不同種類發(fā)泡劑對植物纖維多孔材料泡孔結(jié)構(gòu)及緩沖性能的影響

王 哲，楊洪秀，李 琛，高 珊

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

塑料泡沫因具備緩沖性能優(yōu)良、隔熱性能好、成本低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于日常生活中，但大部分泡沫塑料廢棄物難以降解，焚燒過程可能排放有毒的化學(xué)物質(zhì)，對資源、環(huán)境及人類健康造成危害[1]。天然纖維作為一種環(huán)境友好型材料具有來源廣泛、可再生及可生物降解等優(yōu)點[2]。以天然纖維為主要原料制備植物纖維多孔材料，可以代替石油基泡沫塑料，在包裝領(lǐng)域可用作緩沖襯墊、內(nèi)裝填充顆粒物及包裝托盤等[3-4]。植物纖維多孔材料與傳統(tǒng)泡沫塑料的發(fā)泡機理相似，但其泡孔結(jié)構(gòu)并不相同，不同的成型工藝及添加助劑對泡孔結(jié)構(gòu)都有影響，同時，泡孔結(jié)構(gòu)對材料整體性能起著至關(guān)重要的作用[5-6]。

國內(nèi)外對植物纖維多孔材料的組分最優(yōu)配比及加工工藝等開展了廣泛的研究[7]，但對不同種類發(fā)泡劑制備植物纖維多孔材料性能及泡孔結(jié)構(gòu)的研究較少[8-9]，制備多孔材料通常采用NH4HCO3、NaHCO3、AC 等熱分解型的化學(xué)發(fā)泡劑[10]，其特點為安全、環(huán)保、無毒，由于AC 分解溫度較高，通常采用AC/NaHCO3作為復(fù)配發(fā)泡劑。本研究分別以NH4HCO3、NaHCO3及復(fù)配AC/NaHCO3為發(fā)泡劑，添加ZnO 為發(fā)泡助劑，以漂白針葉木漿為原料制備植物纖維多孔材料，研究不同種類發(fā)泡劑及復(fù)配發(fā)泡劑的不同復(fù)配比例對泡孔結(jié)構(gòu)、孔隙率、壓縮性能的影響，為進一步優(yōu)化植物纖維多孔材料的泡孔結(jié)構(gòu)及提升應(yīng)用性能奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器設(shè)備

材料：漂白針葉木漿板，上海凱昌國際貿(mào)易有限公司；預(yù)糊化淀粉（[C6H10O5]n），食品級，德州高峰淀粉有限公司；聚乙烯醇（PVA），上海麥克林生化科技有限公司；碳酸氫鈉（NaHCO3），上海麥克林生化科技有限公司；碳酸氫銨（NH4HCO3），上海麥克林生化科技有限公司；偶氮二甲酰胺（AC），上海麥克林生化科技有限公司；丙三醇（[C3H5(OH)3]），天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司；滑石粉（Mg3(Si4O10)(OH)2），上海麥克林生化科技有限公司；硼砂（Na2B4O7·10H2O），天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；氧化鋅（ZnO），上海麥克林生化科技有限公司。

儀器：ZT500L 打漿機，興平市中通試驗裝備有限公司；ZT16-00 標(biāo)準(zhǔn)纖維解離器，興平市中通試驗裝備有限公司；HH-1 數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海力辰邦西儀器科技有限公司；JJ-1 數(shù)顯精密增力電動攪拌器，金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠；ZT17-00紙漿打漿度儀，興平市中通試驗裝備有限公司；WD700A 微波爐，順德市格蘭仕微波爐電器有限公司；MB23 水分分析儀，奧豪斯儀器有限公司；101-3A 電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；YDN-15 電腦測控壓縮試驗儀，長春市月明小型試驗機有限責(zé)任公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料處理

稱取360 g 絕干質(zhì)量漂白針葉木漿板，加入適量水，常溫下浸泡12 h，打漿，打漿過程中實時測定打漿度，獲得所需打漿度，脫水后得到漂白針葉木漿料，密封備用。

配置10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVA 溶液，采用攪拌器在90 ℃左右的恒溫水浴鍋中攪拌一定時間后冷卻備用。

配置5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硼砂溶液，在恒溫水浴鍋中65 ℃左右溶解，冷卻備用。

