纖維多孔緩沖包裝材料泡孔參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系*

羅瑜瑩 肖生苓 李 琛 陳艷娜

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150040)

?

纖維多孔緩沖包裝材料泡孔參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系*

羅瑜瑩 肖生苓 李 琛 陳艷娜

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150040)

【目的】 借助適當(dāng)?shù)呐菘讌?shù)表征手段，探究纖維多孔緩沖包裝材料的泡孔參數(shù)(孔隙率和孔徑大小及分布)與其力學(xué)性能的關(guān)系，為制備出性能優(yōu)良的纖維多孔緩沖包裝材料提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步研究和揭示纖維多孔緩沖包裝材料的發(fā)泡機(jī)制提供參考，以推動綠色環(huán)保緩沖包裝材料的發(fā)展?！痉椒ā?以木粉和廢瓦楞紙漿為主要原料，同時添加發(fā)泡劑等輔料，采用熱壓成型方式制備出具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)泡材料，使用Image Pro Plus 6.0圖像處理軟件對材料的顯微圖像進(jìn)行處理與分析，得出不同材料的泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，即孔隙率和孔徑大小及分布，通過靜態(tài)壓縮性能測試及4次壓縮回彈測試得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線、4次壓縮平均回彈率曲線和單位體積變形能曲線，對材料泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】 不同的泡孔參數(shù)與材料力學(xué)性能有著不同的關(guān)系，其中孔隙率與材料力學(xué)性能的關(guān)系為： 孔隙率越大，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線越平緩，最小緩沖系數(shù)越小，單位體積變形能越??；隨著孔隙率的增大，材料的平均回彈率先升高后降低?？讖酱笮〖胺植寂c材料力學(xué)性能的關(guān)系為：大泡孔所占面積百分比越大，材料同一應(yīng)變條件下對應(yīng)的應(yīng)力值越小，最小緩沖系數(shù)越??；大泡孔所占面積百分比越小，即孔徑分布越均勻，材料的平均回彈率越高，單位體積變形能越大?！窘Y(jié)論】 通過適當(dāng)?shù)呐菘讌?shù)表征手段及試驗和統(tǒng)計方法，對纖維多孔緩沖包裝材料微觀泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙率和孔徑大小及分布)進(jìn)行表征，將宏觀與微觀相結(jié)合，獲得其與不同孔隙結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能間重要的理論關(guān)系，對于繼續(xù)深入研究纖維多孔緩沖包裝材料微觀結(jié)構(gòu)、優(yōu)化泡孔形貌及均勻性甚至后續(xù)生產(chǎn)制備均具有重要的指導(dǎo)意義。

緩沖包裝； 纖維； 泡孔參數(shù)； 力學(xué)性能； 計算機(jī)圖像分析

我國是制造大國，同時也是包裝大國，國內(nèi)消費(fèi)品和出口商品的配套包裝數(shù)量呈逐年上升趨勢，各類包裝材料需求巨大(戴宏民等， 2011)。在所有包裝形式中，緩沖包裝所占比例最大，每年僅對外出口就有近1 000億美元的商品需要緩沖包裝。目前，我國緩沖用包裝材料以發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)和聚乙烯(EPE)為主，由于其具有質(zhì)輕、防水、耐油、廉價且壓縮性能良好等特點，已成為業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的緩沖包裝材料(曾廣勝等， 2013； 侯樹亭， 2006； 佘彬鶯， 2007)； 但EPS和EPE不能自然降解，對環(huán)境造成的污染及產(chǎn)生的不良后果愈發(fā)嚴(yán)重，已成為僅次于水資源、海洋湖泊、大氣污染的第4大環(huán)境污染源(徐淑艷等， 2016； 徐曉靜， 2007)。因沒有更好的替代品，EPS和EPE緩沖材料的使用已成為無奈之舉。包裝材料的綠色發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展和循環(huán)發(fā)展是世界各國追求的共同目標(biāo)和本質(zhì)要求，是提高產(chǎn)品市場競爭力、避免新貿(mào)易壁壘的有效途徑，是包裝材料今后發(fā)展的必由之路(庾晉等， 2002； 曾光， 2012)。近年來，植物纖維類發(fā)泡緩沖材料的研究成為國內(nèi)外科技工作者的一個新的關(guān)注點(李剛等， 2013； 王瑜等， 2012； 計宏偉等， 2015)，由于其原料的廣泛性、環(huán)境的友好性、成本的低廉性和市場潛力的無限性，在緩沖材料中有著不可比擬的發(fā)展優(yōu)勢和廣闊空間。

