淀粉_秸秆纤维缓冲包装材料的制备及其性能.pdf
第28卷 第1期Vol128No11材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of Materials Science&Engineering总第123期Feb.2010文章编号:167322812(2010)0120136204淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料的制备及其性能郁 青,何春霞(南京农业大学工学院,江苏 南京 210031)【摘 要】利用模压成型法制备出可替代聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)的淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料。通过正交实验探讨了不同配比的原材料对新材料密度及力学性能的影响,获得主要的影响因素及各组分的最优配比。结果表明:随PVA添加量增加,缓冲材料密度先减小后增大,而材料抗压强度逐渐增大;发泡剂含量越高,材料密度越小而抗压强度越低;秸秆纤维与淀粉比例为1:2时材料抗压性能较好。采用静态压缩实验比较淀粉/秸秆纤维缓冲材料与EPS力学性能的差异,并利用体式显微镜分析了淀粉/秸秆纤维缓冲材料微观结构与EPS的差异,提出两种材料差异产生的原因及改善方法。【关键词】淀粉;秸秆纤维;缓冲材料;制备;性能中图分类号:X712 文献标识码:APreparation and Performance of A Starch/Straw FiberCushioning Packing MaterialYU Qing,HE Chun2xia(College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing210031,China)【Abstract】A starch/straw fiber cushioning packing material substituting for EPS were prepared bycompression molding.The density and mechanical properties of the new material were influenced by differentmixture ratios of raw materials,which were researched by orthogonal experiment method,moreover,the mainfactors and optimization of mixture ratios were obtained.The results showed that the density of the newmaterial was minimum with addition of 60%by weight of water;the compression resistance was best withaddition of 25%by weight of straw fibers.The mechanical property of the new material in contrast with EPSwas shown by way of static compression experiment,furthermore,the difference of microstructure betweenthem was observed and compared by microscope.Bring forward the causations arising the differences andimproved methods.【Key words】starch;straw fiber;cushioning material;preparation;performance收稿日期:2009208217;修订日期:2009209223作者简介:郁 青(1980-),女,江西人,硕士研究生,主要研究方向:新型工程材料及应用。E2mail:yuqingrachelme 。通讯作者:何春霞(1960-),女,教授,博士生导师,现从事聚合物复合材料改性及其机械性能研究工作。1 引 言发泡聚苯乙烯(EPS)具有质轻,吸湿率、吸水率低,优良的振动吸收作用,化学稳定性好以及廉价等特点,在20世纪以来被广泛应用于包装领域。但EPS化学性能稳定,使用废弃后在自然条件下200年内不会降解,造成严重的“白色污染”。回收EPS进行降解,需要耗费大量成本。因此寻求环保绿色包装材料成为各国研究的关注点。近年来利用农作物秸杆开发研究植物纤维类缓冲包装材料是包装材料的又一研究方向1。Soykeabkaew等2研究发现淀粉基发泡材料中加入5%10%的黄麻或亚麻纤维烘焙成型,能明显增强基材的弯曲强度和弯曲模量。Mark Johnson等3研究表明利用芒草纤维能有效增强改性热塑性淀粉的抗冲击性能。G.M.Ganjyal等4采用NaOH处理过的玉米茎填充到经乙酰化的玉米淀粉中挤出成型,扫描电镜发现纤维素与淀粉有良好的相容性,且纤维素在低含量时能显著提高发泡材料的物理性能。高德等5制备了以玉米秸秆纤维和淀粉为主要成分的新型缓冲包装材料,并利用静态压缩实验方法对该材料力学强度的影响因素进行了分析。李媛媛6利用打浆帚化后得到的稻草和麦秆纤维与淀粉、增塑剂等共混在NH4HCO3发泡剂作用下制成了新型植物纤维发泡缓冲衬垫,对其力学性能和吸湿性的研究表明新材料具有良好商业前景。本文主要采用来源丰富的稻草秸秆纤维与玉米淀粉混合,制备一种可替代EPS的新型缓冲材料。