CN116535730A - 一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法。植物纤维经有机酸交联改性后有效增强了复合材料的韧性与回弹性，以聚醚或与糖脂类活性剂代替现有技术中的化学发泡剂和稳泡剂，减少了有毒有害化学试剂的使用，实现发泡稳泡合二为一，且所用活性剂安全绿色无毒，制备出的植物纤维发泡缓冲材料可回收再利用。利用本发明制备的植物纤维活性发泡缓冲材料弥补了传统工艺中材料力学性能不稳定、耐久性差的缺点，制备过程简单高效，所制备的材料完全绿色可降解、可塑性高、成型度高、与聚乙烯发泡材料EPE力学性能类似且稳定，在包装、缓震、保温、隔热等应用领域具有代替石油基发泡材料的潜力。
Description
技术领域
本发明属于活性发泡领域，具体涉及一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法。
背景技术
发泡材料是一种具备多孔结构的软质材料，其内部丰富的孔隙结构可以使其具备多种不同的功能属性。在常用于包装的缓冲材料中，石油基聚苯乙烯发泡塑料(EPS)和聚乙烯发泡塑料(EPE)较为常见，它们都是通过添加发泡剂、引发剂、分散剂等助剂，在高温高压下挤出或者模压时成型，具备很高的发泡率、较好的柔韧性与缓冲性，在电子元器件、果蔬、家用家具等方面的包装中可提供良好的缓冲与保护性能。但是随着我国“双碳”任务的持续推进，亟需研发更为绿色的发泡材料代替这些难以降解和回收的石油基发泡材料。
植物纤维作为自然界储量最大的天然高分子材料，其低成本、高利用价值、低密度、高强度的特点在倡导绿色经济和环保材料的时代背景下有着十分可观的发展前景。植物纤维可以用于制备具有优异机械性能和较高储能模量的植物纤维活性发泡缓冲材料，植物纤维增强的复合材料不仅能够保持纤维本身的性能，同时还可兼具隔震、阻燃、耐水等附加属性，是替代传统发泡材料的不二之选。
目前的研究中已有以植物纤维为基材混合发泡剂制备缓冲材料的技术。然而，目前大部分该类的研究中，发泡剂大都具有一定的毒性且稳泡性较差，这种情况下会导致材料力学性能极不稳定。并且在现有技术中，植物纤维活性发泡缓冲材料的韧性与回弹性较差，作为缓冲材料而言，只能承受较少次数的冲击振动就会大大损失或彻底失去保护能力。因此，开发一种力学性能稳定，耐久性优良且环境友好的植物纤维活性发泡缓冲材料十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法。本发明使用环境友好的聚醚或糖脂类活性剂代替传统发泡剂，通过活性发泡所制备的泡沫更加稳定；本发明还通过有机酸对纤维的交联改性有效提升了材料的韧性与回弹性。相较于传统植物纤维发泡材料具有更稳定的力学性能、更优异的耐久性且制备工艺简单，更加绿色环保。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散液；
步骤二：将有机酸溶液加入植物纤维分散液中高温交联制备交联纤维；
步骤三：将交联纤维加水稀释，并将活性剂、胶黏剂、增塑剂加入交联纤维体系经高速分散器机械剪切搅拌进行活性发泡；
步骤四：将步骤三制备的发泡纤维混合物倒入模具中静置滤水定型；
步骤五：将步骤四得到的定型植物纤维发泡材料进行干燥处理得到植物纤维活性发泡缓冲材料。
进一步地，步骤一中用于制备植物纤维分散液的植物纤维原料为阔叶木纤维、针叶木纤维、竹纤维、棉纤维等植物纤维。
进一步地，步骤一中制备植物纤维分散液的方法为：将植物纤维浆板加水浸泡1-5h，随后打浆10-20min，获得打浆度在20-50SR°的纤维分散液。
进一步地，步骤二中制备交联纤维的方法为：将有机酸以总质量2-6％的浓度加入步骤一所制备的纤维分散液中，搅拌均匀后置于120-180℃的高温中交联5-15min，即得到交联纤维。
进一步地，所述的有机酸为醋酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸、抗坏血酸、丁二酸等。
进一步地，步骤三中交联纤维加水稀释到总质量浓度的2-6％，活性剂添加量为总质量浓度的0.5-5％，胶黏剂添加量为总质量浓度的1-5％，增塑剂的添加量固定为3mL。
进一步地，步骤三中活性发泡时高速分散器的转速为3000-5000rad/min，发泡时间为5-10min。
进一步地，所述的活性剂为聚醚或糖脂，具体为聚醚F68、聚醚F77、聚醚F87、聚醚F88、聚醚F108、聚醚F127、槐糖脂、海藻糖脂、鼠李糖脂、甘露糖赤藓糖醇脂等。所述的胶黏剂为聚乙烯醇胶黏剂或淀粉胶黏剂。增塑剂为甘油。
