黃麻PHB可降解農(nóng)用園藝花盆材料的熱壓成形工藝研究

劉志強(qiáng)

(廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528527)

引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，一種新的消費(fèi)趨勢正在形成，那就是消費(fèi)者在購物時(shí)會(huì)把產(chǎn)品是否環(huán)保作為一種購買條件。將來使用可生物降解的花盆，對于花卉產(chǎn)業(yè)來說同樣是不可回避的趨勢，可以大大減少生活塑料用品對土壤的不可逆轉(zhuǎn)的污染。雖然可降解容器的生產(chǎn)成本比塑料高，但是可降解容器可以直接種在土里，可以節(jié)約不少人力和時(shí)間，綜合算下來也并不算昂貴，特別是使用在園林工程中，可以節(jié)約不少成本。另外它還有很多優(yōu)點(diǎn)：干凈、整齊、使用方便等，最重要的是它絕對環(huán)保材料，所以可降解容器的市場空間還是非常大的。雖然可降解容器現(xiàn)在還沒有形成潮流，但它將成為未來的主流產(chǎn)品。故開發(fā)黃麻PHB纖維復(fù)合材料的綠色環(huán)保型花盆有著重大的意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原料及工藝

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器及材料

本試驗(yàn)所使用的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器和主要實(shí)驗(yàn)材料包括，開松機(jī)、梳理機(jī)、鋪網(wǎng)機(jī)、針刺機(jī)、電熱干燥箱、YA32-100四柱萬能液壓機(jī)、自制的花盆模具、絕熱手套、脫模水、黃麻纖維、PHB粉末、NNO粉末分散劑、剪刀、直尺、電子稱、玻璃棒、小孔眼的鐵網(wǎng)篩子等等。

1.2 模具的設(shè)計(jì)

根據(jù)在目前園林綠化花卉市場上所使用的花盆外觀，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種花盆模具，具體尺寸如圖1-1和圖1-2所示：

圖1-1 模具上模的剖面圖 圖1-2 模具下模的剖面圖

1.3 工藝特點(diǎn)

本試驗(yàn)主要是將黃麻氈和PHB粉末制壓成復(fù)合材料花盆，其制作工藝具有以下特點(diǎn)：

(1)無環(huán)境污染，可完全生物降解、生產(chǎn)費(fèi)用低、低能耗。

(2)生產(chǎn)復(fù)合材料所使用的工藝過程相對簡單，工藝過程如下：

2 試驗(yàn)部分

2.1 非織造針刺黃麻氈的制備

黃麻纖維在開松機(jī)、梳理機(jī)、鋪網(wǎng)機(jī)、針刺機(jī)等機(jī)械的作用下，使用干法成網(wǎng)和針刺加固的工藝方式獲得黃麻氈原料。

將適量的黃麻纖維經(jīng)過開松，梳理，成網(wǎng)工序，控制各機(jī)臺(tái)工藝參數(shù)，可以得出不同規(guī)格的針刺黃麻纖維網(wǎng)。本實(shí)驗(yàn)采用了4種不同的工藝參數(shù)來生產(chǎn)非織造針刺黃麻氈。成網(wǎng)后的黃麻纖維網(wǎng)層先經(jīng)過預(yù)針刺機(jī)接受預(yù)針刺處理，然后再經(jīng)過主針刺機(jī)接受主針刺處理，從而得到的針刺黃麻氈。黃麻氈的正反面纖維的結(jié)構(gòu)情況是不一樣的，正面的麻纖維比較長，紋路不清晰；反面的麻纖維比較短，紋路也很清晰。但是黃麻氈表面都呈現(xiàn)出蓬松狀，這樣有利于PHB粉末的滲透，便于PHB粉末和黃麻氈的均勻混合。

2.2 黃麻氈與PHB粉末的復(fù)合

試驗(yàn)材料：針刺黃麻氈、PHB粉末、NNO粉末分散劑。

試驗(yàn)設(shè)備：剪刀、直尺、電子稱、玻璃棒、小孔眼的鐵網(wǎng)篩子、鐵絲網(wǎng)、大小臉盆各一個(gè)溶器、電熱烘箱。

本次試驗(yàn)所采用的是用水泡法將PHB粉末和黃麻氈均勻混合，由于PHB粉末不溶于水，而且PHB粉末顆粒大小各異，在水里主要沉聚在溶器的底部。使用NNO粉末分散劑的目的是使PHB粉末均勻地分布在水的各個(gè)層面。NNO粉末分散劑是和PHB粉末混合使用的，所采用的比例是1：10。

