利用木质剩余物与废纸制备纸浆模塑材料的比较

2014-08-23姚培培肖生苓岳金权

森林工程 2014年4期

姚培培，肖生苓*，岳金权

(1.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨 150040；2.东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)

1 纸浆模塑材料的介绍

纸浆模塑是以木材或天然植物一次纤维或废纸再生纤维为原材料，添加部分化学助剂，经过制浆、模塑成型和干燥整形等工艺过程制得的具有特定几何空腔结构和一定抗压缓冲能力的纸制品的加工方法[1-2]。

纸浆模塑材料可以回收再造或自然降解，具有很好的环境友好特性；并具有和包装产品的外型相吻合的几何形状，且具备良好的防震、防冲击、防静电和防腐等理想的保护效果，对其各项物理性能指标进行检测，发现其功效足以替代EPS发泡材料，而且在环保、价格、防震和防静电等功能上占据优势，被广泛用于电子、机械零部件、工业仪表、电脑、家电、玻璃、陶瓷和农产品等的内衬缓冲包装材料上[3-4]。

1.1 木质剩余物一次纤维

林区木质剩余物指的是包括枝丫、枝条、树皮、树叶、截头、梢头、灌木、伐根、枯倒木、弯曲度超限不够缴库标准的废弃木材、板条、板皮、刨花、锯屑、根部齐头和边角余料等，在森林釆伐、造材、木材加工利用后的剩余物及主要含木质的农作物剩余物[5-9]。木质剩余物除了具备木材的基本特性，如热绝缘、电绝缘、环境友好性、可降解、可回收利用和可再生性等，还有来源广泛，成本低廉，经济性好，易收集和加工等特点，是节约原木资源、保护环境和利用木质纤维的较优选择。而木质剩余物一次纤维，即木纤维，其主要成分是纤维素、半纤维素和木素，是制浆造纸的原材料。

1.2 废纸再生纤维

废纸泛指在生产生活中经过使用而废弃的可循环再生资源，包括各种高档纸、黄板纸、废纸箱、切边纸、打包纸、企业单位用纸、工程用纸和书刊报纸等等。而再生纤维或回用纤维是指经一次或多次回用的废纸纤维[10]。最主要的用途还是纤维回用生产再生纸产品。制备纸浆模塑材料的废纸主要是废旧瓦楞纸箱和废报纸边等再生纤维。

1.3 缓冲包装材料的比较

为制备纸浆模塑材料的两种原料，木质剩余物一次纤维和废纸再生纤维，与发泡聚苯乙烯材料的对比[11]，见表1。

表1 三种缓冲包装材料的对比

从表1可以看出，纸浆模塑材料的成本低于EPS发泡塑料，且纸浆模塑材料是绿色无污染的包装材料，而EPS发泡塑料不能降解，燃烧有毒，对环境影响较大。纸浆模塑材料可分为一次纤维和再生纤维，木质剩余物一次纤维的成本略高于废纸再生纤维，但性能比废纸再生纤维的强。这是由于废纸纸浆纤维长短不一，化学组分复杂，纤维角质化，与一次纤维相比，其许多性能指标发生衰变。

2 木质剩余物与废纸制备纸浆模塑材料的对比

利用木质剩余物一次纤维与废纸再生纤维制备纸浆模塑材料的工艺过程大体相似，都分为制浆过程、配浆过程、成型和干燥整形，只是在前期的预处理和制浆过程中有所不同，两者的工艺流程如图1所示。

图1 木质剩余物与废纸制备纸浆模塑材料工艺流程图

2.1 制浆过程

制浆是造纸的第一步，是将木材、木片等转变成纸浆的方法，是指利用化学的方法或机械的方式或两者结合的方法使植物纤维原料离解变成本色纸浆(未漂浆)或进一步漂白变成漂白纸浆的生产过程。

木质剩余物一次纤维的制浆方法与废纸再生纤维的有所不同，木质剩余物一次纤维需要先选择一种制浆方法，如选择化学机械法制浆，制成得率在80%～95%之间的高得率浆，然后再利用打浆机进行打浆，制成一定打浆度和浓度的湿纸浆[12]。废纸再生纤维则不需要进行制浆，而是直接在水力碎浆机或打浆机中将废纸碎片打成所需打浆度和浓度的湿纸浆。