植物纖維發(fā)泡緩沖材料是有別于紙漿模塑制品和蜂窩紙板的新型綠色包裝材料，其顯著特點是制備過程需向材料組分中加入發(fā)泡劑(朱琦， 2012)，通過特定的工藝技術(shù)，使發(fā)泡劑在材料體系中逐漸形成氣泡核，大量氣泡核不斷膨脹形成氣泡并均勻充溢于纖維之間，最終穩(wěn)定，利用氣泡表面張力和次價鍵力取向的作用，使纖維間形成相互聯(lián)結(jié)的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(李琛， 2013)，并具有緩沖性。由于植物纖維含有大量的羥基基團(tuán)，纖維彼此間很容易形成氫鍵，這些氫鍵使上述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，保障了緩沖材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但多孔緩沖材料的發(fā)泡過程極其復(fù)雜，發(fā)泡效果受多種因素制約。理論上來說，材料的力學(xué)性能是由材料本身的組分、結(jié)構(gòu)及制備工藝等決定的，但隨著對多孔材料研究的逐步深入，針對緩沖材料來講，材料的孔隙率、孔徑大小及分布等主要泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對其力學(xué)性的影響是至關(guān)重要的。通過對主要泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)微觀層面的表征及深入剖析(Vinuaetal.， 2006； Steinetal.， 2009)，將材料的組分等與泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合，將泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料的力學(xué)性能相結(jié)合，探究二者之間的關(guān)系，這種方式優(yōu)于直接通過材料的力學(xué)性能優(yōu)化材料組分與制備工藝等。通過泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的引入，研究植物纖維緩沖材料的力學(xué)性能與材料本身的組分等關(guān)系相對更直接、精確，能為進(jìn)一步揭示植物纖維多孔材料的發(fā)泡機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

試驗前期已對密度、組分等參數(shù)與孔隙率的關(guān)系進(jìn)行了研究，本文旨在探究材料泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系。對于緩沖材料的原料，前期研究表明，使用廢瓦楞紙漿制備發(fā)泡材料時，為了使纖維分散均勻，通常需要附帶較多的水分，但這些水分使得混合后的濕胚黏度較低，發(fā)泡時泡孔表面張力不足以包住氣體，進(jìn)而導(dǎo)致泡孔多破裂，材料發(fā)泡倍率低； 如果以木粉和廢瓦楞紙漿共同作為主要原料，則可以減少濕胚中水分的加入，使材料發(fā)泡效果更好，力學(xué)性能更優(yōu)。因此本試驗以木粉和廢瓦楞紙漿為主要原料，以水、發(fā)泡劑、淀粉和成核劑等為助劑，通過改變組分的含量，制備出具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)泡材料，利用Image Pro Plus 6.0圖像處理軟件對材料顯微圖像進(jìn)行處理與分析，得出不同材料的泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，并探究材料泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系，為進(jìn)一步研究和揭示多孔緩沖材料發(fā)泡機(jī)制提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1) 主要原料 楊木木粉，長徑比為4.76～7.03，吉林白河林業(yè)局； 廢瓦楞紙，東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料實驗室。

2) 發(fā)泡劑 偶氮二甲酰胺(AC)，天津市鑫鉑特化工有限公司； 碳酸氫鈉(NaHCO3)，天津市鑫鉑特化工有限公司。

3) 膠黏劑 聚乙烯醇(PVA)，山西三維集團(tuán)股份有限公司； 預(yù)糊化淀粉([C6H10O5]n)，黑龍江嵩天薯業(yè)有限公司。

4) 其他助劑 引發(fā)劑： 氧化鋅(ZnO)，天津市鑫鉑特化工有限公司； 交聯(lián)劑： 硼砂(Na2B4O7·10H2O)，天津市瑞金特化工有限公司； 成核劑： 滑石粉[Mg3(Si4O10)(OH)2]，天津市瑞金特化工有限公司； 增塑劑： 丙三醇[C3H5(OH)3]，天津富宇精細(xì)化工有限公司。

1.2 試驗儀器設(shè)備

R-3211型熱壓機(jī)，武漢啟恩科技發(fā)展有限公司； 電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司； ZT16-00型標(biāo)準(zhǔn)纖維解離器，興平市中通試驗裝備有限公司； ZT17-00型紙漿打漿度儀，興平市中通試驗裝備有限公司； ZQS2型水力碎漿機(jī)，興平市西街造紙廠； 101-3A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司； YDN-15型電腦測控壓縮試驗儀，長春市月明小型試驗機(jī)有限責(zé)任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預(yù)處理與配比 試驗用木粉經(jīng)NaOH(濃度10%)溶液處理24 h，以改善其韌性，并與打漿度為30°SR、韌性較好的廢舊瓦楞紙漿一同作為纖維原料。在前期預(yù)試驗基礎(chǔ)上，確定以木粉(20 g，含水率為4%)、纖維(絕干質(zhì)量8 g)及PVA(濃度為10%的水溶液45 g)的質(zhì)量為常數(shù)，通過改變紙漿濕質(zhì)量(即水)、發(fā)泡劑的配比及膠黏劑和成核劑的質(zhì)量，制備9組不同孔隙結(jié)構(gòu)的緩沖材料。原料配比見表1。

