CN103131035A - 一种环保型纸纤维发泡材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环保型纸纤维发泡材料及其制备方法。以废纸纤维为主要原料，通过淀粉溶液的粘合作用和聚乙烯醇溶液的成膜作用，使得添加于其中的两种发泡剂在70℃左右和270℃左右分阶段发泡，再经干燥、整饰等步骤，即可得到一种具有一定缓冲性能的多孔材料。混合后的材料既可成为片状材料，也可将其注入具有不规则形状的模具中，使其成为具有一定形状的、类似纸浆模塑但缓冲效果远远优于纸浆模塑制品的材料。本发明的优点是全部利用废弃的瓦楞纸板，开拓了废弃纸纤维再用的新领域；材料在生产过程中对环境影响较小；产品符合绿色包装材料的要求；丢弃可自然降解，有利于环境保护。

Description

一种环保型纸纤维发泡材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种环保型纸纤维发泡材料及其制备方法，属于可降解发泡材料及其相关技术领域。特别是一种可用于缓冲、填充或其他领域的多孔状环保轻质纸纤维发泡材料及其制备方法。

背景技术

国内外在植物纤维缓冲材料的研究开发方面，除了瓦楞纸板、蜂窝纸板、纸浆模塑等具有成熟生产工艺的缓冲材料之外，将植物纤维粘结，通过发泡剂的作用进行微观层面的发泡，使植物纤维之间出现大量均匀而密集的孔洞结构，进而得到具有一定缓冲结构的发泡材料，是目前纸质发泡材料发展的一个新方向。国内在制备这些材料时，已经取得了一些成果。

在中国专利ZL00114543.6中，公布了一种将植物淀粉、柔软剂、防水剂、淀粉改性剂、植物纤维、发泡剂等物料混合经螺杆挤出膨化，再将膨化颗粒粘贴成型进行二次膨化的工艺方法。中国专利ZL200510033246.X也公布了类似制作原理的方法：将整株农作物无子实部分粉碎为细小颗粒后与相关助剂混合，再经膨化机挤出为空心管材，之后将管材加工成内部具有空腔的细小颗粒，再将颗粒粘结成型。

中国专利ZL200610052420.X公布了一种制备环保植物纤维原料的工艺方法：将植物纤维粉碎到2mm以下粒度，放在微波炉内，粉粒体积膨胀之后可作为快餐盒、保温板、隔音板等容器的原料。

专利CN1079102C公布了一种利用超声波发泡制备环保材料的方法：用植物秸秆和果实、无毒助剂为原料，经切割、分离、蒸煮、漂白、干燥、起绒、粉碎、老成制成材料组分A，再将果实磨浆、脱水、脱色、甩干制成组分B，然后将A、B、助剂混溶用超声波发泡成型。

中国专利ZL200610045408.6公布了一种将植物纤维浆料、有机硅表面活性剂、造纸用胶黏剂、有机硅表面活性剂等物料混合，在高水分含量下加热至80℃，通过搅拌使得物料在助剂作用下发泡，之后撤除底部托板静置脱水，再将材料干燥成型的工艺方法。

中国专利ZL99104752.4公布了将动植物纤维(麻浆、纸浆、动物毛皮等)与淀粉类材料以一定比例混合之后放入膨化机械中膨化为颗粒状，再将颗粒状原料与防水剂、防油剂、防腐剂、放蛀剂等物料混合后倒入模具，经高温高压后成型的方法。

中国专利ZL98122244.7公布了将甘蔗渣、麦秆、稻草等天然植物纤维原料通过前期蒸晒、烘干、研磨为粉料之后放入高压釜蒸煮软化，再加入AC发泡剂、淀粉等助剂制成粒状，在4-6大气压，温度280℃左右的条件下，进行一次膨化成型，再将发泡后的颗粒与防水剂、羧酸钠等助剂混合后放入模具，加热至190℃-210摄氏度，再进行定向发泡膨化制备包装材料的方法。

在制备可降解缓冲包装材料时，以上专利作了很多有益的探索。但是，由于材料发泡需要在瞬时聚集大量能量，而纤维材料本身是热量的不良导体，所以在制备纤维类缓冲材料时，早期的普遍做法是先将纤维与淀粉制成易与较快接受能量的小颗粒，之后进行发泡，再将颗粒粘结成型。后来随着研究深入，人们意识到在高水分含量的状态下，添加一些具有发泡效果的助剂，纤维通过互相交联可形成空间网状结构，如中国专利ZL200610045408.6所述。随着电磁波的广泛应用，微波和超声波也开始用于发泡，中国专利ZL200610052420.X发明了用微波制备缓冲材料颗粒的方法，专利CN1079102C公布了将混溶之后的两种物料进行超声波发泡的方法。

