纸蜂窝废料的再生利用及其性能优化

    周洋 张新昌

    

    

    

    

摘 ?????要： 探究一种纸蜂窝废料回收工艺方案，并优化材料性能。首先对胶黏剂进行复配，然后在纸蜂窝废料中加入复配后胶黏剂、聚乙烯醇液与丙三醇，通过正交试验制备试样，对试样弹性比能、弯曲强度、残余应变进行测试并分析，筛选出优良配方。结果表明，用氧化淀粉液改性聚乙酸乙烯酯乳剂，加入比为6∶10，并对其进行乙酰化，胶黏剂黏度达到最高值7.9 Pa·s，体系流动性较好，无分层现象。当施胶比为3∶10，聚乙烯醇液与丙三醇添加量分别为15、3 g时，弹性比能为1.527 J ·?cm-3，弯曲强度为46.307 MPa，残余应变为52%，试样综合性能评分最高分，性能最佳。

关 ?键 ?词：纸蜂窩废料;再生利用;热压;优化性能

中图分类号：TS 206.4???????文献标识码：?A ??????文章编号：1671-0460（2020）01-0095-04

    Recycling of Paper Honeycomb Waste and Its Property Optimization

    ZHOU?Yang1，ZHANG?Xin-chang1，2

    （1. Jiangnan University，Jiangsu Wuxi 214122，China;

    2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment Technology，Jiangsu Wuxi 214122，China）

Abstract： A recycling process of paper honeycomb waste was explored，and material properties were optimized. Firstly，the adhesive was?compounded and modified，and then the compounded adhesive，polyvinyl alcohol and glycerin?were?added to the paper honeycomb waste?to prepare the sample by orthogonal test，and the elastic specific energy，bending strength and residual strain of the sample were tested and analyzed. And the optimal formula?was screened. The results showed that after the polyvinyl acetate adhesive was modified with oxidized starch?by?the addition ratio of?6∶10，and the acetylation，its viscosity reached the highest value of 7.9?Pa·s，and the fluidity of the system was good without delamination phenomenon. When the sizing ratio was?3∶10，the polyvinyl alcohol and glycerol were?15 and 3?g respectively，the elastic specific energy of prepared sample was?1.527?J· cm-3，the bending strength?was?46.307?MPa，and the residual strain was?52%，so the sample performance score was?up to 82.1 points and the performance was?the best.

Key words：?Paper honeycomb waste;?Recycling; Hot pressing; Property?optimization

    纸蜂窝材料具有质量轻、制作成本低、强度高、隔热吸音等诸多优异性能，在包装与运输行业中有着广泛应用，为理想的新型绿色包装材料之一[1-3]。由于纸蜂窝材料结构局限性，在加工时会产生很多边角料，废料率高达12%以上，寻找一种有效的回收处理方式是当务之急。目前采取压缩打包、回收制浆的废纸处理方式，不仅效率低、效益差，也会带来一定的污染[5，6]。欧美及日本等发达国家选择添加一定化学试剂后模压成型[7，8]，用于小型家电及电子产品的包装，初具成效。将其打浆加入助剂制作再生材料也是近年来的趋势[9-11]，许多学者探讨了各种加工工艺?[12-14]。以废纸为主要原料制作的包装材料缓解了可再生能源迫切的要求，但纸浆经过二次、多次打浆后，纸纤维强度下降。且这些制品工艺复杂、生产效率低、性能方面有所欠缺，市场竞争力不高，寻找其他工艺方案是改善问题的有效措施。本文在纸蜂窝废料预处理过程不采取打浆工艺，而是将其按照一定尺寸切割，保持其原有材料的蜂窝结构。并将氧化淀粉液与聚乙酸乙烯酯乳液复配作为胶黏剂，添加聚乙烯醇液和丙三醇，制作生物质再生蜂窝材料，为纸蜂窝废料的再生利用提供了一种新思路与方式。

    1 ?实验部分

1.1 ?实验材料

    纸蜂窝废料，厚30 mm，某公司提供;聚乙酸乙烯酯乳剂，固态含量20%，市购;氧化淀粉，自制;聚乙烯醇、丙三醇、液体石蜡，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 ?仪器与设备

