利用木質剩余物與廢紙制備紙漿模塑材料的比較

姚培培，肖生苓*，岳金權

(1.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

1 紙漿模塑材料的介紹

紙漿模塑是以木材或天然植物一次纖維或廢紙再生纖維為原材料，添加部分化學助劑，經過制漿、模塑成型和干燥整形等工藝過程制得的具有特定幾何空腔結構和一定抗壓緩沖能力的紙制品的加工方法[1-2]。

紙漿模塑材料可以回收再造或自然降解，具有很好的環境友好特性；并具有和包裝產品的外型相吻合的幾何形狀，且具備良好的防震、防沖擊、防靜電和防腐等理想的保護效果，對其各項物理性能指標進行檢測，發現其功效足以替代EPS發泡材料，而且在環保、價格、防震和防靜電等功能上占據優勢，被廣泛用于電子、機械零部件、工業儀表、電腦、家電、玻璃、陶瓷和農產品等的內襯緩沖包裝材料上[3-4]。

1.1 木質剩余物一次纖維

林區木質剩余物指的是包括枝丫、枝條、樹皮、樹葉、截頭、梢頭、灌木、伐根、枯倒木、彎曲度超限不夠繳庫標準的廢棄木材、板條、板皮、刨花、鋸屑、根部齊頭和邊角余料等，在森林釆伐、造材、木材加工利用后的剩余物及主要含木質的農作物剩余物[5-9]。木質剩余物除了具備木材的基本特性，如熱絕緣、電絕緣、環境友好性、可降解、可回收利用和可再生性等，還有來源廣泛，成本低廉，經濟性好，易收集和加工等特點，是節約原木資源、保護環境和利用木質纖維的較優選擇。而木質剩余物一次纖維，即木纖維，其主要成分是纖維素、半纖維素和木素，是制漿造紙的原材料。

1.2 廢紙再生纖維

廢紙泛指在生產生活中經過使用而廢棄的可循環再生資源，包括各種高檔紙、黃板紙、廢紙箱、切邊紙、打包紙、企業單位用紙、工程用紙和書刊報紙等等。而再生纖維或回用纖維是指經一次或多次回用的廢紙纖維[10]。最主要的用途還是纖維回用生產再生紙產品。制備紙漿模塑材料的廢紙主要是廢舊瓦楞紙箱和廢報紙邊等再生纖維。

1.3 緩沖包裝材料的比較

為制備紙漿模塑材料的兩種原料，木質剩余物一次纖維和廢紙再生纖維，與發泡聚苯乙烯材料的對比[11]，見表1。

表1 三種緩沖包裝材料的對比

從表1可以看出，紙漿模塑材料的成本低于EPS發泡塑料，且紙漿模塑材料是綠色無污染的包裝材料，而EPS發泡塑料不能降解，燃燒有毒，對環境影響較大。紙漿模塑材料可分為一次纖維和再生纖維，木質剩余物一次纖維的成本略高于廢紙再生纖維，但性能比廢紙再生纖維的強。這是由于廢紙紙漿纖維長短不一，化學組分復雜，纖維角質化，與一次纖維相比，其許多性能指標發生衰變。

2 木質剩余物與廢紙制備紙漿模塑材料的對比

利用木質剩余物一次纖維與廢紙再生纖維制備紙漿模塑材料的工藝過程大體相似，都分為制漿過程、配漿過程、成型和干燥整形，只是在前期的預處理和制漿過程中有所不同，兩者的工藝流程如圖1所示。

圖1 木質剩余物與廢紙制備紙漿模塑材料工藝流程圖

2.1 制漿過程

制漿是造紙的第一步，是將木材、木片等轉變成紙漿的方法，是指利用化學的方法或機械的方式或兩者結合的方法使植物纖維原料離解變成本色紙漿(未漂漿)或進一步漂白變成漂白紙漿的生產過程。

木質剩余物一次纖維的制漿方法與廢紙再生纖維的有所不同，木質剩余物一次纖維需要先選擇一種制漿方法，如選擇化學機械法制漿，制成得率在80%～95%之間的高得率漿，然后再利用打漿機進行打漿，制成一定打漿度和濃度的濕紙漿[12]。廢紙再生纖維則不需要進行制漿，而是直接在水力碎漿機或打漿機中將廢紙碎片打成所需打漿度和濃度的濕紙漿。

2.2 配 漿

配漿是指在處理好的漿料中加入填料、顏料、增強劑及防水、防油等功能性助劑，與原漿料進行混合調配以符合產品的質量要求，有時也要控制紙漿的濃度[13]。添加的化學助劑是根據包裝產品的種類及運輸環境和企業的要求等來確定的。木質剩余物一次纖維與廢紙再生纖維制備紙漿模塑材料的配漿方法是相同的。

2.3 成 型

紙漿模塑制品的成型方法主要有真空負壓成型法、壓力成型法和壓縮空氣成型法三種，根據生產的不同要求選擇合適的成型方法。其中真空負壓成型法以其生產效率高、制品的結構適應性好、設備的投資回報率高等優點應用較廣泛[14]。

2.4 干燥整形

由于吸附成型后的濕紙坯經冷壓榨后還有很大的含水量，所以須經過烘干、壓實、校形才能達到制品的外觀要求和使用要求。紙漿模塑制品的干燥方式可以分為脫模干燥(烘道、烘箱干燥)和帶模干燥[15]。帶模干燥方式比脫模干燥制得的制品更加平滑、致密，其尺寸和形狀也更加準確。

