黄麻/粘胶/水性聚氨酯包装材料制备及优化

摘 要：为了缓解塑料包装袋引起的环境污染问题，采用可生物降解的黄麻落麻纤维与粘胶纤维混合并梳理成网，选用水性聚氨酯作为黏合剂将纤维网热压成型，制备了黄麻/粘胶/水性聚氨酯包装材料，并对其进行性能测试和工艺优化。探究原料质量混合比、克重、热压参数对包装材料拉伸强力的影响，并依据单因素分析结果对热压工艺进行正交试验，结果表明：当热压温度为160℃、热压时间为20 s、压强为5 MPa时，包装材料的纵、横向断裂强力分别为126.0、82.6 N，满足购物袋的强力要求。制备可降解的麻纤维包装材料代替塑料包装袋是目前重要的研究方向，对于农业和农村经济的发展具有重要意义。

关键词：黄麻落麻；粘胶；水性聚氨酯；非织造；包装材料

中图分类号：TS176

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2024）09-0065-08

收稿日期：2024-01-02

网络出版日期：2024-03-20

基金项目：国家现代农业产业技术体系项目（CARS-16）；上海市现代纺织前沿科学研究基地项目

作者简介：武柳君（2000—），女，山西孝义人，硕士研究生，主要从事麻类包装材料方面的研究。

通信作者：郁崇文，E-mail：yucw@dhu.edu.cn

黄麻落麻纤维是一种性能优异、绿色环保的天然纤维素纤维^［1-2］。它与苎麻、大麻、亚麻等同属于韧皮纤维，被称为“黄金纤维”^［3］。黄麻纤维具有优良的可降解性，能够在自然环境中通过光、热、微生物的作用自行降解，降解的最终产物是二氧化碳和水，不会对环境造成污染^［4］。粘胶纤维柔软细腻、触感舒适，具有抗静电、防紫外线等功能，可在较短时间内完全生物降解，是用于生产包装材料的理想材料。水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分数介质的新型聚氨酯体系^［5］，具有无污染、安全环保、耐水性好、生物可降解等特点。于洋等^［6］提出以黄麻和涤纶纤维为原料，梳理成网，并针刺加固，制备可降解包装袋。其结果表明，面密度为126.87 g/m²时，该包装袋的纵、横向强力分别为11.4、25.8 N，其针刺加固的强力不足，需添加黏合剂提高强力。加入黏合剂后，面密度为309.48 g/m²时、该包装袋的纵、横向强力为83、105.5 N。崔靖等^［7］以废弃黄麻为增强材料、以聚氨酯为基体制备的复合材料，通过正交实验、极差分析及方差分析（拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等指标），优化出共混塑炼热压法成型工艺条件，即黄麻质量分数为50%、热压温度180℃、热压时间10 min。在最优工艺条件下，制得的废弃黄麻/热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）复合材料拉伸强度33.58 MPa、弯曲强度45.72 MPa、冲击强度7.83 kJ/cm²。倪冰选等^［8］通过测试，给出了以聚酯（PET）纤维为原料的非织造布包装袋的性能指标：厚度0.45～0.65 mm、面密度100～150 g/m²、纵向断裂强力120～180 N、横向断裂强力45～70 N，该指标范围对包装袋的开发具有重要参考价值。

本课题组前期的试验曾制备黄麻、粘胶、羧甲基纤维素钠（CMC）包装材料，由于CMC的黏结性好，当样品面密度为102.4 g/m²时、该材料的纵、横向强力分别为263.6、176.8 N，所制备样品强力均高于文献［8］中所给出的数值，可满足包装袋力学性能的要求，但CMC包装材料湿强差^［9］，湿态下的强力保留率仅26%～32%左右，影响包装材料在湿态下的使用。因此，本文采用耐水性较好的水性聚氨酯替代湿强较差的CMC来制备包装材料，将黄麻落麻纤维与粘胶纤维梳理成网并针刺，再将水性聚氨酯粉末均匀撒在针刺后的纤维网上，通过平板硫化机热压成型，制备黄麻/粘胶/水性聚氨酯可降解包装材料，并通过正交实验来系统研究原料质量比、克重、热压温度、时间、压力对包装材料拉伸性能的影响，确定最佳热压工艺条件。