2.2 配浆

配浆是指在处理好的浆料中加入填料、颜料、增强剂及防水、防油等功能性助剂，与原浆料进行混合调配以符合产品的质量要求，有时也要控制纸浆的浓度[13]。添加的化学助剂是根据包装产品的种类及运输环境和企业的要求等来确定的。木质剩余物一次纤维与废纸再生纤维制备纸浆模塑材料的配浆方法是相同的。

2.3 成型

纸浆模塑制品的成型方法主要有真空负压成型法、压力成型法和压缩空气成型法三种，根据生产的不同要求选择合适的成型方法。其中真空负压成型法以其生产效率高、制品的结构适应性好、设备的投资回报率高等优点应用较广泛[14]。

2.4 干燥整形

由于吸附成型后的湿纸坯经冷压榨后还有很大的含水量，所以须经过烘干、压实、校形才能达到制品的外观要求和使用要求。纸浆模塑制品的干燥方式可以分为脱模干燥(烘道、烘箱干燥)和带模干燥[15]。带模干燥方式比脱模干燥制得的制品更加平滑、致密，其尺寸和形状也更加准确。

3 两种纸浆模塑原材料纤维形态结构的对比

利用扫描电镜对木质剩余物一次纤维纤维形态与废瓦楞纸再生纤维纤维形态进行观察。图2和图3分别为热压干燥与真空干燥成型时，木质剩余物一次纤维与废瓦楞纸再生纤维纤维形态结构图。

(a)热压干燥成型纤维内部形态结构，37°SR，800g/m2，150℃，1MPa (b)真空干燥成型纤维内部形态结构，37°SR，800g/m2，150℃，0.08MPa

(c)热压干燥成型纤维内部形态结构，37°SR，800g/m2，150℃，1MPa (d)真空干燥成型纤维内部形态结构，37°SR，800g/m2，150℃，0.08MPa

根据扫描电镜观察结果，由图2可以发现，木质剩余物一次纤维的纤维相对长度，粗度较均匀，呈扁平状，而图3中废瓦楞纸再生纤维的纤维略有收缩，纤维长度与宽度不均匀，有所下降，纤维表面有所损伤，并且细小纤维的含量相对较高，表明再生纤维不易被压缩，浆张的空隙率较大，结构比较疏松，因此浆张表面的粗糙度也将随之增大[16]。说明纸浆经回用后，其浆张纤维间的空隙比未回用时有较大的增加，这种结构上的不同，必然导致一些物理特性的变化，如与纤维间结合力有关的抗张强度、耐破强度和耐折强度等的下降[17]。

同时，从图2和图3可知，热压干燥成型方式的纤维内部形态结构较真空干燥成型方式的结合得紧密，空隙小，这是由于热压干燥时的压力远大于真空干燥，从而纤维间的结合强度高，材料的物理强度就高。

4 结论

本文论述了利用木质剩余物一次纤维与废纸再生纤维制备纸浆模塑材料的工艺过程，并利用扫描电镜观察两者在热压干燥与真空干燥时，纤维内部形态结构的不同，得出以下3点结论。

(1)林区木质剩余物用于制备纸浆模塑材料作为缓冲包装是可行的，与传统的废纸制备的纸浆模塑材料进行对比，木质剩余物一次纤维的性能要高于废纸再生纤维的性能，两者制备纸浆模塑材料的工艺流程除前期处理与制浆过程有差别外，后续的配浆、成型和干燥整形过程都是相同的。

(2)采用扫描电镜观察两者的纤维形态结构，发现木质剩余物一次纤维的纤维形态更光滑、均匀，纤维间的合力比废纸再生纤维得更紧密，物理强度更高。热压干燥较真空干燥方式纤维间的空隙更小，结合强度更高，物理性能更强。

(3)林区木质剩余物和废纸作为绿色环保材料，都是制造纸浆模塑制品优选的原材料，不仅对环境无污染，可自然降解，废弃物可回收再用，而且节约了资源，尤其对林区木质剩余物合理的加工利用，可以有效地提高我国林木资源的综合利用率，间接地保护了我国日渐稀少的森林资源，更为拓展森工产品的幵发与应用提供了一个新的方向，符合国际环保包装的发展趋势和可持续发展的要求。

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