SDS用量对植物纤维基泡沫材料结构与性能的影响

李金宝 董慧玲 杨雪 修慧娟 成锐 宋特

摘要：植物纤维基泡沫材料因其可完全降解及原料可持续再生等优势，在取代传统泡沫塑料方面极具前景，探索其微观结构与性能的关系，进而研究其结构与性能的调控技术，对于该新型发泡材料的开发具有重要的意义。本研究将植物纤维通过原纤化处理、发泡、注模、干燥成型等一系列工艺制得了植物纤维基泡沫材料，研究了表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）用量对植物纤维基泡沫材料泡孔结构及静态压缩性能的影响。结果表明，通过调节SDS用量，可以实现对植物纤维基泡沫材料泡孔结构及静态压缩性能的有效调控；当SDS用量在002%～003%时，植物纤维基泡沫材料的泡孔分布均匀，此时获得的植物纤维基泡沫材料具有良好的力学性能。

关键词：植物纤维；泡沫材料；表面活性剂；泡孔结构

中图分类号：TS76文献标识码：ADOI：1011980/jissn0254508X201807001

（1 College of Bioresources Chemical and Materials Engineering， National Demonstration Center for Experimental Light

Chemistry Engineering Education， Shaanxi University of Science & Technology， Xian， Shaanxi Province， 710021；

2 State Key Lab of Pulp and Paper Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong Province， 510640）

（*Email： 652743567@qqcom）

Abstract：Plant fiber based foam material has a great prospect in place of traditional polyfoam because of the foam can be completely degraded and the raw materials are sustainable renewable It is of great significance to study the relationship between the foam microstructure and its performance for developing the new foam material In this study， plant fibers based foam material was prepared through fibrillating of the fibers， foaming， injection molding and drying Furthermore the relationships between the content of SDS and both of pore structure and static compression properties of the foam material were discussed The results showed that the pore structure and static compression performance could be controlled by adjusting the content of SDS The pores of the foam distributed evenly and the foam also had well mechanical properties when the content of SDS was in the range of 002%～003%.

Key words：plant fiber； foam materials； surfactant； pore structure

泡沫塑料是现代包装业不可或缺的缓冲包装材料，具有质轻、能量吸收性能好、密度小、吸声性能好、比强度高等优點，广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、人民生活等领域[1]，但是传统的泡沫塑料不易降解，回收利用困难，对环境造成“白色污染”[2]。因此，寻找一种可降解、可回收利用、资源丰富的新型泡沫材料来替代传统泡沫塑料已成为亟需解决的重大问题[34]。

植物纤维基泡沫材料具有完全降解及原材料可持续再生等优势，在取代传统泡沫塑料方面具有很好的前景。在植物纤维体系中添加发泡剂生成大量气泡，稳定后形成泡孔结构，最终形成泡沫材料，其中泡孔结构对其性能的影响至关重要[5]。发泡剂可以分为化学发泡剂、物理发泡剂和表面活性剂3大类[6]，十二烷基硫酸钠（SDS）作为一种阴离子表面活性剂[7]，本课题组在前期研究时发现它具有优异的发泡性能，因此本实验选用SDS对泡孔的结构进行调控，通过改变发泡体系中SDS用量，调节泡沫材料泡孔的结构，探索其微观结构与性能的关系，进而对其结构与性能的调控技术进行研究。

本实验通过植物纤维原纤化、发泡、注模、干燥成型等一系列工艺过程处理制得了植物纤维基泡沫材料，分析了不同SDS用量下泡沫材料表观密度、发泡率及收缩率，探究了不同SDS用量对植物纤维基泡沫材料泡孔结构及静态压缩性能的影响效果，得到较佳的制备植物纤维基泡沫材料工艺参数，为植物纤维环保类缓冲包装材料的应用提供一定的理论依据与应用参考。

