紙漿模塑制品發(fā)泡原理及工藝
2.1紙漿模塑制品的發(fā)泡原理
塑料發(fā)泡是將烴類發(fā)泡劑和成核劑混溶在塑料顆粒或珠粒中，塑料熔化到粘流態(tài)，這時發(fā)泡劑氣化產(chǎn)生氣泡，在塑料中形成泡孔，冷卻后發(fā)泡制品成型。成核劑的用量控制泡孔的大小和數(shù)量，發(fā)泡劑的用量是決定制品密度的主要原因。
食品發(fā)泡是在面粉、淀粉等原料中加入熱水，這樣原料就會具有一定的粘性，當(dāng)水溫為75℃時，它的粘性達(dá)到最大值。在加熱過程中，發(fā)泡劑會產(chǎn)生的氣體，而面粉或淀粉中的面筋成分就會形成網(wǎng)絡(luò)將氣體包住，使面團(tuán)膨脹形成海綿狀結(jié)構(gòu)。因面粉和淀粉本身具有粘性，所以，生成的氣體不會因?yàn)椴荒鼙３侄莩?，?dǎo)致面團(tuán)塌架。
紙漿發(fā)泡,在紙板厚度增加使紙托強(qiáng)度提高的情況下,使紙托仍有較好的柔性和較大的壓縮變形能力,因而可對被包裝物品提供可靠的保護(hù)。但是，紙漿模塑制品發(fā)泡不同于塑料發(fā)泡和食品發(fā)泡，紙漿在任何情況下都沒有粘性，而且，紙漿纖維短，氣泡不可能在紙漿中保持，即使形成氣泡，也會因?yàn)椴荒茉诩垵{中保持而逸出，這就造成了紙漿模塑制品的發(fā)泡困難。
紙漿模塑制品發(fā)泡，可在紙漿中加入適量的粘結(jié)劑[11]、增塑劑、防腐劑等助劑。發(fā)泡劑與紙漿直接吸附的量不足以達(dá)到較好的發(fā)泡效果，為了在紙漿中均勻地混入足夠的發(fā)泡劑,將發(fā)泡劑先與干燥的紙漿混合,讓發(fā)泡劑被吸附在紙漿上,再加入水?dāng)嚢枋蛊浠旌暇鶆?。這樣就可獲得好的效果。
在紙漿中加入一定量的粘結(jié)劑，與紙漿混合，這樣就會使紙漿具有足夠的粘性，發(fā)泡劑產(chǎn)生氣泡后，氣泡會保持在紙漿中而不逸出，從而在紙漿內(nèi)部形成氣孔，達(dá)到發(fā)泡效果。為了適當(dāng)減少紙漿模塑發(fā)泡制品干燥后的硬度，使其不易過脆，需要在紙漿中在加入一定量的增塑劑。考慮到紙漿模塑制品的干燥時間相對較長，在干燥期間，紙漿內(nèi)部會出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象，可在紙漿中加入一定量的酸作為防腐劑，這樣，既可以達(dá)到防霉腐的作用，同時，在酸與發(fā)泡劑混合后可以產(chǎn)生一定量的氣體，這在一定程度上也起到發(fā)泡的作用。
2.2 發(fā)泡工藝
紙漿發(fā)泡一般有兩種工藝：使用化學(xué)發(fā)泡劑法和不使用化學(xué)發(fā)泡劑法。不使用化學(xué)發(fā)泡劑的發(fā)泡工藝，系通過水蒸氣的作用發(fā)泡，國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家如歐美、日本等均采用不添加化學(xué)發(fā)泡劑法，而通過水蒸氣的作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿的制作工藝，這種方法制作發(fā)泡制品不污染環(huán)境，是最佳的發(fā)泡方法，但制作的設(shè)備和費(fèi)用較使用化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡高，對發(fā)泡工藝的控制也要難一些。而國內(nèi)目前對植物纖維制品發(fā)泡主要是通過化學(xué)發(fā)泡劑的作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿的制作工藝。制作體積尺寸大、質(zhì)量重的緩沖包裝制品應(yīng)采用兩步法成型；而制作體積尺寸小，質(zhì)量輕的緩沖包裝制品,則可采用整體工藝難度較小的一步法成型工藝。
