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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。发泡石头纸的制备和性能探究-发泡石头纸的制备和性能探究摘要：在石头纸粒料中分别加入0.1%、0.4%和0.7%的AC发泡剂，经过高速冷混、熔融混合后，从挤出机挤出预发泡纸膜，再经过热压使纸膜发泡，冷切后分别制得厚度增加倍率为0.4、0.2和0.8的发泡石头纸。本文通过扫描电镜对发泡石头纸表面结构和横截面结构进行了观察，发现石头纸表面有微孔结构，石头纸内部的微孔结构规整，其孔壁在发泡产生的气体压力下被拉伸，随着发泡剂量的增加这种拉伸现象越明显。发泡石头纸的探究结果表明，发泡石头纸的比重比普通未发泡石头纸减
2、少了16%-30%，石头纸中AC发泡剂的添加量为0.1%时，发泡石头纸的物理性能增强，在AC发泡剂的添加量为0.4%和0.7%时，其物理性能有所下降。关键词发泡；石头纸；微孔结构；包装材料TheResearchonTheFoamingSyntheticPaperAbstract:AddingthepelletsoftheSytheticPaperwiththeACblowingagentof0.1%,0.4%and0.7%,afterhigh-speedcoolingmixing,meltingandmixture,wecangetthepaperfilmfromthepre-foaminge
3、xtruder,andthenafterpressingthesendZhimobubbleandpost-cold-cutwecangetthefoamSytheticPaperwhichhastheincreaseratiosinthicknessare0.4,0.2and0.8.Weobservethesurfaceandthestructureofthecross-sectionofthefoamSytheticPaperbyscanningelectronmicroscopyinthispaper,andwefindthatthereareporousstructuresonthef
4、aceofthefoamSytheticPaper.TheporousstructureswithinthefoamSytheticPaperisregulararrangedandtheporewallsofwhichisstretchedunderthepressuregeneratedwhenitwasfoamed,Moreover,themoretheblowingagentadded,themoreobviousthematerialisstretched.theResultsshowthattheproportionofthefoamSytheticPaperis16%to30%l
5、ighterthantheaverageSytheticPaperthatisnotfoamed.WhentheACblowingagentadditionis0.1%,thephysicalperformanceofthefoamSytheticPaperisenhanced.However,whentheadditionsoftheACblowingagentare0.4%and0.7%,itsphysicalpropertieswillexperiencesomedecline.Keywords：SytheticPaper;foam;porousstructure;packagingma
6、terials.引言:随着全球低碳环保意识的不断增强，人们越来越多的致力于研究开发绿色环保材料，石头纸作为一种新型环保合成纸在国内外逐渐受到了重视和发展。石头纸的主要原料为大量石头粉、少量树脂以及一些助剂。再由这些主要原料经过混炼、改性、造粒、挤出、拉伸等工艺即可制成石头纸。石头纸具有的抗张强度大、耐折耐破性能好、撕裂强度高；耐水、耐油、耐化学品性能突出；不易老化、不怕虫蛀等优良的性能都决定了石头纸在包装材料领域拥有较为广阔的应用空间1。目前市场上已经投产并推广使用石头纸，其在新闻出版领域、文化用纸、地图、墙纸等方面得到了较好的应用，但是根据生产厂家的分析，目前石头纸的重量比普通植物纤维纸大3