表1 為3 種不同發(fā)泡劑的特性分析，通過添加不同種類發(fā)泡劑及復(fù)配發(fā)泡劑不同復(fù)配比例制備出植物纖維多孔材料，原料配比見表2 ～3。

表1 3 種不同發(fā)泡劑的特性分析Table 1 Characteristic analysis of three different foaming agents

表2 不同種類發(fā)泡劑制成材料的配方?Table 2 Formulations of materials made of different foaming agents

表3 復(fù)配發(fā)泡劑不同復(fù)配比例制成材料的配方Table 3 Compound foaming agents with different ratios of materials

1.2.2 試樣制備

1）物料混合

按照絕干質(zhì)量稱取所需漿料用水進行疏解，與稱量好的PVA溶液、甘油、硼砂溶液混合成濕料，攪拌15 min；將預(yù)糊化淀粉、發(fā)泡劑、滑石粉稱量后進行混合攪拌均勻成干料。將干料加入濕料后，攪拌30 min，得到所需糊狀物料。

2）微波發(fā)泡成型

將混合后的物料放入自制模具中，第一階段微波功率為280 W，加熱時間為5 min；第二階段微波功率為700 W，加熱時間為7 min。成型后的試樣置于60 ℃的干燥箱中干燥4 h，得到所需試樣，其成型過程如圖1 所示。

圖1 微波成型工藝發(fā)泡過程Fig. 1 Foaming of the microwave molding process

1.3 性能測試

1.3.1 泡孔參數(shù)的測定

多孔材料中的泡孔根據(jù)泡孔尺寸可分為微觀泡孔和宏觀泡孔，微觀泡孔主要為壓汞法（孔徑D=50 ～5 000 nm）、物理吸附法（孔徑D=2 ～100 nm）結(jié)合表征不同孔徑的泡孔結(jié)構(gòu)[11]，宏觀泡孔（孔徑D＞1 mm）通常采用圖像分析法進行泡孔結(jié)構(gòu)表征[12]。泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括孔隙率、泡孔孔徑以及泡孔分布，由于植物纖維多孔材料泡孔的不均勻性及其孔徑較大，故而采用計算機圖像分析方法[13]。植物纖維多孔發(fā)泡材料以立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，在其縱截面中纖維交織形成層狀分布[14-15]，從試樣的縱截面觀察泡孔結(jié)構(gòu)差異較小，而橫截面能較好地表現(xiàn)其泡孔結(jié)構(gòu)，本試驗選擇采用Image Pro Plus 6.0（IPP）軟件對泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算與分析，將材料面的1/2 處截開，以截面為測量面，試樣截面面積為100 mm×100 mm，實際截面測量尺寸為20 mm×20 mm，統(tǒng)一拍攝20 組照片進行測試分析，以減小誤差。

1）孔隙率

孔隙率是指材料中孔隙所占的體積與材料總體積之比。由于材料的泡孔孔徑及分布程度并不一致，需要在材料截面的不同位置選取圖像，分別測得孔隙率，求出其平均值[16]。利用IPP 軟件計算圖像孔隙所占面積與材料總面積的比值。

式中：θ為單位面積的孔隙率（%）；SP為孔隙總面積（mm2）；SO為圖像截面總面積（mm2）。

2）平均孔徑及分布

IPP 軟件中以測量圖像的質(zhì)心直線長度求得泡孔直徑的平均值，在軟件中可直接導(dǎo)出泡孔直徑及泡孔個數(shù)，為方便觀察分析泡孔孔徑及分布，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出利用Excel 軟件繪制其分布圖。

1.3.2 靜態(tài)壓縮性能測試

根據(jù)包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法（GB/T8168—2008）[17]對試樣進行測試，試樣尺寸為100 mm×100 mm，上壓板以（12±3）mm/min 的移動速度向下壓縮，軟件記錄試樣壓縮過程中的載荷及位移情況，得到植物纖維多孔材料的載荷-位移曲線。為消除材料厚度的影響，將載荷-位移（F-S）曲線換算成應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線，通過計算得到最小緩沖系數(shù)與單位體積變形能，并繪制最小緩沖系數(shù)與應(yīng)力曲線及單位體積變形能與應(yīng)變曲線（以各試樣應(yīng)力為5×104Pa 所對應(yīng)的緩沖系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)客觀評價材料的緩沖性能），計算公式（2）～（5）為：

