植物纖維發(fā)泡材料研究進(jìn)展及緩沖設(shè)計(jì)應(yīng)用

張書(shū)彬　 杜力　 唐全波

摘要：綜述植物纖維發(fā)泡材料的研究進(jìn)展，并設(shè)計(jì)了一款用于筆記本電腦緩沖包裝的植物纖維發(fā)泡材料襯墊，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)植物纖維發(fā)泡材料及在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用提供科學(xué)的研究基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，植物纖維發(fā)泡材料原料廣泛，其緩沖性能的好壞除了與材料的配比有關(guān)外，還和成型工藝條件有關(guān)。只要設(shè)計(jì)的緩沖結(jié)構(gòu)合理，植物纖維發(fā)泡材料完全能夠滿足筆記本電腦等電子產(chǎn)品的緩沖包裝要求。

關(guān)鍵詞：植物纖維發(fā)泡材料；研究進(jìn)展；筆記本電腦；緩沖設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB322；S38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

植物纖維發(fā)泡材料是以稻草、麥稈等農(nóng)作物秸稈，或者草類(lèi)植物纖維為主要原料，配以一定比例的廢紙、淀粉和助劑，經(jīng)過(guò)發(fā)泡技術(shù)制成的[13]。農(nóng)作物秸稈來(lái)源廣泛，成本低廉，但我國(guó)農(nóng)作物秸稈利用率還不到70%[4]，大部分用于焚燒、作肥還田、動(dòng)物飼料，用作工業(yè)原料使用比例很低[5]，用在產(chǎn)品包裝上的比例更低。植物纖維發(fā)泡材料是可降解材料，研究使用植物纖維發(fā)泡材料替代難降解的包裝材料意義重大，不僅可以保護(hù)我們的生存環(huán)境免受污染，還可以通過(guò)利用農(nóng)作物秸稈增加農(nóng)民的收入。

1 植物纖維發(fā)泡材料研究進(jìn)展

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物纖維發(fā)泡材料進(jìn)行了研究和探索，主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是植物纖維為主的發(fā)泡材料制備及其性能研究，一類(lèi)是以塑料材料為主的，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能的研究。

1.1 植物纖維為主的發(fā)泡材料

植物纖維發(fā)泡材料的原材料取材廣泛，研究者選取的原材料種類(lèi)繁多，如麥稈、玉米秸稈、高粱秸稈、大麻稈芯纖維、椰子纖維、龍舌蘭纖維、棉漿粕纖維、果渣、蔗渣、木薯渣等等。膠黏劑能夠?qū)⑾嗤蛘卟煌奈镔|(zhì)結(jié)合在一起，還能具有很好的成膜性能，阻止發(fā)泡氣體逸出的功能。在上述研究中，大都采用聚乙烯醇作為膠黏劑。為了提高植物纖維發(fā)泡材料的力學(xué)性能和外觀性能，可以加入滑石粉或碳酸鈣等助劑。發(fā)泡技術(shù)是制作植物纖維發(fā)泡材料成敗的關(guān)鍵技術(shù)，一般有物理發(fā)泡法、化學(xué)發(fā)泡法和機(jī)械發(fā)泡法三種。上述學(xué)者絕大多數(shù)采用化學(xué)發(fā)泡法，采用的發(fā)泡劑為碳酸氫鈉、碳酸氫銨無(wú)機(jī)發(fā)泡劑。將植物纖維原料、膠黏劑、發(fā)泡劑、滑石粉等助劑混合，經(jīng)過(guò)一步成型或者二步成型方法，烘烤模壓成型。這些研究者通過(guò)研究，尋找到各種材料的最佳配比，調(diào)整成型工藝條件，如成型溫度、壓力、時(shí)間等等，制作出緩沖性能良好的發(fā)泡材料，如解林坤，強(qiáng)明禮等人研究的蔗渣纖維發(fā)泡材料近似線彈性材料，何蕊，陳太安等人以麻稈芯為主要原料，制成緩沖性能較好的發(fā)泡材料，高德，常江等人以玉米秸稈為主要原料，通過(guò)模壓成型制成緩沖效果良好的發(fā)泡材料。以上研究結(jié)果表明，植物纖維發(fā)泡材料緩沖性能的好壞除了與材料的配比有關(guān)外，還和成型工藝條件有關(guān)。