进一步地，步骤四中混合物的定型方法为：将发泡纤维混合物倒入底部带有100目滤网的模具中，静置滤水0.5-24h后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料。
进一步地，步骤五中干燥处理为：温度60-100℃，时间2-12h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明人以有机酸改性植物纤维，利用形成共价键的特点对纤维形成交联，极大提升了植物纤维发泡材料的韧性与回弹性；以聚醚或糖脂类活性剂代替现有技术中的化学发泡剂和稳泡剂，减少了有毒有害化学试剂的使用，实现发泡稳泡合二为一，且所用活性剂安全绿色无毒，制备出的植物纤维发泡材料可回收再利用，有效降低成本。该技术制备的发泡材料弥补了传统工艺中材料力学性能不稳定、耐久性差的缺点，制备过程简单高效，所制备的材料完全绿色可降解、可塑性高、成型度高、与聚乙烯发泡材料EPE力学性能类似且稳定，在包装、缓震、保温、隔热等领域具有代替石油基发泡材料的潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4植物纤维活性发泡缓冲材料的照片；
图2为本发明实施例3内部的纤维搭接电镜图；
图3为本发明实施例3内部细小纤维交联电镜图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散液：将植物纤维浆板加水浸泡1-5h，随后打浆10-20min，获得打浆度为20-50SR°的纤维分散液，其中，所用的纤维原料为阔叶木纤维、针叶木纤维、竹纤维、棉纤维等植物纤维。
步骤二：将有机酸以总质量2-6％的浓度加入步骤一所制备的纤维分散液中，搅拌均匀后置于120-180℃的高温环境中交联5-15min，即得到交联纤维，所述的有机酸为醋酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸、抗坏血酸、丁二酸等。
步骤三：将步骤二所制备的交联纤维加水稀释至总质量浓度的2-6％，随后加入总质量浓度0.5-5％的活性剂、总质量浓度1-5％的胶黏剂和3mL的增塑剂，在3000-5000rad/min的转速下活性发泡5-10min，即得到不定型发泡纤维混合物。所述的活性剂为聚醚或糖脂，具体为聚醚F68、聚醚F77、聚醚F87、聚醚F88、聚醚F108、聚醚F127、槐糖脂、海藻糖脂、鼠李糖脂、甘露糖赤藓糖醇脂等，所述的胶黏剂为聚乙烯醇胶黏剂或淀粉胶黏剂，增塑剂为甘油。
步骤四：将步骤三制备的不定型发泡纤维混合物倒入底部带有100目滤网的模具中，静置滤水0.5-24h充分滤下泡沫液膜中的自由水后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤五：将步骤四成型好的植物纤维发泡材料置入鼓风干燥箱中，在60-100℃环境下干燥2-12h，即得到植物纤维活性发泡缓冲材料。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
步骤一：制备植物纤维分散液：将竹纤维浆板加水浸泡3h，随后打浆10min，获得打浆度为20SR°的竹纤维分散液。
步骤二：将醋酸以总质量2％的浓度加入步骤一所制备的竹纤维分散液中，搅拌均匀后置于130℃的高温环境中交联8min，得到醋酸交联纤维。
步骤三：将步骤二所制备的醋酸交联纤维加水稀释至总质量浓度的5％，随后加入总质量浓度2％的聚醚F68、总质量浓度2％的淀粉胶黏剂和3mL的甘油，控制在3000rad/min的转速下活性发泡6min制得不定型醋酸发泡纤维混合物。
步骤四：将步骤三制备的不定型醋酸发泡纤维混合物倒入底部带有100目滤网的模具中，静置滤水3h充分滤下泡沫液膜中的自由水后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤五：将步骤四得到的定型植物纤维发泡材料置入鼓风干燥箱中，在80℃环境下干燥12h，即得到植物纤维活性发泡缓冲材料。
本实施例对所制备的植物纤维活性发泡缓冲材料的密度为0.051g/cm3；80％应变下压缩强度为0.15MPa；缓冲系数为3.07；回弹率能达到90％，说明本实例所制备的材料具备质轻、高强度且高回弹的性质，证明了所制备的材料具有较高的吸能水平，优异的力学性能与韧性。
实施例2
步骤一：制备植物纤维分散液：将针叶木纤维浆板加水浸泡5h，随后打浆20min，获得打浆度为25SR°的针叶木纤维分散液。
步骤二：将苹果酸以总质量6％的浓度加入步骤一所制备的针叶木纤维分散液中，搅拌均匀后置于115℃的高温环境中交联6min，得到苹果酸交联纤维。
