本發(fā)明涉及一種輕質(zhì)紙材料的制備方法，具體涉及由含有熱膨脹微球的纖維為主要原料，經(jīng)微波加熱技術(shù)形成的輕質(zhì)紙材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

發(fā)泡模具由于使用方便，廣泛應(yīng)用于人們的日常工作生活中。在一次性飯盒、托盤等發(fā)泡模具的制作中，目前多采用聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等塑料作為發(fā)泡材料，但是隨著國家環(huán)保要求的不斷提高，塑料的不可自然降解性等問題也日益突出且亟待解決。為此，通過以植物纖維為主要原料，利用其廢棄后分解物無污染的特點，可解決塑料發(fā)泡材料帶來的一系列環(huán)境問題。

中國專利CN 104371343公布了一種高性能植物纖維包裝材料及其制備方法。包裝材料由復(fù)合植物纖維、膠黏劑、改性發(fā)泡劑和助劑混合制成，通過制取主原料、制備混合膠液、混合及模壓成型、后處理等過程得到了機械強度高、緩沖性能好的包裝材料。

中國專利CN 100447205公布了一種植物纖維發(fā)泡制品，將植物纖維、淀粉、膠黏劑、發(fā)泡劑等通入成型機的模具內(nèi)，在成型機內(nèi)成型，將模具內(nèi)的制品取出，干燥發(fā)泡制品。

中國專利CN 1257089通過將甘蔗渣、麥稈、稻草、蘆葦、一年生草本等天然植物纖維原料通過物料前期蒸曬，烘干后研磨粉碎，將粉碎后的原料在高壓釜中蒸煮軟化，加入AC發(fā)泡劑、淀粉等添加劑混合制成粒狀，經(jīng)膨化系統(tǒng)一次發(fā)泡；再加入防水劑、羧酸鈉、三元醇等助劑，在模具中加溫定向發(fā)泡膨化，制備所帶形狀的包裝材料。

中國專利CN 102219919公布了一種植物纖維發(fā)泡材料的制備方法，包括將植物纖維、發(fā)泡劑、增粘劑、填充劑、阻燃劑進(jìn)行混合處理、注入成型模具中、加熱進(jìn)行發(fā)泡作用，從而制備具有多孔狀發(fā)泡結(jié)構(gòu)的植物纖維發(fā)泡材料。

盡管以上專利通過使用植物纖維替代聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等不可降解塑料作為主要原料，在一定程度上減少了環(huán)境污染，但是由于采用傳統(tǒng)的加熱工藝進(jìn)行發(fā)泡，存在發(fā)泡不均勻、發(fā)泡速度慢等弊端，影響發(fā)泡材料品質(zhì)。

微波是一種頻率在300～300GHz的高頻電磁波，微波加熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于高分子材料制備領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的烘箱加熱相比，微波加熱具有其獨特的優(yōu)點，如加熱速率快，微波穿透深度強、加熱均勻、熱梯度極小，而且微波能被材料直接吸收、熱慣性小、容易控制，可以賦予高分子材料更為理想的性能。國內(nèi)在微波加熱領(lǐng)域，特別是利用微波技術(shù)進(jìn)行材料發(fā)泡方面已經(jīng)取得了一些研究成果。

中國專利CN 1884382公開了一種植物纖維發(fā)泡材料的生產(chǎn)方法，包括將植物纖維截短、粉碎到2mm以下粒度，置于微波爐盛器內(nèi)進(jìn)行微波輻射發(fā)泡，之后取出、冷卻、收集備用。發(fā)泡材料可應(yīng)用于生產(chǎn)快餐盒、保溫板、隔音板等制品。

中國專利CN 103131035公開了一種環(huán)保型纖維發(fā)泡材料及其制備方法。專利使用廢紙纖維作為主料，添加一定量的粘合劑、成膜劑、增塑劑、交聯(lián)劑以及以碳酸氫鈉和偶氮二甲酰胺粉末混合物組成的發(fā)泡劑，擠入模具內(nèi)，在微波爐中進(jìn)行發(fā)泡過程，得到一種具有一定緩沖作用的多孔材料。

中國專利CN 104194372公開了一種緩蝕植物纖維發(fā)泡材料。以玉米秸稈纖維和廢紙纖維為主要原料，加入發(fā)泡劑和氣相防銹劑，通過微波發(fā)泡成型。

