植物纖維發泡材料研究進展及緩沖設計應用

張書彬　 杜力　 唐全波

摘要：綜述植物纖維發泡材料的研究進展，并設計了一款用于筆記本電腦緩沖包裝的植物纖維發泡材料襯墊，為進一步開發植物纖維發泡材料及在電子產品中的應用提供科學的研究基礎。研究結果表明，植物纖維發泡材料原料廣泛，其緩沖性能的好壞除了與材料的配比有關外，還和成型工藝條件有關。只要設計的緩沖結構合理，植物纖維發泡材料完全能夠滿足筆記本電腦等電子產品的緩沖包裝要求。

關鍵詞：植物纖維發泡材料；研究進展；筆記本電腦；緩沖設計

中圖分類號：TB322；S38 文獻標識碼：A

植物纖維發泡材料是以稻草、麥稈等農作物秸稈，或者草類植物纖維為主要原料，配以一定比例的廢紙、淀粉和助劑，經過發泡技術制成的[13]。農作物秸稈來源廣泛，成本低廉，但我國農作物秸稈利用率還不到70%[4]，大部分用于焚燒、作肥還田、動物飼料，用作工業原料使用比例很低[5]，用在產品包裝上的比例更低。植物纖維發泡材料是可降解材料，研究使用植物纖維發泡材料替代難降解的包裝材料意義重大，不僅可以保護我們的生存環境免受污染，還可以通過利用農作物秸稈增加農民的收入。

1 植物纖維發泡材料研究進展

近年來，國內外學者對植物纖維發泡材料進行了研究和探索，主要分為兩類，一類是植物纖維為主的發泡材料制備及其性能研究，一類是以塑料材料為主的，植物纖維增強復合材料的性能的研究。

1.1 植物纖維為主的發泡材料

植物纖維發泡材料的原材料取材廣泛，研究者選取的原材料種類繁多，如麥稈、玉米秸稈、高粱秸稈、大麻稈芯纖維、椰子纖維、龍舌蘭纖維、棉漿粕纖維、果渣、蔗渣、木薯渣等等。膠黏劑能夠將相同或者不同的物質結合在一起，還能具有很好的成膜性能，阻止發泡氣體逸出的功能。在上述研究中，大都采用聚乙烯醇作為膠黏劑。為了提高植物纖維發泡材料的力學性能和外觀性能，可以加入滑石粉或碳酸鈣等助劑。發泡技術是制作植物纖維發泡材料成敗的關鍵技術，一般有物理發泡法、化學發泡法和機械發泡法三種。上述學者絕大多數采用化學發泡法，采用的發泡劑為碳酸氫鈉、碳酸氫銨無機發泡劑。將植物纖維原料、膠黏劑、發泡劑、滑石粉等助劑混合，經過一步成型或者二步成型方法，烘烤模壓成型。這些研究者通過研究，尋找到各種材料的最佳配比，調整成型工藝條件，如成型溫度、壓力、時間等等，制作出緩沖性能良好的發泡材料，如解林坤，強明禮等人研究的蔗渣纖維發泡材料近似線彈性材料，何蕊，陳太安等人以麻稈芯為主要原料，制成緩沖性能較好的發泡材料，高德，常江等人以玉米秸稈為主要原料，通過模壓成型制成緩沖效果良好的發泡材料。以上研究結果表明，植物纖維發泡材料緩沖性能的好壞除了與材料的配比有關外，還和成型工藝條件有關。

