黃麻/粘膠/水性聚氨酯包裝材料制備及優(yōu)化

摘 要：為了緩解塑料包裝袋引起的環(huán)境污染問題，采用可生物降解的黃麻落麻纖維與粘膠纖維混合并梳理成網(wǎng)，選用水性聚氨酯作為黏合劑將纖維網(wǎng)熱壓成型，制備了黃麻/粘膠/水性聚氨酯包裝材料，并對(duì)其進(jìn)行性能測試和工藝優(yōu)化。探究原料質(zhì)量混合比、克重、熱壓參數(shù)對(duì)包裝材料拉伸強(qiáng)力的影響，并依據(jù)單因素分析結(jié)果對(duì)熱壓工藝進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)熱壓溫度為160℃、熱壓時(shí)間為20 s、壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)，包裝材料的縱、橫向斷裂強(qiáng)力分別為126.0、82.6 N，滿足購物袋的強(qiáng)力要求。制備可降解的麻纖維包裝材料代替塑料包裝袋是目前重要的研究方向，對(duì)于農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：黃麻落麻；粘膠；水性聚氨酯；非織造；包裝材料

中圖分類號(hào)：TS176

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）09-0065-08

收稿日期：2024-01-02

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2024-03-20

基金項(xiàng)目：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（CARS-16）；上海市現(xiàn)代紡織前沿科學(xué)研究基地項(xiàng)目

作者簡介：武柳君（2000—），女，山西孝義人，碩士研究生，主要從事麻類包裝材料方面的研究。

通信作者：郁崇文，E-mail：yucw@dhu.edu.cn

黃麻落麻纖維是一種性能優(yōu)異、綠色環(huán)保的天然纖維素纖維^［1-2］。它與苧麻、大麻、亞麻等同屬于韌皮纖維，被稱為“黃金纖維”^［3］。黃麻纖維具有優(yōu)良的可降解性，能夠在自然環(huán)境中通過光、熱、微生物的作用自行降解，降解的最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染^［4］。粘膠纖維柔軟細(xì)膩、觸感舒適，具有抗靜電、防紫外線等功能，可在較短時(shí)間內(nèi)完全生物降解，是用于生產(chǎn)包裝材料的理想材料。水性聚氨酯是以水代替有機(jī)溶劑作為分?jǐn)?shù)介質(zhì)的新型聚氨酯體系^［5］，具有無污染、安全環(huán)保、耐水性好、生物可降解等特點(diǎn)。于洋等^［6］提出以黃麻和滌綸纖維為原料，梳理成網(wǎng)，并針刺加固，制備可降解包裝袋。其結(jié)果表明，面密度為126.87 g/m²時(shí)，該包裝袋的縱、橫向強(qiáng)力分別為11.4、25.8 N，其針刺加固的強(qiáng)力不足，需添加黏合劑提高強(qiáng)力。加入黏合劑后，面密度為309.48 g/m²時(shí)、該包裝袋的縱、橫向強(qiáng)力為83、105.5 N。崔靖等^［7］以廢棄黃麻為增強(qiáng)材料、以聚氨酯為基體制備的復(fù)合材料，通過正交實(shí)驗(yàn)、極差分析及方差分析（拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等指標(biāo)），優(yōu)化出共混塑煉熱壓法成型工藝條件，即黃麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、熱壓溫度180℃、熱壓時(shí)間10 min。在最優(yōu)工藝條件下，制得的廢棄黃麻/熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（TPU）復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度33.58 MPa、彎曲強(qiáng)度45.72 MPa、沖擊強(qiáng)度7.83 kJ/cm²。倪冰選等^［8］通過測試，給出了以聚酯（PET）纖維為原料的非織造布包裝袋的性能指標(biāo)：厚度0.45～0.65 mm、面密度100～150 g/m²、縱向斷裂強(qiáng)力120～180 N、橫向斷裂強(qiáng)力45～70 N，該指標(biāo)范圍對(duì)包裝袋的開發(fā)具有重要參考價(jià)值。