发明内容

水的非极性具有极易传递微波能量的特点，而一般发泡剂产生的气体较易在具有一定粘度的物料中产生。微波能量虽然具有在液态非极性材料中极易传递的特点，但由于打浆之后的纸纤维从本质上说依然是固体材料，其分子较之水分子大而长。因此，把微波的特点结合起来，采用微波发泡的方法，通过添加两种特定发泡剂，使材料在60℃左右的低温区间和270℃的高温区间进行两次发泡，材料高水分含量的特征避免了纤维材料在微波条件下易燃的缺陷；进行微波发泡后，将材料放入干燥箱进行干燥，从而制得一种密度介于0.124g/cm3～0.168g/cm3之间的多孔状纤维缓冲材料。

本发明的环保型纸纤维发泡材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用废弃的瓦楞纸板或其它纸包装废弃物材料作为主料，经水力碎浆、洗浆、脱水工艺成为可用于制备废纸纤维发泡材料的原料；

(2)制备粘合剂和成膜剂，粘合剂为用淀粉配置成的淀粉溶液，并在70℃进行糊化，成膜剂为用聚乙烯醇配置成的水溶液，在其溶解温度范围内进行水浴加热，将糊化的粘合剂与完全溶解的成膜剂混合备用；

(3)制备发泡剂、增塑剂和交联剂，发泡剂为碳酸氢钠和偶氮二甲酰胺粉末混合物，增塑剂为丙三醇，交联剂为用硼砂配置成的硼砂溶液；

(4)将主料、粘合剂、成膜剂、发泡剂、增塑剂、交联剂以及水冷却后按照一定比例进行混合形成物料，并进行均匀搅拌，然后挤入模具内，在微波条件下进行发泡，并利用不同发泡剂分解温度的差异，使物料在一定时间内进行2～3次发泡；

(5)将经微波发泡成型的发泡材料进行干燥处理，取出模具，脱模后即为成型产品。

附图说明

图1为本发明实例一中材料的表观视图。

图2为本发明实例一中材料的截面视图。

图3为本发明实例一中选用平板模具的形状。

图4为本发明实例二种选用异形模具的形状。

具体实施方式

本发明的环保型植物纤维发泡材料，以废弃的瓦楞纸板或其它纸包装废弃物及纸浆纤维等为主要原料，具体制备方法如下：

(1)采用废弃的瓦楞纸板或其它纸包装废弃物材料作为主料，经水力碎浆、洗浆、脱水工艺成为可用于制备废纸纤维发泡材料的原料；

(2)将废弃的瓦楞纸板边角料或者瓦楞纸板箱去除铁钉、粘结胶带等杂质，并将纸材放入水力碎浆机，依浆料浓度为15％的条件进行水力碎浆，或者将纸材放入机械碎浆机进行碎浆；将浆料进行离心脱水或手动脱水去除水分，得含水率为60％～70％的废纸纤维原料；

(2)制备粘合剂和成膜剂，粘合剂为用淀粉配置成浓度为1.30％～2.31％的淀粉溶液，淀粉为玉米淀粉、马铃薯淀粉、可溶性淀粉等一种或者一种以上的混合物，并在70℃进行糊化，成膜剂为用聚乙烯醇配置成浓度为1.30％～2.31％的水溶液，在其溶液温度范围或90℃内进行水浴加热，将糊化的粘合剂与完全溶解的成膜剂混合备用；

(3)制备发泡剂、增塑剂和交联剂，发泡剂为碳酸氢钠和偶氮二甲酰胺粉末混合物，增塑剂为丙三醇，交联剂为用硼砂配置成浓度为2.5％的硼砂溶液；

(4)将主料、粘合剂、成膜剂、发泡剂、增塑剂、交联剂以及水冷却后按照一定比例进行混合形成物料，主料、粘合剂、成膜剂、发泡剂、增塑剂、交联剂、水的重量比为：(30)∶(7.5～11.25)∶(3.75～7.5)∶(0.5～2)∶(2～4)∶(0.5)∶(150～250)，其中粘合剂、成膜剂和交联剂分别依照溶质的质量比计算，然后进行均匀搅拌，然后挤入模具内，将所述物料挤入平板状模具中，在微波条件下发泡10分钟，待泡体定型之后，进行干燥，或者依照包装物体的形状要求制作可用于微波加热的模具，将混合后的所述物料注入模具内，模具的材质为在微波辐射条件下形状不发生改变的玻璃、塑料以及其它绝缘材料，模具可根据需要选择带有注料口与排气孔的上下可开合的平板状结构或具其它异型结构；发泡过程是在微波炉中进行的，在微波输出功率为800W的条件下发泡10分钟，使所述物料发泡为具有均匀泡孔结构的包装材料，分并利用不同发泡剂分解温度的差异，使物料在一定时间内进行2～3次发泡；

