利用木質(zhì)剩余物與廢紙制備紙漿模塑材料的比較

姚培培，肖生苓*，岳金權(quán)

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

1 紙漿模塑材料的介紹

紙漿模塑是以木材或天然植物一次纖維或廢紙?jiān)偕w維為原材料，添加部分化學(xué)助劑，經(jīng)過(guò)制漿、模塑成型和干燥整形等工藝過(guò)程制得的具有特定幾何空腔結(jié)構(gòu)和一定抗壓緩沖能力的紙制品的加工方法[1-2]。

紙漿模塑材料可以回收再造或自然降解，具有很好的環(huán)境友好特性；并具有和包裝產(chǎn)品的外型相吻合的幾何形狀，且具備良好的防震、防沖擊、防靜電和防腐等理想的保護(hù)效果，對(duì)其各項(xiàng)物理性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其功效足以替代EPS發(fā)泡材料，而且在環(huán)保、價(jià)格、防震和防靜電等功能上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于電子、機(jī)械零部件、工業(yè)儀表、電腦、家電、玻璃、陶瓷和農(nóng)產(chǎn)品等的內(nèi)襯緩沖包裝材料上[3-4]。

1.1 木質(zhì)剩余物一次纖維

林區(qū)木質(zhì)剩余物指的是包括枝丫、枝條、樹(shù)皮、樹(shù)葉、截頭、梢頭、灌木、伐根、枯倒木、彎曲度超限不夠繳庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)的廢棄木材、板條、板皮、刨花、鋸屑、根部齊頭和邊角余料等，在森林釆伐、造材、木材加工利用后的剩余物及主要含木質(zhì)的農(nóng)作物剩余物[5-9]。木質(zhì)剩余物除了具備木材的基本特性，如熱絕緣、電絕緣、環(huán)境友好性、可降解、可回收利用和可再生性等，還有來(lái)源廣泛，成本低廉，經(jīng)濟(jì)性好，易收集和加工等特點(diǎn)，是節(jié)約原木資源、保護(hù)環(huán)境和利用木質(zhì)纖維的較優(yōu)選擇。而木質(zhì)剩余物一次纖維，即木纖維，其主要成分是纖維素、半纖維素和木素，是制漿造紙的原材料。

1.2 廢紙?jiān)偕w維

廢紙泛指在生產(chǎn)生活中經(jīng)過(guò)使用而廢棄的可循環(huán)再生資源，包括各種高檔紙、黃板紙、廢紙箱、切邊紙、打包紙、企業(yè)單位用紙、工程用紙和書(shū)刊報(bào)紙等等。而再生纖維或回用纖維是指經(jīng)一次或多次回用的廢紙纖維[10]。最主要的用途還是纖維回用生產(chǎn)再生紙產(chǎn)品。制備紙漿模塑材料的廢紙主要是廢舊瓦楞紙箱和廢報(bào)紙邊等再生纖維。

1.3 緩沖包裝材料的比較

為制備紙漿模塑材料的兩種原料，木質(zhì)剩余物一次纖維和廢紙?jiān)偕w維，與發(fā)泡聚苯乙烯材料的對(duì)比[11]，見(jiàn)表1。

表1 三種緩沖包裝材料的對(duì)比

從表1可以看出，紙漿模塑材料的成本低于EPS發(fā)泡塑料，且紙漿模塑材料是綠色無(wú)污染的包裝材料，而EPS發(fā)泡塑料不能降解，燃燒有毒，對(duì)環(huán)境影響較大。紙漿模塑材料可分為一次纖維和再生纖維，木質(zhì)剩余物一次纖維的成本略高于廢紙?jiān)偕w維，但性能比廢紙?jiān)偕w維的強(qiáng)。這是由于廢紙紙漿纖維長(zhǎng)短不一，化學(xué)組分復(fù)雜，纖維角質(zhì)化，與一次纖維相比，其許多性能指標(biāo)發(fā)生衰變。

2 木質(zhì)剩余物與廢紙制備紙漿模塑材料的對(duì)比

利用木質(zhì)剩余物一次纖維與廢紙?jiān)偕w維制備紙漿模塑材料的工藝過(guò)程大體相似，都分為制漿過(guò)程、配漿過(guò)程、成型和干燥整形，只是在前期的預(yù)處理和制漿過(guò)程中有所不同，兩者的工藝流程如圖1所示。

圖1 木質(zhì)剩余物與廢紙制備紙漿模塑材料工藝流程圖

2.1 制漿過(guò)程

制漿是造紙的第一步，是將木材、木片等轉(zhuǎn)變成紙漿的方法，是指利用化學(xué)的方法或機(jī)械的方式或兩者結(jié)合的方法使植物纖維原料離解變成本色紙漿(未漂漿)或進(jìn)一步漂白變成漂白紙漿的生產(chǎn)過(guò)程。

木質(zhì)剩余物一次纖維的制漿方法與廢紙?jiān)偕w維的有所不同，木質(zhì)剩余物一次纖維需要先選擇一種制漿方法，如選擇化學(xué)機(jī)械法制漿，制成得率在80%～95%之間的高得率漿，然后再利用打漿機(jī)進(jìn)行打漿，制成一定打漿度和濃度的濕紙漿[12]。廢紙?jiān)偕w維則不需要進(jìn)行制漿，而是直接在水力碎漿機(jī)或打漿機(jī)中將廢紙碎片打成所需打漿度和濃度的濕紙漿。