2.3 花盆的制備

本次試驗(yàn)使用的設(shè)備和材料是：

設(shè)備：YA32-100四柱萬能液壓機(jī)

材料：自制的花盆模具、絕熱手套、脫模水、鑷子、棉花、薄的小鐵片、脫模水及黃麻氈PHB粉末材料式樣在進(jìn)行模壓試驗(yàn)之前，要先對四柱萬能液壓機(jī)進(jìn)行預(yù)熱處理，需要把溫度提升至170℃以上，因?yàn)檫@個(gè)是PHB粉末熔融的最低溫度。如圖2-2所示，在對液壓機(jī)進(jìn)行預(yù)熱的同時(shí)對花盆模具進(jìn)行預(yù)熱處理。雖然鐵的比熱值相當(dāng)大，但是花盆模具的各處厚度是不一樣的，那么會(huì)導(dǎo)致在模壓黃麻氈PHB粉末材料的時(shí)候，材料的受熱溫度不一致，必然會(huì)影響花盆的成型效果。若有些地方受熱不夠的話，PHB粉末不能熔融，那么就不能復(fù)合成黃麻PHB復(fù)合材料，若有些地方受熱過多的話，那么黃麻纖維受到過長時(shí)間和過高溫度的加熱，致使黃麻纖維被燒焦，破壞黃麻PHB復(fù)合材料。

圖2-2 預(yù)熱處理 圖 2-3 花盆模具 圖2-4 復(fù)合材料花盆

在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)候用花盆模具(如圖2-3)模壓出格大小為(如圖2-4)所示的復(fù)合材料花盆。從圖2-4可見，由花盆模具模壓出來的復(fù)合材料花盆表面比較均勻，沒有出現(xiàn)黃麻氈被拉伸破壞，裂紋，缺口等現(xiàn)象，花盆的性能和外觀都得到了保障。花盆模具的脫模角控制得也很不錯(cuò)，模壓成型后的花盆很容易就被取下，而且不破壞了花盆原本完整的外觀結(jié)構(gòu)。

本實(shí)驗(yàn)就重點(diǎn)以測試溫度、時(shí)間和壓力對黃麻氈PHB粉末混合材料模壓成復(fù)合材料花盆的性能和外觀成型的影響。測試選用的溫度分別為175℃、180℃、185℃和190℃，所采用的黃麻氈PHB粉末混合材料的PHB粉末含量為20%?？紤]到黃麻纖維的耐熱溫度和PHB粉末熔融溫度的情況。在測試的時(shí)候，測試溫度低的，采用模壓時(shí)間長一點(diǎn)，再以模壓出來的情況，為以后的測試溫度定一個(gè)測試時(shí)間。模壓的壓力大小定為8Mpa和6Mpa。

3 數(shù)據(jù)的處理和分析

3.1 黃麻針刺氈的工藝參數(shù)選擇

如下表3-1所示，為本次制備黃麻氈時(shí)所采用的四種不同的針刺參數(shù)：

表3-1 不同的針刺工藝參數(shù)

使用電子織物強(qiáng)力儀對以上A、B、C、D四種工藝參數(shù)所制備出來的黃麻氈做斷裂拉伸測試，每種工藝參數(shù)各取五個(gè)試樣，試樣的規(guī)格大小為50mm×200mm，強(qiáng)力儀的試樣夾持距離為100mm,夾頭的下降速度為100mmmin。測試結(jié)果如表3-2所示：

表3-2 不同的針刺工藝參數(shù)黃麻氈的斷裂拉伸結(jié)果

在電子稱上稱出每種工藝參數(shù)下得到的黃麻氈的平方米克重，每種工藝各取四個(gè)試樣，試樣的規(guī)格大小為200mm×200mm，所得數(shù)據(jù)結(jié)果見表3-3:

表3-3 不同工藝參數(shù)下黃麻氈的平方米克重(gm2)

從表3-2和3-3的數(shù)據(jù)顯示所得，第三種黃麻氈成氈工藝參數(shù)是比較理想的，從這種工藝參數(shù)所得的黃麻氈厚度適中，而且具有比較大的抗拉伸能力，非常適合用來與PHB粉末混后壓制成黃麻PHB復(fù)合材料花盆。

