CN104098922A - 一种微细化植物纤维缓冲材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微细化植物纤维缓冲材料及其制备方法，它选用漂白植物纤维为主要原料，经PFI磨进行打浆后得到高打浆度的微细化纤维，然后添加阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物、增塑剂和发泡剂，混合均匀后注入模具，利用微波发泡工艺充分发泡，待其成型后，脱模干燥得到植物纤维发泡缓冲材料。本发明原料来源丰富，方法工艺简单，生产能耗和成本低；制得的发泡缓冲材料表观密度较小，体积变化率和吸湿量较低，可根据实际要求制备不同形状和大小的产品，具有优良的适用性和缓冲性能，且易降解，无环境污染，可广泛应用于包装领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种包装缓冲材料，具体涉及一种微细化植物纤维缓冲材料及其制备方法。
背景技术
目前，常见可降解环保缓冲材料主要是纸浆模塑制品和蜂窝纸板产品，其材料脆性大、比重大、回弹性差、缓冲系数小，且环境湿度对结构性能影响较大。植物纤维发泡缓冲材料是有别于纸浆模塑制品和蜂窝纸板的新型绿色缓冲材料，它以植物纤维为主要原料，添加助剂，进行发泡处理，使材料内部形成空间立体网状结构，因此具有很好的缓冲性能，保障了缓冲材料的结构稳定性。植物纤维类缓冲材料利用可再生自然资源，是具有易降解又有利于加工成型的环保材料，在人类资源日益紧张的情况下，其研究和开发更为重要。中国专利公开号CN1250066公开了“一种秸秆纤维发泡减振缓冲包装材料及其生产方法”。该包装材料采用农作物秸秆粉碎物和粘接剂作为原料，但原材料本身抗张性能较差，容易吸湿影响产品结构性能。且采用传统烘箱高温烘烤发泡，则传热速度较慢，发泡体系含有大量水蒸气无法及时逸出，发泡效果并不理想，最突出的问题是样品外表面干燥较快，导致内部难以充分干燥，极大影响缓冲材料的力学性能。
中国专利公开号CN103450696A公开了“一种纸纤维发泡缓冲材料”。将废纸、玉米淀粉、水、甘油、碳酸钙、偶氮二甲酰胺、发泡剂混合，采用传统化学发泡方法制备出纸纤维发泡缓冲材料。该材料废纸制成纸浆的工艺较复杂，力学性能没有植物浆料的好，且成本较高，同时添加剂的用量也较大。
中国申请号为98122244.7公开了“一种植物纤维发泡包装材料的制造方法”。首先将甘蔗蔗渣、麦杆、稻草、芦苇、一年生草本等天然植物纤维原料通过物料前期蒸晒，烘干后研磨粉碎，将粉碎后的原料在高压釜中蒸煮软化、加入AC发泡剂、淀粉等添加剂混合制成粒状，经膨化系统一次发泡、再加入防水剂、羧酸钠、三元醇等助剂，在模具中加温定向发泡膨化，即得所需包装材料。该方法原料处理繁琐耗时，所用添加剂种类和用量较多，工艺较复杂。
中国专利公开号CN1912247A公开了“一种植物纤维液体发泡包装材料的制备方法”。以化学浆、化学机械浆和机械浆混合浆料为原料，添加助剂，采用传统化学发泡工艺制得发泡包装材料。该方法原料组合较为复杂，成本相对单一浆料稍高；制备过程中所用添加剂较多，且对于植物纤维所用发泡工艺的发泡效果不理想。
综上所述，植物纤维发泡缓冲材料在国内外已经具备了一定研究基础，具有很大发展潜力，但也存在一些关键性问题限制了其大规模生产及使用。这些问题主要包括两个方面，其一是植物纤维和淀粉来源较广，不同原料自身的性质也不同，使得待发泡的混合物体系具有不确定性，进而导致成型过程中气泡成核率低且分布非常不均匀；其二是缓冲材料是开孔的空间结构，比表面积较大，并且植物纤维和淀粉都具有极强的亲水性，所以在湿度大的环境中材料容易吸潮软化，缓冲性能受到较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微细化植物纤维缓冲材料及其制备方法，该方法得到的植物纤维缓冲包装材料既能满足商品包装需要又环保易降解，并有效改善材料的应用性，提高材料的缓冲性能。
本发明以如下技术方案解决上述技术问题：
本发明微细化植物纤维缓冲材料，它主要由以下按重量份配比的原料制备而成：微细化植物纤维20.8份～24.0份，阳离子淀粉4.5份～9.2份，聚乙烯醇1.5份～3.0份，增塑剂0.5份～1.0份，发泡剂9.0份～11.0份。
所述微细化植物纤维的制备是：取一定量的以绝干浆计的漂白浆，常温下加水浸泡4.5h，加水量为漂白浆质量的16～17倍，再用疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓为20％～30％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％，再利用PFI磨对上述浆料进行打浆处理，得到打浆度为65～75°SR的微细化植物纤维。
所述微细化植物纤维是指蔗渣或桉木为原料制得的微细化植物纤维；所述增塑剂为硬脂酸镁；所述发泡剂为NaHCO3。
本发明微细化植物纤维缓冲材料的制备方法，它包括以下步骤：
(1)将阳离子淀粉与聚乙烯醇溶于水中配制成溶液，进行糊化处理，并冷却至室温，得到阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物；
(2)将微细化植物纤维和硬脂酸镁加入阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀，再加入发泡剂NaHCO3，混匀静置2min后注入模具；
(3)将模具置于微波反应器中，利用微波发泡，待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。
在步骤(2)中，按阳离子淀粉∶聚乙烯醇∶水的重量份比为4.5～9.2份∶1.5～3.0份∶200～220份配制溶液，然后在90℃条件下糊化处理25～30min，并冷却至室温。
在步骤(4)中，所述的微波发泡条件为：微波功率800W，发泡时间4～6min。
本发明针对植物纤维发泡缓冲材料现有问题，通过改善发泡体系材料组成，优化发泡成型工艺来制备缓冲材料，从根本上提高材料的结构强度和缓冲性能，有效地改善材料的适用性，其具有的优点如下：
(1)由于烘干后，纤维制品尺寸收缩，随着打浆度的上升，尺寸收缩越大，体积变化率明显增加，制品成型的稳定性越差，且高打浆度的样品吸湿效果增加更加明显；但是材料缓冲性能随着打浆度的增加而得到改善，在受到外界的压力和冲击时，高打浆度浆料制备的缓冲材料具有更好的强度。故本发明发泡缓冲材料的微细化植物纤维打浆度可达到70～75°SR，在保持较低体积变化率和吸湿量的前提下，其吸收外力能量的能力更好，在一定的形变范围内可以承受较大的压缩和冲击负载。
(2)由于阳离子淀粉含量较高时，阳离子淀粉容易相互缠结，破坏了纤维的分散体系，淀粉分子在干燥过程易脱水老化，会引起材料的严重收缩，且缓冲材料对空气中水分的吸附能力越强；而当淀粉含量低时，发泡体系的黏度较低，难形成较大的孔隙结构，材料也易收缩。但是，阳离子淀粉加入可以增加纤维间的结合强度，阳离子淀粉越多，缓冲材料的强度就越高，能够吸收的能量也越多，在冲击加速度相同的情况下，所能承受的冲击载荷也就越大。
