紙蜂窩廢料的再生利用及其性能優化

周洋 張新昌

摘 ?????要： 探究一種紙蜂窩廢料回收工藝方案，并優化材料性能。首先對膠黏劑進行復配，然后在紙蜂窩廢料中加入復配后膠黏劑、聚乙烯醇液與丙三醇，通過正交試驗制備試樣，對試樣彈性比能、彎曲強度、殘余應變進行測試并分析，篩選出優良配方。結果表明，用氧化淀粉液改性聚乙酸乙烯酯乳劑，加入比為6∶10，并對其進行乙酰化，膠黏劑黏度達到最高值7.9 Pa·s，體系流動性較好，無分層現象。當施膠比為3∶10，聚乙烯醇液與丙三醇添加量分別為15、3 g時，彈性比能為1.527 J ·?cm^-3，彎曲強度為46.307 MPa，殘余應變為52%，試樣綜合性能評分最高分，性能最佳。

關 ?鍵 ?詞：紙蜂窩廢料;再生利用;熱壓;優化性能

中圖分類號：TS 206.4???????文獻標識碼：?A ??????文章編號：1671-0460（2020）01-0095-04

Recycling of Paper Honeycomb Waste and Its Property Optimization

ZHOU?Yang¹，ZHANG?Xin-chang^1，2

（1. Jiangnan University，Jiangsu Wuxi 214122，China;

2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment Technology，Jiangsu Wuxi 214122，China）

Abstract： A recycling process of paper honeycomb waste was explored，and material properties were optimized. Firstly，the adhesive was?compounded and modified，and then the compounded adhesive，polyvinyl alcohol and glycerin?were?added to the paper honeycomb waste?to prepare the sample by orthogonal test，and the elastic specific energy，bending strength and residual strain of the sample were tested and analyzed. And the optimal formula?was screened. The results showed that after the polyvinyl acetate adhesive was modified with oxidized starch?by?the addition ratio of?6∶10，and the acetylation，its viscosity reached the highest value of 7.9?Pa·s，and the fluidity of the system was good without delamination phenomenon. When the sizing ratio was?3∶10，the polyvinyl alcohol and glycerol were?15 and 3?g respectively，the elastic specific energy of prepared sample was?1.527?J· cm^-3，the bending strength?was?46.307?MPa，and the residual strain was?52%，so the sample performance score was?up to 82.1 points and the performance was?the best.

Key words：?Paper honeycomb waste;?Recycling; Hot pressing; Property?optimization

紙蜂窩材料具有質量輕、制作成本低、強度高、隔熱吸音等諸多優異性能，在包裝與運輸行業中有著廣泛應用，為理想的新型綠色包裝材料之一^[1-3]。由于紙蜂窩材料結構局限性，在加工時會產生很多邊角料，廢料率高達12%以上，尋找一種有效的回收處理方式是當務之急。目前采取壓縮打包、回收制漿的廢紙處理方式，不僅效率低、效益差，也會帶來一定的污染^[5，6]。歐美及日本等發達國家選擇添加一定化學試劑后模壓成型^[7，8]，用于小型家電及電子產品的包裝，初具成效。將其打漿加入助劑制作再生材料也是近年來的趨勢^[9-11]，許多學者探討了各種加工工藝^?[12-14]。以廢紙為主要原料制作的包裝材料緩解了可再生能源迫切的要求，但紙漿經過二次、多次打漿后，紙纖維強度下降。且這些制品工藝復雜、生產效率低、性能方面有所欠缺，市場競爭力不高，尋找其他工藝方案是改善問題的有效措施。本文在紙蜂窩廢料預處理過程不采取打漿工藝，而是將其按照一定尺寸切割，保持其原有材料的蜂窩結構。并將氧化淀粉液與聚乙酸乙烯酯乳液復配作為膠黏劑，添加聚乙烯醇液和丙三醇，制作生物質再生蜂窩材料，為紙蜂窩廢料的再生利用提供了一種新思路與方式。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗材料

紙蜂窩廢料，厚30 mm，某公司提供;聚乙酸乙烯酯乳劑，固態含量20%，市購;氧化淀粉，自制;聚乙烯醇、丙三醇、液體石蠟，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 ?儀器與設備

