發(fā)泡石頭紙的制備和性能探究

1、發(fā)泡石頭紙的制備和性能探究摘 要： 分別加入0.1%、0.4%和0.7%的AC發(fā)泡劑，經(jīng)過高速冷混、熔融混合后，從擠出機(jī)擠出預(yù)發(fā)泡紙膜，再經(jīng)過熱壓使紙膜發(fā)泡，冷切后分別制得厚度增加倍率為0.4、0.2和0.8的發(fā)泡石頭紙。本文通過掃描電鏡對(duì)發(fā)泡石頭紙表面結(jié)構(gòu)和橫截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)石頭紙表面有微孔結(jié)構(gòu)，石頭紙內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)規(guī)整，其孔壁在發(fā)泡產(chǎn)生的氣體壓力下被拉伸，隨著發(fā)泡劑量的增加這種拉伸現(xiàn)象越明顯。發(fā)泡石頭紙的探究結(jié)果表明，發(fā)泡石頭紙的比重比普通未發(fā)泡石頭紙減少了16%-30%關(guān)鍵詞 發(fā)泡；石頭紙；微孔結(jié)構(gòu)；包裝材料引言: 、較為廣闊的應(yīng)用空間。目前市場上已經(jīng)投產(chǎn)并推廣使用石頭紙，其在新

2、聞出版領(lǐng)域、文化用紙、地圖、墻紙等方面得到了較好的應(yīng)用，但是根據(jù)生產(chǎn)廠家的分析，目前石頭紙的重量比普通植物纖維紙大30%50%2，這在很大程度上限制了石頭紙的應(yīng)用范圍。本文為了克服石頭紙比重大的問題，結(jié)合石頭紙樹脂成分具有發(fā)泡的特性，提出以發(fā)泡技術(shù)來降低石頭紙比重的方法，通過制備發(fā)泡石頭紙，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，同時(shí)檢測其抗張強(qiáng)度的變化來探究發(fā)泡工藝對(duì)石頭紙物理性能帶來的改變。1 發(fā)泡石頭紙的制備原理石頭紙含有大量的石頭粉和一定量的樹脂，其中樹脂的重量比例為18%-28%。石頭紙?jiān)谖⒂^上是由石頭紙粉微顆粒填充在樹脂網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)形成的，其表面是由是由石頭紙微顆粒嵌合在樹脂中形成的致密層。石頭紙

3、中樹脂成分和微觀結(jié)構(gòu)，在一定程度上能夠?yàn)榘l(fā)泡劑發(fā)泡生成的氣體提供包裹層和束縛力，控制發(fā)泡劑的發(fā)泡溫度高于石頭紙的擠出溫度，避免發(fā)泡劑在擠出時(shí)因快速大量發(fā)泡失效。在擠出石頭紙的預(yù)發(fā)泡紙膜后，對(duì)紙膜進(jìn)行快速高溫發(fā)泡，并施加一定的壓力減小石頭紙的熱收縮變形，從而在石頭紙內(nèi)層形成微孔結(jié)構(gòu)，制成發(fā)泡石頭紙。制備過程中選用AC作為體系的發(fā)泡劑，AC是目前應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)發(fā)泡劑之一，具有放熱強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)、分解速度快等特點(diǎn)32 發(fā)泡石頭紙的制備過程本文提及的發(fā)泡石頭紙的制備是在江西蔡氏石頭造紙機(jī)械設(shè)備有限公司完成。首先由73%重量份的碳酸鈣、25%重量份的聚乙烯和2%重量份的助劑（主要包括偶聯(lián)劑、分散劑、抗

