纸浆模塑制品发泡原理及实验方法

  缓冲包装的内衬件，一般均采用泡沫塑料。塑料制品进入日常生活领域曾经给人们带来了不少方便，然而一些塑料制品,特别是EPS造成的白色污染也是触目惊心的，废弃塑料包装物进入环境后，由于很难降解，造成长期的、深层次的生态环境问题：首先，废弃塑料包装物混在土壤中，影响农作物吸收养分和水分，从而导致农作物减产；第二，抛弃在陆地或水体中的废旧塑料包装物，被动物当作食品吞入，导致动物死亡（在动物园、牧区和海洋中，此类情况已屡见不鲜）；第三，混入生活垃圾中的废旧塑料包装物很难处理：填埋处理将会长期占用土地，混有塑料的生活垃圾不适合用堆肥处理，分拣出来的废塑料也因无法保证质量而很难回收利用。

项  目	纸浆模塑制品	EPS发泡制品
环境保护	可*回收，再生利用	材料体积庞大，不会分解，是白色污染源
缓冲性	有一定的缓冲性	有很好的缓冲性
比  重	较大	小
单  价	略高于EPS	便宜
产  量	可连续生产	大量生产
仓  储	堆置空间较小	堆置空间庞大
危险性	不具自燃性	易燃
项  目	纸浆模塑制品	EPS发泡制品
防  震	较好	好
毒  性	燃烧*无毒	有毒
防潮性能	可吸收部分水分	不具防潮性
资源回收	100%资源回收	不可回收
资源再生	可再生
市场前景	受价格制约	面临淘汰
原料来源	再生纸制品、废纸浆	来源无法掌握，单价偏高

　　如何来提高纸浆模塑制品的缓冲性能呢？本课题拟采用纸浆模塑制品发泡技术。但是，在纸浆模塑发泡方面，目前国内外尚无完整的或成熟的可参考的资料和技术，因此，需要通过试验研究，寻找到一种方法，使纸浆模塑能够发泡，进而达到提高它的缓冲性能的目的。

  　　纸浆模塑制品的环保性能已经无可否认，但如何采用发泡技术来提高它的缓冲性能呢？虽然目前市场上尚无理想的纸浆模塑发泡制品，但是国内外的一些研究机构已经取得了一定的成果。

   1. 广东工业大学对纸浆真空成形制品的发泡技术进行了研究，提出了纸制品低温发泡（一般不应超过150℃）的方法。发泡可以在模腔外进行，也可在制品的烘干过程中进行。该大学还对发泡纸托的性能和结构特点进行了初步研究。                                                      
    2. 大连轻工业学院进行了干法纸浆模铸制备轻体包装材料技术的研究。

    3. 南通工学院研究了利用天然植物纤维材料，采用无机发泡剂（以NaHCO3、NH4HCO3为主）和胶粘剂及其他添加剂，通过整体浇注，一步法发泡成型。                                                      
    在EPS替代品方面，一些发达国家也已取得了显著的成绩：                                                      
    1. 德国不莱梅PSP公司采用废旧书报纸和面粉作原料，开发出发泡纸生产工艺。                                                

     2. 日本工业技术研究所开发了用废纸作原料的干式纸浆发泡技术。  

      3. 日本帝人公司开发出了以纸浆做原料的新型环保型发泡材料。该新型发泡材料以天然纸浆为原料，加工成粒状或条状，加热后很容易塑成各种形状[4]。

　　这些资料虽已显示纸浆发泡可以实现，但仍属于实验室研究范围，没有具体的发泡配方与发泡工艺用以借鉴和参考。而且，目前市场上也尚未出现纸浆模塑发泡制品，因此需要查询塑料或食品发泡的相关资料，通过不断的试验，研究出一种能够使纸浆模塑制品发泡的工艺方法。