1.3.2 試樣制備 1) 物料的混合 將經(jīng)過處理并烘干的木粉、預(yù)糊化淀粉、發(fā)泡劑、滑石粉等材料按比例稱量后混合、攪拌成均勻的干料。按照絕干質(zhì)量稱量需要的紙漿并用水解離，再與稱量好的PVA水溶膠、甘油等液態(tài)原料混合，攪拌器攪拌5 min。將干料加入濕料中，攪拌后噴入硼砂，再次快速攪拌使之交聯(lián)均勻，攪拌時間為10～12 min，形成黏度適中的糊狀物料。

表1 不同孔隙結(jié)構(gòu)緩沖材料的配方Tab.1 Formulation of different pore structure cushioning materials g

2) 熱壓發(fā)泡 為了達(dá)到良好的發(fā)泡效果，采用分段模壓方式進(jìn)行，第1階段的溫度設(shè)置為NaHCO3的分解溫度，第2階段的溫度設(shè)置為AC發(fā)泡劑的分解溫度。具體的工藝參數(shù)為： 第1階段的溫度設(shè)置在沸點以下，即90 ℃，將糊狀物料置于鋪裝好脫模材料(聚四氟乙烯)的模具中，加熱20 min； 第2階段的溫度設(shè)置為165 ℃，保溫5 min，循環(huán)水冷卻定型，脫模、干燥，得到所需試樣。設(shè)置壓機(jī)壓力為0，此時壓機(jī)壓板起著模具的作用。

1.4 試驗測試

1.4.1 泡孔參數(shù)測定 由于植物纖維多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，采用一般表征方法難以達(dá)到精度要求，故結(jié)合圖像分析法(唐愛民等， 2015； 王麗艷等， 2014； 王克奇等， 2013； 謝永華， 2013)對緩沖材料的泡孔參數(shù)進(jìn)行計算與分析。本研究選擇Image Pro Plus 6.0(簡稱IPP)圖像處理軟件，泡孔圖像通過7X-90X型塞克數(shù)碼光學(xué)體視顯微鏡獲得。將制備的試樣用專用工具刀沿縱、橫截面進(jìn)行剖分，其中縱向截面于試樣1/8、1/4、1/2處剖分，截面尺寸為100 mm×(15～20)mm，橫截面于試樣1/4和1/2處剖分，截面尺寸為100 mm×100 mm。以截面為測量面，采用體視顯微鏡放大20倍獲得試樣截面的二維圖像(顯微鏡視野范圍表示的實際尺寸為4 mm×3 mm)，統(tǒng)一拍攝20組照片進(jìn)行表征。由軟件可直接得出試驗所需參數(shù)，即每個泡孔的面積、泡孔的平均直徑等。

1) 孔隙率的計算 孔隙率是指材料中孔隙所占體積與材料總體積的比值。利用IPP軟件對圖像中孔隙所占面積與圖像整體面積的比值進(jìn)行計算，即為等效的孔隙率：

(1)

式中：θ為單位面積的孔隙率(%)；Ap為孔隙總面積(mm2)；A0為圖像視域總面積(mm2)。

2) 孔徑大小及其分布的測定 IPP軟件中孔徑的測量方式為測量經(jīng)過圖像質(zhì)心的直線長度并求平均值。通過此方法，結(jié)合二維圖像可得泡孔的平均孔徑及其分布情況，由軟件可以直接查看孔徑分布的直方圖。

1.4.2 力學(xué)性能測試 1) 靜態(tài)壓縮性能測試 試樣的尺寸為100 mm×100 mm，電腦測控壓縮試驗機(jī)以(12±3)mm·min-1的移動速度壓縮，軟件記錄試樣壓縮過程中的載荷及位移變化，得到原始的纖維發(fā)泡材料的載荷-位移曲線。為消除材料厚度的影響，將F-s(載荷-位移)曲線換算成σ-ε(應(yīng)力-應(yīng)變)曲線，并計算得到最小緩沖系數(shù)，繪制其與靜應(yīng)力的關(guān)系曲線。

