一種新型纖維素基包裝材料的研制與應(yīng)用設(shè)計(jì)

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.019

摘 要：針對(duì)生物可降解包裝材料的高成本、性能低等問(wèn)題，制備一種以黃麻纖維、粘膠纖維和聚乳酸玉米纖維為主要原料的的纖維素基包裝材料，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行探究。結(jié)果表明，熱壓處理有利于增強(qiáng)纖維抱合性，從而增加材料的穩(wěn)定性；黃麻/粘膠/玉米纖維最佳配比方案為50∶35∶15，此時(shí)，制備的復(fù)合包裝材料的縱向斷裂強(qiáng)力為212.35 N，橫向斷裂強(qiáng)力為126.78 N，縱向撕破強(qiáng)力為29.26 N，橫向撕破強(qiáng)力為13.06 N，頂破強(qiáng)力為77.61 N。試驗(yàn)制備的黃麻/粘膠/玉米纖維素基包裝材料不僅成本低、綠色環(huán)保，還具備較好的力學(xué)性能，能作為一種生物可降解包裝材料應(yīng)用于實(shí)際生活中。

關(guān)鍵詞：可降解；聚乳酸玉米纖維；熱壓處理；纖維素；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ340.79" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0069-04

Development and application design of a new type of cellulose-based packaging material

YUE Huajuan1，WANG Huan2

（1.School ofXianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi China;

2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi "China）

Abstract：In view of the high cost and low performance of biodegradable packaging materials，a cellulosic packaging material with jute fiber，viscose fiber and polylactic acid corn fiber as the main raw materials was prepared，and its mechanical properties were investigated.The test results showed that the hot pressing treatment was beneficial to enhance the fiber cohesion，thus increasing the stability of the material.The optimum ratio of jute/viscose/corn fiber was 50∶35∶15.At this time，the longitudinal breaking strength of the prepared composite packaging material is 212.35 N，the transverse breaking strength was 126.78 N，the longitudinal breaking strength of the material was 29.26 N，the transverse breaking strength was 13.06 N，and the bursting strength was 77.61 N.Therefore，the jute/viscose/corn cellulosic packaging material prepared in this experiment was not only low cost，green and environmental protection，but also had good mechanical properties，and can be used in practical life as a biodegradable packaging material.

Key words：biodegradable;polylactic acid corn fiber;hot pressing treatment;cellulose;mechanical property

面對(duì)傳統(tǒng)的石油基塑料包裝材料產(chǎn)生的環(huán)境污染等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出新型的可降解綠色包裝材料成為現(xiàn)代科學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)^[1-2]。對(duì)此，如制備了一種聚羥基烷酸酯（PHA）可降解包裝材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究^[3]。通過(guò)滑石粉（Talc）物理改性聚乳酸材料（PLA），以制備高性能的聚乳酸材料^[4]。而用硅烷偶聯(lián)劑KH560對(duì)稻殼灰（RHA）和聚乳酸材料進(jìn)行表面改性處理，制備了一種生物可降解復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究^[5]。以上學(xué)者的研究為生物可降解包裝材料的發(fā)展提供了參考，但在力學(xué)性能和耐久性等方面還有優(yōu)化空間。為制備一種綠色環(huán)保、成本低、性能高的可降解包裝材料，同時(shí)考慮到黃麻纖維成本低、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，粘膠纖維和玉米纖維柔順性較好的優(yōu)點(diǎn)，為此，試驗(yàn)以黃麻纖維、粘膠纖維和聚乳酸玉米纖維為主要原料，制備了一種新型纖維基包裝材料，并對(duì)其性能進(jìn)行探討。

1"試驗(yàn)部分

1.1"材料與設(shè)備

主要材料：黃麻纖維（AR），正亞高分子材料；聚乳酸玉米纖維（6D×51 mm，AR），日鑫生態(tài)紡織；粘膠纖維（2D×50 mm，AR），雅順絨毛。

主要設(shè)備：FB360型小型梳理打樣機(jī)（海利佳紡織機(jī)械）；QEZC-4500型針刺機(jī)（前鋒紡織機(jī)械）；CREE-6014F-30型抽真空平板硫化機(jī)（東莞科銳儀器）；

YG141型數(shù)字式織物厚度儀（三豐精密量?jī)x）；YG026HS型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)（杭州德為儀器）；FA型電子天平（常州市幸運(yùn)電子設(shè)備）；KYKY-EM8000F型掃描電子顯微鏡（中科科儀）。