本課題組前期的試驗(yàn)曾制備黃麻、粘膠、羧甲基纖維素鈉（CMC）包裝材料，由于CMC的黏結(jié)性好，當(dāng)樣品面密度為102.4 g/m²時(shí)、該材料的縱、橫向強(qiáng)力分別為263.6、176.8 N，所制備樣品強(qiáng)力均高于文獻(xiàn)［8］中所給出的數(shù)值，可滿足包裝袋力學(xué)性能的要求，但CMC包裝材料濕強(qiáng)差^［9］，濕態(tài)下的強(qiáng)力保留率僅26%～32%左右，影響包裝材料在濕態(tài)下的使用。因此，本文采用耐水性較好的水性聚氨酯替代濕強(qiáng)較差的CMC來制備包裝材料，將黃麻落麻纖維與粘膠纖維梳理成網(wǎng)并針刺，再將水性聚氨酯粉末均勻撒在針刺后的纖維網(wǎng)上，通過平板硫化機(jī)熱壓成型，制備黃麻/粘膠/水性聚氨酯可降解包裝材料，并通過正交實(shí)驗(yàn)來系統(tǒng)研究原料質(zhì)量比、克重、熱壓溫度、時(shí)間、壓力對(duì)包裝材料拉伸性能的影響，確定最佳熱壓工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

黃麻落麻纖維由湖南湘南麻業(yè)有限公司提供、粘膠纖維由張家港市錦花漂白纖維有限公司提供、水性聚氨酯粉末由山東豪耀新材料有限公司提供。纖維原料的力學(xué)性能見表1。

1.2 儀器與設(shè)備

FZS-600單錫林雙道夫梳理機(jī)（常熟偉成非織造成套設(shè)備有限公司），F(xiàn)ZZ-1000主針刺機(jī)（常熟偉成非織造成套設(shè)備有限公司），XLB-400×400×2型平板硫化機(jī)（上海齊才液壓機(jī)械有限公司），HD026N型多功能織物強(qiáng)力機(jī)（溫州方圓儀器有限公司），F(xiàn)A-1004型電子天平（上海天平儀器廠）。

1.3 樣品制備

剪取黃麻落麻纖維與粘膠纖維按照一定比例混合梳理纖維網(wǎng)，喂入針刺機(jī)，工藝參數(shù)為針刺密度150 cm²，針刺深度4.5 mm，針刺一道。再將水性聚氨酯粉末撒在針刺后的纖維網(wǎng)上，經(jīng)過平板硫化機(jī)熱壓成型，制得可降解包裝材料。

1.4 性能測試

1.4.1 克重測試

將制備所得的黃麻/粘膠/水性聚氨酯樣品干燥后稱取其質(zhì)量，并測量其長度、寬度，可計(jì)算得到黃麻/粘膠/水性聚氨酯樣品的克重（g/m²）。

1.4.2 斷裂強(qiáng)力測試

測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的確定（條樣法）》。

測試儀器：HD026N型多功能織物強(qiáng)力機(jī)。

參數(shù)設(shè)置：試樣寬度為50 mm±0.5 mm，隔距長度為100 mm，拉伸速度為100 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工藝參數(shù)對(duì)包裝材料性能的影響

2.1.1 原料混合比對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

將切斷后的黃麻落麻纖維與粘膠纖維分別以60∶20、50∶30、40∶40、30∶50的質(zhì)量比混合梳理成網(wǎng)，并將其針刺。然后，將水性聚氨酯粉末均勻撒在針刺后的纖維網(wǎng)上，采用平板硫化機(jī)熱壓成型，制備包裝材料。將樣品裁剪為條樣法規(guī)格，測試其干強(qiáng)。再將樣品在水中浸漬1 h后取出，用吸水紙除去多余水分后，測試其濕強(qiáng)。樣品的干濕強(qiáng)測試結(jié)果對(duì)比情況如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)粘膠纖維含量在50%時(shí)，材料的斷裂強(qiáng)力達(dá)到最高。非織造布的干強(qiáng)雖隨著粘膠比例的增加而增加，但濕強(qiáng)降低，因?yàn)檎衬z纖維是親水性高分子物質(zhì)，粘膠纖維的含量過多會(huì)導(dǎo)致材料耐水性能差。當(dāng)包裝材料浸濕后，濕強(qiáng)顯著小于干強(qiáng)，會(huì)影響包裝材料的使用效果，故粘膠含量不宜過多。當(dāng)粘膠比例為40%時(shí)，包裝材料縱、橫向斷裂強(qiáng)力分別為120.6、82.9 N，均符合包裝材料力學(xué)性能的要求。因此，粘膠纖維比例在40%比較合適。