1.2 植物纖維增強塑料發泡材料

Wei Dan Ding， Davoud Jahani等人在聚乳酸（PLA）中加入植物纖維熔融混合，注射成型，制成復合泡沫材料，結果表明植物纖維使得泡沫材料細胞結構更加均勻。王瑜、張萍等人在聚乳酸中加入玉米秸稈纖維，通過偶氮二甲酰胺進行發泡，模壓成型制得發泡材料，研究表明植物纖維的加入，改變了氣泡泡孔的結構，形成泡孔多而均勻。Rosana Moriana， Francisco Vilaplana 等人在熱塑性淀粉基共聚物中加入大麻、紅麻等生物纖維，制成復合材料，研究結果表明加入植物纖維可以改進復合材料的熱機械性能和力學性能。ShuKai Yeh， ChiaChun Hsieh等人在聚丙烯基體中加入稻殼纖維，以SEBSgMA作為偶聯劑，用NaOH，硅烷，或氫氧化鈉+鹽酸+硅烷來提高偶聯劑的效果，制備復合材料。研究結果表明，加入偶聯劑可改善泡孔結構，降低泡沫密度。Heartwin A. Pushpadass， Govindarajan Suresh Bahu等人按照質量比7：3將玉米淀粉和聚苯乙烯顆?；旌希瑫r加入滑石粉和聚碳酸酯顆粒，制得泡沫材料。研究表明，這種復合發泡材料防潮能力較好，并且發泡劑量的多少對泡沫材料的性質影響較大。

2 植物纖維發泡材料的應用

目前，筆記本電腦緩沖包裝材料有EPS、EPE、瓦楞紙板、紙漿模塑等。本文采用植物纖維發泡材料對筆記本電腦進行緩沖設計。

2.1 產品特性分析

本設計以13.3吋某型號筆記本電腦為研究對象，主機質量為1.5kg，產品外形尺寸為340mm×240mm×25mm，其它附件包括電源適配器、數據線、說明書、保修卡等。電源適配器和數據線用紙盒包裝，說明書和保修卡裝在塑料袋中，本設計不對附件進行研究。根據類比法，確定筆記本電腦脆值為60g，運輸過程中的等效跌落高度為80cm。

2.2 緩沖襯墊結構

襯墊采用左右結構設計，兩側對稱，組裝后立放裝箱，裝配如圖1（a）（效果圖為平放）。襯墊具體結構如圖1（b），每個襯墊的兩個端面內側都有一個凸臺，立放時，端面凸臺承載，該凸臺設計尺寸6cm×2cm，凸臺高度取1.5cm，和筆記本電腦組裝后，兩個端面凸臺承載，所以承載面積為24cm2。每個襯墊的兩個側面內側各設計4個凸臺，對稱分布， 凸臺設計尺寸和端面凸臺尺寸相同。為了保持壁厚均勻，襯墊內側有凸臺的外側向內凹，反之，外側有凸臺的對應的襯墊內側向內凹，外側凸起的高度，凸臺高度設計為1.5cm。所以，緩沖襯墊整體長為40cm，寬為8.5cm，高度為6.5cm。

2.3 跌落仿真驗證

利用Ansys軟件的LSDYNA模塊進行跌落仿真分析，模擬跌落加速度曲線如圖2所示，由圖可以看出，包裝件的最大加速度約為43g，小于產品的脆值60g，說明設計滿足合理，滿足緩沖要求。當然在模擬仿真過程做了很多簡化處理，如果條件許可，可以制造出襯墊實物，進行實驗室跌落實測，再結合仿真進行緩沖結構評價。

3 結論

植物纖維發泡材料原料來源廣泛，國內外學者對植物纖維發泡材料進行了研究，不論是以植物纖維為主的發泡材料，還是在塑料基材中加入植物纖維的復合材料，通過材料不同的配比，改變制造工藝，都能制得性能良好的發泡材料，具有良好的應用前景。將植物纖維發泡材料通過合理的結構設計，用在筆記本電腦的包裝上，跌落仿真驗證該設計是可行的。限于研究條件所限，未能加工制造出植物纖維緩沖襯墊實物，并進行實驗室試驗，與跌落仿真相互印證。

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基金項目：重慶市教育委員會科學技術研究項目（KJ120707）

作者簡介：張書彬（1976），男，碩士，講師，主要研究方向：產品運輸包裝防護。