XLB400×400型熱壓機;THS-AOC-100AS型恒溫恒濕箱;LRX PLUS型萬能材料試驗機;HH-4A型數顯恒溫水浴鍋;NDJ-1旋轉型黏度計。

1.3 ?制備方法

依據《GB/T4857.2-2005》^[15]對試樣進行溫濕度處理，按照預先測量好尺寸（10×10×30 mm³）切割紙蜂窩板廢料，盡量保持廢料蜂窩結構挺立。將質量分數為30%淀粉液加入反應瓶，加氫氧化鈉液調pH至13，加淀粉液量5%過氧化氫（質量分數30%）靜置1 h，加鹽酸調pH至8，得到氧化淀粉液，將其加入聚乙酸乙烯酯乳液中乙酰化、糊化。稱取聚乙烯醇倒入100 mL水中，進行90 ℃水浴溶解。將所有助劑混合，均勻噴灑至100 g廢料塊上，90 ℃熱壓15 min，試樣厚度控制在25 mm，熱壓結束后干燥。

1.4 ?性能測試

按照《GB/T 11175-2002》^[16]測定改性膠黏劑黏度，每個試樣測定5次。

針對緩沖包裝材料評價指標較多，如沖擊、振動能量的吸收性、回彈性、蠕變性等^[17]。試驗測試試樣彈性比能^[18]、抗彎強度^[19]、殘余應變^[20]來反映材料的各項性能指標。

1.5 ?試驗設計

1.5.1 ?膠黏劑的復配

膠黏劑的性能影響再生蜂窩材料性能，本文主要探究膠黏劑的黏度。聚乙酸乙烯酯乳液是一種用途廣、用量大的乳液膠黏劑，它是以水為分散介質進行乳液聚合而得^[21]，其成本較高。淀粉作為天然高分子材料，來源廣泛，價格低廉，可降解，將其應用到聚合物乳液的改性中。淀粉分子中羥基參與反應，增加乳液黏性。將兩者復配，降低生產成本，提高試樣環保性。基于上述原因，本文首先探究氧化淀粉液加入量對于復配膠黏劑黏度影響。固定聚乙酸乙烯酯乳液為100?g，向其中添加氧化淀粉液。

1.5.2 ?配方的正交試驗

聚乙烯醇以水溶液形式使用時對體系有協同黏結作用，可增稠。同時，烷基類軟化劑對紙纖維具有較好的軟化效果，因此加入丙三醇作為軟化劑。通過前期預試驗大致確定添加量，在此基礎上，設計正交試驗研究不同配方對試樣性能的影響。基于上述單因素試驗研究結果，正交試驗設計見表1。

2 ?結果與討論

2.1 ?膠黏劑復配

復配膠黏劑性能測試結果如圖1所示。由圖1可知，利用氧化淀粉液改性聚乙酸乙烯酯乳液時，膠黏劑黏度呈現先上升后下降的趨勢，在氧化淀粉液添加量為0～60 g時，膠黏劑黏度隨著氧化淀粉液加入量的提高不斷增大。氧化淀粉液添加至60 g時黏度達到最高值7.9 Pa·s。氧化淀粉液添加量為60～80 g時，隨著添加量越來越多，膠黏劑黏度呈現下降的趨勢，這是由于淀粉的內聚強度比聚乙酸乙烯酯的小。因此氧化淀粉液與聚乙酸乙烯酯復配后糊化可提高膠黏劑黏度，兩者最佳配比為6∶10，此時膠黏劑黏度達到最大值7.9 Pa·s。

2.2 ?配方對試樣性能的影響及機理分析

共制作出9塊試樣，得到9組不同的配方，正交試樣結果見表2。

2.2.1 ?極差分析

各因素對彈性比能、彎曲強度、殘余應變的影響分別如表3、4、5所示。由表3、4分析可得該材料彈性比能影響因素按重要性排序依次為施膠、聚乙烯醇液與丙三醇添加量;該材料彎曲強度影響因素按重要性排序依次為聚乙烯醇液添加量、施膠比、丙三醇添加量。各因素對于彈性比能、試樣彎曲強度的影響趨勢如圖2、3所示。可以看出，彈性比能和彎曲強度都隨著施膠比、聚乙烯醇液添加量的增大而增大。這是因為聚乙烯醇是水溶性材料，聚乙烯醇干燥后起到固定纖維的作用。另外糊化淀粉顆粒可插入聚乙烯醇分子鏈中，提高體系穩定性，因此彈性比能、彎曲強度隨之增大。丙三醇的加入對試樣彈性比能影響較小，其加入使得試樣彎曲強度先減小后增加。丙三醇作為烷基類軟化劑有較好軟化效果，會減弱體系黏性，所以當丙三酮添加量為5 g時，試樣彎曲強度稍有下降。但丙三醇分子中三個-OH可以連接助劑中大分子，增強了整體連接性，因此添加量為7 g時，試樣彎曲強度有所提高。

