维类发泡缓冲包装材料由于其原料的广泛性、环境的友好性和成本的低廉性,在缓冲包装材料中有着广阔的市场空间和发展优势。木质纤维因其木质化增厚的细胞壁和纤维本身的多孔性及适宜的长径比,是制备绿色缓冲材料的最佳原料,已被国内外学者广泛关注,成为新的研究热点,新产品和新成果不断涌现。本论文以杨木纤维和木粉为主要原料,以发泡剂、胶黏剂等为辅助材料,研制一种杨木纤维多孔缓冲包装材料。主要确定材料泡孔结构参数及定量表征方法,确定材料成型工艺,优化制备配方,表征材料的静、动态缓冲性能并建立力学模型,研究材料发泡机理及发泡过程影响因素,为进一步调控杨木纤维多孔缓冲包装材料的泡孔结构奠定基础,为杨木纤维多孔缓冲包装材料的产业化提供理论与实践支撑。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)根据杨木纤维多孔缓冲包装材料的特点,确定孔隙率、泡孔平均直径和孔径分布标准差为表征杨木纤维多孔缓冲包装材料泡孔结构的参数,引入基于体视学原理和数字图像处理技术的定量表征方法——显微镜-数字图像处理法为泡孔结构参数的定量表征方法。(2)通过研究不同成型工艺对杨木纤维多孔缓冲包装材料的微观形貌、成分构成、泡孔结构参数、静态特性和设备能量消耗的影响,确定多孔缓冲包装材料的成型工艺。研究结果表明,采用微波成型工艺制备的杨木纤维多孔缓冲包装材料发泡均匀,静态特性优良,且微波成型工艺升温迅速,热效率高,确定微波成型工艺为杨木纤维多孔缓冲包装材料的成型工艺,工艺参数为第一阶段微波功率280 W,时间3 min;第二阶段微波功率700 W,时间7 min。(3)采用单因素试验和正交试验法优选得出杨木纤维多孔缓冲包装材料的最佳配方。通过单因素试验方法,选定6.8%、7.1%和7.4%作为正交试验木纤维用量的3个水平,61.0%、61.4%和61.8%作为正交试验加水量的3个水平,1.2%、1.4%和1.6%作为正交试验AC用量的3个水平,9.0%、9.5%和10.0%作为正交试验木粉用量的3个水平;通过正交试验法优选得出最佳配方为木纤维用量6.8%,加水量61.8%,AC用量1.6%,木粉用量9.0%,且通过验证试验证明优化后材料性能有明显的改善。(4)采用静态和动态压缩试验,评价材料的静态和动态缓冲性能,并通过MATLAB软件建立杨木纤维多孔缓冲包装材料静态和动态缓冲性能曲线模型。结果表明,杨木纤维多孔缓冲包装材料的最小缓冲系数与几种常用缓冲包装材料的最小缓冲系数相差较小,适合作为脆值较大产品的缓冲材料;材料的最大加速度-静应力曲线呈凹谷状,开口向上,在同一跌落高度和冲击载荷的条件下,厚度越大,材料的动态缓冲性能越好;材料的静态应力-应变曲线符合正切加双曲正切型模型,最大加速度-静应力曲线符合二次型模型。(5)通过探讨纤维打浆度对材料泡孔结构参数的影响,研究杨木纤维多孔缓冲材料泡孔壁形成机理,采取将多孔缓冲包装材料发泡过程逐步分解的方式,研究杨木纤维多孔缓冲包装材料的发泡机理;通过探讨PVA用量和微波功率两个因素对杨木纤维多孔缓冲包装材料泡孔结构的影响,研究胚体黏度和温度对材料气泡增长过程的影响规律。结果表明,孔壁是由木纤维与木粉搭接而成的纤维空间网状结构,泡孔壁的结合主要通过氢键结合力,木纤维和木粉与胶黏剂的胶结力;混料胚体的均匀性、成核剂的添加、发泡体系产生的外部压力与泡孔内压的合理调控以及固化时间是原料混合、气泡成核、气泡增长、气泡稳定固化4个阶段的关键要素,决定了多孔缓冲材料泡孔参数的合理性及发泡质量和效果;胚体黏度通过调控气泡在增长过程中所受的外压,温度通过控制发泡剂的分解以及气泡的内压,影响杨木纤维多孔缓冲包装材料的泡孔直径大小与均匀性,当PVA用量为3.3%,微波功率280 W时,杨木纤维多孔缓冲包装材料的泡孔结构参数综合情况较好。
【图文】：