發(fā)泡工藝的制作方法主要有兩種:一步法成型和兩步法成型。一步法成型的工藝特點(diǎn)是:采用的是整體澆注發(fā)泡成型,其工藝流程為：
物料-混合-制漿-澆注-發(fā)泡成型-熟化-脫模-成品
兩步法成型的工藝特點(diǎn)是:將回收的舊書、報(bào)紙或其他植物纖維經(jīng)粉碎碾成纖維狀,與淀粉按一定的比例混合,制成直徑1～3mm的粒子,混合后的紙漿粒子送入擠壓機(jī)制成圓柱顆粒,在擠壓過程中,原料受水蒸氣作用發(fā)泡,形成顆粒型發(fā)泡紙漿,再用發(fā)泡紙漿顆粒做原料,將發(fā)泡紙漿顆粒送入專用的金屬模具中,在金屬模具中進(jìn)行加壓加熱,根據(jù)需要生產(chǎn)制作精度和壁厚與金屬模相應(yīng)的不同形狀的包裝制品。
本試驗(yàn)采用使用化學(xué)發(fā)泡劑的方法。擬采用的發(fā)泡工藝是：將紙漿與發(fā)泡劑、粘合以及助劑充分混合，待靜置一段時間后，再加入另一助劑，混合均勻，然后對其進(jìn)行烘烤，待冷卻后，脫模成型。紙漿與粘合劑、助劑混合后，在靜置的過程中，紙漿會進(jìn)行第一次發(fā)泡，加入助劑二后，混合物會進(jìn)行第二次發(fā)泡，在烘烤過程中，只將會進(jìn)行第三次發(fā)泡，這次發(fā)泡時最明顯的。
2.3 影響發(fā)泡的因素
在制造工藝條件確定，粘結(jié)劑及發(fā)泡用各種助劑的配方已確定的條件下,影響發(fā)泡體質(zhì)量的因素主要是發(fā)泡體的原料配比和制造工藝條件,即粘合劑的種類、紙漿和粘結(jié)劑的質(zhì)量比、輔助發(fā)泡劑的種類與用量、發(fā)泡的溫度、以及發(fā)泡的時間等。
有資料顯示，各個因素對發(fā)泡的影響，最大的因素是發(fā)泡溫度,其次是紙漿與粘合劑的質(zhì)量比和輔助發(fā)泡劑的用量,影響最小的是發(fā)泡時間。
各個因素對發(fā)泡體緩沖性能的影響顯著程度以紙漿和粘結(jié)劑質(zhì)量比為最大,其次是發(fā)泡溫度,發(fā)泡時間的影響相對較??；由于防腐劑可以與發(fā)泡劑起反應(yīng)，發(fā)泡溫度越高,發(fā)泡劑與防腐劑的反應(yīng)速度越激烈,發(fā)泡效果越好,因此表觀密度也隨之降低,這在滿足強(qiáng)度要求的情況下,有利于提高緩沖材料的使用效果和經(jīng)濟(jì)性。因此發(fā)泡溫度應(yīng)選為130-200℃。在此溫度范圍，發(fā)泡體具有最好的緩沖性能。
試驗(yàn)方法
試驗(yàn)儀器：
烤箱----CKF-10R，～220V/50Hz
溫度范圍：100～400℃，時間范圍：0～60min
燒杯、玻璃棒、模具、電子天平
試驗(yàn)原料
紙漿、玉米淀粉、混合發(fā)泡劑、輔助發(fā)泡劑、合成樹脂、防腐劑、發(fā)泡劑、水、成核劑、助劑。
紙漿---由生產(chǎn)紙漿模塑制品廠家取回的原漿，由廢紙箱、廢報(bào)紙等制成.