    XLB400×400型热压机;THS-AOC-100AS型恒温恒湿箱;LRX PLUS型万能材料试验机;HH-4A型数显恒温水浴锅;NDJ-1旋转型黏度计。

1.3 ?制备方法

    依据《GB/T4857.2-2005》[15]对试样进行温湿度处理，按照预先测量好尺寸（10×10×30 mm3）切割纸蜂窝板废料，尽量保持废料蜂窝结构挺立。将质量分数为30%淀粉液加入反应瓶，加氢氧化钠液调pH至13，加淀粉液量5%过氧化氢（质量分数30%）静置1 h，加盐酸调pH至8，得到氧化淀粉液，将其加入聚乙酸乙烯酯乳液中乙酰化、糊化。称取聚乙烯醇倒入100 mL水中，进行90 ℃水浴溶解。将所有助剂混合，均匀喷洒至100 g废料块上，90 ℃热压15 min，试样厚度控制在25 mm，热压结束后干燥。

    1.4 ?性能测试

    按照《GB/T 11175-2002》[16]测定改性胶黏剂黏度，每个试样测定5次。

    针对缓冲包装材料评价指标较多，如冲击、振动能量的吸收性、回弹性、蠕变性等[17]。试验测试试样弹性比能[18]、抗弯强度[19]、残余应变[20]来反映材料的各项性能指标。

1.5 ?试验设计

    1.5.1 ?胶黏剂的复配

    胶黏剂的性能影响再生蜂窝材料性能，本文主要探究胶黏剂的黏度。聚乙酸乙烯酯乳液是一种用途广、用量大的乳液胶黏剂，它是以水为分散介质进行乳液聚合而得[21]，其成本较高。淀粉作为天然高分子材料，来源广泛，价格低廉，可降解，将其应用到聚合物乳液的改性中。淀粉分子中羟基参与反应，增加乳液黏性。将两者复配，降低生产成本，提高试样环保性。基于上述原因，本文首先探究氧化淀粉液加入量对于复配胶黏剂黏度影响。固定聚乙酸乙烯酯乳液为100?g，向其中添加氧化淀粉液。

    1.5.2 ?配方的正交试验

    聚乙烯醇以水溶液形式使用时对体系有协同黏结作用，可增稠。同时，烷基类软化剂对纸纤维具有较好的软化效果，因此加入丙三醇作为软化剂。通过前期预试验大致确定添加量，在此基础上，设计正交试验研究不同配方对试样性能的影响。基于上述单因素试验研究结果，正交试验设计见表1。

    2 ?结果与讨论

2.1 ?胶黏剂复配

    复配胶黏剂性能测试结果如图1所示。由图1可知，利用氧化淀粉液改性聚乙酸乙烯酯乳液时，胶黏剂黏度呈现先上升后下降的趋势，在氧化淀粉液添加量为0～60 g时，胶黏剂黏度随着氧化淀粉液加入量的提高不断增大。氧化淀粉液添加至60 g时黏度达到最高值7.9 Pa·s。氧化淀粉液添加量为60～80 g时，随着添加量越来越多，胶黏剂黏度呈现下降的趋势，这是由于淀粉的内聚强度比聚乙酸乙烯酯的小。因此氧化淀粉液与聚乙酸乙烯酯复配后糊化可提高胶黏剂黏度，两者最佳配比为6∶10，此时胶黏剂黏度达到最大值7.9 Pa·s。

2.2 ?配方对试样性能的影响及机理分析

    共制作出9块试样，得到9组不同的配方，正交试样结果见表2。

    2.2.1 ?极差分析

    各因素对弹性比能、弯曲强度、残余应变的影响分别如表3、4、5所示。由表3、4分析可得该材料弹性比能影响因素按重要性排序依次为施胶、聚乙烯醇液与丙三醇添加量;该材料弯曲强度影响因素按重要性排序依次为聚乙烯醇液添加量、施胶比、丙三醇添加量。各因素对于弹性比能、试样弯曲强度的影响趋势如图2、3所示。可以看出，弹性比能和弯曲强度都随着施胶比、聚乙烯醇液添加量的增大而增大。這是因为聚乙烯醇是水溶性材料，聚乙烯醇干燥后起到固定纤维的作用。另外糊化淀粉颗粒可插入聚乙烯醇分子链中，提高体系稳定性，因此弹性比能、弯曲强度随之增大。丙三醇的加入对试样弹性比能影响较小，其加入使得试样弯曲强度先减小后增加。丙三醇作为烷基类软化剂有较好软化效果，会减弱体系黏性，所以当丙三酮添加量为5 g时，试样弯曲强度稍有下降。但丙三醇分子中三个-OH可以连接助剂中大分子，增强了整体连接性，因此添加量为7 g时，试样弯曲强度有所提高。