式中：σ為壓縮應(yīng)力，Pa；F為壓縮載荷，N；A為試樣面積，cm2；ε為壓縮應(yīng)變，%；X為試樣厚度方向變形值，cm；T為試樣厚度，cm；E為單位體積變形能，J/cm3；d為緩沖系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類發(fā)泡劑對發(fā)泡材料的影響

2.1.1 孔隙率及孔徑分布

圖2 為各試樣截面圖像經(jīng)過IPP 分析前后的微觀形貌，分析后可清楚看到泡孔的形態(tài)及大小，由于少量泡孔輪廓線部分重合劃為一個對象，采用分離對象功能進行分隔。圖3 為不同發(fā)泡劑制備的多孔材料不同孔徑區(qū)間內(nèi)的泡孔個數(shù)分布。由圖3 可以看出，S1、S2、S3 試樣泡孔個數(shù)分布情況相似，即孔徑區(qū)間為0 ～0.5 mm 的泡孔個數(shù)較多，在0.5 ～3 mm 之間的泡孔個數(shù)次之，而在3 ～6 mm 及＞6 mm 的泡孔個數(shù)最少。圖4 為植物纖維多孔材料不同孔徑區(qū)間的泡孔面積百分比分布。由圖4 可以看出，3 個試樣在孔徑區(qū)間為0 ～0.5 mm 的泡孔個數(shù)較多，但是泡孔面積占比均較??；S1、S2 在0.5 ～3 mm 區(qū)間的泡孔面積占比相差不大，大部分集中在22%～25%之間；S2 在3 ～6 mm 區(qū)間的泡孔面積占比較少，僅有9.01%；而3 個試樣孔徑大于6 mm 的泡孔個數(shù)較少，但泡孔面積占比較大，其中S3 大泡孔的面積占比最大為11.85%。各試樣的孔隙率及孔隙率的變化趨勢見圖5。由圖5 得出S2 的孔隙率為35.05%，由于S2 采用了NH4HCO3發(fā)泡劑，與AC 發(fā)泡劑相比其發(fā)泡溫度較低，發(fā)泡時水蒸氣得不到充分釋放，泡孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易造成發(fā)泡材料緊密[18]；S3 采用的是NaHCO3發(fā)泡劑，加熱分解時與水蒸氣產(chǎn)生的氣體量較大，形成較大泡孔，其孔隙率為47.35%。分析S3 形成大泡孔的部分原因是材料發(fā)泡過程中產(chǎn)生的完整泡孔結(jié)構(gòu)與小泡孔結(jié)合形成了不規(guī)則形狀的泡孔；而S1 采用AC/NaHCO3復(fù)配發(fā)泡劑，當(dāng)進行微波加熱第一階段時，功率較低使NaHCO3生成的氣體釋放，使?jié){料充滿整個模具，進行第二階段時，AC 發(fā)泡劑受熱分解，氣泡成核形成泡孔，小孔徑泡孔面積占比較大且孔隙率為49.64%。

圖2 3 種不同發(fā)泡劑試樣圖像分析前/后的微觀形貌Fig. 2 Micromorphology of three different foaming agent samples before and after the image analysis

圖3 3 種不同發(fā)泡劑試樣泡孔的個數(shù)分布Fig. 3 Number distribution of bubbles in three different foaming agents

圖4 3 種不同發(fā)泡劑試樣泡孔面積分布Fig. 4 The pore area distribution of three different foaming agents

圖5 3 種不同發(fā)泡劑試樣孔隙率變化Fig. 5 The porosity changes of three different foaming agents