玉米淀粉---在試驗(yàn)中作粘合劑。
混合發(fā)泡劑---既可以起到發(fā)泡的作用，又可以起到一定的交聯(lián)作用。
輔助發(fā)泡劑---起到輔助發(fā)泡的作用。
成核劑---起氣泡的成核作用。
合成樹脂---和玉米淀粉一起用作粘合劑。其成膜性好，可以防止氣泡逸出，對水蒸氣和許多氣體有高度的不透過性。
助劑---用作粘合劑的增塑劑.
防腐劑---即能與發(fā)泡劑反應(yīng)形成氣泡，又能起到防腐的作用。
試驗(yàn)內(nèi)容:
試驗(yàn)一
名 稱
用 量
名 稱
用 量
紙 漿
100g
溫 度
130～160℃
玉米淀粉
40g
時 間
60min
混合發(fā)泡劑
4g
說明：本試驗(yàn)所用淀粉為糊化淀粉；紙漿為含有大量水分的稀紙漿。
試驗(yàn)過程：將紙漿與淀粉、發(fā)泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入130℃烤箱中烘烤，30min后，將溫度升至160℃。
試驗(yàn)現(xiàn)象：烘烤30min后，試樣無發(fā)泡現(xiàn)象；溫度升高，繼續(xù)烘烤，亦無發(fā)泡現(xiàn)象。
試驗(yàn)結(jié)果：取出試樣觀察，試樣體積無明顯變化，無氣泡產(chǎn)生。
分析原因：第一，可能是淀粉含量過低，粘度低，使氣泡無法形成；第二，亦可能是初始溫度低，使氣泡無法形成；第三，發(fā)泡劑一所含的發(fā)泡成份不足。
改進(jìn)方法：第一，增大淀粉用量；第二，提高烤箱溫度；第三，替換該試驗(yàn)用發(fā)泡劑，使用另外一種發(fā)泡劑。
試驗(yàn)二
名 稱
用 量
名 稱
用 量
紙 漿
100g
溫 度
140℃
玉米淀粉
50g
時 間
60min
發(fā)泡劑
2g
說明：實(shí)驗(yàn)所用玉米淀粉為糊化淀粉；紙漿為含有大量水分的稀紙漿。
試驗(yàn)過程：將紙漿與淀粉、發(fā)泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入140℃烤箱中烘烤，烘烤60min后。
試驗(yàn)現(xiàn)象：隨著烘烤時間的延長，試樣表面干燥。
試驗(yàn)結(jié)果：取出試樣觀察，無氣泡產(chǎn)生
原因分析：第一，可能是淀粉含量過低，黏度低，使氣泡無法形成；第二，亦可能是初始溫度低，使氣泡無法形成；第三，發(fā)泡劑用量少。
改進(jìn)方法：第一，考慮繼續(xù)增大淀粉含量，同時慮去紙漿中的水分，降低紙漿的含水量，以提高淀粉含量的百分比。第二，繼續(xù)升高溫度；第三，增大發(fā)泡劑的用量。
試驗(yàn)三
名 稱
用 量
名 稱
用 量
紙 漿
100g
溫 度
150～200℃
玉米淀粉
120g
時 間
80min
發(fā)泡劑
5g
試驗(yàn)過程：將紙漿與淀粉、發(fā)泡劑充分混合，揉30min，做成餅狀試樣，放入150℃烤箱中烘烤，50min后，將溫度升至200℃。
試驗(yàn)現(xiàn)象：肉眼看不出試樣體積變化，掰開試樣，發(fā)向內(nèi)部有很小的蜂窩狀的氣孔，試樣表面已經(jīng)完全干燥，內(nèi)部干躁不好。