     通过两种工艺对纸浆进行发泡，即使用化学发泡剂法（碳酸氢钠，碳酸氢铵，尿素等）和不使用化学发泡剂法（水蒸气），由于第二种方法对制作的设备和费用的要求较高，对发泡工艺的控制较难[5]，实验室难以实现，因此，本研究采用*种发泡方法进行试验。分析发泡剂及助剂的作用，确定试验方案。

　　目前，纸浆模塑制造工艺虽已成熟，也有相关资料显示可以通过发泡工艺提高纸浆模塑制品的缓冲性能，但纸浆模塑制品发泡领域仍处于初步探索阶段，目前尚无具体的发泡方法可供查阅，因此，我们需要根据相关的资料，根据已有试验结果的分析和成品性能的测试数据确定纸浆用量，粘合剂用量，干燥温度以及干燥时间等，查阅相关资料提出几个实验方案，做出成品，然后通过大量的试验优化试验配方，得出*实验制订试验方案，通过大量的实验，不断摸索，不断改进，制定出合理的配方，实现制浆模塑制品的发泡。

　　目前，无污染、无公害、可回收利用的“绿色包装”正在*悄然兴起。纸箱、纸袋、纸桶、纸浆模塑制品已成为现代包装工业的重要组成部分，纸制品由于具有质轻、易加工、成本低、废弃物易回收处理等特性，广泛用于运输包装和系统包装。

　　目前,国外纸浆模塑技术在工业包装中应用非常广泛。在美国,纸浆模塑制品用纸基本上是废纸,每年用纸大约为450000吨,从1997年开始每年以40%的速度增长,2000年已经增长到810000吨。从1989年开始,美国约有600家工厂生产纸浆、纸和纸板以及相关制品,其中有200家基本上全是利用废纸作为原料,另外300家在生产过程中50%采用废纸。纸浆模塑包装的巨大需求量,已使它成为回收纸张的第三大消费行业。

　　纸浆模塑发泡制品替代泡沫塑料，将有利于保护环境；有利于资源综合利用；纸浆模塑制品包装适用广泛，现使用泡沫作为内衬的产品基本上都可以用纸浆模塑制品来代替；塑料制品包装食品水分不易挥发，易发霉腐烂，而纸制品有透水透气性能，从而达到防腐效果[6]。 

　　随着我国加入ＷＴＯ 和经济化的发展，对外贸易快速增长，企业将面临新的机遇和挑战，产品包装与市场接轨日显重要。尤其是目前欧盟对中国家用电器的进口配额解冻，欧盟正成为我国家用电器出口的重要市场。但欧盟各国对木质和EPS塑料等包装材料及其包装废弃物都有严格的限制和规定。欧盟1991年颁布的欧盟包装与环境法规明确规定：“在运输包装和销售包装中避免使用聚苯乙烯（PS）泡沫，用纸浆模塑制品代替。”为降低废弃物回收再生费用，避免“绿色”贸易壁垒，保护生态环境，研究、开发、生产、推广及应用蜂窝纸板、纸浆模塑等绿色包装材料已势在必行[7]。

纸浆模塑

1.1 纸浆模塑制品

纸浆模塑制品是用可*回收循环使用的植物纤维浆或废弃纸品作基础材料,采用*的工艺技术制成的一种广泛用于食（药）品盛放,电器包装、种植育苗、医用器皿、工艺品底坯和易碎品衬垫包装等领域的无污染科技型绿色环保制品[8]。

纸浆模塑包装材料是在现代绿色包装工业的大背景下发展壮大的。由于纸浆模塑包装材料具有许多*的功能和优点，因此纸浆模塑包装材料在现代包装工程领域得到迅速推广应用。作为现代包装材料，纸浆模塑包装材料主要具有如下优势。