步骤三：将步骤二所制备的苹果酸交联纤维加水稀释至总质量浓度的3％，随后加入总质量浓度3％的槐糖脂、总质量浓度3％的淀粉胶黏剂和3mL的甘油，控制在4000rad/min的转速下活性发泡8min制得不定型苹果酸发泡纤维混合物。
步骤四：将步骤三制备的不定型苹果酸发泡纤维混合物倒入底部带有100目滤网的模具中，静置滤水1h充分滤下泡沫液膜中的自由水后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤五：将步骤四得到的定型植物纤维发泡材料置入鼓风干燥箱中，在90℃环境下干燥8h，即得到植物纤维活性发泡缓冲材料。
本实施例对所制备的植物纤维活性发泡缓冲材料的密度为0.062g/cm3；80％应变下压缩强度为0.22MPa；缓冲系数为2.76；回弹率能达到92％，说明本实例所制备的材料具备质轻、高强度且高回弹的性质，证明了所制备的材料具有较高的吸能水平，优异的力学性能与韧性。
实施例3
步骤一：制备植物纤维分散液：将阔叶木纤维浆板加水浸泡1h，随后打浆10min，获得打浆度为20SR°的阔叶木纤维分散液。
步骤二：将柠檬酸以总质量4％的浓度加入步骤一所制备的阔叶木纤维分散液中，搅拌均匀后置于150℃的高温环境中交联10min，得到柠檬酸交联纤维。
步骤三：将步骤二所制备的柠檬酸交联纤维加水稀释至总质量浓度的4％，随后加入总质量浓度1％的聚醚F127、总质量浓度2％的聚乙烯醇胶黏剂和3mL的甘油，控制在5000rad/min的转速下活性发泡5min制得不定型柠檬酸发泡纤维混合物。
步骤四：将步骤三制备的不定型柠檬酸发泡纤维混合物倒入底部带有100目滤网的模具中，静置滤水5h充分滤下泡沫液膜中的自由水后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤五：将步骤四得到的定型植物纤维发泡材料置入鼓风干燥箱中，在100℃环境下干燥10h，即得到植物纤维活性发泡缓冲材料。
本实施例对所制备的植物纤维活性发泡缓冲材料的密度为0.055g/cm3；80％应变下压缩强度为0.25MPa；缓冲系数为2.69；回弹率能达到94％，说明本实例所制备的材料具备质轻、高强度且高回弹的性质，证明了所制备的材料具有较高的吸能水平，优异的力学性能与韧性。
实施例4
步骤一：制备植物纤维分散液：将棉纤维加水浸泡3h，随后打浆20min，获得打浆度为50SR°的棉纤维分散液。
步骤二：将丁二酸以总质量4％的浓度加入步骤一所制备的棉纤维分散液中，搅拌均匀后置于135℃的高温环境中交联15min，得到丁二酸交联纤维。
步骤三：将步骤二所制备的丁二酸交联纤维加水稀释至总质量浓度的6％，随后加入总质量浓度4％的海藻糖酯、总质量浓度3％的聚乙烯醇胶黏剂和3mL的甘油，控制在4500rad/min的转速下活性发泡5min制得不定型丁二酸发泡纤维混合物。
步骤四：将步骤三制备的不定型丁二酸发泡纤维混合物倒入底部带有100目滤网的模具中，静置滤水15h充分滤下泡沫液膜中的自由水后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤五：将步骤四得到的定型植物纤维发泡材料置入鼓风干燥箱中，在80℃环境下干燥10h，即得到植物纤维活性发泡缓冲材料。
本实施例对所制备的植物纤维活性发泡缓冲材料的密度为0.068g/cm3；80％应变下压缩强度为0.32MPa；缓冲系数为2.74；回弹率能达到91％，说明本实例所制备的材料具备质轻、高强度且高回弹的性质，证明了所制备的材料具有较高的吸能水平，优异的力学性能与韧性。对比例
步骤一：制备植物纤维分散液：将阔叶木纤维加水浸泡3h，随后打浆20min，获得打浆度为50SR°的阔叶木纤维分散液。
步骤二：将步骤一所制备的纤维分散液加水稀释至总质量浓度的5％，随后加入总质量浓度3％的十二烷基硫酸钠、总质量浓度2％的聚乙烯醇胶黏剂和3mL的甘油，控制在4000rad/min的转速下活性发泡5min制得不定型发泡纤维混合物。
步骤三：将步骤二制备的不定型发泡纤维混合物倒入底部带有100目滤网的模具中，静置滤水14h充分滤下泡沫液膜中的自由水后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤四：将步骤三得到的定型植物纤维发泡材料置入鼓风干燥箱中，在80℃环境下干燥10h，即得到植物纤维发泡缓冲材料。
本对比例对所制备的植物纤维发泡缓冲材料的密度为0.045g/cm3；80％应变下压缩强度为0.12MPa；缓冲系数为5.52；回弹率仅为51％，说明本对比例所制备的材料力学性能较差，在缺少有机酸交联的情况下回弹率较低，相比上述实施例综合性能较差。