2.1.2 不同種類發(fā)泡劑與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系

根據(jù)靜態(tài)壓縮試驗結(jié)果，得到了不同種類發(fā)泡劑制備的植物纖維多孔材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖6），在材料應(yīng)變量約10%以內(nèi)時，曲線近似呈線性曲線，即多孔材料的彈性變形階段。隨著應(yīng)變量的增加，斜率變大，曲線呈正切型。S2 試樣的曲線明顯高于S1、S3，因此在同一應(yīng)變量下，S2 較S1、S3 所受的應(yīng)力較大。從泡孔結(jié)構(gòu)上分析，S2孔隙率較小，小泡孔個數(shù)較多且面積占比較大，材料剛性相對較大，在壓縮時小泡孔的形變量相對較??；S1 泡孔分布相對均勻且孔隙率較大，壓縮過程呈整體壓縮，所受應(yīng)力較小，當(dāng)受同一應(yīng)力條件下，應(yīng)變量較大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近X軸，這與朱琦[19]的研究結(jié)論相一致；而S3 泡孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，大泡孔個數(shù)較少，但大泡孔面積占比較大，在壓縮時容易形成壓潰現(xiàn)象，造成材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。因此，孔隙率較大的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對平緩，在同一應(yīng)力下容易變形。

圖6 3 種不同發(fā)泡劑試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 6 Stress-strain curves of three different foaming agents

2.1.3 不同種類發(fā)泡劑與緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線的關(guān)系

緩沖系數(shù)是緩沖材料緩沖性能的一個重要指標(biāo)。圖7 為不同種類發(fā)泡劑制備試樣的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線。在圖7 中最上方的曲線為S2，其最小緩沖系數(shù)為6.48，從植物纖維多孔材料截面來分析，發(fā)泡效果不好且有部分纖維團聚現(xiàn)象，從泡孔結(jié)構(gòu)上分析，S2孔隙率較小，纖維間結(jié)合力較大，造成材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，緩沖性能較差；S1 的最小緩沖系數(shù)為4.93，其小泡孔個數(shù)較多且面積占比較大，泡孔分布相對均勻，有利于提高緩沖效率；S3 的最小緩沖系數(shù)為5.16，與S1 比較接近，由于S3 與S1 均有大泡孔存在，對應(yīng)的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線也相近，說明大泡孔的存在可以一定程度上抵消外力作用。因此，在相同應(yīng)力下，孔隙率越大，材料的緩沖系數(shù)越小，緩沖效率越高，這與陳艷娜[20]研究討論的結(jié)果相符合。

圖7 3 種不同發(fā)泡劑試樣緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線Fig. 7 Buffer coefficient-stress curves of three different foaming agents

2.1.4 不同種類發(fā)泡劑與單位體積變形能-應(yīng)變曲線的關(guān)系

能量吸收曲線可以用來表征材料結(jié)構(gòu)與壓縮吸收能量的關(guān)系，利用材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算材料壓縮時所產(chǎn)生的變形能，以說明能量吸收情況[21]。圖8 為不同種類發(fā)泡劑制備的植物纖維多孔材料單位體積變形能與應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖8 可知，在同一應(yīng)變下，S1 的單位體積變形能最小，從泡孔結(jié)構(gòu)分析，由于S1 孔隙率較大，存在少量的大泡孔可能由小泡孔破裂合并形成，且泡孔總數(shù)較多，說明發(fā)泡效果較好，緩沖效率較高，在同一應(yīng)變下受到應(yīng)力較小，因此單位體積變形能較小，可以起到良好的緩沖作用；S2 纖維間相互纏繞，發(fā)泡效果不佳，說明泡孔結(jié)構(gòu)存在較多小泡孔且泡孔總數(shù)較少，因此在相同應(yīng)變下，材料所需應(yīng)力較大，單位體積變形能產(chǎn)生較大；而S3 的泡孔結(jié)構(gòu)中大泡孔面積占比較大，當(dāng)孔隙率相近且都有大泡孔存在時，其壓縮性能相差不大，泡孔在材料中均起到支撐結(jié)構(gòu)的作用，但當(dāng)受到外力作用時，大泡孔比小泡孔更容易變形。因此，孔隙率較大且泡孔分布較均勻的材料，單位體積變形能就越大，吸收能量越多，與國外學(xué)者Lopez-Gil 等[22]研究得出的單位體積吸收能量與應(yīng)力成正比這一結(jié)論符合。

圖8 3 種不同發(fā)泡劑試樣單位體積變形能-應(yīng)變曲線Fig. 8 Deformation energy-strain curves of three different foaming agents