2.2 配 漿

配漿是指在處理好的漿料中加入填料、顏料、增強(qiáng)劑及防水、防油等功能性助劑，與原漿料進(jìn)行混合調(diào)配以符合產(chǎn)品的質(zhì)量要求，有時(shí)也要控制紙漿的濃度[13]。添加的化學(xué)助劑是根據(jù)包裝產(chǎn)品的種類(lèi)及運(yùn)輸環(huán)境和企業(yè)的要求等來(lái)確定的。木質(zhì)剩余物一次纖維與廢紙?jiān)偕w維制備紙漿模塑材料的配漿方法是相同的。

2.3 成 型

紙漿模塑制品的成型方法主要有真空負(fù)壓成型法、壓力成型法和壓縮空氣成型法三種，根據(jù)生產(chǎn)的不同要求選擇合適的成型方法。其中真空負(fù)壓成型法以其生產(chǎn)效率高、制品的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、設(shè)備的投資回報(bào)率高等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較廣泛[14]。

2.4 干燥整形

由于吸附成型后的濕紙坯經(jīng)冷壓榨后還有很大的含水量，所以須經(jīng)過(guò)烘干、壓實(shí)、校形才能達(dá)到制品的外觀要求和使用要求。紙漿模塑制品的干燥方式可以分為脫模干燥(烘道、烘箱干燥)和帶模干燥[15]。帶模干燥方式比脫模干燥制得的制品更加平滑、致密，其尺寸和形狀也更加準(zhǔn)確。

3 兩種紙漿模塑原材料纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的對(duì)比

利用掃描電鏡對(duì)木質(zhì)剩余物一次纖維纖維形態(tài)與廢瓦楞紙?jiān)偕w維纖維形態(tài)進(jìn)行觀察。圖2和圖3分別為熱壓干燥與真空干燥成型時(shí)，木質(zhì)剩余物一次纖維與廢瓦楞紙?jiān)偕w維纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

(a)熱壓干燥成型纖維內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)，37°SR，800g/m2，150℃，1MPa (b)真空干燥成型纖維內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)，37°SR，800g/m2，150℃，0.08MPa

(c)熱壓干燥成型纖維內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)，37°SR，800g/m2，150℃，1MPa (d)真空干燥成型纖維內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)，37°SR，800g/m2，150℃，0.08MPa

根據(jù)掃描電鏡觀察結(jié)果，由圖2可以發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)剩余物一次纖維的纖維相對(duì)長(zhǎng)度，粗度較均勻，呈扁平狀，而圖3中廢瓦楞紙?jiān)偕w維的纖維略有收縮，纖維長(zhǎng)度與寬度不均勻，有所下降，纖維表面有所損傷，并且細(xì)小纖維的含量相對(duì)較高，表明再生纖維不易被壓縮，漿張的空隙率較大，結(jié)構(gòu)比較疏松，因此漿張表面的粗糙度也將隨之增大[16]。說(shuō)明紙漿經(jīng)回用后，其漿張纖維間的空隙比未回用時(shí)有較大的增加，這種結(jié)構(gòu)上的不同，必然導(dǎo)致一些物理特性的變化，如與纖維間結(jié)合力有關(guān)的抗張強(qiáng)度、耐破強(qiáng)度和耐折強(qiáng)度等的下降[17]。

同時(shí)，從圖2和圖3可知，熱壓干燥成型方式的纖維內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)較真空干燥成型方式的結(jié)合得緊密，空隙小，這是由于熱壓干燥時(shí)的壓力遠(yuǎn)大于真空干燥，從而纖維間的結(jié)合強(qiáng)度高，材料的物理強(qiáng)度就高。

4 結(jié) 論

本文論述了利用木質(zhì)剩余物一次纖維與廢紙?jiān)偕w維制備紙漿模塑材料的工藝過(guò)程，并利用掃描電鏡觀察兩者在熱壓干燥與真空干燥時(shí)，纖維內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)的不同，得出以下3點(diǎn)結(jié)論。

(1)林區(qū)木質(zhì)剩余物用于制備紙漿模塑材料作為緩沖包裝是可行的，與傳統(tǒng)的廢紙制備的紙漿模塑材料進(jìn)行對(duì)比，木質(zhì)剩余物一次纖維的性能要高于廢紙?jiān)偕w維的性能，兩者制備紙漿模塑材料的工藝流程除前期處理與制漿過(guò)程有差別外，后續(xù)的配漿、成型和干燥整形過(guò)程都是相同的。

(2)采用掃描電鏡觀察兩者的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)剩余物一次纖維的纖維形態(tài)更光滑、均勻，纖維間的合力比廢紙?jiān)偕w維得更緊密，物理強(qiáng)度更高。熱壓干燥較真空干燥方式纖維間的空隙更小，結(jié)合強(qiáng)度更高，物理性能更強(qiáng)。

(3)林區(qū)木質(zhì)剩余物和廢紙作為綠色環(huán)保材料，都是制造紙漿模塑制品優(yōu)選的原材料，不僅對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可自然降解，廢棄物可回收再用，而且節(jié)約了資源，尤其對(duì)林區(qū)木質(zhì)剩余物合理的加工利用，可以有效地提高我國(guó)林木資源的綜合利用率，間接地保護(hù)了我國(guó)日漸稀少的森林資源，更為拓展森工產(chǎn)品的幵發(fā)與應(yīng)用提供了一個(gè)新的方向，符合國(guó)際環(huán)保包裝的發(fā)展趨勢(shì)和可持續(xù)發(fā)展的要求。

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