单因素实验设计在缓冲包装材料制备中的应用

孙 源，肖生苓，冯 亮，梁珺钰，田曜瑜

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨150040)

传统的泡沫塑料在生产制造过程中会对大气臭氧层造成很大破坏[1]，并且难以自然降解，导致了严重的“白色污染”，给生态环境造成很大的负面影响。以木质剩余物为主要原料，添加其他相关助剂，采用单因素分析法确定原料配方中各组分适量水平，为木质剩余物缓冲包装材料工业化生产奠定理论基础。

1 单因素实验方案的建立

1.1 单因素实验方案的选定

缓冲包装材料的主要原料为木质剩余物纤维[2]，用浓度为2%的NaOH溶液处理24h，清洗至中性后烘干；基体胶黏剂由淀粉和聚乙烯醇(PVA)按照一定比例复配而成[3-7]；NaHCO和AC发泡剂按照1：2比例复配[8]，添加适量ZnO作为活化剂；增塑剂选用丙三醇[9-10]，成核剂选用滑石粉[11]，添加适量的VAE乳液作为防潮剂[12]，硼砂作为交联剂[13]。各原料的配比、含量对材料最终性能起着决定性的作用，通过合理、正确的实验设计，才能在较短的时间内以相对少的实验次数得到理想的实验结果。一般常用的多因素实验设计方法可以找到最优值[14]，但是不能通过直观的判别优化区域观察得到其最优点。因此，本研究通过采用单因素实验方案确定原料配方的各组分和范围。

1.2 单因素实验方案设计

单因素实验方案设计是指当实验中存在多个影响因素时，考虑只改变其中某个因素的水平，其它因素均固定在适当的水平，在得到该因素的最优水平范围之后，再逐步考虑其他因素。这种方法适用于有前期预实验作为基础，并且对实验因素间的交互作用有所考虑的情况，从而避免反复实验增大工作量、降低实验的准确性。木质剩余物缓冲材料的原料配方中主要有木质剩余物纤维、淀粉/PVA基体胶黏剂、发泡剂和增塑剂等，通过单因素实验分别单独考察各用量对材料性能的影响。缓冲材料试样性能的评价主要以观测其成型效果为主。

2 单因素实验过程与结果讨论

2.1 木质剩余物纤维用量的确定

通过添加不同量的木质剩余物纤维，将原料配方中其他组分维持在一定水平，按每个编号的原料配方制备5个试样，考察木纤维含量对材料性能的影响。单因素实验一的原料配方和试样成型效果见表1。

表1 单因素实验一的原料配方及试样成型效果

实验结果表明，木纤维含量过高或者过低都会影响材料的成型效果。木纤维含量较低时，发泡材料容易形成比较明显的分层，含量过低时，表面甚至形成塌陷。随着木纤维含量的增加，材料的表面质量逐步得到改善。这是因为木纤维在体系中起支撑基体和增强结构的作用，在模压升温过程中还可作为成核剂均匀分散在体系内，有利于捕捉更多气体进而形成开放或闭合的泡孔，从而使单位面积内的泡孔个数增加，提高整体的泡孔密度，减小泡孔的平均尺寸。但是木纤维含量过高容易导致体系粘度过大，反而阻碍气泡的生成，导致成型效果变差。因此，本研究用的木纤维含量在32～36 g之间，分为3个水平，即32、34和36 g。

2.2 淀粉/PVA比例的确定

淀粉和PVA作为缓冲材料基体胶黏剂的主要原料，其比例对材料成型起着重要作用。将原料配方中其他组分维持在一定水平，通过配制不同比例的淀粉/PVA胶黏剂，按每个编号的配方制备5个试样，考察其对材料性能的影响。单因素实验二的原料配方和试样成型效果见表2。