2 实验部分2.1 原材料制备该缓冲包装材料所需的原料及其主要作用如表1所示:表1 原材料组分及其作用Table 1Ingredient and function of raw materialsIngredientFunctioncorn starchadhesive actionstraw powder(602mesh sieve)fibrous reinforcementpolyvinyl alcohol(PVA)adhesive;waterproofmolecular distilled monoglycerideprevent retrogradation;antisepticiseNaHCO3Foamy agentwaterplasticizer2.2 制备方法本实验主要利用淀粉和聚乙烯醇的胶粘反应,添加秸秆纤维增强体,在水蒸汽和发泡剂作用下,制备可生物降解的缓冲包装材料。制备过程如下:将稻草秸秆在植物粉碎机中粉碎,通过筛选,取粒径为60目的秸秆粉备用。利用10%NaOH水溶液对秸秆粉进行打浆帚化处理后干燥。控制磁力搅拌器在9095时将PVA充分溶解,制备的PVA水溶液冷却至室温后注入秸秆粉、淀粉、单甘脂和NaHCO3的混合粉末中,充分搅拌均匀,常温下存放半小时。备好的糊状混合物填入自制模具的模腔中,在平板硫化机上进行模压,压力设为2.0MPa,上、下模板温度160。保压5秒后卸压,冷却后脱模,在室温下干燥。3 实验结果分析3.1 淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料最优配比本研究采用正交试验方案L9(34)进行实验,研究不同秸秆纤维与淀粉比例及各种助剂添加量对材料密度及抗压性能的影响。其中,秸秆纤维和淀粉总量共45g。为了改善淀粉的抗腐蚀能力,加入了一定量的分子蒸馏单甘脂。制品尺寸:直径40mm,厚度30mm。表2对正交试验的结果进行了分析。表2的分析结果表明:对淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料密度影响最大的是PVA的添加量。随PVA的添加量增加,材料密度先减小后增大。说明PVA能增加材料的粘弹性和表面张力,有利于气泡核成长;但用量过大,材料黏度过高,会阻碍气泡核成长,使发泡不充分,影响材料密度。其次,对材料密度影响较大的是发泡剂的使用量,发泡剂添加量越大,材料密度越小,说明发泡剂能有效提高材料的发泡倍率,减小比重。对淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料抗压性能影响最大的是PVA的添加量。随PVA添加量的增加,材料抗压强度增加,说明PVA提高了淀粉分子与秸秆纤维分子之间的结合力,增加了基体结构的紧密度。其次,对材料抗压性能影响较大的是秸秆纤维与淀粉的比例,随比例的增大,抗压强度下降,主要原因是秸秆纤维与淀粉分子之间的相容性差,添加量过多时造成基体结构松散,从而影响了材料的抗压性能。3.2 淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料力学性能研究缓冲材料力学性能主要包括对材料进行抗压性能和回弹性能测试两方面,考察材料在受到外载荷冲击时的承压能力和多次载荷冲击情况下材料的复原能力。3.2.1 抗压性能 采用GB8168287标准对制备的缓冲材料进行静态压缩实验,得如图1压力2变形关系曲线,从中可以探讨秸秆纤维与淀粉的不同配比对淀粉/秸秆纤维缓冲材料抗压性能的影响,并与EPS的抗压性能相比较。图1中1号、4号、7号试样分别对应秸秆纤维与淀粉比例为12、23、11的缓冲材料。由实验结果得出:1号试样承压能力最好;随秸秆纤维含量增加,4号试样和7号试样的抗压能力有所下降。说明添加一定量植物纤维能有效增强缓冲材料的抗压性能,但比例过大,基体粘合能力下降,组织结构松散,降731第28卷第1期郁 青,等.淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料的制备及其性能表2 缓冲材料密度及压缩屈服应力的正交分析Table 2Orthogonal analysis about density and compression yield stress of the cushioning materialExperimentalnumberStraw fiber:starchPVA/gWater/mlNaHCO3/gABCDDensity/gcm-3Compress yieldstress/KPa11(12)1(8)1(90)1(6)0.35225.6212(14)2(110)2(8)0.32241.3313(20)3(130)3(10)0.36037.742(23)1230.33324.9522310.32328.5623120.36732.873(11)1320.32418.6832130.31424.9933210.42949.1X10.3450.3360.3440.368X20.3410.3200.3610.338X30.3560.3850.3360.336R0.0150.0650.0250.032Factor(PrimarySecondary)BDCAOptimal combinationA2B2C3D3Y134.86723.03327.76730.933Y228.73331.56734.96730.900Y327.40036.40028.26729.167R7.46713.3677.2001.766Factor(PrimarySecondary)BACDOptimal combinationA1B3C2D1图1 压力2变形关系曲线Fig.1Relation curve of pressure2deformation低了抗压能力。实验试样与EPS相比:试样在压缩变形小于2mm之前承压力与EPS相当;变形大于2.0mm以上,承压逐渐增强。主要原因是由于与EPS相比试样表面质量较差,存在少量开放气孔结构,影响了初始时的承压效果。试样在压缩厚度大于10mm以上时,压缩力随变形的增大而急剧增加,说明试样的承压稳定性在变形较大情况下,失效较快。主要是由于试样内部气泡孔分布不均匀,闭孔率低所引起。