1 实验

1.1 实验原料

黄麻落麻纤维由湖南湘南麻业有限公司提供、粘胶纤维由张家港市锦花漂白纤维有限公司提供、水性聚氨酯粉末由山东豪耀新材料有限公司提供。纤维原料的力学性能见表1。

1.2 仪器与设备

FZS-600单锡林双道夫梳理机（常熟伟成非织造成套设备有限公司），FZZ-1000主针刺机（常熟伟成非织造成套设备有限公司），XLB-400×400×2型平板硫化机（上海齐才液压机械有限公司），HD026N型多功能织物强力机（温州方圆仪器有限公司），FA-1004型电子天平（上海天平仪器厂）。

1.3 样品制备

剪取黄麻落麻纤维与粘胶纤维按照一定比例混合梳理纤维网，喂入针刺机，工艺参数为针刺密度150 cm²，针刺深度4.5 mm，针刺一道。再将水性聚氨酯粉末撒在针刺后的纤维网上，经过平板硫化机热压成型，制得可降解包装材料。

1.4 性能测试

1.4.1 克重测试

将制备所得的黄麻/粘胶/水性聚氨酯样品干燥后称取其质量，并测量其长度、宽度，可计算得到黄麻/粘胶/水性聚氨酯样品的克重（g/m²）。

1.4.2 断裂强力测试

测试标准：GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法 第3部分：断裂强力和断裂伸长率的确定（条样法）》。

测试仪器：HD026N型多功能织物强力机。

参数设置：试样宽度为50 mm±0.5 mm，隔距长度为100 mm，拉伸速度为100 mm/min。

2 结果与分析

2.1 不同工艺参数对包装材料性能的影响

2.1.1 原料混合比对复合材料拉伸性能的影响

将切断后的黄麻落麻纤维与粘胶纤维分别以60∶20、50∶30、40∶40、30∶50的质量比混合梳理成网，并将其针刺。然后，将水性聚氨酯粉末均匀撒在针刺后的纤维网上，采用平板硫化机热压成型，制备包装材料。将样品裁剪为条样法规格，测试其干强。再将样品在水中浸渍1 h后取出，用吸水纸除去多余水分后，测试其湿强。样品的干湿强测试结果对比情况如图1所示。

由图1可知，当粘胶纤维含量在50%时，材料的断裂强力达到最高。非织造布的干强虽随着粘胶比例的增加而增加，但湿强降低，因为粘胶纤维是亲水性高分子物质，粘胶纤维的含量过多会导致材料耐水性能差。当包装材料浸湿后，湿强显著小于干强，会影响包装材料的使用效果，故粘胶含量不宜过多。当粘胶比例为40%时，包装材料纵、横向断裂强力分别为120.6、82.9 N，均符合包装材料力学性能的要求。因此，粘胶纤维比例在40%比较合适。

随着粘胶纤维含量的增加，包装材料的断裂强力逐渐增加，说明粘胶纤维能够在一定范围内提升材料的拉伸性能。水性聚氨酯对材料的拉伸性能也具有关键作用。对比相同克重下，黄麻纤维一定，粘胶纤维和水性聚氨酯比例的变化对样品拉伸性能的影响。根据选定的工艺流程制备黄麻/粘胶/水性聚氨酯混合比40∶50∶10、40∶45∶15、40∶40∶20、40∶35∶25 4组试样，将黄麻与粘胶纤维梳理成网，针刺加固，再将水性聚氨酯均匀撒在针刺后的纤维网上，通过平板硫化机热压成型，制备包装材料，测试拉伸性能，并进行对比，测试结果见表2。

由表2可知，在克重相近（105 g/m²），黄麻比例均为40%时，降低粘胶纤维的含量，同时提高水性聚氨酯的比例，样品的断裂强力逐步增加。粘胶纤维具有亲水性，粘胶纤维比例不小于40时，材料的湿强保留率在62%左右，而混合比为40∶35∶25时，材料的湿强保留率明显提高，达到67%以上。因此，粘胶纤维和水性聚氨酯的含量对非织造包装材料的拉伸性能有重要的影响。

2.1.2 克重对复合材料拉伸性能的影响

选取原料混合比40∶40∶20、热压温度为160℃、热压时间为20 s、压强为5 MPa，研究不同克重，即100、105、110、115 g/m² 对非织造包装材料断裂强力的影响，结果如图2所示。

由图2可知，当克重为115 g/m²时，包装材料的纵、横向断裂强力分别达到139.2、87.7 N，这是因为随着克重的增加，纤维在纤维网中分布均匀，纤维间抱合力的提高使得包装材料的强力逐渐提高。同时，水性聚氨酯粉末在纤维网上均匀分布也是导致其强力提高的原因之一。考虑到包装材料克重要求以及原料的节省原则，克重为105 g/m²的包装材料纵、横向断裂强力分别为122.5、79.6 N，均满足包装袋的力学性能要求。因此，选取包装材料的克重在105 g/m²左右较为合适。