4、氧劑、增白劑和抗靜電劑等）經(jīng)混煉改性后制成石頭紙粒料，然后將0.1%重量份AC發(fā)泡劑（偶氮二甲酰胺）和0.25%的發(fā)泡助劑助劑（主要包括成核劑、分散劑、穩(wěn)定劑、降溫助劑等）或者0.4%重量份AC發(fā)泡劑和1%的發(fā)泡助劑或者0.7%重量份的AC發(fā)泡劑和2%的發(fā)泡助劑分別與石頭紙粒料在高速冷混機(jī)上進(jìn)行混合，分別制得三種原料組合的待發(fā)泡材料。將上述三種待發(fā)泡材料分別放入單螺旋桿擠出機(jī)中進(jìn)行熔融混合，然后從T型模頭中擠出預(yù)發(fā)泡紙膜，其中擠出機(jī)和模頭的溫度控制在160-180。通過控制牽引輥之間的速度差，對(duì)預(yù)發(fā)泡紙膜進(jìn)行兩倍左右的縱向拉伸，然后通過預(yù)熱輥和熱壓輥進(jìn)行發(fā)泡，其中預(yù)熱輥的溫度控制在140-16

5、0，熱壓輥的溫度控制在180-210，泡孔的形成經(jīng)過成核、生長和定型的步驟，在生長過程中當(dāng)泡孔內(nèi)外壓力相等時(shí)，泡孔停止生長并定型，從而得到微孔發(fā)泡材料4 7。并根據(jù)紙的厚度調(diào)節(jié)熱壓輥之間的間隙，以調(diào)節(jié)熱壓輥對(duì)石頭紙施加的壓力大小，發(fā)泡后的石頭紙經(jīng)過冷卻、定型、切邊、收卷分別制成含有三種不同發(fā)泡量的發(fā)泡石頭紙。3 發(fā)泡石頭紙的微觀結(jié)構(gòu)觀察分別將AC發(fā)泡劑的加入量為0%、0.1%、0.4%、0.7%的發(fā)泡石頭紙樣品在武漢大學(xué)測試中心掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室用的荷蘭FEI公司生產(chǎn)的型號(hào)為Quanta 200的掃描電鏡做試驗(yàn)，對(duì)三種發(fā)泡石頭紙的表面和橫截面分別進(jìn)行電鏡掃描，觀察其微觀結(jié)構(gòu)。3.1 發(fā)泡石頭紙的截

6、面微觀結(jié)構(gòu) 圖3.1發(fā)泡石頭紙橫截面放大1200倍的觀察效果Figure 3.1 observation of the cross-section of foam Sythetic paper with 1200 times magnification 在圖3.1發(fā)泡石頭紙橫截面放大1200倍的觀察效果中，a、b、c、d圖依次表示AC發(fā)泡劑的加入量為0%、0.1%、0.4%、0.7%的發(fā)泡石頭紙。觀察4張電鏡圖可以看出：（1）石頭紙主要是由顆粒狀的碳酸鈣和成網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)的聚乙烯樹脂構(gòu)成；（2）隨著AC發(fā)泡劑添加量的增大，石頭紙中的聚乙烯樹脂網(wǎng)狀纖維在排列方向從排列散亂逐漸趨于排列一致，這說明發(fā)

7、泡后石頭紙?jiān)诖怪庇诩埍砻娣较蛏鲜艿嚼熳饔茫词怯砂l(fā)泡劑受熱分解生成的氣體產(chǎn)生的氣壓膨脹作用而導(dǎo)致的；（3）石頭紙經(jīng)過發(fā)泡后，纖維整體排列規(guī)整，但隨著發(fā)泡劑添加比例的增大，纖維的排列結(jié)構(gòu)也更加松散。當(dāng)發(fā)泡劑添加比量從0.1增加到0.7時(shí)，石頭紙材料中的聚乙烯纖維之間的間隙從1-2um增加到了10-20um，平均纖維間隙增大了10倍左右。聚乙烯樹脂纖維之間的空隙之所以增大，是因?yàn)榘l(fā)泡產(chǎn)生的氣壓逐漸增大，不僅在垂直紙面方向上有膨脹作用，在平行紙面方向也有膨脹作用，這種作用隨著氣壓的增大而越加明顯，也導(dǎo)致纖維之間的間隙增大。（4）隨著發(fā)泡劑添加量從0增加至0.7，石頭紙中的聚乙烯纖維寬度從20-40