1实验

11实验原料

漂白硫酸盐阔叶木浆板，由国内某造纸厂提供；十二烷基硫酸钠（SDS），由天津市福晨化学试剂厂提供；去离子水。

12植物纤维基泡沫材料制备

利用TD15A标准纤维解离器将浸泡后的漂白硫酸盐阔叶木浆板完全解离，然后采用PFI磨对浆料进行原纤化处理[8]，得到原纤化处理后的纤维原料。

称量纤维原料、水及不同质量的SDS（添加量为总质量的001%～005%）配制得到固含量为2%的纤维悬浮液，再由SDF400实验分散磨砂机进行机械发泡处理，形成微泡沫体系后将其均匀注入模具，在电热鼓风干燥箱中脱水干燥，得到植物纤维基泡沫材料。

13植物纤维基泡沫材料的性能表征

131微观形貌的观察

采用Vega 3 SBH场发射扫描电子显微镜观察不同条件下的植物纤维及植物纤维基泡沫材料的微观结构。

132表观密度、发泡率、收缩率的测定

对植物纤维基泡沫材料的高度进行测量（用游标卡尺在周围及中间部位量取5个具有代表性的高度，求其平均值作为样品的高度），并根据其质量求出表观密度，其表观密度可通过公式（1）计算得到。

ρf=mv （1）

式中，m为样品的质量，kg；v为样品的表观体积，m3。

发泡率为发泡前后混合体系在容器中高度方向上尺寸增加的程度[9]，反映了发泡体系中空气的含量，可通过公式（2）计算得到。

发泡率=h1- h0h0×100%（2）

式中，h0为体系发泡前高度，mm；h1为体系发泡后高度，mm。

收缩率反映了泡沫制品干燥前后高度方向上尺寸缩减的程度，计算方法如公式（3）所示。

收缩率=H0-H1H0×100%（3）

式中，H0为样品干燥前高度，mm；H1为样品干燥后高度，mm。

133力学性能的测定

材料的静态压缩性能使用AI7000NGD高低温伺服拉力机进行测定[10]。在室温（25℃）条件下，载荷向下对样品进行压缩，可以得到样品的压缩力F与样品高度方向上的压缩距离δ的记录数据，利用公式（4）和公式（5）可以求得应力σ与应变ε，经过Origin分析，得到应力应变曲线。

σ=FS（4）

ε=δH1 （5）

式中，σ为应力，MPa；F为样品所受的压缩力，N；S为样品所受到压缩力的横截面积，mm2；ε为应变，%；δ为样品在压缩力下高度方向上的压缩距离，mm；H1为样品干燥后高度，mm。

2结果与讨论

21SDS用量对植物纤维基泡沫材料微观结构的影响

图1所示为不同SDS用量下植物纤维基泡沫材料的微观形貌图。由图1可以看出，经原纤化处理的纤维产生细纤维丝与纤维主体在一定量SDS作用下，形成了具有丰富网络状的微观结构，可以实现对植物纤维基泡沫材料泡孔结构的调控。随着SDS用量的不断增加，植物纤维基泡沫材料的结构由局部致密、泡孔数量少且小、泡孔大小相差较多（见图1（a））的形态向泡孔数量增多、泡孔大小分布更均匀（见图1（c）和图1（d））的方向发展，从而使得片状致密结构减少（见图1（f））。SDS用量较低时，纤维紧密地结合在一起，分散不均匀，导致纤维无法形成均一泡孔结构；随着SDS用量逐渐增大，产生的泡沫量增加，纤维分散得更均匀，泡孔数量增加，图1不同SDS用量下植物纤维基泡沫材料微观形貌圖（×100）SDS用量的增加可以减小体系的表面张力，气泡合并速度减慢[11]，有利于提高孔径的匀度；随着SDS用量继续增大，此时泡沫体系表面张力很小，成核速率增大，气泡生长所受的阻力很小[12]，气泡更容易破裂形成大气泡，纤维间出现了疏松的悬空结构。通过分析不同SDS用量下植物纤维基泡沫材料的微观形貌，对新型植物纤维基泡沫材料结构的调控是有意义的，但SDS用量并非越高越好，其最佳用量还需要通过植物纤维基泡沫材料的结构参数和性能来确定。因此，本实验进一步研究了SDS用量对其结构参数与性能的影响。