(5)将经微波发泡成型的发泡材料在70℃下干燥至理想状态或10小时，取出模具，脱模后对成型产品进行整饰即为成型产品。

其中，所述粘合剂、所述成膜剂、所述交联剂三种需溶于水再与纸浆混合的固体物和水的质量比为a∶b∶c∶d，各数值的取值范围参照具体实施方式第(4)条：7.5≤a≤11.25；3.75≤b≤7.5；c＝0.5；150≤d≤250。比例确定后，可据此分配所需水量，取d·c/(a+b+c)份水与硼砂混合，再将溶液在100℃以下预热加速硼砂溶解；再取d·a/(a+b+c)份水与粘合剂混合并在其糊化温度范围之内进行水浴加热；取d·b/(a+b+c)份水与成膜剂混合并在其溶解温度范围内进行水浴加热。

实施例一

(1)原材料的处理：把瓦楞纸板边角料或其它废纸和废纸板回收并切成边长1～4厘米的纸片，再倒入水力碎浆机内，在浓度为15％的条件下进行中浓度水力碎浆，之后进行洗浆，以减少瓦楞纸板胶黏剂等助剂对废纸纤维发泡材料制备过程的影响。

(2)将(1)中的浆料进行离心脱水或手动去除水分，得含水率为60％～70％的废纸纤维原料；

(3)粘合剂的制备：玉米淀粉(7.5～11.25份)，配制浓度为1.30％～2.31％的淀粉溶液，并在70℃左右进行糊化。

(4)成膜剂的制备：聚乙烯醇(3.75～7.5份)，配制浓度为1.30％～2.31％的水溶液，在其溶解温度90℃范围内进行水浴加热。将糊化的粘合剂与完全溶解的成膜剂溶液依照权利要求书中所述溶质比例混合备用。

(5)发泡剂：碳酸氢钠(0.5-1.5份)，偶氮二甲酰胺(0.5-1.5份)粉末混合待用；

(6)增塑剂：丙三醇。

(7)交联剂：硼砂(0.5份)，配制浓度为2.5％的硼砂溶液，备用。

其中，玉米淀粉为胶黏剂，使得废纸纤维之间具有一定的粘结作用；聚乙烯醇是成膜剂，在混合物料发泡初期通过增加物料粘度，提供发泡剂发泡的理想环境，使得物料易于发泡；甘油是增塑剂和纤维软化剂，可以增加聚乙烯醇在未分解之前的塑性，从而使其具有更好的成模性，当聚乙烯醇在微波照射下因高温分解时，甘油继续存在，进而增加纸纤维的柔软性；碳酸氢钠是初次发泡时的发泡剂，通过它的分解产气使得物料实现首次发泡；偶氮二甲酰胺是二次发泡时的发泡剂，它具有产气效率高、分解温度范围窄等优点；硼砂是交联剂，具有增强淀粉-聚乙烯醇-纸纤维之间分子结合力的作用。

(9)配料：将所述主料、所述粘合剂、所述成膜剂、所述发泡剂、所述增塑剂、所述交联剂以及水依照质量比为(30)∶(7.5～11.25)∶(3.75～7.5)∶(0.5～2)∶(2～4)∶(0.5)∶(150～250)的比例逐步混合，其中，所述粘合剂、所述成膜剂、所述交联剂分别依照溶质的质量比计算。

(10)对于板式材料，将物料挤入平板状模具中，在微波条件下发泡10min，待泡体定型之后，进行干燥；

(11)或依据包装物体的形状要求设计加工可用于微波加热的模具，将混合物料注入到模具内，进行微波发泡。

(12)将经微波发泡成型的发泡材料在70℃下干燥10小时。

实施例二

(1)废纸纤维的准备：称取150g废弃的瓦楞纸板，将其剪切为较小尺寸的瓦楞纸片后置于水力碎浆机浆料槽内，并依照浆料浓度为15％注入水，水力碎浆30min，之后对浆料进行洗涤，脱水处理，得含水率为70％左右的半干纸浆；

(2)胶黏剂的制备：称取11.25g玉米淀粉，与675mL水混合，在70℃条件下进行水浴加热，待淀粉糊化之后取出，待其冷却备用；

(3)成膜剂的制备：称取3.75g聚乙烯醇，与225mL水混合，在90℃条件下进行水浴加热，直至聚乙烯醇颗粒全部溶解，待其冷却备用；

(4)称取2.5硼砂与100mL热水混合，待硼砂溶解备用；

(5)发泡剂：碳酸氢钠1.5g，偶氮二甲酰胺7.5g混合备用；

(6)增塑剂：量取4mL甘油备用；

(7)将(2)(3)所得成膜剂混合，加入发泡剂搅拌至均匀，再一次加入纸浆原料、增塑剂、交联剂，搅拌至均匀；

(8)将(7)中所得混合物放入平板状模具，微波发泡成型10min，待发泡体定型后进行干燥。

实施例三

其他条件与实施例一相同，原料混好之后，将混合物放入依实际情况所需的模具形状内进行微波发泡，待发泡体定型后进行干燥。

Claims (6)