由表5分析可得該材料殘余應變的影響因素按照重要性排序，依次為丙三醇與聚乙烯醇液添加量、施膠比。各因素對于試樣殘余應變的影響趨勢如圖4所示。由圖可以看出，丙三醇的加入使得試樣殘余應變先增大后減小。產生上述結果是由于少量丙三醇的加入會軟化紙纖維，增加膠黏劑與紙纖維的黏結作用，造成試樣回彈性能減小，所以殘余應變增大。隨著丙三醇含量的增加，其潤滑作用減弱系統黏性，因此試樣回彈性能增大，殘余應變減小。聚乙烯醇液與膠黏劑的加入會增加試樣殘余應變。這是因為膠黏劑越多，紙蜂窩廢料之間粘結越牢固，試樣回彈性能減小，殘余應變增大。聚乙烯醇液的加入會增加系統的黏性，使得膠黏劑與試樣更加充分的連接，因此試樣的回彈性能減小，殘余應變增大。

2.2.2 ?方差分析

由于試樣壓縮不均勻或者測量不準，性能測試結果可能存在一定誤差。所以對實驗結果進行方差分析，消除實驗誤差對分析的偏差。方差分析結果見表6、7、8，F_0.05=19，F_0.1=9，F_0.25=4。由表6分析，因素A和因素B的F值都大于F_0.05，因素A和因素B在α=0.05水平上極其顯著影響彈性比能，因素C不顯著影響此指標，影響程度A>B>C。由表7分析，因素B的F值都大于F_0.1，因素B在α=0.1水平上較顯著影響彎曲強度;因素A的F值都大于F_0.25，因素A在α=0.25水平上顯著影響彎曲強度，因素C不顯著影響此指標，影響程度B>A>C。由表8分析，因素C的F值大于F_0.25，因素C在α=0.25水平上顯著影響殘余應變，因素A與因素B不顯著影響此指標，影響程度C>B>A。通過以上探討可知，3個因素影響此材料緩沖性能主次排序結果與極差分析所得結果相同。

2.2.3 ?綜合評分法分析

為更清晰地對試樣的綜合性能進行評價，選擇公式綜合評分法^[22]，進行指標的無量綱化。總體上，彈性比能、彎曲強度與殘余應變這三個指標都可評價試樣性能。經過專家評定，彈性比能加權系數定為0.4，彎曲強度加權系數定為0.4，殘余應變加權系數定為0.2，綜合評分為各評分之和。根據上述方法進行打分，最終得到綜合總分，評定出綜合性能最優組，評分結果如表2所示。由表2可以看出第6組評分最高，第四組為A₂B₃C₁，即最優配方為施膠比3∶10，聚乙烯醇液添加量為15 g，丙三醇添加量為3 g。

3 ?結 論

本試驗探究一種紙蜂窩材料的制備及其性能優化，以紙蜂窩廢料為原料，熱壓工藝為基礎，利用正交試驗分析影響試樣性能的因素。首先復配膠黏劑，測定其黏度得出最佳復配比。然后向紙蜂窩廢料中添加膠黏劑、聚乙烯醇液與丙三醇，通過正交試驗分析各種助劑對試樣彎曲性能、彈性比能與殘余應變影響。當氧化淀粉液與聚乙酸乙烯酯乳液比為6∶10，在堿性環境下乙酰化，并進行糊化，膠黏劑達到最佳效果，黏度達到最高值7.9 Pa·s，體系流動性較好，無分層現象。當施膠比3∶10，聚乙烯醇液添加量為15 g，丙三醇添加量為3 g進行熱壓時，彈性比能為1.527 J·cm^-3，彎曲強度為46.307 MPa，殘余應變為52%，試樣綜合性能評分最高，材料性能最佳。其中，通過方差分析與極差分析可得施膠比對于材料彈性比能影響最大，聚乙烯醇液添加量對于材料彎曲性能影響最大，丙三醇對于材料殘余應變影響最大。