2.1.3 热压温度对复合材料拉伸性能的影响

选取原料混合比40∶40∶20、克重为105 g/m²、热压时间为20 s、压强为5 MPa，研究不同热压温度，即140、150、160、170、180℃对包装材料断裂强力的影响，结果如图3所示。

由图3可知，当热压温度为140℃时，包装材料的断裂强力较低。随着热压温度的逐渐升高，水性聚氨酯熔融速度加快，包装材料的断裂强力也逐渐升高。当热压温度为170℃时，包装材料的断裂强力有下降的趋势，这是由于热压温度过高，导致黄麻纤维在高温作用下受到一定的损伤，使得材料的强力降低。当热压温度为160℃时，包装材料纵、横向断裂强力分别为126.5、80.5 N，均满足包装袋的力学性能要求。因此，选取热压温度为160℃较为合适。

2.1.4 热压时间对复合材料拉伸性能的影响

选取原料混合比40∶40∶20，克重为105 g/m²、热压温度为160℃、压强为5 MPa，研究不同热压时间，即10、15、20、25、30 s对包装材料断裂强力的影响，结果如图4所示。

由图4可知，材料的断裂强力随着热压时间的增加而增加。当热压时间为30 s时，包装材料的断裂强力最高，这是由于热压时间越长，水性聚氨酯与纤维接触越充分，黏结越均匀，材料的断裂强力越高。当热压时间为20 s时，包装材料纵、横向断裂强力分别为120.8、82.5 N，均满足包装材料力学性能的要求。因此，尽管延长时间还可以进一步提高强力，但从节约能源以及生产成本角度考虑，选取热压时间20 s较为合适。

2.1.5 压强对复合材料拉伸性能的影响

选取原料混合比40∶40∶20，克重为105 g/m²、热压温度为160℃、热压时间为20 s、研究不同压强，即1、3、5、7、9 MPa对包装材料断裂强力的影响，测试结果如图5所示。

由图5可知，当压强为1 MPa时，由于压力较小，材料结构不稳定，导致样品表面粗糙，强力不足。随着压力的逐渐升高，包装材料的断裂强力逐渐升高，但增长速度较为缓慢。当压强为5 MPa时，包装材料的断裂强力达到最大值。这是由于压力的增加使得材料内黏结点较大，固结了周围的黄麻和粘胶纤维，形成了更加稳定的结构。当压力继续提高，压强为7 MPa时，包装材料的断裂强力有下降的趋势。这是因为压力过大，导致材料损伤。因此，选取压强为5 MPa较为合适。

2.2 包装材料制备工艺的优化实验

为研究包装材料制备工艺的最优工艺，本实验采用L（3⁴）正交实验，根据上面单因子实验的结果，选定合适的热压工艺参数水平^［10］，进行实验。正交实验因素水平如表3所示。

对按正交实验方案所制备的样品进行测试，结果如表4所示。由表4可知，影响试样纵、横向断裂强力的因素主次排序为热压温度A、压强C、热压时间B，且最优方案为ABC，即热压温度160℃、热压时间30 s、压强5 MPa。

对样品的纵、横向断裂强力进行方差分析，结果见表5。

由表5可知，F（2，2）=19，“*”表示影响显著。试样拉伸以及生产成本可缩短热压时间，得到综合最优方案ABC，即热压温度160℃，热压时间20 s，压强5 MPa。

2.3 验证实验

根据实验结果，选取直观分析所得最优方案ABC和方差分析所得综合最优方案ABC进行验证实验，此外，表3正交实验方案中组合为ABC、ABC、ABC（试验号分别为8、9、7）时得到的材料纵、横向断裂强力也较为优异，将以上几组工艺作为对照组，制备黄麻/粘胶/水性聚氨酯混合比为40∶40∶20，克重为105 g/m²的包装材料，测试断裂强力并进行比较，测试结果见表6。

由表6可知，ABC方案所得样品的纵、横向断裂强力均优于其他实验结果，说明该实验所得最优方案是可靠有效的。ABC方案所得样品的纵、横向断裂强力虽低于最优水平，但其强力均高于文献［8］中所给出的数值，即纵向断裂强力大于1