3.2 黃麻PHB復(fù)合材料的力學(xué)性能測試

3.2.1 黃麻氈PHB粉末混合材料的拉伸性能的測試數(shù)據(jù)及分析

為了測試黃麻氈PHB粉末混合材料在不同PHB含量時(shí)的機(jī)械性能，分別以不含PHB時(shí)、PHB含量為20%和PHB含量為40%三種工藝中獲取黃麻氈PHB粉末混合材料，并對其機(jī)械性能進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)如表3-4所示：

表3-4

由表3-4可得在不同PHB含量下黃麻氈的性能差異對比，黃麻氈所受到的各項(xiàng)拉伸性能的大小差異比較大。PHB是影響黃麻PHB復(fù)合材料力學(xué)性能的主要因數(shù)，含量越多，越能提高黃麻氈的抗拉伸能力。但不是PHB的含量越多越好，從表3-4可得，含量越多，混合材料的被拉伸伸長能力越差，這樣會(huì)不利于將混合材料模壓成黃麻PHB復(fù)合材料花盆。

3.2.2 黃麻PHB復(fù)合板材的拉伸性能的測試數(shù)據(jù)及分析

用四柱萬能液壓機(jī)分別將PHB含量為20%和40%的黃麻氈PHB粉末混合材料壓制成黃麻PHB復(fù)合板材，然后分別把試樣裁剪成規(guī)格為200 mm×50 mm的長方形板材，試樣數(shù)量均為5塊。使用強(qiáng)力儀進(jìn)行強(qiáng)力測試，強(qiáng)力儀的夾持距離為100 mm，強(qiáng)力儀的夾頭下降速度為100 mmmin。測試結(jié)果如表3-5所示：

表3-5 黃麻PHB復(fù)合板材的拉伸性能測試

由上表數(shù)據(jù)可知，當(dāng)黃麻PHB復(fù)合材料花盆的PHB含量為20%時(shí)，其已經(jīng)具備足夠大的抵抗外界條件影響破壞的能力，滿足農(nóng)用花盆用途的性能要求。故黃麻氈PHB粉末混合材料選擇PHB的含量為20%是較為理想的。

3.3 花盆的成型與熱壓的時(shí)間、溫度和壓力的關(guān)系及其工藝的選擇

下面表格中，表3-6、表3-7、表3-8和表3-9分別列出了在模壓溫度為175℃、180℃、185℃和190℃時(shí)，模壓的時(shí)間和壓力對花盆成型效果的影響。所采用的黃麻氈PHB粉末混合材料的PHB粉末含量為20%。

表3-6 模壓溫度為175℃時(shí)，時(shí)間和壓力對花盆成型效果的影響

表3-7 模壓溫度為180℃時(shí)，時(shí)間和壓力對花盆成型效果的影響

表3-8 模壓溫度為185℃時(shí)，時(shí)間和壓力對花盆成型效果的影響

表3-9 模壓溫度為190℃時(shí)，時(shí)間和壓力對花盆成型效果的影響

從表3-6、表3-7、表3-8和表3-9中各項(xiàng)數(shù)據(jù)可得，黃麻纖維的狀態(tài)是影響花盆成型的主要因素，如果黃麻纖維結(jié)構(gòu)被破壞，即使PHB粉末完全熔融與黃麻纖維結(jié)合，要模壓的花盆也不會(huì)成型。其次就是PHB的熔融狀態(tài)，只有PHB完全熔融了，要模壓的花盆才會(huì)成型，而且不會(huì)影響花盆的外觀。模壓壓力的大小對模壓效果的影響似乎不大，只要在模壓的時(shí)候給以一定的壓力就可以了。至于模壓的時(shí)間，這個(gè)是非常重要的，因?yàn)樗蜏囟纫粯?，直接影響著在模壓時(shí)，黃麻纖維和PHB粉末的狀態(tài)。所以在模壓時(shí)，對溫度和時(shí)間的選擇要慎重和精確，不能隨便和含糊。

4 小結(jié)

從上述的實(shí)驗(yàn)可知，用黃麻纖維和PHB材料是可以生產(chǎn)制作出黃麻PHB復(fù)合材料可生物降解花盆的。影響黃麻PHB復(fù)合材料可生物降解花盆的使用性能的因素有很多，包括了黃麻氈本身的機(jī)械性能，黃麻氈和PHB粉末混合的均勻程度，PHB粉末是否能均勻溶解等等。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本實(shí)驗(yàn)的熱壓成形工藝還是有比較多的缺陷和不足的，但是隨著科技的不斷發(fā)展，這種缺陷和不足會(huì)得到很好的改善。