中國專利CN 1900168、CN 103772733、CN 102977625、CN 104098922也都公開了利用微波輻射制備植物纖維發(fā)泡材料的方法。

盡管以上專利均公開了通過微波加熱技術(shù)進(jìn)行植物纖維發(fā)泡材料制備的方法，但是仍存在諸多問題，如植物纖維用量較大、工藝較為復(fù)雜從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。而且目前纖維發(fā)泡產(chǎn)品在制備中使用的多為化學(xué)發(fā)泡劑，如碳酸氫銨、碳酸氫鈉、乙烯醋酸乙烯、偶氮二甲酰胺等，容易出現(xiàn)發(fā)泡倍率低、泡孔不均勻、分解產(chǎn)物有殘渣、易附聚成團(tuán)等，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且近年來歐盟及其他國家環(huán)保法規(guī)對某些具有一定危險特性的物質(zhì)實施了禁用和限用，其中就包括部分化學(xué)發(fā)泡劑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種包含熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料及其制備方法。以植物纖維或廢紙纖維為主要原料解決了使用不可降解塑料為發(fā)泡材料帶來的環(huán)保問題，熱膨脹微球的加入可大幅度減少植物纖維或廢紙纖維的用量，節(jié)約成本，膨脹后的微球可使得輕質(zhì)紙材料具有質(zhì)量輕、緩沖及隔熱效果好的特點。并且熱膨脹微球替代部分化學(xué)發(fā)泡劑，在產(chǎn)生更好發(fā)泡效果的同時減小了化學(xué)發(fā)泡劑引發(fā)的環(huán)境問題。利用微波加熱技術(shù)，可以實現(xiàn)材料快速、均勻地發(fā)泡，提升輕質(zhì)紙材料的性能，達(dá)到節(jié)省資源、提升效率的目的。

第一方面，本發(fā)明提供一種包含熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料，以重量份數(shù)為單位，包括組分：

優(yōu)選地，所述輕質(zhì)紙材料，以重量份數(shù)為單位，包括組分：

優(yōu)選地，所述纖維可選自植物纖維或者廢紙纖維，其中植物纖維對植物來源無限定，選用來自于任何種類的植物，如花生殼、谷殼、核桃殼、木屑、棉花殼、棉花籽、甘庶渣、甜菜、牧草、椰子殼、菠蘿皮、牛蒡、葦稈、高粱稈、葵花稈、玉米秸稈纖維、各種麻稈纖維、稻草纖維、竹纖維中的一種或多種的組合，并經(jīng)過粉碎、除渣等處理所得。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述纖維的含水率為10～40％。

優(yōu)選地，所述化學(xué)發(fā)泡劑選自碳酸氫鈉、碳酸氫銨、乙烯醋酸乙烯、偶氮二甲酰胺、酒石酸氫鉀、鉀明礬中的一種或多種的組合。

優(yōu)選地，所述助留劑選自陽離子聚合物、陰離子無機材料結(jié)合有機聚合物；其中，所述陽離子聚合物如陽離子淀粉、陽離子聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺水溶液等；所述陰離子無機材料結(jié)合有機聚合物如膨潤土結(jié)合陽離子聚合物，或者二氧化硅基溶膠結(jié)合陽離子聚合物，或陽離子和陰離子聚合物。

優(yōu)選地，所述膠粘劑選自糧食淀粉、魔芋粉、海藻膠、熱敏膠、環(huán)保型粉狀腺膠、改性腺醛膠或三聚氰胺膠中的一種或多種的組合。

優(yōu)選地，所述輕質(zhì)紙材料還包括其他助劑，如漂白劑、著色劑、增強劑、潤滑劑、分散劑。其中，漂白劑的目的在于為了便于材料著色而需要先進(jìn)行的著色相反操作；著色劑可使輕質(zhì)紙材料顯現(xiàn)設(shè)計需要的顏色；增強劑可提高纖維間的相互作用，優(yōu)化了輕質(zhì)紙材料的發(fā)泡成型過程，并可同時起到穩(wěn)泡的效果；潤滑劑的加入利于輕質(zhì)紙材料在模具中發(fā)泡后的脫模過程，防止粘料；分散劑可改善輕質(zhì)紙材料中各組分的分散性與流動性，進(jìn)而提高產(chǎn)品性能。