表1实施一、二、三、四与对比例的材料物理性能对比
实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备植物纤维活性发泡缓冲材料照片如图1。材料内部的纤维搭接电镜图如图2，聚醚和糖脂优异的起泡性和稳泡性使得材料内部具有致密的网络结构，为材料提供了良好的力学性能。纤维之间的细小纤维交联电镜图如图3，有机酸带来的此类交联可以增强抗压性能并大幅提升材料的韧性与回弹性。
上述实施例中各参数测定方法如下：
密度：使用游标卡尺测量材料尺寸三次求平均后计算材料体积V，使用天平测量材料的质量m，根据公式(1)求得材料密度。
80％应变下压缩强度：使用万能试验机对材料进行压缩测试，在显示器中观察材料应力-应变曲线中应变值达到80％时所显示的应力值，并重复三次求其平均值。
缓冲系数：首先根据公式(2)对应力(σ)-应变(ε)曲线进行积分求得材料各应变下的吸收能(e)；根据公式(3)，再以应力与其吸收能做商即得到了缓冲系数(C)曲线，通常以曲线的最低点作为材料的缓冲系数。
回弹率：在测试之前使用游标卡尺对材料厚度进行三次测量取平均值(Hb)，随后使用万能试验机对材料进行50％应变的压缩，完全释放后静置30s再对材料厚度进行三次测量取平均值(Ha)。根据公式(4)，其与测试前的厚度的比值即为材料回弹率(R)。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基本上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散液；
步骤二：将有机酸溶液加入植物纤维分散液中高温交联制备交联纤维；
步骤三：将交联纤维加水稀释，并将活性剂、胶黏剂、增塑剂加入交联纤维体系经高速分散器机械剪切搅拌进行活性发泡；
步骤四：将步骤三制备的发泡纤维混合物倒入模具中静置滤水定型；
植物纤维发泡材料定型工艺为：将发泡纤维混合物倒入底部带有滤网的模具中，静置滤水后脱模得到成型好的植物纤维发泡材料。其中，滤网的目数为100目，静置滤水时间为0.5-24h；
步骤五：将步骤四得到的定型植物纤维发泡材料进行干燥处理得到植物纤维活性发泡缓冲材料；
干燥处理为：在鼓风干燥箱中60-100℃环境下干燥2-12h。
2.根据权利要求1所述的一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，步骤一中用于制备纤维分散液的纤维原料可以是阔叶木纤维、针叶木纤维、竹纤维、棉纤维。
3.根据权利要求1所述的一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，步骤一中制备植物纤维分散液的方法为：将植物纤维浆板加水浸泡1-5h，随后打浆10-20min，获得打浆度在20-50SR°的纤维分散液。
4.根据权利要求1所述的一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，步骤二中制备交联纤维的方法为：将有机酸以总质量2-6％的浓度加入步骤一所制备的纤维分散液中，搅拌均匀后置于120-180℃的高温环境中交联5-15min，即得到交联纤维。
5.根据权利要求1所述的一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，所述的有机酸为醋酸、苹果酸、柠檬酸、丁二酸。
6.根据权利要求1所述的一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，步骤三中交联纤维加水稀释到总质量浓度的2-6％，活性剂添加量为总质量浓度的0.5-5％，胶黏剂添加量为总质量浓度的1-5％，增塑剂的添加量固定为3mL。
7.根据权利要求1所述的一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，所述的的活性剂为聚醚或糖脂，具体为聚醚F68、聚醚F77、聚醚F87、聚醚F88、聚醚F108、聚醚F127、槐糖脂、海藻糖脂、鼠李糖脂、甘露糖赤藓糖醇脂等。所述的胶黏剂为聚乙烯醇胶黏剂或淀粉胶黏剂。增塑剂为甘油。
8.根据权利要求1所述的一种植物纤维活性发泡缓冲材料的制备方法，其特征在于，步骤三中活性发泡时高速分散器的转速为3000-5000rad/min，发泡时间为5-10min。
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