CN106398256B - 一种包含热膨胀微球的轻质纸材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包含热膨胀微球的轻质纸材料及其制备方法，所述材料以重量份数为单位包括组分如下：纤维30～60份，热膨胀微球1～10份，化学发泡剂1～10份，助留剂1～10份，胶粘剂1～10份。本发明利用热膨胀微球替代部分化学发泡剂，采用微波加热技术制备轻质纸材料，通过结合热膨胀微球与微波加热技术的优势，降低了纤维的用量，节约成本，提高发泡倍率，材料发泡更加快速、均匀，减小了传统化学发泡剂引发的环境问题，并且可进一步实现发泡材料轻量化，提升轻质纸材料的缓冲及隔热性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质纸材料的制备方法，具体涉及由含有热膨胀微球的纤维为主要原料，经微波加热技术形成的轻质纸材料及其制备方法。
背景技术
发泡模具由于使用方便，广泛应用于人们的日常工作生活中。在一次性饭盒、托盘等发泡模具的制作中，目前多采用聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等塑料作为发泡材料，但是随着国家环保要求的不断提高，塑料的不可自然降解性等问题也日益突出且亟待解决。为此，通过以植物纤维为主要原料，利用其废弃后分解物无污染的特点，可解决塑料发泡材料带来的一系列环境问题。
中国专利CN 104371343公布了一种高性能植物纤维包装材料及其制备方法。包装材料由复合植物纤维、胶黏剂、改性发泡剂和助剂混合制成，通过制取主原料、制备混合胶液、混合及模压成型、后处理等过程得到了机械强度高、缓冲性能好的包装材料。
中国专利CN 100447205公布了一种植物纤维发泡制品，将植物纤维、淀粉、胶黏剂、发泡剂等通入成型机的模具内，在成型机内成型，将模具内的制品取出，干燥发泡制品。
中国专利CN 1257089通过将甘蔗渣、麦秆、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，制备所带形状的包装材料。
中国专利CN 102219919公布了一种植物纤维发泡材料的制备方法，包括将植物纤维、发泡剂、增粘剂、填充剂、阻燃剂进行混合处理、注入成型模具中、加热进行发泡作用，从而制备具有多孔状发泡结构的植物纤维发泡材料。
尽管以上专利通过使用植物纤维替代聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等不可降解塑料作为主要原料，在一定程度上减少了环境污染，但是由于采用传统的加热工艺进行发泡，存在发泡不均匀、发泡速度慢等弊端，影响发泡材料品质。
微波是一种频率在300～300GHz的高频电磁波，微波加热技术广泛应用于高分子材料制备领域。与传统的烘箱加热相比，微波加热具有其独特的优点，如加热速率快，微波穿透深度强、加热均匀、热梯度极小，而且微波能被材料直接吸收、热惯性小、容易控制，可以赋予高分子材料更为理想的性能。国内在微波加热领域，特别是利用微波技术进行材料发泡方面已经取得了一些研究成果。
中国专利CN 1884382公开了一种植物纤维发泡材料的生产方法，包括将植物纤维截短、粉碎到2mm以下粒度，置于微波炉盛器内进行微波辐射发泡，之后取出、冷却、收集备用。发泡材料可应用于生产快餐盒、保温板、隔音板等制品。
中国专利CN 103131035公开了一种环保型纤维发泡材料及其制备方法。专利使用废纸纤维作为主料，添加一定量的粘合剂、成膜剂、增塑剂、交联剂以及以碳酸氢钠和偶氮二甲酰胺粉末混合物组成的发泡剂，挤入模具内，在微波炉中进行发泡过程，得到一种具有一定缓冲作用的多孔材料。