（1） 纸浆模塑制品来源广泛，商品纸浆、自制浆、纸加工的边料和回收废纸的纸浆均可根据不同的产品要求用作原材料。特别是使用废纸浆可以大大降低包装成本。

（2） 由于作为原材料的纸浆质料轻软，使它具有良好的保护性和缓冲性。

（3） 由于纸浆的透气性，因此纸浆模塑制品具有良好的透气性和吸潮性，同时具有一定的散热去湿作用，有利于食品的保鲜。

纸浆模塑制品还具有产品轻巧，便于运输、贮存，运输成本低的的特点，同时制品可方便的回收利用，重新用作纸浆模塑制品的原料，不会造成公害和二次污染[9]。

1.2 纸浆模塑制品的制造工艺

纸浆模塑的生产过程包括制浆、成型、干燥和整饰四个步骤，其情节生产过程包括以下几点要素。

（1） 制浆:首先是配备原料。原料随着制品要求的不同而有不同：的产品需选用进口的木浆；餐具类制品大量采用一年生草本植物纤维纸浆或漂白化学木浆作为主原料；包装类制品则以废纸（废报纸、废纸箱纸、非白边纸等）在生浆为主原料进行生产，或用一年生草本纤维加一定比例远纸浆作原料进行生产。然后是制备浆料，主要包括将上述原料经水力碎浆机碎解，在进行筛选、除砂净化、磨浆处理，然后加入各种功能性助剂，以适应不同产品用途的不同要求。

（2） 成型:将吸浆成型模具的工作面浸入工作浆中,通过抽真空使在模具的工作面上吸附一层纸浆，然后从工作浆中取出模具,抽干部分水份并脱模,制成纸托的湿毛坯。

（3） 干燥和整饰：先通过庄泳压型机压榨，使纸模成型过程中没有脱出的水分脱除，以减少烘干脱水的成本，同时压榨可以提高纤维间的结合力并增加纸模的强度。烘干是在烧道或烘干箱中借助热力对纸模进行加热、政法以脱除纸模中剩余水分的过程。由于烘干过程热能量消耗较大，成本较高，故应合理设计整个烘干过程[10]。

纸浆模塑制品发泡原理及工艺  

2.1纸浆模塑制品的发泡原理

　　塑料发泡是将烃类发泡剂和成核剂混溶在塑料颗粒或珠粒中，塑料熔化到粘流态，这时发泡剂气化产生气泡，在塑料中形成泡孔，冷却后发泡制品成型。成核剂的用量控制泡孔的大小和数量，发泡剂的用量是决定制品密度的主要原因。

　　食品发泡是在面粉、淀粉等原料中加入热水，这样原料就会具有一定的粘性，当水温为75℃时，它的粘性达到zui大值。在加热过程中，发泡剂会产生的气体，而面粉或淀粉中的面筋成分就会形成网络将气体包住，使面团膨胀形成海绵状结构。因面粉和淀粉本身具有粘性，所以，生成的气体不会因为不能保持而逸出，导致面团塌架。

　　纸浆发泡,在纸板厚度增加使纸托强度提高的情况下,使纸托仍有较好的柔性和较大的压缩变形能力,因而可对被包装物品提供可靠的保护。但是，纸浆模塑制品发泡不同于塑料发泡和食品发泡，纸浆在任何情况下都没有粘性，而且，纸浆纤维短，气泡不可能在纸浆中保持，即使形成气泡，也会因为不能在纸浆中保持而逸出，这就造成了纸浆模塑制品的发泡困难。

　　纸浆模塑制品发泡，可在纸浆中加入适量的粘结剂[11]、增塑剂、防腐剂等助剂。发泡剂与纸浆直接吸附的量不足以达到较好的发泡效果，为了在纸浆中均匀地混入足够的发泡剂,将发泡剂先与干燥的纸浆混合,让发泡剂被吸附在纸浆上,再加入水搅拌使其混合均匀。这样就可获得好的效果。