試驗(yàn)結(jié)果：試樣內(nèi)部有微量氣泡，但不明顯。
原因分析：淀粉黏度低。而且，隨著溫度的升高，淀粉的黏度會降低。在高溫烘烤下，試樣表面很快干燥、變硬，內(nèi)部即使有氣泡形成，由于試樣表面過硬，導(dǎo)致氣泡無法發(fā)出。
改進(jìn)方法：將粘合劑玉米淀粉改為合成樹脂溶液。
試驗(yàn)四
名 稱
用 量
名 稱
用 量
紙 漿
50g
水
300g
合成樹脂液
25g
溫 度
190～150℃
發(fā)泡劑
,5g
時 間
90min
助劑
2.5g
說明：合成樹脂溶液濃度為10%（以下試驗(yàn)用到的合成樹脂液均為此濃度的溶液）。
試驗(yàn)過程：將制漿濾干，放入大燒杯中，加入50g水?dāng)嚢?，將合成樹脂溶液放入燒杯中，加?50g水，水浴加熱30min，其間不停的攪拌，使物料充分混合。待冷卻后，加入發(fā)泡劑和助劑，攪拌均勻，放入模具中。在190℃烤箱中加熱。
試驗(yàn)現(xiàn)象：20min后，試樣明顯膨脹，發(fā)泡明顯，不斷有起泡產(chǎn)生，但是隨著加熱的進(jìn)行，氣泡不斷從試樣表面逸出，導(dǎo)致試樣表面塌陷。40min后將溫度降至150℃，繼續(xù)加熱，再無氣泡產(chǎn)生，放置24小時，試樣完全塌陷，發(fā)現(xiàn)干燥部分有霉點(diǎn)。
試驗(yàn)結(jié)果：過程中有氣泡產(chǎn)生，但是最終試樣中沒有氣泡。
原因分析：隨著溫度的升高，合成樹脂溶液粘性增大，不易成型，導(dǎo)致氣泡逸出；所制試樣水分含量過高，形成的氣泡較大，導(dǎo)致氣泡壁過??；干燥速度慢，易形成霉點(diǎn)。
改進(jìn)方法：改變粘合劑的黏度，使之介于糊化玉米淀粉和合成樹脂之間，可加入成核劑；減少水的用量；適當(dāng)?shù)販p少發(fā)泡劑用量并加入酸；加入防腐劑。
試驗(yàn)五
名 稱
用 量
名 稱
用 量
紙 漿
50g
防腐劑
2.5g
合成樹脂液
25g
水
250g
發(fā)泡劑
4g
溫 度
140～150℃
助劑
2.5g
時 間
70min
成核劑
1g
試驗(yàn)過程：將紙漿，合成樹脂溶液與水混合，水浴加熱，邊加熱邊攪拌，使其混合均勻，加入酸、助劑，待冷卻后，加入發(fā)泡劑、成核劑，攪拌均勻，將試樣放入140℃烤箱中烘烤20min后，溫度升至150℃。
試驗(yàn)現(xiàn)象：10min后，開始有明顯發(fā)泡，試樣體積膨脹。20min后，試樣表面開始塌陷，此時升高溫度，體積有膨脹，但是不明顯。繼續(xù)加熱干燥。試驗(yàn)結(jié)束，試樣表面塌陷。
試驗(yàn)結(jié)果：過程中有發(fā)泡，但最終發(fā)泡結(jié)果不明顯。
原因分析：隨著溫度的升高，合成樹脂溶液粘性增大，不易成型，導(dǎo)致氣泡逸出,不能通過加入成核劑達(dá)到留住氣泡的目的；水分含量過高；
改進(jìn)方法:改變粘合劑的成分，試采用在合成樹脂溶液作為粘結(jié)劑的基礎(chǔ)上加入玉米淀粉，使其在高溫下成型；減少水的用量；改選用混合發(fā)泡劑，并增大其用量。
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