中国专利CN 104194372公开了一种缓蚀植物纤维发泡材料。以玉米秸秆纤维和废纸纤维为主要原料，加入发泡剂和气相防锈剂，通过微波发泡成型。
中国专利CN 1900168、CN 103772733、CN 102977625、CN 104098922也都公开了利用微波辐射制备植物纤维发泡材料的方法。
尽管以上专利均公开了通过微波加热技术进行植物纤维发泡材料制备的方法，但是仍存在诸多问题，如植物纤维用量较大、工艺较为复杂从而导致生产成本较高。而且目前纤维发泡产品在制备中使用的多为化学发泡剂，如碳酸氢铵、碳酸氢钠、乙烯醋酸乙烯、偶氮二甲酰胺等，容易出现发泡倍率低、泡孔不均匀、分解产物有残渣、易附聚成团等，从而影响产品的质量，而且近年来欧盟及其他国家环保法规对某些具有一定危险特性的物质实施了禁用和限用，其中就包括部分化学发泡剂。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种包含热膨胀微球的轻质纸材料及其制备方法。以植物纤维或废纸纤维为主要原料解决了使用不可降解塑料为发泡材料带来的环保问题，热膨胀微球的加入可大幅度减少植物纤维或废纸纤维的用量，节约成本，膨胀后的微球可使得轻质纸材料具有质量轻、缓冲及隔热效果好的特点。并且热膨胀微球替代部分化学发泡剂，在产生更好发泡效果的同时减小了化学发泡剂引发的环境问题。利用微波加热技术，可以实现材料快速、均匀地发泡，提升轻质纸材料的性能，达到节省资源、提升效率的目的。
第一方面，本发明提供一种包含热膨胀微球的轻质纸材料，以重量份数为单位，包括组分：
优选地，所述轻质纸材料，以重量份数为单位，包括组分：
优选地，所述纤维可选自植物纤维或者废纸纤维，其中植物纤维对植物来源无限定，选用来自于任何种类的植物，如花生壳、谷壳、核桃壳、木屑、棉花壳、棉花籽、甘庶渣、甜菜、牧草、椰子壳、菠萝皮、牛蒡、苇秆、高粱秆、葵花秆、玉米秸秆纤维、各种麻秆纤维、稻草纤维、竹纤维中的一种或多种的组合，并经过粉碎、除渣等处理所得。
进一步优选地，所述纤维的含水率为10～40％。
优选地，所述化学发泡剂选自碳酸氢钠、碳酸氢铵、乙烯醋酸乙烯、偶氮二甲酰胺、酒石酸氢钾、钾明矾中的一种或多种的组合。
优选地，所述助留剂选自阳离子聚合物、阴离子无机材料结合有机聚合物；其中，所述阳离子聚合物如阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺水溶液等；所述阴离子无机材料结合有机聚合物如膨润土结合阳离子聚合物，或者二氧化硅基溶胶结合阳离子聚合物，或阳离子和阴离子聚合物。
优选地，所述胶粘剂选自粮食淀粉、魔芋粉、海藻胶、热敏胶、环保型粉状腺胶、改性腺醛胶或三聚氰胺胶中的一种或多种的组合。
优选地，所述轻质纸材料还包括其他助剂，如漂白剂、着色剂、增强剂、润滑剂、分散剂。其中，漂白剂的目的在于为了便于材料着色而需要先进行的着色相反操作；着色剂可使轻质纸材料显现设计需要的颜色；增强剂可提高纤维间的相互作用，优化了轻质纸材料的发泡成型过程，并可同时起到稳泡的效果；润滑剂的加入利于轻质纸材料在模具中发泡后的脱模过程，防止粘料；分散剂可改善轻质纸材料中各组分的分散性与流动性，进而提高产品性能。
进一步优选地，着色剂可选自铁红、克菜红、胭脂红、新红、高粱红、萝卡红、栀子黄、柠檬黄、日落黄、品绿、孔省兰、炭黑、二氧化铁、亮蓝、靛蓝、紫色染料中的一种或多种的组合；漂白剂可选自活性炭、活性白土、过氧化氢、过氧化钠、过碳酸钠、过硼酸钠、过氧乙酸、过氧化苯甲酰、氯水、连二亚硫酸钠中的一种或多种的组合；增强剂可选自切短的植物纤维，如麻纤维、椰壳丝、棕丝中的一种或多种的组合；润滑剂可选自硬脂酸、低分子量聚乙烯蜡、改性脂肪酸、硬脂酸钙、硅藻土中的一种或多种的组合；分散剂可选自碳酸钙、羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯中的一种或多种的组合。