22SDS用量对植物纤维基泡沫材料表观密度、发泡率和收缩率的影响

图2所示为不同SDS用量下植物纤维基泡沫材料的表观密度、发泡率与收缩率。由图2可以看出，在本实验SDS用量范围内，可以对发泡体系及植物纤维基泡沫材料的物理性能进行调控，植物纤维基泡沫材料的表观密度随着SDS用量的增加而减小，根据表面活性剂的成核机理[13]，SDS用量直接决定了体系产生的泡沫量的多少，进而影响发泡体的表观密度。SDS用量增加，形成的发泡体系体积增大，最终形成的植物纤维基泡沫材料表观密度减小。发泡体系的发泡率随着SDS用量的增大而增加，这是因为当SDS用量低时（001%），发泡体系中大部分SDS分子迁移至气液界面，溶液中没有足够的SDS分子，因而无法进一步生成泡沫[14]。随着SDS用量的增加（002%～003%），发泡体系表面张力降低，成核自由能减小[15]，泡孔数量增多；当SDS用量增加至005%时，发泡率增加趋于平稳，此时SDS分子在液膜表面的吸附已经接近饱和，表面张力不会继续下降，在溶液中形成胶束的剩余表面活性分子，不再具有稳定泡沫的作用[16]。植物纤维基泡沫材料的收缩率随着SDS用量的增大（002%～005%）呈现减小的趋势，泡沫在干燥过程中状态变化较为复杂，其稳定性除了受自身重力和相联结纤维间氢键作用力的

材料表观密度、发泡率与收缩率影响，还受排液速度和液膜强度的影响[17]，SDS用量为002%～003%时，泡孔数量增多导致液膜变薄，在重力作用下排液速度较快，收缩率较大，最高为787%；随着SDS用量继续增大，可能是由于该阶段发泡体系的黏度增大[18]，与模具之间的黏结力增大，导致收缩变得缓慢，当SDS用量为005%时，收缩率降低至546%。

23SDS用量对植物纤维基泡沫材料力学性能的影响

图3所示为不同SDS用量下植物纤维基泡沫材料的应力应变曲线。图3中小插图为应力应变小于10%时泡沫材料的应力应变曲线，表1为不同SDS用量下植物纤维基泡沫材料的静态压缩性能。由图3和表1可以看出，在整个压缩过程中，应力应变曲线的变化趋势与SDS用量有一定的关系，通过控制SDS用量可以实现对植物纤维基泡沫材料力学性能的调控。应力应变曲线可分为3个阶段[19]，由线弹性段、屈服平台段以及坍塌密实段构成。随着SDS用量的增加，线弹性阶段模量、屈服平台段的屈服强度及能量吸收值均呈现不断减小的趋势，植物纤维基泡沫材料的结构由密实化向三维立体蓬松的结构发展，植物纤维基泡沫材料的弹性模量从6441 kPa减小到212 kPa，对应的应力应变曲线的屈服平台段变长，该阶段对应的应力由8253 kPa减小到636 kPa，能量吸收值由17102 MJ/m3减小到841 MJ/m3，植物纤维基泡沫材料的表观密度逐渐减小，内部结构由致密到疏松，孔隙率逐渐增大，泡孔分布和大小的均匀度均减小，表现在应力应变曲线上为平压区较长，密实化区也逐渐向高应变点偏移，此时缓冲形变较大[20]。

3結论

31适量的十二烷基硫酸钠（SDS）对调节植物纤维基泡沫材料的泡孔结构具有很大的优势，植物纤维基泡沫材料的结构由局部致密、泡孔大小相差较多的形态朝着泡孔数量增多、泡孔大小分布更均匀的方向发展，可以实现对植物纤维基泡沫材料微观结构和力学性能的调控，这为植物纤维基泡沫材料的制备方法以及结构与性能调控提供了新的思路。

32植物纤维基泡沫材料的表观密度随着SDS用量的增加而减小，发泡率随着SDS用量增加而增大，收缩率随着SDS用量的增大先增加后减小，当SDS用量为002%～003%时，泡孔的微观结构有了明显的改善，虽然泡孔结构并不是理想中的圆形孔状，但泡孔分布更加均匀。

33植物纤维基泡孔材料的压缩性能与泡孔结构具有密切的联系，当SDS用量在002%～003%时，植物纤维基泡沫材料具有良好的力学性能。研究发现，SDS用量过大和过小，都会导致泡孔形状不规则，泡孔均匀度下降，力学性能受到影响。

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