本試驗方法制作的再生蜂窩材料性能優良，可有效提高紙蜂窩廢料的回收利用率，產生較高的經濟效益，為紙蜂窩廢料的處理提供了一種新思路與新方式。

參考文獻：

[1]Ahmed Abbadi， Y Koutsawa， ACarmasol， S Belouettar， Z Azari. Experimental and numerical characterization of honeycomb sandwich composite panels[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2009， 17： 1533–1547.

[2]王勤.蜂窩紙包裝發展優劣勢頭并存[J].?中國綠色時報，2012，B04：1.

[3]方吾校.?蜂窩紙制品包裝將展現更大魅力[J].?印刷技術，2014?（10）：?39-39.

[4]劉勝祥，王興業，徐麗麗，等. 紙蜂窩材料在空投包裝中的應用[J].包裝工程，2016，37?（17）：?25-29.

[5]涂寧宇，劉洋. 廢紙造紙廢水封閉循環系統高效菌動力學研究[J]. 當代化工，2011 （7）： 745-747+750.

[6]商丹，余志偉.?包裝廢紙再利用策略研究[J].?四川環境，2012?（1）：194-196.

[7]Anna JS，Poul J，Sergey VD，et al.?Towards tailored hierarchical structures in cellulose nanocomposite bio-foams prepared by freezing/?freeze-?drying [J]. Materials Chemistry，2010，20： 6646-6654.

[8]Kori Y，Kitagawa K，Hamada H. Crystallization behavior and viscoelasticity of bamboo fiber composites[J]. Journal of Applied Polymer Science，2005，98： 603-612.

[9]?楊學通，郭文靜，陳巧花，等.?造紙剩余物制備復合板材可性能研究[J].?浙江農林大學學報，2014，31?（6）： 954-958.

[10]張哲源，李博，嚴歡，等.?改性大豆蛋白用于輕質代木包裝材料的制備[J].?包裝工程，2016，37 （15）：?72-77.

[11]趙東方，趙春霞，應麗莎，等.?柑橘皮渣/淀粉基可降解復合緩沖材料的制備及性能表征[J].?包裝工程，2012，33?（21）：?1-5.

[12]彭慧麗，基于擠出工藝的生物質包裝材料研究[D].無錫， 江南大學， 2014：8-10.

[13]曾廣勝，林瑞珍，鄭良杰，等.?不同發泡劑制備廢紙漿增強淀粉基復合材料性能的對比[J].?功能材料，2013，1?（44）：?51 -55.

[14]梅志凌，孫昊，張新昌.?環保生物質包裝材料的制備及性能研究[J].?包裝工程，2014，35?（09）：?56-60.

[15]黃雪，周澎，張曉建，等.?GB/T4857.2-2005包裝運輸包裝基本試驗第2部分：?溫濕度調節處理[S].?北京：中國標準出版社，2005：?1-2.

[16]楊學棟，高艷想，劉鵬凱，等.?GB/T11175-2002合成樹脂乳液試驗方法[S].?北京：?中國標準出版社，2002：?507-509.

[17]巨楊妮，張新昌.?基于復配發泡劑的紙纖維發泡緩沖包裝材料制備工藝[J].?包裝工程，2012，33?（5）： 43-46

[18]黃雪，劉萍，蔡少齡，等.?GB/T8168-2008包裝用緩沖材料靜態壓縮試驗方法[S].?北京：?中國標準出版社，2008：?1-4.

[19]包亦望，黃增辰，馬眷榮，等.?GB/T6569-2006精細陶瓷彎曲強度試驗方法[S].?北京：?中國標準出版社，2006：?1-8.

[20]崔潔，胡海濤，王振華，等.?GB/T14745-2017包裝緩沖材料蠕變特性試驗方法[S].?北京：?中國標準出版社，1993：?1-4.

[21]楊猛，李長多，高陽，等. PVAC乳液黏度的影響因素研究[J].?中國膠粘劑，2013，22?（3）： 22-25

[22]吳有煒.?試驗設計與數據處理[M].?蘇州：?蘇州大學出版社，2002：70-75.