8、um減小到2-8um，平均縮小到原來的1/10到1/5左右。這主要是由于隨著發(fā)泡劑量的增大，產(chǎn)生的氣體量增大，相應(yīng)的氣壓也隨著增大，聚乙烯樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在垂直于紙面結(jié)構(gòu)的方向上拉伸程度也逐漸增大，導(dǎo)致聚乙烯樹脂纖維被逐漸拉細(xì)。 圖3.2 發(fā)泡石頭紙橫截面放大300倍的觀察效果Figure 2 observation of the cross-section of foam Sythetic paper with magnification of 300 times在圖3.2中，e、f、g依次表示AC發(fā)泡劑的加入量為0.1%、0.4%、0.7%的發(fā)泡石頭紙。觀察3張電鏡圖可以看出：（1）發(fā)泡后的石

9、頭紙中的聚乙烯樹脂纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在發(fā)泡氣體產(chǎn)生的氣壓下出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象，而且隨著發(fā)泡量的增大，這種纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被拉斷的現(xiàn)象越加明顯；（2）隨著發(fā)泡劑添加比例的增加，發(fā)泡石頭紙材料橫截面上纖維斷裂率逐漸增加。以上3張電鏡圖中都存在白色的浪花狀區(qū)域，該區(qū)域亮度較高，實(shí)際上是發(fā)泡石頭紙材料中的聚乙烯纖維在泡孔膨脹過程中受力而產(chǎn)生的斷口。而圖3.2e中白色的斷口區(qū)域約占材料總橫截面積的10%左右，圖3.2f中白色的斷口區(qū)域約占材料總橫截面積30%左右，圖3.2g中白色的斷口區(qū)域約占材料總橫截面積的50%左右。3.2 發(fā)泡石頭紙的表面結(jié)構(gòu) 圖3.3 發(fā)泡石頭紙表面結(jié)構(gòu)效果圖Figure 3, observ

10、ation of the surface apparent of foam Sythetic paper在圖3.3中， 圖h為AC添加量為0%放大300倍表面結(jié)構(gòu)圖、圖L為AC添加量為0.1%放大2500倍表面結(jié)構(gòu)圖、圖j為AC含量為0.4%放大80倍、圖i為AC含量為0.4%放大600倍、圖k為AC含量為0.7%放大80倍、圖m為AC含量為0.7%放大600倍的石頭紙材料表面觀察效從以上6張電鏡掃描圖片中可以得出以下結(jié)論:面性能。但是這些微孔結(jié)構(gòu)也有一定的好處，例如可以增強(qiáng)石頭紙表面涂布物質(zhì)的附著作用，而且發(fā)泡石頭紙表面出現(xiàn)的這些微孔,4 發(fā)泡石頭紙的物理性能檢測和分析4.1發(fā)泡石頭紙的厚度

11、利用50分度的千分尺，分別對(duì)AC發(fā)泡劑添加量為0.1%、0.4%、0.7%的發(fā)泡石頭紙和未發(fā)泡石頭紙取樣測量厚度，處理后的數(shù)據(jù)如表4.1。表4.1 不同AC發(fā)泡劑添加量的發(fā)泡石頭紙和未發(fā)泡石頭紙的厚度數(shù)據(jù)表AC發(fā)泡劑添加量未發(fā)泡石頭紙平均厚度/發(fā)泡后石頭紙的平均厚度/發(fā)泡后石頭紙厚度增加的百分比0.7%0.6631.22980%0.4%0.5190.62120%0.1%0.4920.68940%從表中的數(shù)據(jù)可以看出,石頭紙?jiān)诎l(fā)泡后,其厚度均有明顯的增加。隨著發(fā)泡劑添加量的增加，發(fā)泡石頭紙的厚度增加的倍率不是按照成正比例的關(guān)系增加，而是先下降后上升。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是在制備發(fā)泡石頭紙時(shí)，發(fā)