7、0%50%2，这在很大程度上限制了石头纸的应用范围。本文为了克服石头纸比重大的问题，结合石头纸树脂成分具有发泡的特性，提出以发泡技术来降低石头纸比重的方法，通过制备发泡石头纸，并对其微观结构进行观察，同时检测其抗张强度的变化来探究发泡工艺对石头纸物理性能带来的改变。1发泡石头纸的制备原理石头纸含有大量的石头粉和一定量的树脂，其中树脂的重量比例为18%-28%。石头纸在微观上是由石头纸粉微颗粒填充在树脂网状微孔结构形成的，其表面是由是由石头纸微颗粒嵌合在树脂中形成的致密层。石头纸中树脂成分和微观结构，在一定程度上能够为发泡剂发泡生成的气体提供包裹层和束缚力，控制发泡剂的发泡温度高于石头纸的挤出温
8、度，避免发泡剂在挤出时因快速大量发泡失效。在挤出石头纸的预发泡纸膜后，对纸膜进行快速高温发泡，并施加一定的压力减小石头纸的热收缩变形，从而在石头纸内层形成微孔结构，制成发泡石头纸。制备过程中选用AC作为体系的发泡剂，AC是目前应用最为广泛的化学发泡剂之一，具有放热强、突发性强、分解速度快等特点3。2发泡石头纸的制备过程本文提及的发泡石头纸的制备是在江西蔡氏石头造纸机械设备有限公司完成。首先由73%重量份的碳酸钙、25%重量份的聚乙烯和2%重量份的助剂（主要包括偶联剂、分散剂、抗氧剂、增白剂和抗静电剂等）经混炼改性后制成石头纸粒料，然后将0.1%重量份AC发泡剂（偶氮二甲酰胺）和0.25%的发泡
9、助剂助剂（主要包括成核剂、分散剂、稳定剂、降温助剂等）或者0.4%重量份AC发泡剂和1%的发泡助剂或者0.7%重量份的AC发泡剂和2%的发泡助剂分别与石头纸粒料在高速冷混机上进行混合，分别制得三种原料组合的待发泡材料。将上述三种待发泡材料分别放入单螺旋杆挤出机中进行熔融混合，然后从T型模头中挤出预发泡纸膜，其中挤出机和模头的温度控制在160-180。通过控制牵引辊之间的速度差，对预发泡纸膜进行两倍左右的纵向拉伸，然后通过预热辊和热压辊进行发泡，其中预热辊的温度控制在140-160，热压辊的温度控制在180-210，泡孔的形成经过成核、生长和定型的步骤，在生长过程中当泡孔内外压力相等时，泡孔停止
10、生长并定型，从而得到微孔发泡材料47。并根据纸的厚度调节热压辊之间的间隙，以调节热压辊对石头纸施加的压力大小，发泡后的石头纸经过冷却、定型、切边、收卷分别制成含有三种不同发泡量的发泡石头纸。3发泡石头纸的微观结构观察分别将AC发泡剂的加入量为0%、0.1%、0.4%、0.7%的发泡石头纸样品在武汉大学测试中心扫描电镜实验室用的荷兰FEI公司生产的型号为Quanta200的扫描电镜做试验，对三种发泡石头纸的表面和横截面分别进行电镜扫描，观察其微观结构。3.1发泡石头纸的截面微观结构图3.1发泡石头纸横截面放大1200倍的观察效果Figure3.1observationofthecross-sec
11、tionoffoamSytheticpaperwith1200timesmagnification在图3.1发泡石头纸横截面放大1200倍的观察效果中，a、b、c、d图依次表示AC发泡剂的加入量为0%、0.1%、0.4%、0.7%的发泡石头纸。观察4张电镜图可以看出：（1）石头纸主要是由颗粒状的碳酸钙和成网状微孔结构的聚乙烯树脂构成；（2）随着AC发泡剂添加量的增大，石头纸中的聚乙烯树脂网状纤维在排列方向从排列散乱逐渐趋于排列一致，这说明发泡后石头纸在垂直于纸表面方向上受到拉伸作用，即是由发泡剂受热分解生成的气体产生的气压膨胀作用而导致的；（3）石头纸经过发泡后，纤维整体排列规整，但随着发泡剂
12、添加比例的增大，纤维的排列结构也更加松散。当发泡剂添加比量从0.1增加到0.7时，石头纸材料中的聚乙烯纤维之间的间隙从1-2um增加到了10-20um，平均纤维间隙增大了10倍左右。聚乙烯树脂纤维之间的空隙之所以增大，是因为发泡产生的气压逐渐增大，不仅在垂直纸面方向上有膨胀作用，在平行纸面方向也有膨胀作用，这种作用随着气压的增大而越加明显，也导致纤维之间的间隙增大。（4）随着发泡剂添加量从0增加至0.7，石头纸中的聚乙烯纤维宽度从20-40um减小到2-8um，平均缩小到原来的1/10到1/5左右。这主要是由于随着发泡剂量的增大，产生的气体量增大，相应的气压也随着增大，聚乙烯树脂网状结构在垂直