聚乙烯醇具有很好的成膜性，能够分布在纤维和淀粉分子的表面，隔绝空气中水分，降低其吸附能力。随着聚乙烯醇含量的增加，样品的体积变化率先减小后增大，样品的吸湿量随时间的增加而减小，但聚乙烯醇含量超过一定值后，缓冲材料的吸湿量又开始增加。故本发明制备过程中，按阳离子淀粉2.7份～5.4份，聚乙烯醇0.9份～1.8份，水适量，搅拌均匀后糊化处理，得到阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。增强了纤维间结合强度和发泡体系黏度，有利于形成稳定泡孔结构，使制备的缓冲材料在维持较低收缩性和吸湿量条件下，具有较好的适用性和力学强度。
(3)采用微波发泡工艺，相比于传统烘箱烘烤发泡，该方法可以从发泡体系内部进行加热，水更容易变成水蒸气逸出，具有发泡速度快、发泡孔隙均匀、样品成型效果好等优点，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明的发泡缓冲材料制备工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明，但是本发明的实施不限于以下形式。
实例1，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的蔗渣漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓20％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为73°SR。
(2)将9.2g阳离子淀粉与1.5g聚乙烯醇溶于200g水中，在90℃条件下糊化处理30min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将20.8g微细化植物纤维和0.5g硬脂酸镁加入上述阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入9.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为5min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
实例2，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的蔗渣漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓30％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为75°SR。
(2)将6.0g阳离子淀粉与1.5g聚乙烯醇溶于220g水中，在90℃条件下糊化处理26min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将24.0g微细化植物纤维和1.0g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入11.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为6min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
实例3，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的蔗渣漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓25％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为70°SR。
(2)将7.6g阳离子淀粉与1.5g聚乙烯醇溶于210g水中，在90℃条件下糊化处理28min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将22.4g微细化植物纤维和0.5g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入9.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为5min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
实例4，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的蔗渣漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓30％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为75°SR。
(2)将7.1g阳离子淀粉与2.0g聚乙烯醇溶于210g水中，在90℃条件下糊化处理27min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将22.4g微细化植物纤维和1.0g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入9.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为4min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
实例5，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的蔗渣漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓30％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为73°SR。
(2)将4.5g阳离子淀粉与3.0g聚乙烯醇溶于200g水中，在90℃条件下糊化处理25min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将24.0g微细化植物纤维和0.5g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入9.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为5min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
实例6，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的蔗渣漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓30％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为73°SR。
