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，它的粘性达到最大值。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，是最佳的发泡方法，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专用的金属模具中,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，纸浆会进行第一次发泡，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，这次发泡时最明显的。

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，最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,影响最小的是发泡时间。

　　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最大,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，发泡体具有最好的缓冲性能。

 试验方法

 试验仪器：

烤箱----CKF-10R，～220V/50Hz

温度范围：100～400℃，时间范围：0～60min

烧杯、玻璃棒、模具、电子天平

 试验原料

　　纸浆、玉米淀粉、混合发泡剂、辅助发泡剂、合成树脂、防腐剂、发泡剂、水、成核剂、助剂。

　　纸浆---由生产纸浆模塑制品厂家取回的原浆，由废纸箱、废报纸等制成.

　　玉米淀粉---在试验中作粘合剂。

　　混合发泡剂---既可以起到发泡的作用，又可以起到一定的交联作用。

　　辅助发泡剂---起到辅助发泡的作用。

　　成核剂---起气泡的成核作用。

　　合成树脂---和玉米淀粉一起用作粘合剂。其成膜性好，可以防止气泡逸出，对水蒸气和许多气体有高度的不透过性。

　　助剂---用作粘合剂的增塑剂.

　　防腐剂---即能与发泡剂反应形成气泡，又能起到防腐的作用。

 试验内容:

试验一

名  称

用  量

名  称

用  量

纸  浆

100g

温  度

130～160℃

玉米淀粉

40g

时  间

60min

混合发泡剂

4g

     说明：本试验所用淀粉为糊化淀粉；纸浆为含有大量水分的稀纸浆。

　　试验过程：将纸浆与淀粉、发泡剂充分混合，揉30min，做成饼状试样，放入130℃烤箱中烘烤，30min后，将温度升至160℃。

　　试验现象：烘烤30min后，试样无发泡现象；温度升高，继续烘烤，亦无发泡现象。

　　试验结果：取出试样观察，试样体积无明显变化，无气泡产生。

　　分析原因：第一，可能是淀粉含量过低，粘度低，使气泡无法形成；第二，亦可能是初始温度低，使气泡无法形成；第三，发泡剂一所含的发泡成份不足。

　　改进方法：第一，增大淀粉用量；第二，提高烤箱温度；第三，替换该试验用发泡剂，使用另外一种发泡剂。

试验二

名  称

用  量

名  称

用  量

纸  浆

100g

温  度

140℃

玉米淀粉

50g

时  间

60min

发泡剂

2g

　　说明：实验所用玉米淀粉为糊化淀粉；纸浆为含有大量水分的稀纸浆。

　　试验过程：将纸浆与淀粉、发泡剂充分混合，揉30min，做成饼状试样，放入140℃烤箱中烘烤，烘烤60min后。

　　试验现象：随着烘烤时间的延长，试样表面干燥。

　　试验结果：取出试样观察，无气泡产生

　　原因分析：第一，可能是淀粉含量过低，黏度低，使气泡无法形成；第二，亦可能是初始温度低，使气泡无法形成；第三，发泡剂用量少。

　　改进方法：第一，考虑继续增大淀粉含量，同时虑去纸浆中的水分，降低纸浆的含水量，以提高淀粉含量的百分比。第二，继续升高温度；第三，增大发泡剂的用量。

 试验三

名  称

用  量

名  称

用  量

纸  浆

100g

温  度

150～200℃

玉米淀粉

120g

时  间

80min

发泡剂

5g

　　试验现象：肉眼看不出试样体积变化，掰开试样，发向内部有很小的蜂窝状的气孔，试样表面已经完全干燥，内部干躁不好。

　　试验结果：试样内部有微量气泡，但不明显。

　　原因分析：淀粉黏度低。而且，随着温度的升高，淀粉的黏度会降低。在高温烘烤下，试样表面很快干燥、变硬，内部即使有气泡形成，由于试样表面过硬，导致气泡无法发出。

　　改进方法：将粘合剂玉米淀粉改为合成树脂溶液。

试验四

名  称

用  量

名  称

用  量

纸  浆

50g

水

300g

合成树脂液

25g

温  度

190～150℃

发泡剂

5g

时  间

90min

助剂

2.5g

　　说明：合成树脂溶液浓度为10%（以下试验用到的合成树脂液均为此浓度的溶液）。 

　　试验过程：将制浆滤干，放入大烧杯中，加入50g水搅拌，将合成树脂溶液放入烧杯中，加入250g水，水浴加热30min，其间不停的搅拌，使物料充分混合。待冷却后，加入发泡剂和助剂，搅拌均匀，放入模具中。在190℃烤箱中加热。

　　试验现象：20min后，试样明显膨胀，发泡明显，不断有起泡产生，但是随着加热的进行，气泡不断从试样表面逸出，导致试样表面塌陷。40min后将温度降至150℃，继续加热，再无气泡产生，放置24小时，试样完全塌陷，发现干燥部分有霉点。

　　试验结果：过程中有气泡产生，但是最终试样中没有气泡。

　　原因分析：随着温度的升高，合成树脂溶液粘性增大，不易成型，导致气泡逸出；所制试样水分含量过高，形成的气泡较大，导致气泡壁过薄；干燥速度慢，易形成霉点。

　　改进方法：改变粘合剂的黏度，使之介于糊化玉米淀粉和合成树脂之间，可加入成核剂；减少水的用量；适当地减少发泡剂用量并加入酸；加入防腐剂。

试验五

名  称

用  量

名  称

用  量

纸  浆

50g

防腐剂

2.5g

合成树脂液

25g

水

250g

发泡剂

4g

温  度

140～150℃

助剂

2.5g

时  间

70min

成核剂

1g

     试验过程：将纸浆，合成树脂溶液与水混合，水浴加热，边加热边搅拌，使其混合均匀，加入酸、助剂，待冷却后，加入发泡剂、成核剂，搅拌均匀，将试样放入140℃烤箱中烘烤20min后，温度升至150℃。

　　试验现象：10min后，开始有明显发泡，试样体积膨胀。20min后，试样表面开始塌陷，此时升高温度，体积有膨胀，但是不明显。继续加热干燥。试验结束，试样表面塌陷。

　　试验结果：过程中有发泡，但最终发泡结果不明显。

　　原因分析：随着温度的升高，合成树脂溶液粘性增大，不易成型，导致气泡逸出,不能通过加入成核剂达到留住气泡的目的；水分含量过高；

　　改进方法:改变粘合剂的成分，试采用在合成树脂溶液作为粘结剂的基础上加入玉米淀粉，使其在高温下成型；减少水的用量；改选用混合发泡剂，并增大其用量。