由于NH4HCO3分解溫度為30 ～60 ℃，在微波加熱時進行分解，不利于水蒸氣的釋放，無法有效地包裹住氣體形成泡孔。從材料截面上看出，纖維連接較為緊密，由于小泡孔數(shù)量較多且面積較小，泡孔所占面積與材料總面積之比較小，即孔隙率較小。從壓縮性能分析，得出NH4HCO3試樣緩沖系數(shù)較大，緩沖效率較低，材料的緩沖性能較差。

NaHCO3發(fā)泡劑屬于吸熱型發(fā)泡劑，分解溫度為70 ～100 ℃，受熱分解生成氣體，與水蒸氣一起釋放造成泡孔破裂合并成大泡孔，形成不穩(wěn)定的泡孔結(jié)構(gòu)，大泡孔面積較大也是材料孔隙率相對較大的原因，大泡孔在受外力作用時易變形，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可看出，表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能；但大泡孔能夠抵消一定的外力，消耗外力產(chǎn)生的能量，因此NaHCO3試樣的緩沖性能和緩沖效率優(yōu)于NH4HCO3試樣。

復(fù)配發(fā)泡劑（AC/NaHCO3）屬于一種吸放熱平衡型發(fā)泡劑，NaHCO3使AC 發(fā)泡劑的突發(fā)溫度降低，在150 ℃左右，在微波加熱第一階段時，NaHCO3先受熱分解與水蒸氣釋放部分氣體，在微波加熱第二階段時，AC 發(fā)泡劑受熱分解，產(chǎn)氣量較大，沒有逸出的氣體在漿體內(nèi)部成核，從材料截面上得到，發(fā)泡效果良好，且內(nèi)部泡孔分布相對均勻，其受力時泡孔均起到支撐作用，避免大泡孔處集中受力，因此材料具有良好的力學(xué)性能、緩沖性能和緩沖效率。

2.2 AC/NaHCO3 不同復(fù)配比例對發(fā)泡材料的影響

3 種不同種類的發(fā)泡劑對泡孔結(jié)構(gòu)具有一定的影響，可以實現(xiàn)根據(jù)不同的發(fā)泡劑進行調(diào)控泡孔分布，對于以上3 種發(fā)泡劑，從孔隙率、孔徑分布、壓縮測試上分析得到，AC/NaHCO3復(fù)配發(fā)泡劑制備的植物纖維多孔材料具有良好的力學(xué)性能。NaHCO3作為一種發(fā)泡助劑使發(fā)泡過程平穩(wěn)，發(fā)氣均勻，AC 與NaHCO3的使用配比為1∶1 ～3∶1[16]，因此，進一步研究復(fù)配發(fā)泡劑不同復(fù)配比例對孔隙率、孔徑大小、孔徑分布及壓縮性能的影響。

2.2.1 孔隙率及孔徑分布

圖9 為各試樣圖像分析前后的微觀形貌，可清晰看到S4 具有較大泡孔結(jié)構(gòu)，通過計算得出各試樣的孔徑大小、孔徑分布及孔隙率（圖10 ～12）。由圖10 可以看出，3 種試樣的孔徑在0 ～0.5 mm 區(qū)間的泡孔個數(shù)最多，在0.5 ～3 mm 區(qū)間的泡孔個數(shù)相對減少，而3 ～6 mm 及＞6 mm的泡孔個數(shù)最少。S4、S5、S6 試樣在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)泡孔面積占比分布見圖11。試樣S5 孔徑區(qū)間在0.5 ～3 mm 泡孔個數(shù)較多且面積占比較大，大致在23%左右；而S6 中孔徑為3 ～6 mm 的泡孔個數(shù)較少，但面積占比較大，為29.33%。3 個試樣孔徑在0 ～0.5 mm 區(qū)間的小泡孔個數(shù)最多，但面積占比最小，在1.1%～2.5%之間。由圖11 的截面得出，造成小泡孔形成的原因之一是纖維間連接時產(chǎn)生了較小的間隙，對孔隙率影響較小。試樣S4、S5、S6 的泡孔結(jié)構(gòu)均有大泡孔產(chǎn)生，由圖12 可得試樣S4 復(fù)配發(fā)泡劑中NaHCO3的質(zhì)量占比相對較大，受熱分解時發(fā)氣量較小，產(chǎn)生的泡孔較小且面積占比較大，大泡孔與小泡孔面積占比相差較小，造成泡孔分布不均勻，其孔隙率為44.26%；試樣S5 中大泡孔面積占比較小，大泡孔與小泡孔面積占比相差較大，以小泡孔為主，分布較均勻，孔隙率為49.64%；試樣S6 發(fā)泡劑中AC 質(zhì)量占比相對較大，且屬于放熱型化學(xué)發(fā)泡劑，發(fā)氣量較多，泡孔結(jié)構(gòu)以孔徑為3 ～6 mm 的泡孔為主，泡孔分布相對均勻，孔隙率較大，為51.6%；復(fù)配發(fā)泡劑中AC 質(zhì)量占比相對較大時，所得植物纖維多孔材料的孔隙率較大，泡孔分布相對均勻。