(2)将6g阳离子淀粉与1.5g聚乙烯醇溶于220g水中，在90℃条件下糊化处理30min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将24g微细化植物纤维和0.5g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入9.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为5min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。
实例7，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的桉木漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓20％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为70°SR。
(2)将7.6g阳离子淀粉与1.5g聚乙烯醇溶于210g水中，在90℃条件下糊化处理28min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将22.4g微细化植物纤维和0.5g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入9.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为4min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
实例8，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的桉木漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓30％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为65°SR。
(2)将4.5g阳离子淀粉与3.0g聚乙烯醇溶于200g水中，在90℃条件下糊化处理25min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将24.0g微细化植物纤维和1.0g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入9.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为6min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
实例9，制备工艺如下：
(1)取30g以绝干浆计的桉木漂白浆，常温条件下加500g水浸泡4.5h，通过疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓25％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％；再利用PFI磨对浆浓为10％的浆料进行打浆处理，得到微细化植物纤维，其打浆度为70°SR。
(2)将7.6g阳离子淀粉与1.5g聚乙烯醇溶于210g水中，在90℃条件下糊化处理28min，并冷却至室温，即得阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物。
(3)将22.4g微细化植物纤维和0.5g硬脂酸镁加入上步阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀；再加入11.0g NaHCO3，混均静置2min，充分起泡后注入模具。
(4)将模具置于微波密封消解COD速测仪中，利用微波发泡，微波功率800W，发泡时间为5min。待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。产品的各项检测指标如表1所示。
上述实例产品的各项检测指标如表1所示。
表1 蔗渣微细化植物纤维发泡缓冲材料的各项检测指标：
表1中的各项数据显示，发泡材料的密度由小到大为：实例5＜实例9＜实例7＜实例2＝实例8＜实例6＜实例4＜实例3＜实例1。24h左右样品吸湿达到最大值，由表1可知24h后每克样品吸湿量由低到高为：实例5＜实例4＜实例2＜实例3＜实例6＜实例8＜实例1＜实例9＜实例7。在静应力2.94-3.92kPa附近样品的最大加速度出现最小值，由小到大顺序为：实例5＜实例2＜实例4＜实例6＜实例3＜实例1＜实例7＜实例9＜实例8，皆满足缓冲材料性能需求。综上所述，漂白后蔗渣或桉木微细化植物纤维发泡缓冲材料具有较低的密度和较好的缓冲性能，且吸湿量较低，体积变化不大，产品性能较稳定，达到了包装用发泡缓冲材料的要求。本发明操作简便，综合成本低，能替代一些硬质发泡塑料，绿色环保，具有广阔的市场前景。
Claims (5)
1.一种微细化植物纤维缓冲材料，其特征在于：它主要由以下按重量份配比的原料制备而成：微细化植物纤维20.8份～24.0份，阳离子淀粉4.5份～9.2份，聚乙烯醇1.5份～3.0份，增塑剂0.5份～1.0份，发泡剂9.0份～11.0份；
所述微细化植物纤维的制备是：取一定量的以绝干浆计的漂白浆，常温下加水浸泡4.5h，加水量为漂白浆质量的16～17倍，再用疏解机将浆料解离10min，抽滤脱水至浆浓为20％～30％；然后称量浆料质量，加水稀释至浆浓为10％，再利用PFI磨对上述浆料进行打浆处理，得到打浆度为65～75°SR的微细化植物纤维。
2.根据权利要求1所述的微细化植物纤维缓冲材料，其特征在于：所述微细化植物纤维是指蔗渣或桉木为原料制得的微细化植物纤维；所述增塑剂为硬脂酸镁；所述发泡剂为NaHCO3。
3.根据权利要求1或2所述的微细化植物纤维缓冲材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将阳离子淀粉与聚乙烯醇溶于水中配制成溶液，进行糊化处理，并冷却至室温，得到阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物；
(2)将微细化植物纤维和硬脂酸镁加入阳离子淀粉与聚乙烯醇糊化物中搅拌均匀，再加入发泡剂NaHCO3，混匀静置2min后注入模具；
(3)将模具置于微波反应器中，利用微波发泡，待其成型脱模后，于60℃烘箱干燥24h得到植物纤维发泡缓冲材料。
4.根据权利要求3所述的微细化植物纤维缓冲材料的制备方法，其特征是：在步骤(2)中，按阳离子淀粉∶聚乙烯醇∶水的重量份比为4.5～9.2份∶1.5～3.0份∶200～220份配制溶液，然后在90℃条件下糊化处理25～30min，并冷却至室温。
5.根据权利要求3所述的微细化植物纤维缓冲材料的制备方法，其特征是：在步骤(4)中，所述的微波发泡条件为：微波功率800W，发泡时间4～6min。
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