植物纤维发泡材料研究进展及缓冲设计应用

张书彬　 杜力　 唐全波

摘要：综述植物纤维发泡材料的研究进展，并设计了一款用于笔记本电脑缓冲包装的植物纤维发泡材料衬垫，为进一步开发植物纤维发泡材料及在电子产品中的应用提供科学的研究基础。研究结果表明，植物纤维发泡材料原料广泛，其缓冲性能的好坏除了与材料的配比有关外，还和成型工艺条件有关。只要设计的缓冲结构合理，植物纤维发泡材料完全能够满足笔记本电脑等电子产品的缓冲包装要求。

關键词：植物纤维发泡材料；研究进展；笔记本电脑；缓冲设计

中图分类号：TB322；S38 文献标识码：A

植物纤维发泡材料是以稻草、麦秆等农作物秸秆，或者草类植物纤维为主要原料，配以一定比例的废纸、淀粉和助剂，经过发泡技术制成的[13]。农作物秸秆来源广泛，成本低廉，但我国农作物秸秆利用率还不到70%[4]，大部分用于焚烧、作肥还田、动物饲料，用作工业原料使用比例很低[5]，用在产品包装上的比例更低。植物纤维发泡材料是可降解材料，研究使用植物纤维发泡材料替代难降解的包装材料意义重大，不仅可以保护我们的生存环境免受污染，还可以通过利用农作物秸秆增加农民的收入。

1 植物纤维发泡材料研究进展

近年来，国内外学者对植物纤维发泡材料进行了研究和探索，主要分为两类，一类是植物纤维为主的发泡材料制备及其性能研究，一类是以塑料材料为主的，植物纤维增强复合材料的性能的研究。

1.1 植物纤维为主的发泡材料

植物纤维发泡材料的原材料取材广泛，研究者选取的原材料种类繁多，如麦秆、玉米秸秆、高粱秸秆、大麻秆芯纤维、椰子纤维、龙舌兰纤维、棉浆粕纤维、果渣、蔗渣、木薯渣等等。胶黏剂能够将相同或者不同的物质结合在一起，还能具有很好的成膜性能，阻止发泡气体逸出的功能。在上述研究中，大都采用聚乙烯醇作为胶黏剂。为了提高植物纤维发泡材料的力学性能和外观性能，可以加入滑石粉或碳酸钙等助剂。发泡技术是制作植物纤维发泡材料成败的关键技术，一般有物理发泡法、化学发泡法和机械发泡法三种。上述学者绝大多数采用化学发泡法，采用的发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵无机发泡剂。将植物纤维原料、胶黏剂、发泡剂、滑石粉等助剂混合，经过一步成型或者二步成型方法，烘烤模压成型。这些研究者通过研究，寻找到各种材料的最佳配比，调整成型工艺条件，如成型温度、压力、时间等等，制作出缓冲性能良好的发泡材料，如解林坤，强明礼等人研究的蔗渣纤维发泡材料近似线弹性材料，何蕊，陈太安等人以麻秆芯为主要原料，制成缓冲性能较好的发泡材料，高德，常江等人以玉米秸秆为主要原料，通过模压成型制成缓冲效果良好的发泡材料。以上研究结果表明，植物纤维发泡材料缓冲性能的好坏除了与材料的配比有关外，还和成型工艺条件有关。

1.2 植物纤维增强塑料发泡材料

Wei Dan Ding， Davoud Jahani等人在聚乳酸（PLA）中加入植物纤维熔融混合，注射成型，制成复合泡沫材料，结果表明植物纤维使得泡沫材料细胞结构更加均匀。王瑜、张萍等人在聚乳酸中加入玉米秸秆纤维，通过偶氮二甲酰胺进行发泡，模压成型制得发泡材料，研究表明植物纤维的加入，改变了气泡泡孔的结构，形成泡孔多而均匀。Rosana Moriana， Francisco Vilaplana 等人在热塑性淀粉基共聚物中加入大麻、红麻等生物纤维，制成复合材料，研究结果表明加入植物纤维可以改进复合材料的热机械性能和力学性能。ShuKai Yeh， ChiaChun Hsieh等人在聚丙烯基体中加入稻壳纤维，以SEBSgMA作为偶联剂，用NaOH，硅烷，或氢氧化钠+盐酸+硅烷来提高偶联剂的效果，制备复合材料。研究结果表明，加入偶联剂可改善泡孔结构，降低泡沫密度。Heartwin A. Pushpadass， Govindarajan Suresh Bahu等人按照质量比7：3将玉米淀粉和聚苯乙烯颗粒混合，同时加入滑石粉和聚碳酸酯颗粒，制得泡沫材料。研究表明，这种复合发泡材料防潮能力较好，并且发泡剂量的多少对泡沫材料的性质影响较大。