圖9 不同配比的AC/NaHCO3 復(fù)配發(fā)泡劑試樣圖像分析前后的微觀形貌Fig. 9 The morphology of the samples with different proportions of the AC/NaHCO3 compound before and after the image analysis

圖10 不同配比的AC/NaHCO3 復(fù)配發(fā)泡劑試樣泡孔個數(shù)分布Fig. 10 Number distribution of bubbles in samples with different proportions of the AC/NaHCO3 compound

圖11 不同配比的AC/NaHCO3 復(fù)配發(fā)泡劑試樣泡孔面積分布Fig. 11 The pore area distribution of samples with different proportions of the AC/NaHCO3 compound

圖12 不同配比的AC/NaHCO3 復(fù)配發(fā)泡劑試樣孔隙率變化Fig. 12 The porosity changes of samples with different proportions of the AC/NaHCO3 compound

2.2.2 AC/NaHCO3 不同復(fù)配比例與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系

根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算得出AC/NaHCO3不同復(fù)配比例的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖13），可以看出試樣S4、S5、S6 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相近，這是由于3種試樣的發(fā)泡劑都是由AC/NaHCO3復(fù)配而成，復(fù)配比例不同造成泡孔結(jié)構(gòu)差異，對靜態(tài)壓縮性能的影響差異較小。試樣S4 曲線較S5、S6 曲線高，從泡孔結(jié)構(gòu)分析，其孔隙率較小，泡孔分布相對不均，在同一應(yīng)變量下，材料受到較大的應(yīng)力；試樣S5 的泡孔分布情況與S6 相似，S5 中的泡孔結(jié)構(gòu)以0.5 ～3.0 mm 的小泡孔為主，在壓縮過程中發(fā)生的形變量較??；試樣S6 的孔隙率較大，泡孔結(jié)構(gòu)以大泡孔為主，泡孔分布情況較均勻，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對接近X軸，在受到同一應(yīng)力條件下，產(chǎn)生較大的應(yīng)變量。復(fù)配發(fā)泡劑中AC 質(zhì)量占比增大時，所得植物纖維多孔材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加平緩。

圖13 不同配比的AC/NaHCO3 復(fù)配發(fā)泡劑試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 13 Stress-strain curves of samples with different proportions of the AC/NaHCO3 compound

2.2.3 AC/NaHCO3 不同復(fù)配比例與緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線的關(guān)系

由AC/NaHCO3不同復(fù)配比例制備植物纖維多孔材料的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線如圖14 所示。從圖14 中可以看出，孔隙率越大，試樣的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線越向下移動。在圖14 中最下方的曲線為S6，其最小緩沖系數(shù)為5.08，從泡孔結(jié)構(gòu)分析，試樣S6 發(fā)泡效果較好，泡孔總個數(shù)較少，但孔徑為3 ～6 mm 的泡孔面積占比較大，在壓縮過程中起到?jīng)Q定作用，當(dāng)進行壓縮試驗時，受到較小應(yīng)力，緩沖性能較好；S5 試樣泡孔表面光滑且成型良好，其孔隙率較大，小泡孔個數(shù)較多，面積占比較大，單位面積內(nèi)泡孔總數(shù)較多，在受到壓縮時，小泡孔起到良好的支撐作用，最小緩沖系數(shù)為4.93；S4 與S6 在泡孔結(jié)構(gòu)上相似，在緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線趨勢相近，S4 中大泡孔可以抵消大部分外力，但大泡孔與小泡孔面積占比相差較小，泡孔分布相對不均，因此造成S4 緩沖效率較低，緩沖系數(shù)較大（5.80）。