2) 4次壓縮回彈測試 以(12±3)mm·min-1的速度對試樣進(jìn)行壓縮，壓縮至試樣原始厚度的50%，卸載、靜置1 min，測量回彈后試樣的厚度，每次壓縮間隔時間為1 min，重復(fù)壓縮4次，由式(2)計算每次回彈率，并求得4次平均回彈率(以下簡稱平均回彈率)。為減小誤差，測量回彈后試樣厚度5次，取平均值。

(2)

式中：tj為回彈率(%)；Ti為試樣j次壓縮前的厚度(mm)(i=0，1，2，3)；Tj為試樣j次壓縮后的厚度(mm)(j=1，2，3，4)。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)試樣孔隙率的測定及力學(xué)性能的測試方法得到材料的相關(guān)性能指標(biāo)，結(jié)果見表2。對表2中不同試樣的測量結(jié)果進(jìn)行分析，為避免數(shù)據(jù)的特殊性，從表中選取出孔隙率梯度相近的5個試樣，按孔隙率由小到大排列依次為N5、N3、N8、N1、N6。為使后期對結(jié)果的分析與比較更為直觀，將以上5個試樣依次用P1、P2、P3、P4、P5代替，以探討孔隙率與材料力學(xué)性能的關(guān)系； 選取孔隙率近似相同的3個試樣，分別為N4、N8和N9，將以上3個試樣依次用S1、S2、S3代替，以探討孔徑大小及分布與材料力學(xué)性能的關(guān)系。

2.1 孔隙率與材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系

根據(jù)靜態(tài)壓縮試驗，得到不同孔隙率試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。由圖1可知，試樣應(yīng)變量在0～0.1時，曲線近似為線性，這一階段可視為材料的彈性變形階段。隨著應(yīng)變量增加，曲線斜率下降，類似于瓦楞紙板材料壓縮時的平臺區(qū)，可視為材料的屈服階段。平臺區(qū)之后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈正切型，斜率變大，應(yīng)力急劇上升，試樣在外力作用下逐漸密實，這一階段可視為材料的壓實階段。從整體上講，孔隙率越小，木質(zhì)纖維發(fā)泡材料對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線越陡，材料對應(yīng)的應(yīng)力值越大。這是因為孔隙率小的材料其內(nèi)部纖維間的距離小，纖維間相互絞纏致密，易壓實； 材料的孔隙率越大，在同一應(yīng)力條件下越容易發(fā)生變形，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線越平緩，緩沖效果越好。

表2 材料的性能指標(biāo)及孔隙率測量結(jié)果Tab.2 Performance index and porosity measurement results of materials

圖1 不同孔隙率試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of specimens with different porosity

2.2 孔隙率與材料緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線的關(guān)系

緩沖系數(shù)是衡量緩沖包裝是否合理的一個重要參數(shù)。最小緩沖系數(shù)越小，材料吸收的能量越多，材料的緩沖性能越好。不同孔隙率材料的緩沖系數(shù)與靜應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，隨著孔隙率增大，試樣的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線向左下方移動?？紫堵试酱?，材料的最小緩沖系數(shù)越小，緩沖效果越好。這是因為在受到相同的應(yīng)力作用時，孔隙率越大，材料產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，單位體積變形能越大，緩沖效果越好。

圖2 不同孔隙率試樣的緩沖系數(shù)與應(yīng)力曲線Fig.2 Cushioning coefficient and stress curve of specimens with different porosity

2.3 孔隙率與材料平均回彈率的關(guān)系

圖3為不同孔隙率試樣的4次壓縮回彈厚度曲線。由圖3可知，隨著壓縮次數(shù)增加，試樣的回彈厚度不斷變小。這是因為試樣受壓縮時，泡孔通過結(jié)構(gòu)變形來吸收外界能量。不同孔隙率的材料，其多次壓縮回彈厚度下降的趨勢相同，而下降的速率略有不同。其中，試樣P1和P3的回彈厚度曲線下降趨勢明顯變緩，其在第3次和第4次壓縮后，回彈厚度基本不變。這說明隨著壓縮次數(shù)增加，材料的厚度減少率降低，這是由于壓縮后材料泡孔孔隙逐漸緊密，而材料自身的間隙對材料性能的影響逐漸明顯，使植物纖維材料表現(xiàn)出較好的回彈性。

圖3 不同孔隙率試樣的4次壓縮回彈厚度曲線Fig.3 Rebound thickness curve of 4 times compression of specimens with different porosity