20～180 N，横向断裂强力大于45～70 N，可满足包装材料力学性能的要求，且热压时间较短，方便实际生产，可节约能源，故可作为综合最优热压工艺参数。

3 结论

本文通过单因素分析法和正交实验研究了混合比及热压工艺对黄麻/粘胶/水性聚氨酯非织造包装材料性能的影响，结论如下：

a）原料混合比：随着粘胶含量的增加，包装材料的断裂强力呈上升趋势，黄麻/粘胶/水性聚氨酯比例在30∶50∶20时材料的断裂强力最高。在克重相近、黄麻纤维比例不变时，随着水性聚氨酯比例的增加，样品的断裂强力均逐渐增加。说明水性聚氨酯能够在一定范围内提升材料的拉伸性能。

b）热压工艺参数对黄麻/粘胶/水性聚氨酯包装材料性能的影响：热压温度：包装材料的强力随热压温度的升高先升高后降低，材料的热压温度为160℃时，断裂强力最高；热压时间：材料的断裂强力随着热压时间的增加而增加；压强：随着压强的逐渐升高，材料的断裂强力先升高后降低。

c）正交实验表明：当黄麻/粘胶/水性聚氨酯混合比为40∶40∶20，克重为105 g/m²时，热压温度和压强对样品纵、横向断裂强力的影响显著，热压时间的影响不显著。

综合所得最优热压工艺参数为：热压温度160℃，热压时间20 s，压强5 MPa。在此条件下制备的材料可满足包装袋的力学性能要求。

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Optimization of the preparation technology of jute/viscose/waterborne polyurethane packaging materials

WU Liujun¹， CHEN Weixiang²， XIE Limei²， ZHOU Yingchun³， ZHANG Bin¹， YU Chongwen¹

（1.College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China; 2.Hunan South Original New Material Co.， Ltd.， Changsha 410600， China; 3.Hunan Xiangnan Jute Technology Institute Co.， Ltd.， Chenzhou 423000， China）

Abstract： Plastic， with its light weight， high strength and corrosion resistance， is widely used in aerospace， military， agriculture， industry and daily life. At present， most plastic bags commonly used in the market are made of polyethylene， and their wastes are difficult to degrade and pollute the environment， which will affect human health. Therefore， it is an important research direction to explore packaging materials with simple preparation process， low production cost and biodegradability to replace plastic bags.

This study mainly explored the preparation technology and performance test of packaging materials. Biodegradable jute noil fiber and viscose were mixed and carded into a net. After needling， water-based polyurethane powder was evenly spread on the mixed fiber net of needled jute and viscose， and then hot-pressed to prepare jute/viscose/water-based polyurethane packaging materials， and the performance test and process optimization were carried out.

Firstly， the effects of different mixing ratios of raw materials and gram weight on the mechanical properties of packaging materials were explored. The results show that the breaking strength of the material is the highest when the weight is similar and the ratio of jute/viscose/waterborne polyurethane is 30∶50∶20. Under the same gram weight， the influence of the change of the ratio of viscose to waterborne polyurethane on the tensile properties of the samples with a certain jute fiber content was compared. The results show that the breaking strength of the material is the highest when the ratio of jute/viscose/waterborne polyurethane is 40∶35∶25. With the increase of the proportion of waterborne polyurethane， the breaking strength of the samples increases gradually. It shows that waterborne polyurethane can improve the tensile properties of materials in a certain range.

Secondly， the influence of hot pressing process parameters on the properties of jute/viscose/waterborne polyurethane packaging materials was studied. The results show that the strength of packaging materials first increases and then decreases with the increase of hot pressing temperature， and the breaking strength of materials is the highest when the hot pressing temperature is 160℃. The breaking strength of the material increases with the increase of hot pressing time， and the breaking strength is the highest when the hot pressing time is 30℃. With the gradual increase of pressure， the breaking strength of the material increases gradually， and the breaking strength is the highest when the pressure of the material is 5 MPa.

Finally， the orthogonal test method6hRhAiVGjL3mDIYAPt97Rg== was used to explore the optimal process scheme of hot pressing process parameters. The results show that under the conditions of weight of 105 g/m² and raw material mixing ratio of 40∶40∶20 of jute， viscose and waterborne polyurethane， the comprehensive optimal hot pressing process parameters of nonwoven packaging materials are as follows： a hot pressing temperature of 160℃， a hot pressing time of 20 s and a pressure of 5 MPa. The mechanical properties of nonwoven packaging materials prepared under the above process parameters are as follows： the longitudinal and transverse breaking strength are 126.0 and 82.6 N， respectively， which can meet the requirements of mechanical properties of packaging bags.

In the future， degradable packaging materials will seek more long-term development in the fields of production technology and technical intelligence. The research results can provide reference for the development and utilization of degradable packaging materials.

Keywords： jute noil; viscose; waterborne polyurethane; nonwoven; wrapper