1.2"試驗(yàn)方法

1.2.1"原料配比方案

本試驗(yàn)以3種纖維為主要材料，分別是黃麻纖維、粘膠纖維和聚乳酸玉米纖維?？紤]到原料成本、可加工性、力學(xué)性能等因素，在克重大約120 g/m²，聚乳酸玉米纖維比例固定或黃麻纖維比例固定的情況下，設(shè)定以下配比方案，如表1所示^[6-7]。

1.2.2"黃麻/粘膠/玉米纖維素基包裝材料的制備

（1）根據(jù)表1中確定的原料配比方案，用BSA224S型電子天平稱取一定質(zhì)量的黃麻纖維、粘膠纖維和玉米纖維，再手動(dòng)將3種纖維原料混合均勻，并做初步的開(kāi)松處理;

（2）將已經(jīng)開(kāi)松、混合的原料投入FB360型小型梳理打樣機(jī)，進(jìn)行2～3次梳理，獲得均勻的纖維網(wǎng);

（3）將步驟（2）中梳理后的纖維網(wǎng)，用QEZC-4500型針刺機(jī)進(jìn)行針刺預(yù)加固處理，其中，針刺密度、深度和道數(shù)分別為220刺/cm²、13.50 mm和1道;

（4）將針刺機(jī)預(yù)加固處理后的材料轉(zhuǎn)移到XH-406CEW型抽真空平板硫化機(jī)上，在溫度為160 ℃、壓強(qiáng)為5 MPa的條件下，進(jìn)行熱粘合處理，處理時(shí)間為60 s。最后獲得熱壓成型的黃麻/粘膠/玉米纖維素基包裝材料。

1.3"性能測(cè)試

拉伸性能測(cè)試：通過(guò)電子織物強(qiáng)力機(jī)，對(duì)不同混合比的試件進(jìn)行樣品斷裂強(qiáng)力測(cè)試，并分析其斷裂伸長(zhǎng)率^[8-9]。

撕破強(qiáng)力測(cè)試：通過(guò)電子織物強(qiáng)力機(jī)，并采用梯形法，對(duì)不同混合比的試件進(jìn)行樣品撕破強(qiáng)力測(cè)試^[10-11]。

頂破強(qiáng)力測(cè)試：通過(guò)電子織物強(qiáng)力機(jī)，對(duì)不同混合比的試件進(jìn)行頂破強(qiáng)力測(cè)試^[12]。

2"結(jié)果與分析

2.1"拉伸性能分析

2.1.1"玉米纖維比例固定時(shí)材料的拉伸性能

在保持玉米纖維比例為15%不變情況下，探究黃麻/粘膠/玉米纖維原料的不同混合比對(duì)材料拉伸性能的影響，配比方案如表1中A、B、C、D組所示，分別為70∶15∶15、60∶25∶15、50∶35∶15、40∶45∶15。圖1為玉米纖維比例固定時(shí)，試件的拉伸性能測(cè)試結(jié)果。

由圖1可知，粘膠纖維的含量與材料的斷裂伸長(zhǎng)率呈正相關(guān)關(guān)系，其中，在黃麻纖維比例低于50%之后，材料的縱向斷裂伸長(zhǎng)率上升幅度加大。當(dāng)混合比為50∶35∶15時(shí)，材料縱向斷裂伸長(zhǎng)率為2.40%；當(dāng)混合比為40∶45∶15時(shí)，材料縱向斷裂拉長(zhǎng)率為5.43%。主要原因是粘膠纖維的柔軟性較好，纖維抱合性強(qiáng)，當(dāng)粘膠纖維的比例上升時(shí)，材料的拉伸性能較好^[13-15]。但考慮到黃麻纖維的高強(qiáng)度、可降解性和成本低等特點(diǎn)，選擇黃麻纖維比例為50～60%比較適宜。

2.1.2"黃麻纖維比例固定時(shí)材料的拉伸性能

在保持黃麻纖維比例固定的情況下，探究黃麻/粘膠/玉米纖維原料的不同混合比對(duì)材料拉伸性能的影響，配比方案如表1中B、C、E、F組所示，分別為60∶25∶15、50∶35∶15、60∶30∶10、50∶40∶10;圖2和圖3為黃麻纖維比例固定時(shí)，試件的拉伸性能測(cè)試結(jié)果。

由圖2、圖3可知，保持原料中黃麻纖維的比例固定不變時(shí)，隨著粘膠纖維比例增加和玉米纖維比例減少，材料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而材料的縱向、橫向斷裂伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這表明，當(dāng)黃麻纖維比例固定時(shí)，玉米纖維的含量對(duì)材料的拉伸性能的影響較大。因此，選擇合適的玉米纖維比例為15%。