隨著粘膠纖維含量的增加，包裝材料的斷裂強(qiáng)力逐漸增加，說明粘膠纖維能夠在一定范圍內(nèi)提升材料的拉伸性能。水性聚氨酯對(duì)材料的拉伸性能也具有關(guān)鍵作用。對(duì)比相同克重下，黃麻纖維一定，粘膠纖維和水性聚氨酯比例的變化對(duì)樣品拉伸性能的影響。根據(jù)選定的工藝流程制備黃麻/粘膠/水性聚氨酯混合比40∶50∶10、40∶45∶15、40∶40∶20、40∶35∶25 4組試樣，將黃麻與粘膠纖維梳理成網(wǎng)，針刺加固，再將水性聚氨酯均勻撒在針刺后的纖維網(wǎng)上，通過平板硫化機(jī)熱壓成型，制備包裝材料，測試?yán)煨阅?，并進(jìn)行對(duì)比，測試結(jié)果見表2。

由表2可知，在克重相近（105 g/m²），黃麻比例均為40%時(shí)，降低粘膠纖維的含量，同時(shí)提高水性聚氨酯的比例，樣品的斷裂強(qiáng)力逐步增加。粘膠纖維具有親水性，粘膠纖維比例不小于40時(shí)，材料的濕強(qiáng)保留率在62%左右，而混合比為40∶35∶25時(shí)，材料的濕強(qiáng)保留率明顯提高，達(dá)到67%以上。因此，粘膠纖維和水性聚氨酯的含量對(duì)非織造包裝材料的拉伸性能有重要的影響。

2.1.2 克重對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

選取原料混合比40∶40∶20、熱壓溫度為160℃、熱壓時(shí)間為20 s、壓強(qiáng)為5 MPa，研究不同克重，即100、105、110、115 g/m² 對(duì)非織造包裝材料斷裂強(qiáng)力的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)克重為115 g/m²時(shí)，包裝材料的縱、橫向斷裂強(qiáng)力分別達(dá)到139.2、87.7 N，這是因?yàn)殡S著克重的增加，纖維在纖維網(wǎng)中分布均勻，纖維間抱合力的提高使得包裝材料的強(qiáng)力逐漸提高。同時(shí)，水性聚氨酯粉末在纖維網(wǎng)上均勻分布也是導(dǎo)致其強(qiáng)力提高的原因之一?？紤]到包裝材料克重要求以及原料的節(jié)省原則，克重為105 g/m²的包裝材料縱、橫向斷裂強(qiáng)力分別為122.5、79.6 N，均滿足包裝袋的力學(xué)性能要求。因此，選取包裝材料的克重在105 g/m²左右較為合適。

2.1.3 熱壓溫度對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

選取原料混合比40∶40∶20、克重為105 g/m²、熱壓時(shí)間為20 s、壓強(qiáng)為5 MPa，研究不同熱壓溫度，即140、150、160、170、180℃對(duì)包裝材料斷裂強(qiáng)力的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)熱壓溫度為140℃時(shí)，包裝材料的斷裂強(qiáng)力較低。隨著熱壓溫度的逐漸升高，水性聚氨酯熔融速度加快，包裝材料的斷裂強(qiáng)力也逐漸升高。當(dāng)熱壓溫度為170℃時(shí)，包裝材料的斷裂強(qiáng)力有下降的趨勢，這是由于熱壓溫度過高，導(dǎo)致黃麻纖維在高溫作用下受到一定的損傷，使得材料的強(qiáng)力降低。當(dāng)熱壓溫度為160℃時(shí)，包裝材料縱、橫向斷裂強(qiáng)力分別為126.5、80.5 N，均滿足包裝袋的力學(xué)性能要求。因此，選取熱壓溫度為160℃較為合適。

