單因素實驗設計在緩沖包裝材料制備中的應用

孫 源，肖生苓，馮 亮，梁珺鈺，田曜瑜

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱150040)

傳統的泡沫塑料在生產制造過程中會對大氣臭氧層造成很大破壞[1]，并且難以自然降解，導致了嚴重的“白色污染”，給生態環境造成很大的負面影響。以木質剩余物為主要原料，添加其他相關助劑，采用單因素分析法確定原料配方中各組分適量水平，為木質剩余物緩沖包裝材料工業化生產奠定理論基礎。

1 單因素實驗方案的建立

1.1 單因素實驗方案的選定

緩沖包裝材料的主要原料為木質剩余物纖維[2]，用濃度為2%的NaOH溶液處理24h，清洗至中性后烘干；基體膠黏劑由淀粉和聚乙烯醇(PVA)按照一定比例復配而成[3-7]；NaHCO和AC發泡劑按照1：2比例復配[8]，添加適量ZnO作為活化劑；增塑劑選用丙三醇[9-10]，成核劑選用滑石粉[11]，添加適量的VAE乳液作為防潮劑[12]，硼砂作為交聯劑[13]。各原料的配比、含量對材料最終性能起著決定性的作用，通過合理、正確的實驗設計，才能在較短的時間內以相對少的實驗次數得到理想的實驗結果。一般常用的多因素實驗設計方法可以找到最優值[14]，但是不能通過直觀的判別優化區域觀察得到其最優點。因此，本研究通過采用單因素實驗方案確定原料配方的各組分和范圍。

1.2 單因素實驗方案設計

單因素實驗方案設計是指當實驗中存在多個影響因素時，考慮只改變其中某個因素的水平，其它因素均固定在適當的水平，在得到該因素的最優水平范圍之后，再逐步考慮其他因素。這種方法適用于有前期預實驗作為基礎，并且對實驗因素間的交互作用有所考慮的情況，從而避免反復實驗增大工作量、降低實驗的準確性。木質剩余物緩沖材料的原料配方中主要有木質剩余物纖維、淀粉/PVA基體膠黏劑、發泡劑和增塑劑等，通過單因素實驗分別單獨考察各用量對材料性能的影響。緩沖材料試樣性能的評價主要以觀測其成型效果為主。

2 單因素實驗過程與結果討論

2.1 木質剩余物纖維用量的確定

通過添加不同量的木質剩余物纖維，將原料配方中其他組分維持在一定水平，按每個編號的原料配方制備5個試樣，考察木纖維含量對材料性能的影響。單因素實驗一的原料配方和試樣成型效果見表1。

表1 單因素實驗一的原料配方及試樣成型效果

實驗結果表明，木纖維含量過高或者過低都會影響材料的成型效果。木纖維含量較低時，發泡材料容易形成比較明顯的分層，含量過低時，表面甚至形成塌陷。隨著木纖維含量的增加，材料的表面質量逐步得到改善。這是因為木纖維在體系中起支撐基體和增強結構的作用，在模壓升溫過程中還可作為成核劑均勻分散在體系內，有利于捕捉更多氣體進而形成開放或閉合的泡孔，從而使單位面積內的泡孔個數增加，提高整體的泡孔密度，減小泡孔的平均尺寸。但是木纖維含量過高容易導致體系粘度過大，反而阻礙氣泡的生成，導致成型效果變差。因此，本研究用的木纖維含量在32～36 g之間，分為3個水平，即32、34和36 g。

2.2 淀粉/PVA比例的確定

淀粉和PVA作為緩沖材料基體膠黏劑的主要原料，其比例對材料成型起著重要作用。將原料配方中其他組分維持在一定水平，通過配制不同比例的淀粉/PVA膠黏劑，按每個編號的配方制備5個試樣，考察其對材料性能的影響。單因素實驗二的原料配方和試樣成型效果見表2。

表2 單因素實驗二的原料配方及試樣成型效果

基體膠黏劑將木纖維通過粘結作用粘合到一起，在體系發泡過程中保住氣泡并形成穩定的泡孔結構。這就要求其本身需要具有一定的強度，同時能提供一定的緩沖性能。結果表明，只添加預糊化淀粉而不添加PVA時制備得到的材料成型效果很差，由于淀粉的凝膠化作用導致材料變硬甚至產生中空塌陷。PVA在基體膠黏劑的彈性體系中作為骨架起支撐作用，但含量過高的時候容易在失水固化后增加纖維本身的強度從而造成材料彈性變差。因此，本研究用淀粉/PVA復配膠黏劑的比例在1∶1和3∶1之間，分為3個水平，即1∶1、2∶1和3∶1。

2.3 發泡劑用量的確定

發泡劑的用量決定了發氣量的多少，進而決定了緩沖材料的內部結構。將原料配方中其他組分維持在一定水平，通過添加不同量的發泡劑，按每個編號的配方制備5個試樣，考察其對材料性能的影響。單因素實驗三的原料配方和試樣成型效果見表3。

表3 單因素實驗三的原料配方及試樣成型效果

結果表明，發泡劑含量太少，產氣量不足，容易導致材料的硬度偏高，緩沖性能不好。產氣量隨著發泡劑含量的增加而增加，但發氣量過多時會造成氣泡的合并，使結構蓬松甚至整個體系塌陷，材料的緩沖性能反而下降。為降低AC發泡劑分解時的熱效應，減少能量波動對加工工藝造成的不良影響，本研究采用將放熱型發泡劑AC和吸熱型發泡劑NaHCO3按照2∶1的比例進行復配，按用量分為3個水平，即3、5和7 g。