表2 单因素实验二的原料配方及试样成型效果

基体胶黏剂将木纤维通过粘结作用粘合到一起，在体系发泡过程中保住气泡并形成稳定的泡孔结构。这就要求其本身需要具有一定的强度，同时能提供一定的缓冲性能。结果表明，只添加预糊化淀粉而不添加PVA时制备得到的材料成型效果很差，由于淀粉的凝胶化作用导致材料变硬甚至产生中空塌陷。PVA在基体胶黏剂的弹性体系中作为骨架起支撑作用，但含量过高的时候容易在失水固化后增加纤维本身的强度从而造成材料弹性变差。因此，本研究用淀粉/PVA复配胶黏剂的比例在1∶1和3∶1之间，分为3个水平，即1∶1、2∶1和3∶1。

2.3 发泡剂用量的确定

发泡剂的用量决定了发气量的多少，进而决定了缓冲材料的内部结构。将原料配方中其他组分维持在一定水平，通过添加不同量的发泡剂，按每个编号的配方制备5个试样，考察其对材料性能的影响。单因素实验三的原料配方和试样成型效果见表3。

表3 单因素实验三的原料配方及试样成型效果

结果表明，发泡剂含量太少，产气量不足，容易导致材料的硬度偏高，缓冲性能不好。产气量随着发泡剂含量的增加而增加，但发气量过多时会造成气泡的合并，使结构蓬松甚至整个体系塌陷，材料的缓冲性能反而下降。为降低AC发泡剂分解时的热效应，减少能量波动对加工工艺造成的不良影响，本研究采用将放热型发泡剂AC和吸热型发泡剂NaHCO3按照2∶1的比例进行复配，按用量分为3个水平，即3、5和7 g。

2.4 增塑剂用量的确定

淀粉的分子量大，分子之间亲和力强，适当添加增塑剂可明显降低淀粉分子间的作用力，使材料具有较好的柔韧性和弹性，并且易于成型加工。将原料配方中其他组分维持在一定水平，添加不同量的增塑剂，按每个编号的配方制备5个试样，考察其对材料性能的影响。单因素实验四的原料配方和试样成型效果见表4。

表4 单因素实验四的原料配方及试样成型效果

实验结果表明，当不加入丙三醇或者加入量较少时，材料难以成型。丙三醇含量较低时，得到的材料较脆，并且容易产生翘曲变形。加入适量的丙三醇可以明显改善材料的表面质量。随着丙三醇含量的增加，其在混合体系内的分散均匀性更好，可以有效削弱淀粉分子间的作用力，从而使淀粉分子链运动变得容易，材料更加柔软，韧性增强。由于丙三醇具有和淀粉/PVA基体胶黏剂结构相似的羟基，与基体胶黏剂的相容性良好，可以显著提高材料的回弹性。但当丙三醇的添加量过高时，体系黏度降低，材料偏软，反而影响整体的抗压强度。本研究用丙三醇含量为10～20 ml，分为3个水平，即10、15和20 ml。

2.5 成核剂用量的确定

成核剂的加入可以在体系内形成大量的低势能点[15]，使成核需要克服的自由能垒降低，从而易产生更多的气泡，增大泡孔密度同时降低泡孔直径，形成更好的微观结构。将原料配方中其他组分维持在一定水平，添加不同量的成核剂，按每个编号的配方制备5个试样，考察其对材料性能的影响。单因素实验五的原料配方和试样成型效果见表5。

表5 单因素实验五的原料配方及试样成型效果

研究发现，在不加入成核剂或成核剂加入量较少时，体系中的泡孔大小不一且分布不均匀，材料容易产生分层或形成内部空洞。适当增加成核剂的含量，可以显著增加体系内的成核点数目，泡孔密度也随之增加，形成均匀分布的泡孔结构[16]。作为不发生实质反应的填料，成核剂滑石粉含量太多时会增加材料的质量导致材料的密度升高。结果表

明，成核剂添加量为5g时材料的整体综合性能较好。

3 结 论

通过对单因素实验结果进行分析和讨论，确定木纤维含量、淀粉/PVA比例、发泡剂含量和增塑剂含量是影响材料分层程度、发泡程度、硬度、弹性及表面质量的4个主要因素。通过单因素实验得出各组分的合理用量水平分别为：木纤维32、34、36 g，淀粉/PVA比例1∶1、2∶1和3∶1，发泡剂3、5和7 g，丙三醇10、15、20 ml，滑石粉5 g。

【参 考 文 献】

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