1.2 植物纖維增強(qiáng)塑料發(fā)泡材料

Wei Dan Ding， Davoud Jahani等人在聚乳酸（PLA）中加入植物纖維熔融混合，注射成型，制成復(fù)合泡沫材料，結(jié)果表明植物纖維使得泡沫材料細(xì)胞結(jié)構(gòu)更加均勻。王瑜、張萍等人在聚乳酸中加入玉米秸稈纖維，通過(guò)偶氮二甲酰胺進(jìn)行發(fā)泡，模壓成型制得發(fā)泡材料，研究表明植物纖維的加入，改變了氣泡泡孔的結(jié)構(gòu)，形成泡孔多而均勻。Rosana Moriana， Francisco Vilaplana 等人在熱塑性淀粉基共聚物中加入大麻、紅麻等生物纖維，制成復(fù)合材料，研究結(jié)果表明加入植物纖維可以改進(jìn)復(fù)合材料的熱機(jī)械性能和力學(xué)性能。ShuKai Yeh， ChiaChun Hsieh等人在聚丙烯基體中加入稻殼纖維，以SEBSgMA作為偶聯(lián)劑，用NaOH，硅烷，或氫氧化鈉+鹽酸+硅烷來(lái)提高偶聯(lián)劑的效果，制備復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，加入偶聯(lián)劑可改善泡孔結(jié)構(gòu)，降低泡沫密度。Heartwin A. Pushpadass， Govindarajan Suresh Bahu等人按照質(zhì)量比7：3將玉米淀粉和聚苯乙烯顆?；旌希瑫r(shí)加入滑石粉和聚碳酸酯顆粒，制得泡沫材料。研究表明，這種復(fù)合發(fā)泡材料防潮能力較好，并且發(fā)泡劑量的多少對(duì)泡沫材料的性質(zhì)影響較大。

2 植物纖維發(fā)泡材料的應(yīng)用

目前，筆記本電腦緩沖包裝材料有EPS、EPE、瓦楞紙板、紙漿模塑等。本文采用植物纖維發(fā)泡材料對(duì)筆記本電腦進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)。

2.1 產(chǎn)品特性分析

本設(shè)計(jì)以13.3吋某型號(hào)筆記本電腦為研究對(duì)象，主機(jī)質(zhì)量為1.5kg，產(chǎn)品外形尺寸為340mm×240mm×25mm，其它附件包括電源適配器、數(shù)據(jù)線、說(shuō)明書(shū)、保修卡等。電源適配器和數(shù)據(jù)線用紙盒包裝，說(shuō)明書(shū)和保修卡裝在塑料袋中，本設(shè)計(jì)不對(duì)附件進(jìn)行研究。根據(jù)類(lèi)比法，確定筆記本電腦脆值為60g，運(yùn)輸過(guò)程中的等效跌落高度為80cm。

2.2 緩沖襯墊結(jié)構(gòu)

襯墊采用左右結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，組裝后立放裝箱，裝配如圖1（a）（效果圖為平放）。襯墊具體結(jié)構(gòu)如圖1（b），每個(gè)襯墊的兩個(gè)端面內(nèi)側(cè)都有一個(gè)凸臺(tái)，立放時(shí)，端面凸臺(tái)承載，該凸臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸6cm×2cm，凸臺(tái)高度取1.5cm，和筆記本電腦組裝后，兩個(gè)端面凸臺(tái)承載，所以承載面積為24cm2。每個(gè)襯墊的兩個(gè)側(cè)面內(nèi)側(cè)各設(shè)計(jì)4個(gè)凸臺(tái)，對(duì)稱(chēng)分布， 凸臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸和端面凸臺(tái)尺寸相同。為了保持壁厚均勻，襯墊內(nèi)側(cè)有凸臺(tái)的外側(cè)向內(nèi)凹，反之，外側(cè)有凸臺(tái)的對(duì)應(yīng)的襯墊內(nèi)側(cè)向內(nèi)凹，外側(cè)凸起的高度，凸臺(tái)高度設(shè)計(jì)為1.5cm。所以，緩沖襯墊整體長(zhǎng)為40cm，寬為8.5cm，高度為6.5cm。