圖4為不同孔隙率試樣的平均回彈率曲線。由圖4可知，試樣4次壓縮平均回彈率隨著孔隙率增加呈先增后減的趨勢。其中，試樣P3的平均回彈率最高，具備較好的多次壓縮回彈性能，而試樣P1的平均回彈率最低，多次壓縮回彈能力最差。這可能是因為孔隙率越小，材料越容易被壓實，平均回彈率越低，但孔隙率過大，材料在多次壓縮時泡孔結(jié)構(gòu)容易被破壞，平均回彈率也較低。

圖4 不同孔隙率試樣4次壓縮的平均回彈率曲線Fig.4 Average rebound rate curve of 4 times compression of specimens with different porosity

2.4 孔隙率與材料單位體積變形能曲線的關(guān)系

孔隙率不同的發(fā)泡材料單位體積變形能有所不同，如圖5所示。孔隙率越大，材料在發(fā)生相同應(yīng)變時單位體積變形能越小，這是因為單位體積變形能曲線是應(yīng)力與應(yīng)變量的函數(shù)關(guān)系，在相同的應(yīng)變條件下，孔隙率越大，材料對應(yīng)的應(yīng)力值越小，單位體積變形能越小。同時，為了抵消相同外力作用的能量，孔隙率越大，材料所需發(fā)生的形變量大，越容易被壓實。

圖5 不同孔隙率試樣的單位體積變形能曲線Fig.5 Deformation energy per unit volume curve of specimens with different porosity

2.5 孔徑大小及分布與材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系

圖6為孔隙率相近的3個試樣在不同孔徑區(qū)間內(nèi)的泡孔數(shù)量百分比分布圖，圖7為孔隙率相近的3個試樣在不同孔徑區(qū)間內(nèi)的泡孔面積百分比分布圖，二者均可反映試樣孔徑大小及分布情況。由圖6可知，3個試樣各孔徑區(qū)間內(nèi)的泡孔數(shù)量分布情況相似，即孔徑小于0.5 mm的泡孔數(shù)量百分比最大； 在0.5～3 mm之間的泡孔數(shù)量百分比次之； 在3～6 mm之間以及6 mm以上的泡孔數(shù)量百分比最小。由圖7可知，3個試樣泡孔面積百分比趨勢相差較大，其中3個試樣孔徑小于0.5 mm的泡孔面積百分比均較?。?各試樣孔徑在0.5～3 mm及3～6 mm之間的泡孔面積百分比相近，即試樣S1均約為40%，S2均為30%左右，S3均接近45%； 孔徑在6 mm以上的泡孔面積百分比相差較大，試樣S1為18.12%，S2為40.17%，S3為11.42%。

圖6 試樣在不同孔徑區(qū)間內(nèi)的泡孔數(shù)量百分比Fig.6 Percentage of cell number in the specimens with different pore sizes

圖7 不同試樣在不同孔徑區(qū)間內(nèi)的泡孔面積百分比分布Fig.7 The percentage distribution of the pore area of different specimens in different pore sizes

由圖8可知，試樣S1與S3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近，而S2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較S1和S3低。這可能是由于試樣S1與S3中大泡孔個數(shù)少，所占面積百分比較小，小孔徑泡孔所占比例較大，孔徑分布較均勻，孔徑分布均勻的試樣傾向于整體同時變形，因而變形難度較大，同一應(yīng)變量下應(yīng)力較大； 試樣S2中大泡孔所占面積百分比較大，孔徑分布相對不均，對孔徑分布不均勻的試樣，壓縮時較大的泡孔更容易先于孔徑較小的泡孔發(fā)生塌陷變形，這使S2在同一應(yīng)變量下應(yīng)力較小。因此，大泡孔所占面積百分比越大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線越接近X軸，其同一應(yīng)變量下對應(yīng)的應(yīng)力越小。

圖8 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curve of specimens

2.6 孔徑大小及分布與材料緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線的關(guān)系

由圖9可知，試樣S2的最小緩沖系數(shù)最小，S1與S3的最小緩沖系數(shù)相近，這可能是由于試樣S1與S3中大泡孔個數(shù)少，所占面積百分比較小，孔徑分布較均勻； 而試樣S2中大泡孔所占面積百分比較大，在壓縮過程中大泡孔形變量相對較大，導(dǎo)致材料最小緩沖系數(shù)較小。即大泡孔所占面積百分比越大，材料的最小緩沖系數(shù)越小，表現(xiàn)出的緩沖效率越高。

圖9 試樣的緩沖系數(shù)與應(yīng)力曲線Fig.9 The cushioning coefficient and static stress curve of specimens