圖14 不同配比的AC/NaHCO3 復(fù)配發(fā)泡劑試樣緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線Fig. 14 Buffer coefficient-stress curves of samples with different proportions of the AC/NaHCO3 compound

2.2.4 AC/NaHCO3 不同復(fù)配比例與單位體積變形能-應(yīng)變曲線的關(guān)系

圖15 為AC/NaHCO3不同復(fù)配比例制備的植物纖維多孔材料單位體積變形能與應(yīng)變關(guān)系曲線。根據(jù)計算單位體積變形能，得出在同一應(yīng)變下，S4 比S5、S6 的單位體積變形能較大，是因為試樣S4 中3 個孔徑區(qū)間的面積占比均在11%～18%之間，泡孔分布相對不均，大泡孔在壓縮時容易變形，因此單位體積變形能較大，吸收能量較多；試樣S6 中大泡孔面積占比較大，泡孔分布較均勻，在受到壓縮時，趨向整體受力變形，在同一應(yīng)變條件下，材料受到的應(yīng)力較小，單位體積變形能較小，吸收能量就越少；試樣S5 泡孔總個數(shù)較多，小泡孔面積占比較大，泡孔分布相對均勻，受到應(yīng)力時其單位體積變形能也較小。

圖15 不同配比的AC/NaHCO3 復(fù)配發(fā)泡劑試樣單變形能-應(yīng)變曲線Fig. 15 Deformation energy-strain curves per unit of samples with different proportions of th位體積 volumee AC/NaHCO3 compound

通過上述分析得出，AC/NaHCO3復(fù)配比例為1∶1 時AC 質(zhì)量占比相對較大，NaHCO3受熱分解生成的氣體推動漿料充滿模具，漿體內(nèi)部保留了大部分氣體，待AC 發(fā)泡劑受熱分解時，造成了大量氣體滯留在漿料內(nèi)部，容易使泡孔開孔破裂，形成大泡孔，在力學(xué)性能上表現(xiàn)較差，緩沖系數(shù)較大，緩沖效率較低。AC/NaHCO3復(fù)配比例為3∶1時，材料的大泡孔面積占比較大，但泡孔分布相對均勻，材料的緩沖性能相對較好；AC/NaHCO3復(fù)配比例為2∶1 時，NaHCO3使AC 突發(fā)溫度最低，分解趨勢平穩(wěn)，發(fā)氣均勻[22]，所得多孔材料發(fā)泡程度適中，小泡孔個數(shù)較多且面積占比較大，大泡孔面積占比較小，泡孔分布均勻，制備的多孔材料緩沖效果良好，緩沖效率最高。

3 結(jié) 論

研究了不同種類發(fā)泡劑及復(fù)配發(fā)泡劑不同配比對植物纖維多孔材料泡孔結(jié)構(gòu)及緩沖性能的影響，應(yīng)用IPP 圖像分析法測定了材料泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與緩沖性能之間的相互關(guān)聯(lián)，研究發(fā)現(xiàn)泡孔結(jié)構(gòu)、泡孔分布均勻性、孔隙率等對材料的緩沖性能具有顯著影響。研究得出3 種發(fā)泡劑中效果最佳的為AC/NaHCO3復(fù)配發(fā)泡劑且最佳復(fù)配比例為2∶1，其制備的植物纖維多孔材料泡孔分布相對均勻，孔隙率為49.64%，最小緩沖系數(shù)為4.93，緩沖效果最佳。成型過程采用微波加熱成型方法，降低了制備過程中的能量損耗。

但是，圖像分析法僅能表征材料表層泡孔參數(shù)，植物纖維發(fā)泡材料內(nèi)部泡孔并非完全均勻分布，因此表征結(jié)果與真實孔隙分布存在一定的誤差。國內(nèi)外關(guān)于植物纖維多孔材料的泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對其力學(xué)性能影響的研究較少，因此對材料泡孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法、內(nèi)部空隙的分析方法以及材料緩沖性能的提升方法等仍需進一步深入研究。