流程图,缓冲包装材料,杨木,热压成型

°Ｃ，加热３０邋ｍｉｎ，循环水冷却定型，脱模、干燥，得到所需材料。热压过程中压机压力逡逑为０，即热压机的压板起模具作用，制备流程如图２－１所示。逡逑木粉邋一逡逑＿预糊b\0．．卜混作逡逑逦邋．千料逦逦逡逑ＡＣ邋ＺｎＯ邋—均习逦邋＿砂逡逑滑石粉邋￣逡逑逦逦逦｛a邋Ａ邋ｐ－一逦逦逦逦邋逦逡逑混合物料一Ｉ湿胚逡逑￣＾邋￣邋１逦均；ｊ逦１逦■逡逑木纤维邋［－￣逦逦逡逑ｐ＼％ｖ逦，￣＾挸摔邋ｒ—逦ｊ逦热ＩＲ邋成Ｓ逡逑丨「？二逦湿料」逡逑丙二醇［－，ｍｎ邋＾ｎ广逡逑ＶＡＦ邋」逦多孔缓冲村料ｍｍ逡逑图２－１热压成型工艺杨木纤维多孔缓冲包装材料的制备流程逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｏｐｌａｒ邋ｆｉｂｅｒ邋ｐｏｒｏｕｓ邋ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ邋ｐａｃｋａｇｉｎｇ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｂｙ邋ｈｏｔ邋ｐｒｅｓｓｉｎｇ逡逑２．２．３微波成型工艺多孔缓冲包装材料制备逡逑２．２．３．１物料混合逡逑同邋２．２．２．１。逡逑２＿２．３．２材料成型逡逑将湿胚置于铺装好脱模材料（聚四氟乙烯）的自制模具中，第一阶段微波功率为逡逑２８０邋Ｗ，时间为３邋ｍｉｎ；第二阶段微波功率为７００邋Ｗ，时间为７邋ｍｉｎ。成型后的材料置于逡逑５０°Ｃ的干燥箱恒温干燥４ｈ，得到所需材料，制备流程如图２－２所示。逡逑２．３杨木纤维多孔缓冲包装材料的结构表征逡逑杨木纤维多孔缓冲包装材料的性能与其微观结构有着密切的关系

流程图,缓冲包装材料,杨木,成型工艺

°Ｃ，加热３０邋ｍｉｎ，循环水冷却定型，，脱模、干燥，得到所需材料。热压过程中压机压力逡逑为０，即热压机的压板起模具作用，制备流程如图２－１所示。逡逑木粉邋一逡逑＿预糊b\0．．卜混作逡逑逦邋．千料逦逦逡逑ＡＣ邋ＺｎＯ邋—均习逦邋＿砂逡逑滑石粉邋￣逡逑逦逦逦｛a邋Ａ邋ｐ－一逦逦逦逦邋逦逡逑混合物料一Ｉ湿胚逡逑￣＾邋￣邋１逦均；ｊ逦１逦■逡逑木纤维邋［－￣逦逦逡逑ｐ＼％ｖ逦，￣＾挸摔邋ｒ—逦ｊ逦热ＩＲ邋成Ｓ逡逑丨「？二逦湿料」逡逑丙二醇［－，ｍｎ邋＾ｎ广逡逑ＶＡＦ邋」逦多孔缓冲村料ｍｍ逡逑图２－１热压成型工艺杨木纤维多孔缓冲包装材料的制备流程逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｏｐｌａｒ邋ｆｉｂｅｒ邋ｐｏｒｏｕｓ邋ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ邋ｐａｃｋａｇｉｎｇ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｂｙ邋ｈｏｔ邋ｐｒｅｓｓｉｎｇ逡逑２．２．３微波成型工艺多孔缓冲包装材料制备逡逑２．２．３．１物料混合逡逑同邋２．２．２．１。逡逑２＿２．３．２材料成型逡逑将湿胚置于铺装好脱模材料（聚四氟乙烯）的自制模具中，第一阶段微波功率为逡逑２８０邋Ｗ，时间为３邋ｍｉｎ；第二阶段微波功率为７００邋Ｗ，时间为７邋ｍｉｎ。成型后的材料置于逡逑５０°Ｃ的干燥箱恒温干燥４ｈ，得到所需材料，制备流程如图２－２所示。逡逑２．３杨木纤维多孔缓冲包装材料的结构表征逡逑杨木纤维多孔缓冲包装材料的性能与其微观结构有着密切的关系
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB484

【参考文献】