12、泡劑的反應(yīng)溫度沒有控制妥當(dāng)，如溫度偏低,使得發(fā)泡劑未完全發(fā)泡。石頭紙的發(fā)泡是一種微發(fā)泡，在生產(chǎn)過程中能夠通過控制發(fā)泡溫度，從而控制發(fā)泡石頭紙的厚度。從本試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，發(fā)泡石頭紙的厚度增加倍率在20%-40%，在單位面積重量未改變的條件下，與同等厚度和相同配方的未發(fā)泡石頭紙相比，發(fā)泡石頭紙的比重減小到原來的1/1.4-1/1.2，即比重減小了16%-30%。4.2 發(fā)泡石頭紙的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和抗張強(qiáng)度分析本試驗(yàn)采用GBH電子拉力試驗(yàn)機(jī)（廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司）, 按GB/T1040-1992進(jìn)行測試。分別取AC發(fā)泡劑添加量為0.1%、0.4%、0.7%制得的發(fā)泡石頭紙，沿縱橫向切取寬度為

13、10±0.1與長度為10±0.1的式樣若干片，在標(biāo)準(zhǔn)溫、濕度（23、50%RH）條件下，處理至平衡。根據(jù)試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)將試驗(yàn)結(jié)果整理如下圖所示：圖4.1 發(fā)泡石頭紙橫、縱向平均拉伸強(qiáng)度折線圖 Figure 4.1 the transverse and longitudinal average tensile strength line chart of foam Sythetic paper圖4.2 發(fā)泡石頭紙橫、縱向平均斷裂伸長率折線圖 Figure 4.2 the vertical and the average elongation line chart f foam

14、Sythetic paper圖4.3 發(fā)泡石頭紙橫縱向拉伸強(qiáng)度相對(duì)比例柱形圖Figure 4.3 the transverse and longitudinal pulling strength relative proportion bar charts of the foam stone paper圖4.4 發(fā)泡石頭紙橫縱向抗張強(qiáng)度折線圖Figure 4.4 the transverse and longitudinal tensile strength line chart of the foam Sythetic paper結(jié)合圖4.1、圖4.2、圖4.3和圖4.4，對(duì)發(fā)泡石頭紙進(jìn)行客

15、觀的物理力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)發(fā)泡石頭紙的力學(xué)性能隨著AC發(fā)泡劑的添加量不同而產(chǎn)生明顯的變化。 當(dāng)AC發(fā)泡劑的添加量為0.1%時(shí)，發(fā)泡石頭紙的拉伸強(qiáng)度比普通未發(fā)泡的石頭紙的拉伸強(qiáng)度要有所增強(qiáng)。從發(fā)泡石頭紙的微觀結(jié)構(gòu)來看，0.1%的AC發(fā)泡劑添加量的石頭紙?jiān)谶M(jìn)行發(fā)泡時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生氣體膨脹壓，該氣壓對(duì)石頭紙內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了拉伸作用，在一定程度上使得聚乙烯樹脂分子排列趨向更加規(guī)整，增加了石頭紙?jiān)谶@個(gè)方向上的結(jié)晶度，強(qiáng)度隨之增加。但由于這種分子取向更多是在一個(gè)方向上的，而在另一個(gè)方向上的拉伸強(qiáng)度相對(duì)增加較少，從圖4.3可以看出這種橫縱向拉伸強(qiáng)度差異率有所增大。當(dāng)AC發(fā)泡劑的添加量為0.4%和0.7%時(shí)，發(fā)泡