2.7 孔徑大小及分布與材料回彈率的關(guān)系

由圖10可知，試樣S1與S3的回彈率相近，均大于S2。這可能是由于試樣S1與S3中大泡孔個數(shù)少，所占面積百分比較小，小孔徑泡孔所占比例較大，孔徑分布較均勻，孔徑分布均勻的試樣在壓縮過程中傾向于整體同時變形，因而平均回彈率較高； 而試樣S2中大泡孔所占面積百分比較大，孔徑分布相對不均，對孔徑分布不均勻的試樣，壓縮時較大的泡孔更容易先于孔徑較小的泡孔發(fā)生塌陷變形，材料被壓實使得平均回彈率較低。因此，大泡孔所占面積百分比越小，即孔徑分布越均勻，材料的平均回彈率越高。

圖10 試樣的回彈率曲線Fig.10 Rebound rate comparison of specimens

2.8 孔徑大小及分布與材料單位體積變形能曲線的關(guān)系

由圖11可知，試樣S1與S3的單位體積變形能曲線接近，而S2的單位體積變形能曲線較S1和S3低。這可能是由于試樣S1與S3中大泡孔個數(shù)少，所占面積百分比較小，小孔徑泡孔所占比例較大，孔徑分布較均勻，孔徑分布均勻的試樣在壓縮過程中傾向于整體同時變形，在相同應(yīng)變條件下所承受的應(yīng)力值較大，因此單位體積變形能較大； 而試樣S2中大泡孔所占面積百分比較大，孔徑分布相對不均，對孔徑分布不均勻的試樣，其大泡孔更容易被壓實，因此單位體積變形能較小。綜上，大泡孔所占面積百分比越小，即孔徑分布越均勻，材料單位體積變形能越大。

圖11 試樣的單位體積變形能曲線Fig.11 Deformation energy per unit volume curve of specimens

3 討論

纖維多孔緩沖包裝材料的發(fā)泡機(jī)制一直是研究者重點關(guān)注的問題。借助適當(dāng)?shù)呐菘讌?shù)表征手段，對纖維多孔緩沖包裝材料微觀泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行表征，探究材料泡孔參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系，對制備出性能優(yōu)良的纖維多孔緩沖包裝材料具有重要意義，同時可為進(jìn)一步研究和揭示材料的發(fā)泡機(jī)制提供參考依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者在材料力學(xué)性能方面主要圍繞材料本身的組分、發(fā)泡方法及制備工藝等展開研究，但是在微觀泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料力學(xué)性能關(guān)系方面的研究則相對較少(羅瑜瑩等， 2016)。本研究以不同泡孔結(jié)構(gòu)的多孔材料為研究對象，探究泡孔參數(shù)與材料力學(xué)性能的關(guān)系，由于已有相關(guān)研究較少，不免缺乏參考與理論支撐，因此后續(xù)還需要進(jìn)一步深入探究。此外，本研究所制備的纖維多孔緩沖包裝材料的密度范圍為0.151～0.233 g·cm-3，孔隙率范圍為29%～49%，豐富的孔隙使材料可以有效緩沖外界帶來的沖擊，對產(chǎn)品進(jìn)行有效保護(hù)。其中，纖維多孔緩沖包裝材料的最小緩沖系數(shù)為4.2，與發(fā)泡聚苯乙烯等緩沖材料的最小緩沖系數(shù)相近，均表現(xiàn)出較高的緩沖效率，但本文所研究的材料大多為開孔結(jié)構(gòu)且泡孔不均勻，形狀不規(guī)則，而發(fā)泡聚苯乙烯等緩沖材料多為閉孔結(jié)構(gòu)且泡孔均勻，形狀較規(guī)則，因此纖維多孔緩沖包裝材料的泡孔結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化，材料的力學(xué)性能也會隨之提高，這也將是今后的研究重點。

4 結(jié)論

1) 孔隙率與材料力學(xué)性能的關(guān)系為： 孔隙率越大，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線越平緩，最小緩沖系數(shù)越小，單位體積變形能越小，隨著孔隙率的增大，材料的平均回彈率先增加后降低。

2) 孔徑大小及分布與材料力學(xué)性能的關(guān)系為： 大泡孔所占面積百分比越大，材料同一應(yīng)變條件下對應(yīng)的應(yīng)力值越小，最小緩沖系數(shù)越??； 大泡孔所占面積百分比越小，即孔徑分布越均勻，材料的平均回彈率越高，單位體積變形能越大。

戴宏民，戴佩燕. 2011. 中國綠色包裝的成就、問題及對策(上).包裝學(xué)報, 3(1)： 1-6.