3.2.2 回弹性能 材料回弹性能测试方法:以123mm/min的速度沿试样厚度方向对其进行加载,待应变为50%时,保持压力3min,卸载,放置10s后测量试样厚度,重复压缩三次,计算每次回弹率。计算公式为:tj=Tj-(Ti/2)Ti/2100%(321)式中:tj 回弹率;Ti 试样j次压缩前的厚度/cm(i=0,1,2);Tj 试样j次压缩后的厚度/cm(j=1,2,3)。图2是试样三次压缩回弹率与EPS的比较结果。图2 三次压缩回弹率Fig.2compression resilient rate for three times831材料科学与工程学报2010年2月由图2可知,秸秆纤维与淀粉比例不同对材料的缓冲性能影响不大;缓冲材料三次压缩回弹率基本稳定,回弹率均高于EPS,主要原因是由于稻草的纤维组织细长而柔韧,能有效提高材料的弹性变形能力。3.3 淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料的微观结构图3是利用体式显微镜(物镜 16,目镜 1.5)成像的淀粉/秸秆纤维缓冲材料、未添加秸秆的淀粉基缓冲材料及EPS材料的微观结构图。从中可以看出:淀粉/秸秆纤维材料气泡孔的闭孔率低且分布不均匀;淀粉/秸秆纤维材料气泡孔壁较厚;淀粉/秸秆纤维材料和淀粉基材料的气泡孔与EPS相比尺寸较大,且分布不均匀。淀粉/秸秆纤维材料闭孔率低、泡孔分布不均匀(见图a)且气泡壁较厚(见图b),主要原因是加入了黏合性差的秸秆纤维降低了基体的黏弹性,导致液膜表面张力下降,较厚气泡壁才能包裹住膨胀的气体。加入适量气体成核剂和气泡稳定剂能有效提高发泡率,改善气泡孔质量。Bhatnagar等8研究发现在直链玉米淀粉中加入5%的滑石粉(Mg3(Si2O5)2(OH)2)作为成核剂共混挤出成型,能有效降低成型材料的密度,增加闭合气泡百分率,形成多孔隙均匀结构。通过图3(a)、(b)、(c)、(d)比较得出淀粉基缓冲材料发泡质量比EPS差,主要原因在于EPS的制备工艺与淀粉基材料不同,EPS是由无数微小的可发性PS粒子通过发泡工艺制得,因此气泡孔细密而均匀。淀粉/秸秆纤维缓冲材料也可采用由苏笑海9发明的“双发泡植物纤维包装材料的生产方法”制备。该方法先将淀粉、植物纤维及各种助剂混合均匀后挤出造粒,再将可发性颗粒吹入一定形状的模具中二次发泡。此法可改善淀粉/秸秆纤维缓冲材料的泡孔直径及均匀性,提高材料结构的稳定性。图3 缓冲材料气泡孔微观结构(a2EPS气泡;b2淀粉基材料气泡;c2淀粉/秸秆材料气泡;d2淀粉/秸秆材料气泡孔横断面)Fig.3Microstructures of cushioning materials(a2Bubbles in EPS;b2Bubbles in starch2based material;c2Bubbles in starch/straw fiber material;d2Section of“C”)4 结 论本实验通过添加增塑剂、发泡剂和胶黏剂等制备出力学性能与EPS相似的缓冲包装材料。说明利用淀粉和秸秆纤维替代EPS制备缓冲包装材料的是可行的。实验表明:PVA对材料的密度及抗压性能影响最大。PVA添加量适中,材料密度最小;PVA添加量越大,材料的抗压性能越好;秸秆纤维与淀粉比例为12时,材料抗压性能最好;发泡剂添加量越大,材料的密度越小,但抗压性能越差。由于稻草纤维的添加有效改善了材料的回弹性能,使材料回弹率优于EPS。实验不足及改善方法:淀粉/秸秆纤维缓冲材料的密度高于EPS。主要是由于发泡不充分,泡体分布不均匀引起,可通过添加成核剂和泡沫稳定剂解决;淀粉/秸秆纤维缓冲材料的闭孔率低,与EPS相比存在较大差距。应加强对发泡过程中淀粉材料黏弹性变化规律以及PVA胶黏机理的研究。参考文献1 高德,孙智慧.可降解缓冲包装材料的现状及发展前景J.包装工程,2002,23(5):141144.2Soykeabkaew,Supaphol,Rujiravanit.Preparationandcharacteriz2ationofjute2andflax2reinforcedstarch2basedcomposite foams J.Carbohydrate Polym,2004,58(1):53.3MarkJohnsona,NickTuckerb,StuartBarnesc,etal.Improvement ofthe impactperformance ofastarchbasedbiopolymer via the incorporation of Miscanthus giganteus fibresJ.Crops and Products,2005,22:175186.4G.M.Ganjyal,N.Reddy,Y.Q.Yang,et al.Biogegradablepackaging foam of starch acetate with corn stalk fibers J.Journal of Applied polymer Science,2004,93:26272633.5 高德,常江,巩雪.玉米秸秆缓冲包装材料的研究J.包装工程,2007,28(1):2729.6 李媛媛.发泡植物纤维模压制品的关键生产技术研究D.重庆:重庆工商大学,2008.7P.Cinelli,E.Chiellini,J.W.Lawton,et al.Foam articles basedon potato starch,corn fibers and Ploy(vinyl alcohol)J.Polymer Degradation and Stability,2006,91:11471155.8Bhatnagar.S,Hanna M.A.J.Starch/staerke,1996,48(3):94101.9 苏笑海.双发泡植物纤维包装材料的生产方法P.中国专利:CN1270912A,2000210.931第28卷第1期郁 青,等.淀粉/秸秆纤维缓冲包装材料的制备及其性能
