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?工藝因素對(duì)植物纖維活性發(fā)泡材料表面張力的影響
來(lái)源: 瀏覽 39 次 發(fā)布時(shí)間:2025-11-11
摘要
本研究系統(tǒng)探討了植物纖維含量、聚醚F127添加量及聚乙烯醇(PVA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物纖維活性發(fā)泡材料表面張力的影響規(guī)律。通過(guò)表面張力測(cè)定、發(fā)泡性能分析及微觀結(jié)構(gòu)表征,發(fā)現(xiàn)F127作為表面活性劑可顯著降低體系表面張力,且在臨界膠束濃度(CMC)時(shí)達(dá)到最低值。當(dāng)F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),體系表面張力最低(15.8 mN/m),此時(shí)發(fā)泡倍率、孔隙率及回彈率均達(dá)到最佳值。植物纖維含量增加導(dǎo)致體系黏度增大,抑制了氣泡形成,而PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加則通過(guò)增強(qiáng)纖維間氫鍵作用間接影響表面張力。本研究為優(yōu)化植物纖維發(fā)泡材料的表面張力控制及發(fā)泡工藝提供了理論依據(jù)。
1引言
隨著"雙碳"戰(zhàn)略的深入推進(jìn),開(kāi)發(fā)環(huán)保型緩沖包裝材料已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。植物纖維發(fā)泡材料因其可再生、可降解、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),逐漸成為傳統(tǒng)石油基泡沫材料的替代品。然而,植物纖維發(fā)泡材料的性能很大程度上取決于發(fā)泡工藝,其中表面張力是影響發(fā)泡效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。
表面張力是液體表面分子間相互作用力的表現(xiàn),對(duì)氣泡的形成、穩(wěn)定性和分布具有決定性影響。在發(fā)泡過(guò)程中,較低的表面張力有助于氣泡的形成和穩(wěn)定,減少氣泡破裂,從而提高發(fā)泡倍率和孔隙率。研究表明,表面活性劑通過(guò)降低體系表面張力,可有效改善發(fā)泡性能。聚醚F127(PEO99-PPO65-PEO99)作為一種非離子型表面活性劑,具有良好的表面活性和乳化能力,已被廣泛應(yīng)用于發(fā)泡材料的制備。
目前,關(guān)于植物纖維發(fā)泡材料表面張力的研究較為有限,尤其是針對(duì)不同工藝因素對(duì)表面張力影響的系統(tǒng)性研究。本文以闊葉木纖維和PVA為原料,利用F127活性發(fā)泡工藝,系統(tǒng)研究了纖維含量、F127添加量及PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物纖維活性發(fā)泡材料表面張力的影響規(guī)律,為優(yōu)化發(fā)泡工藝提供理論依據(jù)。
2實(shí)驗(yàn)方法
2.1材料與試劑
主要材料:闊葉木纖維(大連揚(yáng)潤(rùn)貿(mào)易有限公司)、聚乙烯醇PVA1788(羅恩試劑廠)、聚醚F127(山東科源生化有限公司)。
2.2植物纖維發(fā)泡材料的制備
將375 g木纖維漿板泡入23 L去離子水中12 h,使用瓦力打漿機(jī)細(xì)化30 min,得到打漿度(°SR)為20的闊葉木纖維。將纖維與PVA、F127按不同比例混合,加入去離子水形成懸浮液。將懸浮液在5000 r/min下高速分散10 min,隨后倒入帶有100目篩網(wǎng)的模具中排水12 h,脫模后在100℃干燥12 h,獲得植物纖維發(fā)泡材料。
2.3表面張力測(cè)定
采用芬蘭Kibron公司生產(chǎn)的便攜式表面張力儀測(cè)定懸浮液的表面張力。將Wilhelmy板浸入懸浮液中,通過(guò)精密電子天平測(cè)量板的受力,根據(jù)公式計(jì)算表面張力:
γ=F/4l
其中,γ為表面張力(mN/m),F(xiàn)為測(cè)得的力(N),l為板的周長(zhǎng)(m)。
2.4發(fā)泡性能測(cè)試
發(fā)泡倍率、孔隙率、排液率等發(fā)泡性能參數(shù)按文中所述方法測(cè)定。
3結(jié)果與討論
3.1 F127添加量對(duì)表面張力的影響
隨著F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到2.5%,體系表面張力從45.3 mN/m顯著降低至15.8 mN/m,降幅達(dá)65.1%。當(dāng)F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2.5%后,表面張力開(kāi)始緩慢上升,至5%時(shí)表面張力為18.7 mN/m。
F127作為非離子型表面活性劑,其分子結(jié)構(gòu)中含有親水的聚氧乙烯(PEO)鏈和疏水的聚氧丙烯(PPO)鏈。在水中,F(xiàn)127分子會(huì)自發(fā)聚集形成膠束,當(dāng)F127濃度達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)時(shí),表面張力達(dá)到最低值。本研究中F127的CMC約為2.0%,與文獻(xiàn)報(bào)道的F127在水中的CMC(1.8-2.2%)基本一致。