進(jìn)一步優(yōu)選地，著色劑可選自鐵紅、克菜紅、胭脂紅、新紅、高粱紅、蘿卡紅、梔子黃、檸檬黃、日落黃、品綠、孔省蘭、炭黑、二氧化鐵、亮藍(lán)、靛藍(lán)、紫色染料中的一種或多種的組合；漂白劑可選自活性炭、活性白土、過氧化氫、過氧化鈉、過碳酸鈉、過硼酸鈉、過氧乙酸、過氧化苯甲酰、氯水、連二亞硫酸鈉中的一種或多種的組合；增強劑可選自切短的植物纖維，如麻纖維、椰殼絲、棕絲中的一種或多種的組合；潤滑劑可選自硬脂酸、低分子量聚乙烯蠟、改性脂肪酸、硬脂酸鈣、硅藻土中的一種或多種的組合；分散劑可選自碳酸鈣、羧甲基纖維素鈉、聚氧化乙烯中的一種或多種的組合。

第二方面，本發(fā)明提供一種所述輕質(zhì)紙材料的制備方法，包括如下步驟：

將纖維打漿，制備纖維漿料；

向所述纖維漿料加入熱膨脹微球，形成含有熱膨脹微球的纖維漿料；

向所述含有熱膨脹微球的纖維漿料中加入化學(xué)發(fā)泡劑、助留劑、膠粘劑，混合均勻，得混合漿料；

對所述混合漿料在微波條件下進(jìn)行發(fā)泡處理，得成型輕質(zhì)紙原材料；

對所得成型輕質(zhì)紙原材料進(jìn)行干燥，即得輕質(zhì)紙材料。

優(yōu)選地，如果所述纖維選為植物纖維，則所述纖維是通過如下方法制備的：將植物秸稈截短、粉碎、疏解、打漿，即得。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述粉碎采用水力碎漿機；所述疏解采用疏解機；所述打漿采用打漿機。其中，植物秸稈截短至≤8cm，粉碎粒度≤3mm。

優(yōu)選地，所述熱膨脹微球是以水性漿料形式添加的。

優(yōu)選地，所述微波條件控制在200～800W、3～10min，該條件可使熱膨脹微球發(fā)生膨脹，體積膨脹50～200倍；所述發(fā)泡處理采用工業(yè)微波爐。微波功率較低、時間較短時會引起熱膨脹微球發(fā)泡不充分，而當(dāng)微波功率較高、時間較長時，會導(dǎo)致熱膨脹微球過度膨脹引發(fā)球體萎縮、推進(jìn)劑逃逸、內(nèi)壓減小等不良現(xiàn)象的發(fā)生。

優(yōu)選地，所述混合漿料是在被注入至成型容器或成型模具中進(jìn)行發(fā)泡處理的；進(jìn)一步地，所述模具可選用玻璃、聚丙烯塑料或者其他絕緣材料，同時模具還可以根據(jù)需要選擇帶有排氣孔、注料口、上壓板、下壓板的其他結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述干燥的條件包括40～120℃、5～10h；所述干燥的設(shè)備包括烘箱。

本發(fā)明得到的輕質(zhì)紙材料是一種質(zhì)量輕、緩沖及隔熱效果好的發(fā)泡制品。本發(fā)明的熱膨脹微球殼體為熱塑性聚合物，核內(nèi)包封可膨脹物質(zhì)，其中核內(nèi)可膨脹物質(zhì)的沸點不高于熱塑性聚合物殼的軟化溫度，粒徑為10～30μm，遇熱后，聚合物殼軟化，核內(nèi)物質(zhì)蒸發(fā)、內(nèi)壓升高、體積增大。熱膨脹微球可以以任意形式添加到纖維漿料中，其中優(yōu)選以水性淤漿形式加入。