(Dai H M, Dai P Y. 2011. Achievements, problems and countermeasures of Chinese green package (part one). Packaging Journal, 3(1)： 1-6. [in Chinese])

侯樹亭. 2006. 中國EPS泡沫塑料回收利用狀況及技術(shù)進(jìn)展.塑膠工業(yè), (5)： 25-27．

(Hou S T. 2006. Status and technical progress of recovery and utilization of EPS foam plastics in China. Plastic Industry, (5)： 25-27. [in Chinese])

計宏偉,郭 鑫,郭玉花,等. 2015. 甘蔗渣緩沖材料的制備及性能.功能材料, 46(19)： 19101-19105.

(Ji H W, Guo X, Guo Y H,etal. 2015. Preparation and properties of bagasse cushioning material. Functional Materials, 46(19)： 19101-19105. [in Chinese])

李 琛. 2013. 木質(zhì)剩余物纖維多孔型材料制備及緩沖特性研究.哈爾濱： 東北林業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.

(Li C. 2013. Research on preparation and cushioning properties of wood residues fiber porous material. Harbin： PhD thesis of Northeast Forestry University. [in Chinese])

李 剛,李方義,管凱凱,等. 2013. 生物質(zhì)緩沖包裝材料制備及性能試驗研究.功能材料, 44(13)： 1969-1973.

(Li G, Li F Y, Guan K K,etal. 2013. Experimental study on preparation and properties of biomass cushion packaging materials. Functional Materials, 44(13)： 1969-1971. [in Chinese])

羅瑜瑩,肖生苓,李 琛,等. 2016. 植物纖維多孔緩沖包裝材料的研究現(xiàn)狀與展望. 包裝工程, 37(7)： 17-22.

(Luo Y Y, Xiao S L, Li C,etal. 2016. Status and trends of research on plant fiber porous cushioning packaging material. Packaging Engineering, 37(7)： 17-22. [in Chinese])

佘彬鶯. 2007.網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)植物纖維緩沖材料特性的研究.福州： 福建農(nóng)林大學(xué)碩士學(xué)位論文.

(She B Y. 2007. Study on properties of cushioning material made plant fiber with network structure. Fuzhou： MS thesis of Fujian Agricultural and Forestry University. [in Chinese])

唐愛民,劉 遠(yuǎn),趙 姍. 2015.納米纖維素/陽離子聚合物復(fù)合三維組織工程支架的性能. 材料研究學(xué)報, 29(1)： 1-9.

(Tang A M, Liu Y, Zhao S. 2015. Performance of 3D tissue engineering scaffolds of nano cellulose/high cationic polymers composite. Chinese Journal of Materials Research, 29(1)： 1-9. [in Chinese])

王克奇,馬曉明,白雪冰. 2013. 基于分形理論和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的木材表面缺陷識別的圖像處理. 森林工程, 29(2)： 48-50.

(Wang K Q, Ma X M, Bai X B. 2013. Image processing of wood surface defect identification using fractal theory and mathematical morphology. Forest Engineering, 29(2)： 48-50. [in Chinese])

王麗艷,戚大偉. 2014. 基于模糊聚類分析的木材缺陷CT圖像分割. 森林工程, 29(3)： 59-62.

(Wang L Y, Qi D W. 2014. Wood defect CT image segmentation based on fuzzy cluster analysis. Forest Engineering, 29(3)： 59-62. [in Chinese])

王 瑜,張 萍,高 德,等. 2012. 植物纖維含量對聚乳酸玉米秸稈纖維發(fā)泡材料(PFFM)性能的影響研究.化工新型材料, 40(6)： 79-81.

(Wang Y, Zhang P, Gao D,etal. 2012. Effects of fiber content on the properties of PLA/corn straw fiber composite foamed material. New Chemical Materials, 40(6)： 79-81. [in Chinese])

謝永華. 2013. 數(shù)字圖像處理技術(shù)在木材表面缺陷檢測中的應(yīng)用研究. 哈爾濱： 東北林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.

(Xie Y H. 2013. The application and research of digital image processing on wood surface texture inspection. Harbin： MS thesis of Northeast Forestry University. [in Chinese])

徐淑艷,謝元仲,孟令馨. 2016. 生物質(zhì)基復(fù)合材料在食品包裝中的應(yīng)用. 森林工程,32(3)： 85-89.

(Xu S Y, Xie Y Z, Meng L X. 2016. Application of biomass-based composite materials in food packaging. Forest Engineering,32(3)： 85-89. [in Chinese])

徐曉靜. 2007. 基于綠色物流的綠色包裝研究. 北京： 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.