    由表5分析可得该材料残余应变的影响因素按照重要性排序，依次为丙三醇与聚乙烯醇液添加量、施胶比。各因素对于试样残余应变的影响趋势如图4所示。由图可以看出，丙三醇的加入使得试样残余应变先增大后减小。产生上述结果是由于少量丙三醇的加入会软化纸纤维，增加胶黏剂与纸纤维的黏结作用，造成试样回弹性能减小，所以残余应变增大。随着丙三醇含量的增加，其润滑作用减弱系统黏性，因此试样回弹性能增大，残余应变减小。聚乙烯醇液与胶黏剂的加入会增加试样残余应变。这是因为胶黏剂越多，纸蜂窝废料之间粘结越牢固，试样回弹性能减小，残余应变增大。聚乙烯醇液的加入会增加系统的黏性，使得胶黏剂与试样更加充分的连接，因此试样的回弹性能减小，残余应变增大。

    2.2.2 ?方差分析

    由于试样压缩不均匀或者测量不准，性能测试结果可能存在一定误差。所以对实验结果进行方差分析，消除实验误差对分析的偏差。方差分析结果见表6、7、8，F0.05=19，F0.1=9，F0.25=4。由表6分析，因素A和因素B的F值都大于F0.05，因素A和因素B在α=0.05水平上极其显著影响弹性比能，因素C不显著影响此指标，影响程度A>B>C。由表7分析，因素B的F值都大于F0.1，因素B在α=0.1水平上较显著影响弯曲强度;因素A的F值都大于F0.25，因素A在α=0.25水平上显著影响弯曲强度，因素C不显著影响此指标，影响程度B>A>C。由表8分析，因素C的F值大于F0.25，因素C在α=0.25水平上顯著影响残余应变，因素A与因素B不显著影响此指标，影响程度C>B>A。通过以上探讨可知，3个因素影响此材料缓冲性能主次排序结果与极差分析所得结果相同。

    2.2.3 ?综合评分法分析

    为更清晰地对试样的综合性能进行评价，选择公式综合评分法[22]，进行指标的无量纲化。总体上，弹性比能、弯曲强度与残余应变这三个指标都可评价试样性能。经过专家评定，弹性比能加权系数定为0.4，弯曲强度加权系数定为0.4，残余应变加权系数定为0.2，综合评分为各评分之和。根据上述方法进行打分，最终得到综合总分，评定出综合性能最优组，评分结果如表2所示。由表2可以看出第6组评分最高，第四组为A2B3C1，即最优配方为施胶比3∶10，聚乙烯醇液添加量为15 g，丙三醇添加量为3 g。

    3 ?结 论

    本试验探究一种纸蜂窝材料的制备及其性能优化，以纸蜂窝废料为原料，热压工艺为基础，利用正交试验分析影响试样性能的因素。首先复配胶黏剂，测定其黏度得出最佳复配比。然后向纸蜂窝废料中添加胶黏剂、聚乙烯醇液与丙三醇，通过正交试验分析各种助剂对试样弯曲性能、弹性比能与残余应变影响。当氧化淀粉液与聚乙酸乙烯酯乳液比为6∶10，在碱性环境下乙酰化，并进行糊化，胶黏剂达到最佳效果，黏度达到最高值7.9 Pa·s，体系流动性较好，无分层现象。当施胶比3∶10，聚乙烯醇液添加量为15 g，丙三醇添加量为3 g进行热压时，弹性比能为1.527 J·cm-3，弯曲强度为46.307 MPa，残余应变为52%，试样综合性能评分最高，材料性能最佳。其中，通过方差分析与极差分析可得施胶比对于材料弹性比能影响最大，聚乙烯醇液添加量对于材料弯曲性能影响最大，丙三醇对于材料残余应变影响最大。

    本试验方法制作的再生蜂窝材料性能优良，可有效提高纸蜂窝废料的回收利用率，产生较高的经济效益，为纸蜂窝废料的处理提供了一种新思路与新方式。

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