3 兩種紙漿模塑原材料纖維形態結構的對比

利用掃描電鏡對木質剩余物一次纖維纖維形態與廢瓦楞紙再生纖維纖維形態進行觀察。圖2和圖3分別為熱壓干燥與真空干燥成型時，木質剩余物一次纖維與廢瓦楞紙再生纖維纖維形態結構圖。

(a)熱壓干燥成型纖維內部形態結構，37°SR，800g/m2，150℃，1MPa (b)真空干燥成型纖維內部形態結構，37°SR，800g/m2，150℃，0.08MPa

(c)熱壓干燥成型纖維內部形態結構，37°SR，800g/m2，150℃，1MPa (d)真空干燥成型纖維內部形態結構，37°SR，800g/m2，150℃，0.08MPa

根據掃描電鏡觀察結果，由圖2可以發現，木質剩余物一次纖維的纖維相對長度，粗度較均勻，呈扁平狀，而圖3中廢瓦楞紙再生纖維的纖維略有收縮，纖維長度與寬度不均勻，有所下降，纖維表面有所損傷，并且細小纖維的含量相對較高，表明再生纖維不易被壓縮，漿張的空隙率較大，結構比較疏松，因此漿張表面的粗糙度也將隨之增大[16]。說明紙漿經回用后，其漿張纖維間的空隙比未回用時有較大的增加，這種結構上的不同，必然導致一些物理特性的變化，如與纖維間結合力有關的抗張強度、耐破強度和耐折強度等的下降[17]。

同時，從圖2和圖3可知，熱壓干燥成型方式的纖維內部形態結構較真空干燥成型方式的結合得緊密，空隙小，這是由于熱壓干燥時的壓力遠大于真空干燥，從而纖維間的結合強度高，材料的物理強度就高。

4 結 論

本文論述了利用木質剩余物一次纖維與廢紙再生纖維制備紙漿模塑材料的工藝過程，并利用掃描電鏡觀察兩者在熱壓干燥與真空干燥時，纖維內部形態結構的不同，得出以下3點結論。

(1)林區木質剩余物用于制備紙漿模塑材料作為緩沖包裝是可行的，與傳統的廢紙制備的紙漿模塑材料進行對比，木質剩余物一次纖維的性能要高于廢紙再生纖維的性能，兩者制備紙漿模塑材料的工藝流程除前期處理與制漿過程有差別外，后續的配漿、成型和干燥整形過程都是相同的。

(2)采用掃描電鏡觀察兩者的纖維形態結構，發現木質剩余物一次纖維的纖維形態更光滑、均勻，纖維間的合力比廢紙再生纖維得更緊密，物理強度更高。熱壓干燥較真空干燥方式纖維間的空隙更小，結合強度更高，物理性能更強。

(3)林區木質剩余物和廢紙作為綠色環保材料，都是制造紙漿模塑制品優選的原材料，不僅對環境無污染，可自然降解，廢棄物可回收再用，而且節約了資源，尤其對林區木質剩余物合理的加工利用，可以有效地提高我國林木資源的綜合利用率，間接地保護了我國日漸稀少的森林資源，更為拓展森工產品的幵發與應用提供了一個新的方向，符合國際環保包裝的發展趨勢和可持續發展的要求。

【參 考 文 獻】

[1]王 楠，張廣文.紙漿模塑制品拱形結構單元的性能研究[J].包裝工程，2013，34(13)：40-46.

[2]樊 濤，賈莉華，馬志遠.伐區剩余物收集及運輸工藝和裝備的探討[J].林業機械與木工設備，2007，35(8)：45-46.

[3]邵文全，李硯明.紙漿模塑開口薄壁圓錐筒壓縮力學性能研究[J].包裝工程，2012，33(13)：68-70.

[4]唐 偉，畢克新，趙 丹，等.林木剩余物與聚苯乙烯泡沫復合材料研究[J].林業機械與木工設備，2008，36(12)：15-18.

[5]夏景濤，姚貴寶，龐傳洪.伐區剩余物的生產與綜合利用[J].森林工程，2001，17(5)：8-19.

[6]畢克新，唐 偉，閆 超，等.利用林木剩余物開發復合型木質纖維保溫材料研究[J].林業機械與木工設備，2008，35(3)：27-28.

[7]陳玉霄，肖生苓，王 強.林區木質剩余物合理利用的研究[J].森林工程，2007，23(6)：1-5.

[8]任學勇，王鵬起，常建民，等.林木剩余物快速熱裂解液化技術探析及展望[J].林業機械與木工設備，2008，35(9)：13-16.

[9]楊兆全.利用竹制品加工剩余物生產竹質刨花板的探討[J].林業機械與木工設備，2001，28(1)：14-15.

[10]劉秉鉞，韓 穎.再生纖維與廢紙脫墨技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[11]許佳佳.LCD TV紙漿模塑襯墊的性能研究及其虛擬仿真[D].無錫：江南大學，2008.

[12]詹懷宇.制漿原理與工程[M].北京：中國輕工業出版社，2011.

[13]陳海燕，楊 斌.紙漿模塑制品工藝及其模具設計[J].廣東印刷，2007，29(2)：39-43.

[14]馬海量.紙漿模塑制品技術[J].黑龍江造紙，2001，29(3)：14-17.

[15]趙亞軍.紙漿模塑制品工藝方法及其參數的研究[D].西安：西安理工大學，2007.

[16]巫 山.廢舊瓦楞紙回用過程中纖維物理性能變化及改性研究[D].杭州：浙江理工大學，2011.

[17]金永燦，佐渡篤，李忠正.紙漿回用對纖維形態及強度性能的影響[J].纖維素科學與技術，2000，8(3)：34-42.