2.4 增塑劑用量的確定

淀粉的分子量大，分子之間親和力強，適當添加增塑劑可明顯降低淀粉分子間的作用力，使材料具有較好的柔韌性和彈性，并且易于成型加工。將原料配方中其他組分維持在一定水平，添加不同量的增塑劑，按每個編號的配方制備5個試樣，考察其對材料性能的影響。單因素實驗四的原料配方和試樣成型效果見表4。

表4 單因素實驗四的原料配方及試樣成型效果

實驗結果表明，當不加入丙三醇或者加入量較少時，材料難以成型。丙三醇含量較低時，得到的材料較脆，并且容易產生翹曲變形。加入適量的丙三醇可以明顯改善材料的表面質量。隨著丙三醇含量的增加，其在混合體系內的分散均勻性更好，可以有效削弱淀粉分子間的作用力，從而使淀粉分子鏈運動變得容易，材料更加柔軟，韌性增強。由于丙三醇具有和淀粉/PVA基體膠黏劑結構相似的羥基，與基體膠黏劑的相容性良好，可以顯著提高材料的回彈性。但當丙三醇的添加量過高時，體系黏度降低，材料偏軟，反而影響整體的抗壓強度。本研究用丙三醇含量為10～20 ml，分為3個水平，即10、15和20 ml。

2.5 成核劑用量的確定

成核劑的加入可以在體系內形成大量的低勢能點[15]，使成核需要克服的自由能壘降低，從而易產生更多的氣泡，增大泡孔密度同時降低泡孔直徑，形成更好的微觀結構。將原料配方中其他組分維持在一定水平，添加不同量的成核劑，按每個編號的配方制備5個試樣，考察其對材料性能的影響。單因素實驗五的原料配方和試樣成型效果見表5。

表5 單因素實驗五的原料配方及試樣成型效果

研究發現，在不加入成核劑或成核劑加入量較少時，體系中的泡孔大小不一且分布不均勻，材料容易產生分層或形成內部空洞。適當增加成核劑的含量，可以顯著增加體系內的成核點數目，泡孔密度也隨之增加，形成均勻分布的泡孔結構[16]。作為不發生實質反應的填料，成核劑滑石粉含量太多時會增加材料的質量導致材料的密度升高。結果表

明，成核劑添加量為5g時材料的整體綜合性能較好。

3 結 論

通過對單因素實驗結果進行分析和討論，確定木纖維含量、淀粉/PVA比例、發泡劑含量和增塑劑含量是影響材料分層程度、發泡程度、硬度、彈性及表面質量的4個主要因素。通過單因素實驗得出各組分的合理用量水平分別為：木纖維32、34、36 g，淀粉/PVA比例1∶1、2∶1和3∶1，發泡劑3、5和7 g，丙三醇10、15、20 ml，滑石粉5 g。

【參 考 文 獻】

[1]張鳳林.包裝材料發展與環境保護[J].包裝工程，1999，20(4)：52-57.

[2]鄧運紅，趙良知.PVC/木素復合材料擠出發泡的研究進展[J].塑料，2008，37(6)：81-84.

[3]李來丙，龔必珍.聚乙烯醇改性固體淀粉膠黏劑的研制[J].化工生產與技術，2002，9(5)：11-13.

[4]汪勁波，朱新生.聚乙烯醇改性的熱塑性淀粉結構與性能[J].化學工業與工程技術，2006，27(2)：20-23.

[5]黃向紅，劉海飛.玉米淀粉膠粘劑的研究[J].粘接劑，2001，22(4)：15-17.

[6]鄧國宏，余立新，郝繼華，等.聚乙烯醇/二氧化硅共混膜的制備及耐溫、耐溶劑性能研究[J].高分子材料科學與工程，2001，17(6)；122-125.

[7]嚴瑞瑄.水溶性高分子[M].北京：化學工業出版社，1998.

[8]周 瓊，吳俊濤.新型吸-放熱平衡型發泡劑EXOCEROL232的特性研究[J].塑料工業，1999，27(5)：32-35.

[9]周祝波.熱塑性淀粉基生物降解材料的研究[D].北京：北京工商大學，2002：3-5.

[10]張 蒨.改性淀粉/PVA共混物生物降解材料的研究[D].上海：華東理工大學，2004：4-7.

[11]駱光林，裴 璐.紙漿發泡緩沖材料研究[J].包裝工程，2007，28(5)：46-48.

[12]王文婷.VAE乳液研究進展[J].中國膠黏劑，2010，19(8)：59-62.

[13]肖俊芳，肖生苓，高獻策.發泡型植物纖維緩沖包裝材料研究現狀及發展趨勢[J].森林工程，2013，29(2)：62-64.

[14]吳有煒.實驗設計與數據處理[M].蘇州：蘇州大學出版社，2002.

[15]Ramos J，Toriaga A.The challenges of qualifying green packages[J].Advanced Packaging，2005，14(3)：22-25.

[16]王明義，周南橋.成核劑在微孔發泡過程中復合力場下的實驗研究[J].塑料，2007，36(5)：25-29.