13、于纸面结构的方向上拉伸程度也逐渐增大，导致聚乙烯树脂纤维被逐渐拉细。图3.2发泡石头纸横截面放大300倍的观察效果Figure2observationofthecross-sectionoffoamSytheticpaperwithmagnificationof300times在图3.2中，e、f、g依次表示AC发泡剂的加入量为0.1%、0.4%、0.7%的发泡石头纸。观察3张电镜图可以看出：（1）发泡后的石头纸中的聚乙烯树脂纤维网状结构在发泡气体产生的气压下出现被拉断的现象，而且随着发泡量的增大，这种纤维网状结构被拉断的现象越加明显；（2）随着发泡剂添加比例的增加，发泡石头纸材料横截面上纤维
14、断裂率逐渐增加。以上3张电镜图中都存在白色的浪花状区域，该区域亮度较高，实际上是发泡石头纸材料中的聚乙烯纤维在泡孔膨胀过程中受力而产生的断口。而图3.2e中白色的断口区域约占材料总横截面积的10%左右，图3.2f中白色的断口区域约占材料总横截面积30%左右，图3.2g中白色的断口区域约占材料总横截面积的50%左右。3.2发泡石头纸的表面结构图3.3发泡石头纸表面结构效果图Figure3,observationofthesurfaceapparentoffoamSytheticpaper在图3.3中，图h为AC添加量为0%放大300倍表面结构图、图L为AC添加量为0.1%放大2500倍表面结构图
15、、图j为AC含量为0.4%放大80倍、图i为AC含量为0.4%放大600倍、图k为AC含量为0.7%放大80倍、图m为AC含量为0.7%放大600倍的石头纸材料表面观察效果。从以上6张电镜扫描图片中可以得出以下结论:（1）发泡后的石头纸表面产生了一定量的微孔结构，这些微孔均为开孔结构，孔径大小都在200um-500um范围内。（2）随着AC发泡剂添加量的增大，发泡石头纸表面上的微孔数量有所上升，而且微孔的大小也随之增大。发泡石头纸表面的微孔结构不规整，有微孔合并的情况出现，这可能是因为发泡剂用量过多，体系的交联与发泡不匹配，气泡膨胀过快冲破泡孔壁所致8。（3）发泡石头纸表面产生的微孔，可能会导
16、致石头纸表面出现针孔，这不利于石头纸完好的表面性能。但是这些微孔结构也有一定的好处，例如可以增强石头纸表面涂布物质的附着作用，而且发泡石头纸表面出现的这些微孔,也可以增加石头纸内部与氧气的接触面9,这就有利于石头纸在自然环境下加速降解。4发泡石头纸的物理性能检测和分析4.1发泡石头纸的厚度利用50分度的千分尺，分别对AC发泡剂添加量为0.1%、0.4%、0.7%的发泡石头纸和未发泡石头纸取样测量厚度，处理后的数据如表4.1。表4.1不同AC发泡剂添加量的发泡石头纸和未发泡石头纸的厚度数据表AC发泡剂添加量未发泡石头纸平均厚度/发泡后石头纸的平均厚度/发泡后石头纸厚度增加的百分比0.7%0.66
17、31.22980%0.4%0.5190.62120%0.1%0.4920.68940%从表中的数据可以看出,石头纸在发泡后,其厚度均有明显的增加。随着发泡剂添加量的增加，发泡石头纸的厚度增加的倍率不是按照成正比例的关系增加，而是先下降后上升。导致这种现象的原因可能是在制备发泡石头纸时，发泡剂的反应温度没有控制妥当，如温度偏低,使得发泡剂未完全发泡。石头纸的发泡是一种微发泡，在生产过程中能够通过控制发泡温度，从而控制发泡石头纸的厚度。从本试验数据来看，发泡石头纸的厚度增加倍率在20%-40%，在单位面积重量未改变的条件下，与同等厚度和相同配方的未发泡石头纸相比，发泡石头纸的比重减小到原来的1/1
18、.4-1/1.2，即比重减小了16%-30%。4.2发泡石头纸的拉伸强度、断裂伸长率和抗张强度分析本试验采用GBH电子拉力试验机（广州标际包装设备有限公司）,按GB/T1040-1992进行测试。分别取AC发泡剂添加量为0.1%、0.4%、0.7%制得的发泡石头纸，沿纵横向切取宽度为100.1与长度为100.1的式样若干片，在标准温、湿度（23、50%RH）条件下，处理至平衡。根据试验测得数据将试验结果整理如下图所示：图4.1发泡石头纸横、纵向平均拉伸强度折线图Figure4.1thetransverseandlongitudinalaveragetensilestrengthlinechar