第二方面，本发明提供一种所述轻质纸材料的制备方法，包括如下步骤：
将纤维打浆，制备纤维浆料；
向所述纤维浆料加入热膨胀微球，形成含有热膨胀微球的纤维浆料；
向所述含有热膨胀微球的纤维浆料中加入化学发泡剂、助留剂、胶粘剂，混合均匀，得混合浆料；
对所述混合浆料在微波条件下进行发泡处理，得成型轻质纸原材料；
对所得成型轻质纸原材料进行干燥，即得轻质纸材料。
优选地，如果所述纤维选为植物纤维，则所述纤维是通过如下方法制备的：将植物秸秆截短、粉碎、疏解、打浆，即得。进一步优选地，所述粉碎采用水力碎浆机；所述疏解采用疏解机；所述打浆采用打浆机。其中，植物秸秆截短至≤8cm，粉碎粒度≤3mm。
优选地，所述热膨胀微球是以水性浆料形式添加的。
优选地，所述微波条件控制在200～800W、3～10min，该条件可使热膨胀微球发生膨胀，体积膨胀50～200倍；所述发泡处理采用工业微波炉。微波功率较低、时间较短时会引起热膨胀微球发泡不充分，而当微波功率较高、时间较长时，会导致热膨胀微球过度膨胀引发球体萎缩、推进剂逃逸、内压减小等不良现象的发生。
优选地，所述混合浆料是在被注入至成型容器或成型模具中进行发泡处理的；进一步地，所述模具可选用玻璃、聚丙烯塑料或者其他绝缘材料，同时模具还可以根据需要选择带有排气孔、注料口、上压板、下压板的其他结构。
优选地，所述干燥的条件包括40～120℃、5～10h；所述干燥的设备包括烘箱。
本发明得到的轻质纸材料是一种质量轻、缓冲及隔热效果好的发泡制品。本发明的热膨胀微球壳体为热塑性聚合物，核内包封可膨胀物质，其中核内可膨胀物质的沸点不高于热塑性聚合物壳的软化温度，粒径为10～30μm，遇热后，聚合物壳软化，核内物质蒸发、内压升高、体积增大。热膨胀微球可以以任意形式添加到纤维浆料中，其中优选以水性淤浆形式加入。
本发明的轻质纸材料可应用于制备杯子、包装盒、水果托盘、禽蛋托盘、各种产品的缓冲衬垫片等发泡制品。
本发明的目的是通过加入热膨胀微球得以实现的，热膨胀微球是一种具有核壳结构的高分子颗粒，受热时，聚合物外壳软化，微球内部包含的低沸点烃类迅速气化，内压增大，体积显著增加。热膨胀微球是一种物理发泡剂，发泡性质稳定、发泡倍率高、泡孔均匀。将热膨胀微球运用到轻质纸材料的制备中，可大幅度降低纤维的使用量，实现成本节约，改善发泡效果，降低化学发泡剂的用量，减小了化学发泡剂带来的环境问题，同时微球的引入又可使材料质量减轻、缓冲以及保温隔热等性能提高。综上所述，利用热膨胀微球作为主要发泡剂，采用微波加热技术制备轻质纸材料，通过结合热膨胀微球与微波加热技术的优势，降低了纤维的用量，节约成本，提高发泡倍率，材料发泡更加快速、均匀，减小了传统化学发泡剂引发的环境问题，并且可进一步减轻轻质纸材料重量，提升材料的缓冲及隔热性能。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
向纤维中加入热膨胀微球不仅可以减少纤维的用量，实现成本节约，而且热膨胀微球作为物理发泡剂配合化学发泡剂使用时，还可降低化学发泡剂的使用量，减小了传统化学发泡剂引发的环境问题。微波加热技术的引入，可以实现含有热膨胀微球的轻质纸材料快速、均匀地发泡，提升轻质纸材料的性能，节省资源，提高效率。同时由含有热膨胀微球的纤维制备的轻质纸制品质量轻、缓冲及隔热效果好。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为含有热膨胀微球的轻质纸材料制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种包含热膨胀微球的轻质纸材料及其制备方法，所含组分及制备方法参数见表1，具体流程见图1。