1.一种环保型纸纤维发泡材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用废弃的瓦楞纸板或其它纸包装废弃物材料作为主料，经水力碎浆、洗浆、脱水工艺成为可用于制备废纸纤维发泡材料的原料；

(2)制备粘合剂和成膜剂，粘合剂为用淀粉配置成的淀粉溶液，并在70℃进行糊化；成膜剂为用聚乙烯醇配置成的水溶液，在其溶解温度范围内进行水浴加热，将糊化的粘合剂与完全溶解的成膜剂混合备用；

(3)制备发泡剂、增塑剂和交联剂，发泡剂为碳酸氢钠和偶氮二甲酰胺粉末混合物，增塑剂为丙三醇，交联剂为用硼砂配置成的硼砂溶液；

(4)将所述主料、所述粘合剂、所述成膜剂、所述发泡剂、所述增塑剂、所述交联剂以及水冷却后按照一定比例进行混合制成物料，并进行均匀搅拌，然后挤入模具内，在微波条件下进行发泡，并利用不同发泡剂成分分解温度的差异，使物料在一定时间内进行2～3次发泡；

(5)将经微波发泡成型的发泡材料进行干燥处理，取出模具，脱模后即为成型产品。

2.根据权利要求1所述的一种环保型纸纤维发泡材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将废弃的瓦楞纸板边角料或者瓦楞纸板箱去除铁钉、粘结胶带等杂质，并将纸材放入水力碎浆机，依浆料浓度为15％的条件进行水力碎浆，或者将纸材放入机械碎浆机进行碎浆；

(2)将浆料进行离心脱水或手动脱水去除水分，得含水率为60％～70％的废纸纤维原料；

(3)所述粘合剂为浓度为1.30％～2.31％的淀粉溶液，淀粉为玉米淀粉、马铃薯淀粉、可溶性淀粉等一种或者一种以上的混合物；所述成膜剂为浓度为1.30％～2.31％的水溶液，其在90℃内进行水浴加热，所述交联剂为浓度为2.5％的硼砂溶液；

(4)所述主料、所述粘合剂、所述成膜剂、所述发泡剂、所述增塑剂、所述交联剂、水的重量比为：(30)∶(7.5～11.25)∶(3.75～7.5)∶(0.5～2)∶(2～4)∶(0.5)∶(150～250)，其中所述粘合剂、所述成膜剂和所述交联剂分别依照溶质的质量比计算；

(5)将物料挤入平板状模具中，在微波条件下发泡10分钟，待泡体定型之后，进行干燥，或者依照包装物体的形状要求制作可用于微波加热的模具，将混合后的所述物料注入模具内，进行微波发泡；

(6)将经微波发泡成型的发泡材料在70℃下干燥至理想状态。

3.根据权利要求2所述的一种环保型纸纤维发泡材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用水力碎浆法，可在浆料出机之前进行脱墨、去除瓦楞纸板胶黏剂等各种净化处理；或者采用机械法碎浆，可减少粘合剂中的淀粉含量；

(2)发泡过程是在微波炉中进行的，在微波输出功率为800W的条件下发泡10分钟，使所述物料发泡为具有均匀泡孔结构的包装材料，试样将在60℃和270℃附近各进行一次发泡过程；

(3)干燥时间为10小时，脱模后对成型产品进行整饰。

4.根据权利要求3所述的一种环保型纸纤维发泡材料的制备方法，其特征在于：

(1)所述模具的材质为在微波辐射条件下形状不发生改变的玻璃、塑料以及其它绝缘材料；

(2)所述模具可根据需要选择带有注料口与排气孔的上下可开合的平板状结构或其它异型结构。

5.根据权利要求4所述的一种环保型纸纤维发泡材料的制备方法，其特征在于：

所述粘合剂、所述成膜剂、所述交联剂三种需溶于水再与纸浆混合的固体物和水的质量比为a∶b∶c∶d，各数值的取值范围为：7.5≤a≤11.25；3.75≤b≤7.5；c＝0.5；150≤d≤250；

所述粘合剂、所述成膜剂和所述交联剂比例确定后，可据此分配所需水量，取d·c/(a+b+c)份水与硼砂混合，再将溶液在100℃以下预热加速硼砂溶解；再取d·a/(a+b+c)份水与粘合剂混合并在其糊化温度范围之内进行水浴加热；取d·b/(a+b+c)份水与成膜剂混合并在其溶解温度范围内进行水浴加热。

6.一种环保型纸纤维发泡材料，其为采用权利要求1至5的任一种方法制备而成的发泡材料。

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