本發(fā)明的輕質(zhì)紙材料可應(yīng)用于制備杯子、包裝盒、水果托盤、禽蛋托盤、各種產(chǎn)品的緩沖襯墊片等發(fā)泡制品。

本發(fā)明的目的是通過加入熱膨脹微球得以實現(xiàn)的，熱膨脹微球是一種具有核殼結(jié)構(gòu)的高分子顆粒，受熱時，聚合物外殼軟化，微球內(nèi)部包含的低沸點烴類迅速氣化，內(nèi)壓增大，體積顯著增加。熱膨脹微球是一種物理發(fā)泡劑，發(fā)泡性質(zhì)穩(wěn)定、發(fā)泡倍率高、泡孔均勻。將熱膨脹微球運用到輕質(zhì)紙材料的制備中，可大幅度降低纖維的使用量，實現(xiàn)成本節(jié)約，改善發(fā)泡效果，降低化學(xué)發(fā)泡劑的用量，減小了化學(xué)發(fā)泡劑帶來的環(huán)境問題，同時微球的引入又可使材料質(zhì)量減輕、緩沖以及保溫隔熱等性能提高。綜上所述，利用熱膨脹微球作為主要發(fā)泡劑，采用微波加熱技術(shù)制備輕質(zhì)紙材料，通過結(jié)合熱膨脹微球與微波加熱技術(shù)的優(yōu)勢，降低了纖維的用量，節(jié)約成本，提高發(fā)泡倍率，材料發(fā)泡更加快速、均勻，減小了傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)泡劑引發(fā)的環(huán)境問題，并且可進(jìn)一步減輕輕質(zhì)紙材料重量，提升材料的緩沖及隔熱性能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備如下有益效果：

向纖維中加入熱膨脹微球不僅可以減少纖維的用量，實現(xiàn)成本節(jié)約，而且熱膨脹微球作為物理發(fā)泡劑配合化學(xué)發(fā)泡劑使用時，還可降低化學(xué)發(fā)泡劑的使用量，減小了傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)泡劑引發(fā)的環(huán)境問題。微波加熱技術(shù)的引入，可以實現(xiàn)含有熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料快速、均勻地發(fā)泡，提升輕質(zhì)紙材料的性能，節(jié)省資源，提高效率。同時由含有熱膨脹微球的纖維制備的輕質(zhì)紙制品質(zhì)量輕、緩沖及隔熱效果好。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為含有熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料制備工藝流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實施例1

本實施例提供一種包含熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料及其制備方法，所含組分及制備方法參數(shù)見表1，具體流程見圖1。

(1)以重量份數(shù)為單位，將30份玉米秸稈截短，通過水力碎漿機粉碎形成玉米秸稈纖維，輸送至疏解機進(jìn)行疏解，最后送至打漿機中打漿，打漿后的漿料備用；

(2)向植物纖維漿料中添加水性漿料形式的熱膨脹微球，其中干微球量為5份，混合均勻，形成含有熱膨脹微球的植物纖維漿料；

(3)5份陽離子聚丙烯酰胺作為助留劑，5份碳酸氫鈉作為化學(xué)發(fā)泡劑，2份玉米淀粉作為膠粘劑；將助留劑、化學(xué)發(fā)泡劑、膠粘劑添加至步驟(2)中的含有熱膨脹微球的玉米秸稈纖維中，混合攪拌均勻；

(4)將步驟(3)中的混合漿料注入可用于微波加熱的成型模具中，然后放入微波爐中進(jìn)行發(fā)泡處理，微波功率控制在500W，加熱時間8min，熱膨脹微球膨脹；

(5)取出模具，脫模冷卻，隨后放置在50℃的烘箱中干燥8h，得到輕質(zhì)紙材料。

實施例2

本實施例提供一種包含熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料及其制備方法，所含組分及制備方法參數(shù)見表1，具體流程見圖1。

(1)將40份高粱秸稈截短至5cm，通過水力碎漿機粉碎形成高粱秸稈纖維，輸送至疏解機進(jìn)行疏解，最后送至打漿機中進(jìn)行打漿，打漿后的漿料備用；

(2)向含水率為30％的植物纖維漿料中添加水性漿料形式的熱膨脹微球，其中干微球量為8份，混合均勻，形成含有熱膨脹微球的植物纖維漿料；

(3)8份陽離子淀粉作為助留劑，3份偶氮二甲酰胺作為化學(xué)發(fā)泡劑，2份玉米淀粉作為膠粘劑；將以上助劑添加至步驟(2)中的含有熱膨脹微球的高粱秸稈纖維中，混合攪拌均勻；

(4)將步驟(3)中的混合漿料注入可用于微波加熱的成型模具中，然后放入微波爐中進(jìn)行發(fā)泡處理，微波功率控制在800W，加熱時間10min；

(5)取出模具，脫模冷卻，隨后放置在50℃的烘箱中干燥10h，得到輕質(zhì)紙材料。

實施例3

本實施例提供一種包含熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料及其制備方法，所含組分及制備方法參數(shù)見表1，具體流程見圖1。