(1)以重量份数为单位，将30份玉米秸秆截短，通过水力碎浆机粉碎形成玉米秸秆纤维，输送至疏解机进行疏解，最后送至打浆机中打浆，打浆后的浆料备用；
(2)向植物纤维浆料中添加水性浆料形式的热膨胀微球，其中干微球量为5份，混合均匀，形成含有热膨胀微球的植物纤维浆料；
(3)5份阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，5份碳酸氢钠作为化学发泡剂，2份玉米淀粉作为胶粘剂；将助留剂、化学发泡剂、胶粘剂添加至步骤(2)中的含有热膨胀微球的玉米秸秆纤维中，混合搅拌均匀；
(4)将步骤(3)中的混合浆料注入可用于微波加热的成型模具中，然后放入微波炉中进行发泡处理，微波功率控制在500W，加热时间8min，热膨胀微球膨胀；
(5)取出模具，脱模冷却，随后放置在50℃的烘箱中干燥8h，得到轻质纸材料。
实施例2
本实施例提供一种包含热膨胀微球的轻质纸材料及其制备方法，所含组分及制备方法参数见表1，具体流程见图1。
(1)将40份高粱秸秆截短至5cm，通过水力碎浆机粉碎形成高粱秸秆纤维，输送至疏解机进行疏解，最后送至打浆机中进行打浆，打浆后的浆料备用；
(2)向含水率为30％的植物纤维浆料中添加水性浆料形式的热膨胀微球，其中干微球量为8份，混合均匀，形成含有热膨胀微球的植物纤维浆料；
(3)8份阳离子淀粉作为助留剂，3份偶氮二甲酰胺作为化学发泡剂，2份玉米淀粉作为胶粘剂；将以上助剂添加至步骤(2)中的含有热膨胀微球的高粱秸秆纤维中，混合搅拌均匀；
(4)将步骤(3)中的混合浆料注入可用于微波加热的成型模具中，然后放入微波炉中进行发泡处理，微波功率控制在800W，加热时间10min；
(5)取出模具，脱模冷却，随后放置在50℃的烘箱中干燥10h，得到轻质纸材料。
实施例3
本实施例提供一种包含热膨胀微球的轻质纸材料及其制备方法，所含组分及制备方法参数见表1，具体流程见图1。
(1)将50份玉米秸秆截短至5cm，通过水力碎浆机粉碎形成高粱秸秆纤维，输送至疏解机进行疏解，最后送至打浆机中进行打浆，打浆后的浆料备用；
(2)向植物纤维浆料中添加水性浆料形式的热膨胀微球，其中干微球量为10份，混合均匀，形成含有热膨胀微球的植物纤维浆料；
(3)5份阳离子淀粉作为助留剂，2份碳酸氢钠作为化学发泡剂，5份马铃薯淀粉作为胶粘剂；将以上助剂添加至步骤(2)中的含有热膨胀微球的高粱秸秆纤维中，混合搅拌均匀；
(4)将步骤(3)中的混合浆料注入可用于微波加热的成型模具中，然后放入微波炉中进行发泡处理，微波功率控制在800W，加热时间10min；
(5)取出模具，脱模冷却，随后放置在50℃的烘箱中干燥10h，得到轻质纸材料。
实施例4
本实施例提供一种包含热膨胀微球的轻质纸材料及其制备方法，所含组分及制备方法参数见表1，具体流程见图1。
(1)将40份废纸纤维在清水中浸泡一定时间，随后在打浆机中进行打浆，打浆后的浆料备用；
(2)向植物纤维浆料中添加水性浆料形式的热膨胀微球，其中干微球量为5份，混合均匀，形成含有热膨胀微球的植物纤维浆料；
(3)5份阳离子淀粉作为助留剂，5份碳酸氢钠作为化学发泡剂，2份玉米淀粉作为胶粘剂；0.2份低分子量聚乙烯蜡作为润滑剂；1份碳酸钙作为分散剂；将以上助剂添加至步骤(2)中的含有热膨胀微球的废纸纤维中，混合搅拌均匀；
(4)将步骤(3)中的混合浆料注入可用于微波加热的成型模具中，然后放入微波炉中进行发泡处理，微波功率控制在800W，加热时间10min；
(5)取出模具，脱模冷却，随后放置在50℃的烘箱中干燥10h，得到轻质纸材料。
表1
对比例1-4
对比例1-4是实施例1的对比例，对比之处仅在于，如下表2所示：
表2
对比例5-8
对比例5-8是实施例2的对比例，对比之处仅在于，如下表3所示：
表3
性能检测