19、toffoamSytheticpaper图4.2发泡石头纸横、纵向平均断裂伸长率折线图Figure4.2theverticalandtheaverageelongationlinechartffoamSytheticpaper图4.3发泡石头纸横纵向拉伸强度相对比例柱形图Figure4.3thetransverseandlongitudinalpullingstrengthrelativeproportionbarchartsofthefoamstonepaper图4.4发泡石头纸横纵向抗张强度折线图Figure4.4thetransverseandlongitudinaltensilestr
20、engthlinechartofthefoamSytheticpaper结合图4.1、图4.2、图4.3和图4.4，对发泡石头纸进行客观的物理力学性能分析发现发泡石头纸的力学性能随着AC发泡剂的添加量不同而产生明显的变化。当AC发泡剂的添加量为0.1%时，发泡石头纸的拉伸强度比普通未发泡的石头纸的拉伸强度要有所增强。从发泡石头纸的微观结构来看，0.1%的AC发泡剂添加量的石头纸在进行发泡时，内部产生气体膨胀压，该气压对石头纸内部网状结构产生了拉伸作用，在一定程度上使得聚乙烯树脂分子排列趋向更加规整，增加了石头纸在这个方向上的结晶度，强度随之增加。但由于这种分子取向更多是在一个方向上的，而在另一
21、个方向上的拉伸强度相对增加较少，从图4.3可以看出这种横纵向拉伸强度差异率有所增大。当AC发泡剂的添加量为0.4%和0.7%时，发泡石头纸的拉伸强度与抗张强度有明显的下降，断裂伸长率也有较大的下降，特别是0.4%的下降程度比较大。从制备方法分析,未做双向拉伸10的发泡后石头纸，与经过拉伸处理的未发泡石头纸相比其抗拉强度会有所下降。结合前面的发泡石头纸的微观结构分析也可以看出，当发泡剂的添加量为0.4%与0.7%时，发泡后的网状结构纤维中有30%-50%被发泡产生的气压拉断，这在一定程度上损坏了石头纸的内部微观结构，降低了发泡石头纸的拉伸强度和断裂伸长率。又由于AC发泡剂添加量为0.4%时，发泡
22、剂没有达到完全发泡，导致石头纸中残留部分发泡剂，而且发泡剂未经表面改性，其与树脂之间的结合力较低，这也降低了发泡石头纸的拉伸强度。除此之外，发泡后的石头纸内部也出现了较多的空洞。在对发泡石头纸进行拉伸试验时，石头纸内孔洞的存在，就会使石头纸内在孔洞与孔洞之间的连接处产生应力集中11，从而导致发泡石头纸更容易被拉断，这也是造成发泡石头纸力学性能下降的重要原因。并且发泡剂添加越多，产生的气泡越多，发生应力集中的地方也就越大，相对应的力学性能也就下降得越多。5结果与讨论通过造粒、高速冷混、挤出热压发泡而制备的发泡石头纸内部结构规则，形成的微孔分布比较均匀，石头纸的比重下降，但是发泡后的石头纸表面也产
23、生了微孔。发泡剂的加入量和发泡产生的的气体量大小，对发泡后的石头纸的物理性能会产生不同的影响。发泡剂的添加量和发泡量的大小低于一定的量时，发泡石头纸的物理性能可以得到提升，当超过这个量时，发泡石头纸的物理性能会下降。发泡技术带来的石头纸比重的下降，克服了当前国内石头纸比重较大的缺点，对于拓宽石头纸的应用范围有很重大而深远的意义。对于石头纸作为包装材料的应用，这会大大降低包装的制造成本和运输成本；对于石头纸在新闻出版方面的应用，这会给读者的携带石头纸带来极大的方面。发泡石头纸在本质上是用发泡产生的气体来代替石头纸中的填充料，因此，石头纸发泡技术也是降低石头纸生产成本的技术。如何利用发泡石头纸比重
24、减小的优点，改善和利用发泡石头纸表面的微孔结构，并达到与发泡石头纸的物理性能平衡，以最大化利用发泡石头纸的综合性能，将是发泡石头纸应用推广的关键。对此，笔者将做进一步的研究和探讨。参考文献1林一亭,石头造纸传统造纸技术的重大突破J.华东纸业,2010.2俞达,合成纸的开发与生产.浙江大学.今日科技.1995,033敖欢，刘廷华木塑复合材料发泡成型技术研究进展J塑料工业，2005。33(9)：144WANGD，JIANGW，GAOH，etal.Preparation，characterization，andmechanicalpropertiesofmicrocellularpoly(aryle
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