2.2"撕破強(qiáng)力分析

根據(jù)撕破強(qiáng)力測(cè)試方法，探究試驗(yàn)所制備的包裝材料在使用過(guò)程中抵抗撕破的能力，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可知，當(dāng)原料中玉米纖維的比例固定時(shí)，隨著粘膠纖維比例的增加，材料的縱向、橫向撕破強(qiáng)力均不斷增加，其中，縱向撕破強(qiáng)力上升幅度較為明顯，而橫向撕破強(qiáng)力上升幅度較為平緩。當(dāng)黃麻纖維的比例小于50%時(shí)，材料的縱向撕破強(qiáng)力出現(xiàn)較大程度的上升；當(dāng)原料比例為50∶35∶15時(shí)，材料的縱向撕破強(qiáng)力為29.26 N，橫向撕破強(qiáng)力為13.06 N。因此，在制備包裝材料過(guò)程中，選擇黃麻纖維比例為50%～60%比較適宜。

由圖5可知，在黃麻纖維比例固定時(shí)，隨著原料中玉米纖維含量的減少，包裝材料的縱向、橫向撕破強(qiáng)力明顯下降。因此，在制備包裝材料過(guò)程中，選擇合適的玉米纖維比例為15%。

2.3"頂破強(qiáng)力分析

根據(jù)頂破強(qiáng)力測(cè)試方法對(duì)表1中的不同混合比試樣進(jìn)行頂破強(qiáng)力測(cè)試，探究試驗(yàn)所制備的包裝材料在使用過(guò)程中遇到尖銳物體時(shí)的抵抗頂破的能力，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6可知，當(dāng)玉米纖維比例固定時(shí)，隨著粘膠纖維比例不斷增加，材料的頂破強(qiáng)力逐漸增強(qiáng)，當(dāng)粘膠纖維比例增加到35%時(shí)，材料的頂破強(qiáng)力上升幅度明顯增大，為77.61 N。這說(shuō)明適當(dāng)增加粘膠纖維的含量，可以增加材料的頂破強(qiáng)力^[16-19]。因此，制備包裝材料的過(guò)程中，黃麻纖維的適宜比例為50%～60%，粘膠纖維的適宜比例為25%～35%。

由圖7可知，當(dāng)原料中的黃麻纖維比例固定時(shí)，隨著原料中粘膠纖維的增加和玉米纖維的減少，材料的頂破強(qiáng)力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)黃麻纖維的比例為60%時(shí)，隨著玉米纖維含量降低，材料的頂破強(qiáng)力開(kāi)始出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)；當(dāng)黃麻纖維的比例為50%時(shí)，隨著玉米纖維含量降低，材料的頂破強(qiáng)力下降幅度減小。這表明了包裝材料中黃麻纖維的比例在50%最為適宜。

2.4"購(gòu)物袋設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)制備的黃麻/粘膠/玉米纖維素基包裝材料，可以用于制備手提式購(gòu)物袋，具有方便、可折疊、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)和實(shí)物效果如圖 8 所示。

3"結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)材料中的玉米纖維比例一定時(shí)，隨著主體纖維（黃麻/粘膠）中粘膠纖維比例的增加，材料的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力均不斷增加;

（2）當(dāng)材料中的黃麻纖維比例一定時(shí)，隨著主體纖維（粘膠/玉米）中玉米纖維的減少，材料的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力均下降明顯;

（3）制備的黃麻/粘膠/玉米纖維素基包裝材料中，當(dāng)黃麻/粘膠/玉米纖維比例為50∶35∶15時(shí)最為適宜。此時(shí)，材料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)力分別為212.35、126.78 N 。材料的縱向、橫向撕破強(qiáng)力分別為29.26、13.06 N；材料的頂破強(qiáng)力為77.61 N。

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收稿日期：2023-09-09；修回日期：2023-12-05

作者簡(jiǎn)介：岳花娟（1979-），女，副教授，研究方向：造型材料、藝術(shù)視覺(jué);E-mail：yhj165319697@163.com。

通訊作者：王"歡（1982-），女，碩士，教授，研究方向：吸附分離材料;E-mail：wh561364539@163.com。

基金項(xiàng)目：2023年度省陜西省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究專項(xiàng)青年項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022HZ1845）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021JQ-815）；咸陽(yáng)師范學(xué)院2017“青藍(lán)人才”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XSYQL201705）。

引文格式：岳花娟，王"歡.一種新型纖維素基包裝材料的研制與應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].粘接，2024，51（2）：69-72.