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紙漿發泡技術的研究

2007-01-17 00:00 來源:廣東工業大學材料系 作者:李江平  責編:中華印刷包裝網

    摘要:對紙漿吸漿成型制品的發泡技術進行了研究,提出了使紙漿制品低度發泡的方法。并對發泡紙托的性能和發泡紙托的結構特點作了初步研究。

    關鍵詞:紙漿;紙托;吸漿成型;發泡

1.吸漿成型工藝簡介

  紙漿吸漿成型制品叫紙托,是近幾年機電產品包裝方面研究開發的旨在代替發泡塑料制品的內包裝材料,以解決“白色污染”問題,屬環保類產品。紙托的生產工藝過程包括制漿、吸漿成型、烘干和熱壓整形四大工序。

  制漿:將廢報紙、廢紙箱紙等廢紙放入制漿機料筒內,加入適量清水浸沒廢紙。在制漿機高速旋轉的葉輪的撕扯作用下,廢紙變成有一定纖維度的紙漿,這種紙漿稱為粗漿。粗漿通過疏解機除砂和篩選,變成精漿。精漿中加入適量的水稀釋,并加入粘結劑、防潮劑、增強劑、色料等助劑,配制成工作漿。

  吸漿成型:將吸漿成型模具的工作面浸入工作漿中,通過抽真空使在模具的工作面上吸附一層紙漿。然后從工作漿中取出模具,抽干部分水份并脫模,制成紙托的濕毛坯。
  
    烘干:濕毛坯中仍含有60%左右的水份,將其放在烘干線上,通過熱風烘烤脫水,變成干毛坯。

  熱壓整形:在烘干過程中,毛坯由于被烘烤和收縮而產生變形,需用熱壓整形模具對其形狀進行修正。

  紙托是由較薄的紙漿吸附在具有一定幾何形狀的模具的工作面上而形成的。它具有一定的強度、剛度和緩沖性能,因而可用來支承和保護被包裝物品。由于紙板的剛度和強度較低,雖然幾何形狀的凹凸設計可以提高整個制品的剛度和強度,但提高的幅度很有限。尤其是對強度,提高的幅度更小。因此,一般紙托只適合于用作重量與體積之比較小的物品的內包裝材料。

2.紙漿發泡技術的研究

  對重量與體積之比較大的物品,紙托能用作內包裝材料嗎?

  紙板厚度增加,可以提高紙托的強度,但同時其剛度也極大地提高。剛度過度,紙托的緩沖性能下降,因而也降低了對被支承物的保護性。紙漿發泡,在紙板厚度增加使紙托強度提高的情況下,使紙托仍有較好的柔性和較大的壓縮變形能力,因而可對被包裝物品提供可靠的保護。

  由于紙漿的纖維短,故只能采取低度發泡。否則,會極大地降低紙托的強度。而且,發泡應在較低溫度下(一般不應超過150℃)進行,否則會把紙烤焦。所以,紙漿發泡應采用低溫低度發泡。

  低度發泡使毛坯的形狀和尺寸只產生很小的改變,而紙托的形狀和尺寸對精度要求較低,因此,發泡可在模腔外進行,只要在設計中適當考慮發泡對紙托形狀和尺寸的影響,就可以生產出滿足要求的產品。所以,發泡可在烘干過程中進行。

  發泡紙托的紙板厚度大,為了提高烘干效率,配漿時除加入粘結劑、增強劑、防潮劑等助劑以外,還應加入適量的導熱劑,使其更快更好地烘干烘透。

  低溫發泡劑比水輕,廢紙直接吸附的量不足以達到較好的發泡效果。為了在工作漿中均勻地混入足夠的發泡劑,將發泡劑先與干燥的細木屑混合,讓發泡劑被吸附在細木屑上,再一起放入工作漿中攪拌,這樣可獲得好的效果。

3 實驗結果與分析

3.1 拉伸實驗

  裁取寬20mm、長100mm的試樣,厚度均為10mm。試樣兩端用夾子夾緊,在拉力試驗機上測斷裂強度。試驗
結果如圖1所示。


圖1 拉伸試驗                   圖2 跌落實驗

     紙板的拉伸斷裂強度隨發泡劑混入量的增加而降低。達到某一臨界值時,斷裂強度開始急劇下降。究其原因,是因為發泡度增大,纖維之間的結合強度降低。尤其是發泡度超過某一程度時,部分纖維相互脫離,使強度急劇下降。

3.2 跌落實驗

  在盛滿水的1000ml的玻璃瓶底部墊10mm厚的發泡紙板,作自由落體跌落實驗,測試跌落的最大高度。
實驗結果如圖2所示。

  在發泡度不太大時,隨發泡度的增加,跌落最大高度增加。這表示紙板的緩沖性能隨發泡度增大而提高。
     但當發泡度達到某一臨界值時,隨發泡度的增加,跌落的最大高度減小。這表明紙板的緩沖性能反而隨發泡度的增加而降低。

  由于發泡產生的小氣孔提高了紙板的壓縮變形能力,同時使紙板的彈性模量減小,柔性增大,故在發泡度不大時,紙板緩沖性能隨發泡度的增加而提高。但當發泡度超過某一臨界值,由于纖維間結合強度的急劇下降,使紙板彈性變形能力顯著下降,因而使其緩沖性能隨發泡度增加而下降。

4 發泡紙托的結構設計

  發泡紙托的結構介于發泡塑料制品的結構與未發泡紙托的結構之間。通過適當增加紙板的厚度提高紙托的強度,并通過簡單的幾何形狀的設計提高紙托的剛度、緩沖性能和強度。為了使紙托各部分干燥速度均勻,紙板的厚度應均勻。同時,為了便于脫模,幾何形狀應盡量簡單,高度方向的尺寸盡量小。

  紙板厚度δ一般取3~16mm。太厚則表層與內層烘干速度相差太大,烘干速度很慢。

  幾何形狀盡量設計為多孔板面結構,如圖3,或帶邊的平底板結構。一般盡量避免采用泡狀結構,如圖4。
如果需要設置泡狀結構,則泡的橫向尺寸應合適,高度尺寸則盡量取小些。 一般,取橫向尺寸L=(10~
15)δ,L≥20mm;取高度尺寸h=(3~5)δ,h≤60mm。側面斜角α應取大些,以便脫模。但斜度太大,極大地降低了泡的承載能力。一般取斜角α=20°~30°。

5 結 論

                        圖3 多孔板面結構                 圖4 泡狀結構

  發泡紙托可支承重量與體積比較大的被包裝物品,這極大地擴大了紙托的適用范圍。

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