2 植物纤维发泡材料的应用

目前，笔记本电脑缓冲包装材料有EPS、EPE、瓦楞纸板、纸浆模塑等。本文采用植物纤维发泡材料对笔记本电脑进行缓冲设计。

2.1 产品特性分析

本设计以13.3吋某型号笔记本电脑为研究对象，主机质量为1.5kg，产品外形尺寸为340mm×240mm×25mm，其它附件包括电源适配器、数据线、说明书、保修卡等。电源适配器和数据线用纸盒包装，说明书和保修卡装在塑料袋中，本设计不对附件进行研究。根据类比法，确定笔记本电脑脆值为60g，运输过程中的等效跌落高度为80cm。

2.2 缓冲衬垫结构

衬垫采用左右结构设计，两侧对称，组装后立放装箱，装配如图1（a）（效果图为平放）。衬垫具体结构如图1（b），每个衬垫的两个端面内侧都有一个凸台，立放时，端面凸台承载，该凸台设计尺寸6cm×2cm，凸台高度取1.5cm，和笔记本电脑组装后，两个端面凸台承载，所以承载面积为24cm2。每个衬垫的两个侧面内侧各设计4个凸台，对称分布， 凸台设计尺寸和端面凸台尺寸相同。为了保持壁厚均匀，衬垫内侧有凸台的外侧向内凹，反之，外侧有凸台的对应的衬垫内侧向内凹，外侧凸起的高度，凸台高度设计为1.5cm。所以，缓冲衬垫整体长为40cm，宽为8.5cm，高度为6.5cm。

2.3 跌落仿真验证

利用Ansys软件的LSDYNA模块进行跌落仿真分析，模拟跌落加速度曲线如图2所示，由图可以看出，包装件的最大加速度约为43g，小于产品的脆值60g，说明设计满足合理，满足缓冲要求。当然在模拟仿真过程做了很多简化处理，如果条件许可，可以制造出衬垫实物，进行实验室跌落实测，再结合仿真进行缓冲结构评价。

3 结论

植物纤维发泡材料原料来源广泛，国内外学者对植物纤维发泡材料进行了研究，不论是以植物纤维为主的发泡材料，还是在塑料基材中加入植物纤维的复合材料，通过材料不同的配比，改变制造工艺，都能制得性能良好的发泡材料，具有良好的应用前景。将植物纤维发泡材料通过合理的结构设计，用在笔记本电脑的包装上，跌落仿真验证该设计是可行的。限于研究条件所限，未能加工制造出植物纤维缓冲衬垫实物，并进行实验室试验，与跌落仿真相互印证。

参考文献：

[1]王瑜，张萍，高德，等.植物纤维含量对聚乳酸/玉米秸秆纤维发泡材料（PFFM）性能的影响研究[J].化工新型材料，2012，40（6）：7981.

[2]曾广胜，林瑞珍，徐成，等.发泡废纸板纤维/LDPE复合材料的加工流变性及泡孔形态[J].复合材料学报，2013，30（2）：8993.

[3]未友国，敖宁建，张渊明.植物纤维/蒙脱土/橡胶发泡复合材料微孔结构的研究[J].电子显微学报，2008，27（5）：379383.

[4]解恒参，赵晓倩.农作物秸秆综合利用的研究进展综述[J].环境科学与管理，2015，40（1）：8690.

[5]韩鲁佳，闫巧娟，刘向阳，等.中国农作物秸秆资源及其利用现状[J].农业工程学报，2002，18（3）：8791.

[6]陈玉芬，钱怡，孙昊.一种新型植物纤维发泡缓冲材料制备研究[J].化工新型材料，2016，44（5）：243245.

[7]張秀梅，徐伟民.高粱秸秆发泡包装材料的微观结构研究[J].武汉工业学院学报，2006，25（1）：5052.

[8]何蕊，陈太安，戈应仓.麻秆芯纤维发泡缓冲包装材料的制备工艺[J].西南林业大学学报，2011，31（3）：7376.

[9]E. AguilarPalazuelos，José de Jesús ZazuetaMorales，Omar A. JiménezArévalo， et al. Mechanical and Structural Properties of Expanded Extrudates Produced from Blends of Native Starches and Natural Fibers of Henequen and Coconut[J].StarchStarke，2007，11： 533542.

[10]库尔班江·肉孜.棉浆粕纤维缓冲发泡包装材料的研制及性能测试[J].广东化工，2013，40（5）：67.

[11]丁毅，李尧，曾珊琪，等.植物纤维类缓冲包装材料的研制[J].包装工程，2006，27（2）：5051.

[12]解林坤，强明礼，何蕊，等.蔗渣纤维发泡缓冲包装材料研究[J].包装学报，2009，1（1）：1922.

[13]张书彬，唐全波，杜力.一种植物纤维制品静态缓冲特性试验研究[J].包装工程，2013，34（9）：3335，94.

基金项目：重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJ120707）

作者简介：张书彬（1976），男，硕士，讲师，主要研究方向：产品运输包装防护。