2.3 跌落仿真驗(yàn)證

利用Ansys軟件的LSDYNA模塊進(jìn)行跌落仿真分析，模擬跌落加速度曲線如圖2所示，由圖可以看出，包裝件的最大加速度約為43g，小于產(chǎn)品的脆值60g，說(shuō)明設(shè)計(jì)滿足合理，滿足緩沖要求。當(dāng)然在模擬仿真過(guò)程做了很多簡(jiǎn)化處理，如果條件許可，可以制造出襯墊實(shí)物，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室跌落實(shí)測(cè)，再結(jié)合仿真進(jìn)行緩沖結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

植物纖維發(fā)泡材料原料來(lái)源廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物纖維發(fā)泡材料進(jìn)行了研究，不論是以植物纖維為主的發(fā)泡材料，還是在塑料基材中加入植物纖維的復(fù)合材料，通過(guò)材料不同的配比，改變制造工藝，都能制得性能良好的發(fā)泡材料，具有良好的應(yīng)用前景。將植物纖維發(fā)泡材料通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用在筆記本電腦的包裝上，跌落仿真驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是可行的。限于研究條件所限，未能加工制造出植物纖維緩沖襯墊實(shí)物，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，與跌落仿真相互印證。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑜，張萍，高德，等.植物纖維含量對(duì)聚乳酸/玉米秸稈纖維發(fā)泡材料（PFFM）性能的影響研究[J].化工新型材料，2012，40（6）：7981.

[2]曾廣勝，林瑞珍，徐成，等.發(fā)泡廢紙板纖維/LDPE復(fù)合材料的加工流變性及泡孔形態(tài)[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2013，30（2）：8993.

[3]未友國(guó)，敖寧建，張淵明.植物纖維/蒙脫土/橡膠發(fā)泡復(fù)合材料微孔結(jié)構(gòu)的研究[J].電子顯微學(xué)報(bào)，2008，27（5）：379383.

[4]解恒參，趙曉倩.農(nóng)作物秸稈綜合利用的研究進(jìn)展綜述[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2015，40（1）：8690.

[5]韓魯佳，閆巧娟，劉向陽(yáng)，等.中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（3）：8791.

[6]陳玉芬，錢(qián)怡，孫昊.一種新型植物纖維發(fā)泡緩沖材料制備研究[J].化工新型材料，2016，44（5）：243245.

[7]張秀梅，徐偉民.高粱秸稈發(fā)泡包裝材料的微觀結(jié)構(gòu)研究[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25（1）：5052.

[8]何蕊，陳太安，戈應(yīng)倉(cāng).麻稈芯纖維發(fā)泡緩沖包裝材料的制備工藝[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（3）：7376.

[9]E. AguilarPalazuelos，José de Jesús ZazuetaMorales，Omar A. JiménezArévalo， et al. Mechanical and Structural Properties of Expanded Extrudates Produced from Blends of Native Starches and Natural Fibers of Henequen and Coconut[J].StarchStarke，2007，11： 533542.

[10]庫(kù)爾班江·肉孜.棉漿粕纖維緩沖發(fā)泡包裝材料的研制及性能測(cè)試[J].廣東化工，2013，40（5）：67.

[11]丁毅，李堯，曾珊琪，等.植物纖維類(lèi)緩沖包裝材料的研制[J].包裝工程，2006，27（2）：5051.

[12]解林坤，強(qiáng)明禮，何蕊，等.蔗渣纖維發(fā)泡緩沖包裝材料研究[J].包裝學(xué)報(bào)，2009，1（1）：1922.

[13]張書(shū)彬，唐全波，杜力.一種植物纖維制品靜態(tài)緩沖特性試驗(yàn)研究[J].包裝工程，2013，34（9）：3335，94.

基金項(xiàng)目：重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ120707）

作者簡(jiǎn)介：張書(shū)彬（1976），男，碩士，講師，主要研究方向：產(chǎn)品運(yùn)輸包裝防護(hù)。