　　在纸浆中加入一定量的粘结剂，与纸浆混合，这样就会使纸浆具有足够的粘性，发泡剂产生气泡后，气泡会保持在纸浆中而不逸出，从而在纸浆内部形成气孔，达到发泡效果。为了适当减少纸浆模塑发泡制品干燥后的硬度，使其不易过脆，需要在纸浆中在加入一定量的增塑剂。考虑到纸浆模塑制品的干燥时间相对较长，在干燥期间，纸浆内部会出现发霉现象，可在纸浆中加入一定量的酸作为防腐剂，这样，既可以达到防霉腐的作用，同时，在酸与发泡剂混合后可以产生一定量的气体，这在一定程度上也起到发泡的作用。

2.2 发泡工艺

　　纸浆发泡一般有两种工艺：使用化学发泡剂法和不使用化学发泡剂法。不使用化学发泡剂的发泡工艺，系通过水蒸气的作用发泡，国外工业发达国家如欧美、日本等均采用不添加化学发泡剂法，而通过水蒸气的作用发泡,形成颗粒型发泡纸浆的制作工艺，这种方法制作发泡制品不污染环境，是*的发泡方法，但制作的设备和费用较使用化学发泡剂发泡高，对发泡工艺的控制也要难一些。而国内目前对植物纤维制品发泡主要是通过化学发泡剂的作用发泡,形成颗粒型发泡纸浆的制作工艺。制作体积尺寸大、质量重的缓冲包装制品应采用两步法成型；而制作体积尺寸小，质量轻的缓冲包装制品,则可采用整体工艺难度较小的一步法成型工艺。

　　发泡工艺的制作方法主要有两种:一步法成型和两步法成型。一步法成型的工艺特点是:采用的是整体浇注发泡成型,其工艺流程为：

　　物料-混合-制浆-浇注-发泡成型-熟化-脱模-成品

　　两步法成型的工艺特点是:将回收的旧书、报纸或其他植物纤维经粉碎碾成纤维状,与淀粉按一定的比例混合,制成直径1～3mm的粒子,混合后的纸浆粒子送入挤压机制成圆柱颗粒,在挤压过程中,原料受水蒸气作用发泡,形成颗粒型发泡纸浆,再用发泡纸浆颗粒做原料,将发泡纸浆颗粒送入的金属模具中,在金属模具中进行加压加热,根据需要生产制作精度和壁厚与金属模相应的不同形状的包装制品。

　　本试验采用使用化学发泡剂的方法。拟采用的发泡工艺是：将纸浆与发泡剂、粘合以及助剂充分混合，待静置一段时间后，再加入另一助剂，混合均匀，然后对其进行烘烤，待冷却后，脱模成型。纸浆与粘合剂、助剂混合后，在静置的过程中，纸浆会进行*次发泡，加入助剂二后，混合物会进行第二次发泡，在烘烤过程中，只将会进行第三次发泡，这次发泡时zui明显的。

2.3 影响发泡的因素

　　在制造工艺条件确定，粘结剂及发泡用各种助剂的配方已确定的条件下,影响发泡体质量的因素主要是发泡体的原料配比和制造工艺条件,即粘合剂的种类、纸浆和粘结剂的质量比、辅助发泡剂的种类与用量、发泡的温度、以及发泡的时间等。

　　有资料显示，各个因素对发泡的影响，zui大的因素是发泡温度,其次是纸浆与粘合剂的质量比和辅助发泡剂的用量,影响zui小的是发泡时间。

　　各个因素对发泡体缓冲性能的影响显著程度以纸浆和粘结剂质量比为zui大,其次是发泡温度,发泡时间的影响相对较小；由于防腐剂可以与发泡剂起反应，发泡温度越高,发泡剂与防腐剂的反应速度越激烈,发泡效果越好,因此表观密度也随之降低,这在满足强度要求的情况下,有利于提高缓冲材料的使用效果和经济性。因此发泡温度应选为130-200℃。在此温度范围，发泡体具有的缓冲性能。