轻质纸材料密度参照《GB/T8168-2008包装用缓冲材料静态压缩试验方法》。
轻质纸材料力学性能依照《GB/T8168-2008包装用缓冲材料静态压缩试验方法》中规定的试样力学性能的试验方法，采用万能材料试验机对试样进行静态压缩试验在试样上表面施加低速压缩载荷，获得材料的静压缩应力-应变曲线，通过对曲线进行转换、计算求取材料的弹性比能。
对实施例1及上述对比例的性能进行检测，结果如下表4和表5所示：
表4
表5
在上述材料中，由实施例2所述轻质纸材料制备的杯子，人可以握住它的平均时间是32秒，而对照样品，即由对比例8所述轻质纸材料制备的杯子是14秒，因此含有热膨胀微球的轻质纸材料制备的杯子等容器/包装具有更好的隔热性能。
轻质纸材料作为一种发泡材料，密度小意味着其内部泡孔较多，当受到冲击时可以吸收更多的能量，产生更小的形变。弹性比能是指被包装物品受到冲击时，缓冲衬垫单位体积的弹性变形能。应力是物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，即单位面积上的内力。残余应变是衡量缓冲包装材料品质的重要指标之一，它从一定程度上反映了材料的回弹性，残余应变小说明材料的回弹能力好，即受冲击变形后恢复原来形状的能力强。当试样的密度较小、弹性比能较低、应力值较低、残余应变较小时，材料的缓冲性能更优，但在实际应用中，以上这些因素需综合考量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种包含热膨胀微球的轻质纸材料，其特征在于，以重量份数为单位，包括组分：
所述热膨胀微球是以水性浆料形式添加的。
2.根据权利要求1所述的包含热膨胀微球的轻质纸材料，其特征在于，所述轻质纸材料，以重量份数为单位，包括组分：
3.根据权利要求1或2所述的包含热膨胀微球的轻质纸材料，其特征在于，所述纤维选自植物纤维或者废纸纤维，其中纤维的含水率为10～40％。
4.根据权利要求1或2所述的包含热膨胀微球的轻质纸材料，其特征在于，所述化学发泡剂选自碳酸氢钠、碳酸氢铵、偶氮二甲酰胺、酒石酸氢钾、钾明矾中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1或2所述的包含热膨胀微球的轻质纸材料，其特征在于，所述助留剂选自阳离子聚合物、阴离子无机材料结合有机聚合物。
6.根据权利要求1或2所述的包含热膨胀微球的轻质纸材料，其特征在于，所述胶粘剂选自粮食淀粉、魔芋粉、海藻胶、热敏胶、改性腺醛胶或三聚氰胺胶中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1或2所述的包含热膨胀微球的轻质纸材料，其特征在于，所述轻质纸材料还包括其他助剂。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述的轻质纸材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纤维打浆，制备纤维浆料；
向所述纤维浆料加入热膨胀微球，形成含有热膨胀微球的纤维浆料；
向所述含有热膨胀微球的纤维浆料中加入化学发泡剂、助留剂、胶粘剂，混合均匀，得混合浆料；
对所述混合浆料在微波条件下进行发泡处理，得成型轻质纸原材料；
对所得成型轻质纸原材料进行干燥，即得轻质纸材料。
9.根据权利要求8所述的轻质纸材料的制备方法，其特征在于，所述热膨胀微球是以水性浆料形式添加的。
10.根据权利要求8所述的轻质纸材料的制备方法，其特征在于，所述微波条件控制在200～800W、3～10min，所述干燥的条件包括40～120℃、5～10h。
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