(Xu X J. 2007. Study of green package based on green logistics. Beijing： MS thesis of Beijing Jiaotong University. [in Chinese])

庾 晉,周 潔,白 木. 2002. 綠色包裝： 人類永恒的追求.包裝與食品機(jī)械, 20(2)： 32-35.

(Yu J, Zhou J, Bai M. 2002. Green package pursued by human being forever. Packaging and Food Machinery, 20(2)： 32-35. [in Chinese])

曾 光. 2012.基于綠色物流的環(huán)保型竹質(zhì)蜂窩板托盤研究. 長沙： 中南林業(yè)科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.

(Zeng G. 2012. The research on environmental friendly bamboo of honeycomb pallet based on green logistics. Changsha： MS thesis of Central South University of Forestry and Technology. [in Chinese])

曾廣勝,林瑞珍,鄭良杰,等. 2013.不同發(fā)泡劑制備廢紙漿增強(qiáng)淀粉基復(fù)合發(fā)泡材料性能的對比.功能材料,44(1)： 51-54.

(Zeng G S, Lin R Z, Zheng L J,etal. 2013. Comparation with performance of waste paper pulp reinforced starch-based foams with different foamer. Functional Materials, 44(1)： 51-54. [in Chinese])

朱 琦. 2012. 微細(xì)化纖維復(fù)合淀粉制備發(fā)泡緩沖材料的研究. 南寧： 廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文.

(Zhu Q. 2012. Study on the preparation of foam cushioning material by micronized fiber and starch. Nanning： MS thesis of Guangxi University. [in Chinese])

Stein A, Wang Z Y, Fierke M A. 2009. Functionalization of porous carbon materials with designed pore architecture. Advanced Materials, 21(3): 265-293.

Vinua A, Moria T, Ariga K. 2006. New families of mesoporous materials. Science and Technology of Advanced Materials, 7(8)： 753-771.

(責(zé)任編輯 石紅青)

Relationships between Bubble Parameters and Mechanical Properties of Fiber Porous Cushioning Packaging Material

Luo Yuying Xiao Shengling Li Chen Chen Yanna

(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University Harbin 150040)

【Objective】 The purpose of this paper was to explore the relationships between the bubble parameters(porosity, pore size and distribution) and mechanical properties of fiber porous cushioning packaging materials though appropriate characterizing methods of bubble parameters. This study provided theoretical basis for the preparation of fiber porous cushioning packaging materials with excellent performance, and a reference for further study on the foaming mechanism of the materials. Moreover,it would promote the development of green cushion packaging material.【Method】Wood powder and waste corrugated paper pulp were used as main materials, while adding auxiliary materials such as foaming agent. Foamed materials with different pore structures were prepared through hot press molding method. Then the micro image of materials was analyzed by the image processing software called Image Pro Plus 6.0, the bubble parameters of different materials such as porosity, pore size and distribution were obtained. Through the static compression test and the four compression rebound test, the stress-strain curves, the buffer coefficient stress curve, the average rebound rate curve of the 4 times and the deformation energy per unit volume were obtained. Then, the relationships between the structural parameters and mechanical properties of porous materials were discussed.【Result】Different parameters (porosity, pore size and distribution) showed different relationships with the mechanical properties of the material. The relationships between porosity and mechanical properties of materials were as follows: The higher the porosity, the gentler the stress-strain curve, the lower the minimum buffer coefficient and the less the deformation energy per unit volume were observed. With the increase of porosity, the average rebound rate of the material exhibited increased first and then decreased trend. The relationships between pore size and distribution and the mechanical properties of the material were as follows: The larger the percentage of big hole area, the smaller the stress value of the material under the same strain and the minimum buffer coefficient were obtained. The smaller the percentage of big hole area, that was, the more uniform the pore size distribution was more uniform, the higher the average rebound rate, the bigger the deformation energy per unit volume were achieved.【Conclusion】 Through appropriate characterizing, experimental and statistical methods, different parameters (porosity, pore size and distribution) of fiber porous cushioning packaging material were characterized. The relationships between mechanical properties and pore parameters of different pore structure materials were obtained. These findings had important implications for the in-depth study on micro-structure of fiber porous cushioning packaging material, optimizing the pore morphology and uniformity, and even following production and preparation.

cushioning package; fiber; bubble parameters; mechanical property; computer image analysis

10.11707/j.1001-7488.20170514

2016-01-21；

2016-04-27。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(2572016AB25)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(2572014CB09)； 國家林業(yè)公益行業(yè)科研專項(201304506)。

TB485.1

A

1001-7488(2017)05-0116-09

*肖生苓為通訊作者。