表面張力的降低有助于氣泡的形成和穩(wěn)定。當(dāng)表面張力較低時(shí),氣泡在形成過(guò)程中所需的能量較小,氣泡更容易穩(wěn)定存在,從而提高發(fā)泡倍率和孔隙率。當(dāng)F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),發(fā)泡倍率達(dá)到最高值(5.8倍),孔隙率(82.3%)和回彈率(85.6%)也達(dá)到最佳,與表面張力最低點(diǎn)相吻合。
3.2植物纖維含量對(duì)表面張力的影響
隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增加到6%,體系表面張力從38.6 mN/m逐漸增加至47.2 mN/m。
纖維含量增加導(dǎo)致體系黏度增大,阻礙了F127分子在界面的吸附和排列,從而降低了F127降低表面張力的效果。同時(shí),纖維表面富含羥基(-OH),這些親水基團(tuán)與水分子形成氫鍵,增加了體系的內(nèi)聚力,導(dǎo)致表面張力上升。
表面張力的增加不利于氣泡的形成和穩(wěn)定。隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,發(fā)泡倍率從5.2倍降至3.8倍,孔隙率從78.5%降至62.3%,表明高纖維含量下發(fā)泡性能顯著下降。
3.3 PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)表面張力的影響
隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%,體系表面張力從41.2 mN/m逐漸增加至46.5 mN/m。
PVA是一種水溶性聚合物,具有良好的成膜性和粘結(jié)性。當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí),其在水溶液中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了體系的黏度,阻礙了F127分子在界面的吸附,從而降低了F127降低表面張力的效果。此外,PVA分子中的羥基與水分子形成氫鍵,增加了體系的內(nèi)聚力,導(dǎo)致表面張力上升。
表面張力的增加與發(fā)泡性能的下降呈正相關(guān)。隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,發(fā)泡倍率從5.5倍降至4.1倍,孔隙率從80.2%降至65.8%,表明高PVA含量不利于發(fā)泡。
3.4表面張力與發(fā)泡性能的關(guān)系
表面張力與發(fā)泡倍率、孔隙率的關(guān)系:表面張力與發(fā)泡倍率呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.93),與孔隙率也呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.89)。這表明較低的表面張力有利于提高發(fā)泡倍率和孔隙率。
表面張力降低導(dǎo)致氣泡形成所需的能量減小,氣泡更容易穩(wěn)定存在。同時(shí),較低的表面張力使氣泡間液膜更穩(wěn)定,減少了氣泡破裂的概率,從而提高了孔隙率和發(fā)泡倍率。此外,較低的表面張力有助于形成更均勻、更小的泡孔,F(xiàn)127質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),泡孔尺寸最小(平均直徑為125μm),泡孔分布最均勻。
4結(jié)論
本研究系統(tǒng)探討了工藝因素對(duì)植物纖維活性發(fā)泡材料表面張力的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:
1.F127作為表面活性劑可顯著降低體系表面張力,其臨界膠束濃度(CMC)約為2.0%,此時(shí)表面張力最低(15.8 mN/m),發(fā)泡倍率(5.8倍)、孔隙率(82.3%)和回彈率(85.6%)均達(dá)到最佳。
2.植物纖維含量增加導(dǎo)致體系黏度增大,阻礙了F127分子在界面的吸附,使表面張力上升,不利于發(fā)泡。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增加到6%時(shí),表面張力從38.6 mN/m增加至47.2 mN/m。
3.PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致體系黏度增大,同時(shí)PVA分子中的羥基增強(qiáng)了水分子間的氫鍵作用,使表面張力上升。當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%時(shí),表面張力從41.2 mN/m增加至46.5 mN/m。
4.表面張力與發(fā)泡倍率、孔隙率呈顯著負(fù)相關(guān),較低的表面張力有利于提高發(fā)泡性能。
基于以上研究,建議在植物纖維活性發(fā)泡材料制備中,將F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.0%左右,以獲得最佳的表面張力和發(fā)泡性能。同時(shí),應(yīng)控制植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%左右,PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%左右,以平衡表面張力、發(fā)泡性能和力學(xué)性能。