(1)將50份玉米秸稈截短至5cm，通過水力碎漿機粉碎形成高粱秸稈纖維，輸送至疏解機進(jìn)行疏解，最后送至打漿機中進(jìn)行打漿，打漿后的漿料備用；

(2)向植物纖維漿料中添加水性漿料形式的熱膨脹微球，其中干微球量為10份，混合均勻，形成含有熱膨脹微球的植物纖維漿料；

(3)5份陽離子淀粉作為助留劑，2份碳酸氫鈉作為化學(xué)發(fā)泡劑，5份馬鈴薯淀粉作為膠粘劑；將以上助劑添加至步驟(2)中的含有熱膨脹微球的高粱秸稈纖維中，混合攪拌均勻；

(4)將步驟(3)中的混合漿料注入可用于微波加熱的成型模具中，然后放入微波爐中進(jìn)行發(fā)泡處理，微波功率控制在800W，加熱時間10min；

(5)取出模具，脫模冷卻，隨后放置在50℃的烘箱中干燥10h，得到輕質(zhì)紙材料。

實施例4

本實施例提供一種包含熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料及其制備方法，所含組分及制備方法參數(shù)見表1，具體流程見圖1。

(1)將40份廢紙纖維在清水中浸泡一定時間，隨后在打漿機中進(jìn)行打漿，打漿后的漿料備用；

(2)向植物纖維漿料中添加水性漿料形式的熱膨脹微球，其中干微球量為5份，混合均勻，形成含有熱膨脹微球的植物纖維漿料；

(3)5份陽離子淀粉作為助留劑，5份碳酸氫鈉作為化學(xué)發(fā)泡劑，2份玉米淀粉作為膠粘劑；0.2份低分子量聚乙烯蠟作為潤滑劑；1份碳酸鈣作為分散劑；將以上助劑添加至步驟(2)中的含有熱膨脹微球的廢紙纖維中，混合攪拌均勻；

(4)將步驟(3)中的混合漿料注入可用于微波加熱的成型模具中，然后放入微波爐中進(jìn)行發(fā)泡處理，微波功率控制在800W，加熱時間10min；

(5)取出模具，脫模冷卻，隨后放置在50℃的烘箱中干燥10h，得到輕質(zhì)紙材料。

表1

對比例1-4

對比例1-4是實施例1的對比例，對比之處僅在于，如下表2所示：

表2

對比例5-8

對比例5-8是實施例2的對比例，對比之處僅在于，如下表3所示：

表3

性能檢測

輕質(zhì)紙材料密度參照《GB/T8168-2008包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法》。

輕質(zhì)紙材料力學(xué)性能依照《GB/T8168-2008包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法》中規(guī)定的試樣力學(xué)性能的試驗方法，采用萬能材料試驗機對試樣進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗在試樣上表面施加低速壓縮載荷，獲得材料的靜壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過對曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計算求取材料的彈性比能。

對實施例1及上述對比例的性能進(jìn)行檢測，結(jié)果如下表4和表5所示：

表4

表5

在上述材料中，由實施例2所述輕質(zhì)紙材料制備的杯子，人可以握住它的平均時間是32秒，而對照樣品，即由對比例8所述輕質(zhì)紙材料制備的杯子是14秒，因此含有熱膨脹微球的輕質(zhì)紙材料制備的杯子等容器/包裝具有更好的隔熱性能。

輕質(zhì)紙材料作為一種發(fā)泡材料，密度小意味著其內(nèi)部泡孔較多，當(dāng)受到?jīng)_擊時可以吸收更多的能量，產(chǎn)生更小的形變。彈性比能是指被包裝物品受到?jīng)_擊時，緩沖襯墊單位體積的彈性變形能。應(yīng)力是物體由于外因而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，即單位面積上的內(nèi)力。殘余應(yīng)變是衡量緩沖包裝材料品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，它從一定程度上反映了材料的回彈性，殘余應(yīng)變小說明材料的回彈能力好，即受沖擊變形后恢復(fù)原來形狀的能力強。當(dāng)試樣的密度較小、彈性比能較低、應(yīng)力值較低、殘余應(yīng)變較小時，材料的緩沖性能更優(yōu)，但在實際應(yīng)用中，以上這些因素需綜合考量。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。