16、石頭紙的拉伸強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度有明顯的下降，斷裂伸長率也有較大的下降，特別是0.4%的下降程度比較大。從制備方法分析, 未做雙向拉伸10的發(fā)泡后石頭紙，與經(jīng)過拉伸處理的未發(fā)泡石頭紙相比其抗拉強(qiáng)度會(huì)有所下降。結(jié)合前面的發(fā)泡石頭紙的微觀結(jié)構(gòu)分析也可以看出，當(dāng)發(fā)泡劑的添加量為0.4%與0.7%時(shí)，發(fā)泡后的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)纖維中有30%-50%被發(fā)泡產(chǎn)生的氣壓拉斷，這在一定程度上損壞了石頭紙的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，降低了發(fā)泡石頭紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。又由于AC發(fā)泡劑添加量為0.4%時(shí)，發(fā)泡劑沒有達(dá)到完全發(fā)泡，導(dǎo)致石頭紙中殘留部分發(fā)泡劑，而且發(fā)泡劑未經(jīng)表面改性，其與樹脂之間的結(jié)合力較低，這也降低了發(fā)泡石頭紙的拉伸強(qiáng)度。

17、除此之外，發(fā)泡后的石頭紙內(nèi)部也出現(xiàn)了較多的空洞。在對(duì)發(fā)泡石頭紙進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，石頭紙內(nèi)孔洞的存在，就會(huì)使石頭紙內(nèi)在孔洞與孔洞之間的連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中11，從而導(dǎo)致發(fā)泡石頭紙更容易被拉斷，這也是造成發(fā)泡石頭紙力學(xué)性能下降的重要原因。并且發(fā)泡劑添加越多，產(chǎn)生的氣泡越多，發(fā)生應(yīng)力集中的地方也就越大，相對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能也就下降得越多。5 結(jié)果與討論通過造粒、高速冷混、擠出熱壓發(fā)泡而制備的發(fā)泡石頭紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)則，形成的微孔分布比較均勻，石頭紙的比重下降，但是發(fā)泡后的石頭紙表面也產(chǎn)生了微孔。發(fā)泡劑的加入量和發(fā)泡產(chǎn)生的的氣體量大小，對(duì)發(fā)泡后的石頭紙的物理性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。發(fā)泡劑的添加量和發(fā)泡量的大小低于一

18、定的量時(shí)，發(fā)泡石頭紙的物理性能可以得到提升，當(dāng)超過這個(gè)量時(shí)，發(fā)泡石頭紙的物理性能會(huì)下降。發(fā)泡技術(shù)帶來的石頭紙比重的下降，克服了當(dāng)前國內(nèi)石頭紙比重較大的缺點(diǎn)，對(duì)于拓寬石頭紙的應(yīng)用范圍有很重大而深遠(yuǎn)的意義。對(duì)于石頭紙作為包裝材料的應(yīng)用，這會(huì)大大降低包裝的制造成本和運(yùn)輸成本；對(duì)于石頭紙?jiān)谛侣劤霭娣矫娴膽?yīng)用，這會(huì)給讀者的攜帶石頭紙帶來極大的方面。發(fā)泡石頭紙?jiān)诒举|(zhì)上是用發(fā)泡產(chǎn)生的氣體來代替石頭紙中的填充料，因此，石頭紙發(fā)泡技術(shù)也是降低石頭紙生產(chǎn)成本的技術(shù)。如何利用發(fā)泡石頭紙比重減小的優(yōu)點(diǎn)，改善和利用發(fā)泡石頭紙表面的微孔結(jié)構(gòu)，并達(dá)到與發(fā)泡石頭紙的物理性能平衡，以最大化利用發(fā)泡石頭紙的綜合性能，將是發(fā)泡石頭

19、紙應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。對(duì)此，筆者將做進(jìn)一步的研究和探討。參考文獻(xiàn)1 林一亭,石頭造紙傳統(tǒng)造紙技術(shù)的重大突破J. 華東紙業(yè),2010.2 俞達(dá),合成紙的開發(fā)與生產(chǎn).浙江大學(xué).今日科技.1995,03 WANG D，JIANG W，GAO H，et al. Preparation，characterization，and mechanical properties of microcellular poly( aryl ether ketone) foamsJ. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics，2007，45 ( 2 ) :173 1835 JENKINS M J，HARRISON K L，SILVA M M C G，etal. Characterisation of microcellular foams produced from semi-crystalline PCL using super