2.1.4 熱壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

選取原料混合比40∶40∶20，克重為105 g/m²、熱壓溫度為160℃、壓強(qiáng)為5 MPa，研究不同熱壓時(shí)間，即10、15、20、25、30 s對(duì)包裝材料斷裂強(qiáng)力的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，材料的斷裂強(qiáng)力隨著熱壓時(shí)間的增加而增加。當(dāng)熱壓時(shí)間為30 s時(shí)，包裝材料的斷裂強(qiáng)力最高，這是由于熱壓時(shí)間越長，水性聚氨酯與纖維接觸越充分，黏結(jié)越均勻，材料的斷裂強(qiáng)力越高。當(dāng)熱壓時(shí)間為20 s時(shí)，包裝材料縱、橫向斷裂強(qiáng)力分別為120.8、82.5 N，均滿足包裝材料力學(xué)性能的要求。因此，盡管延長時(shí)間還可以進(jìn)一步提高強(qiáng)力，但從節(jié)約能源以及生產(chǎn)成本角度考慮，選取熱壓時(shí)間20 s較為合適。

2.1.5 壓強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

選取原料混合比40∶40∶20，克重為105 g/m²、熱壓溫度為160℃、熱壓時(shí)間為20 s、研究不同壓強(qiáng)，即1、3、5、7、9 MPa對(duì)包裝材料斷裂強(qiáng)力的影響，測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)壓強(qiáng)為1 MPa時(shí)，由于壓力較小，材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致樣品表面粗糙，強(qiáng)力不足。隨著壓力的逐漸升高，包裝材料的斷裂強(qiáng)力逐漸升高，但增長速度較為緩慢。當(dāng)壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)，包裝材料的斷裂強(qiáng)力達(dá)到最大值。這是由于壓力的增加使得材料內(nèi)黏結(jié)點(diǎn)較大，固結(jié)了周圍的黃麻和粘膠纖維，形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓力繼續(xù)提高，壓強(qiáng)為7 MPa時(shí)，包裝材料的斷裂強(qiáng)力有下降的趨勢。這是因?yàn)閴毫^大，導(dǎo)致材料損傷。因此，選取壓強(qiáng)為5 MPa較為合適。

2.2 包裝材料制備工藝的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

為研究包裝材料制備工藝的最優(yōu)工藝，本實(shí)驗(yàn)采用L（3⁴）正交實(shí)驗(yàn)，根據(jù)上面單因子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選定合適的熱壓工藝參數(shù)水平^［10］，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表3所示。

對(duì)按正交實(shí)驗(yàn)方案所制備的樣品進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。由表4可知，影響試樣縱、橫向斷裂強(qiáng)力的因素主次排序?yàn)闊釅簻囟華、壓強(qiáng)C、熱壓時(shí)間B，且最優(yōu)方案為ABC，即熱壓溫度160℃、熱壓時(shí)間30 s、壓強(qiáng)5 MPa。

對(duì)樣品的縱、橫向斷裂強(qiáng)力進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表5。

由表5可知，F(xiàn)（2，2）=19，“*”表示影響顯著。試樣拉伸以及生產(chǎn)成本可縮短熱壓時(shí)間，得到綜合最優(yōu)方案ABC，即熱壓溫度160℃，熱壓時(shí)間20 s，壓強(qiáng)5 MPa。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取直觀分析所得最優(yōu)方案ABC和方差分析所得綜合最優(yōu)方案ABC進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，此外，表3正交實(shí)驗(yàn)方案中組合為ABC、ABC、ABC（試驗(yàn)號(hào)分別為8、9、7）時(shí)得到的材料縱、橫向斷裂強(qiáng)力也較為優(yōu)異，將以上幾組工藝作為對(duì)照組，制備黃麻/粘膠/水性聚氨酯混合比為40∶40∶20，克重為105 g/m²的包裝材料，測試斷裂強(qiáng)力并進(jìn)行比較，測試結(jié)果見表6。

由表6可知，ABC方案所得樣品的縱、橫向斷裂強(qiáng)力均優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明該實(shí)驗(yàn)所得最優(yōu)方案是可靠有效的。ABC方案所得樣品的縱、橫向斷裂強(qiáng)力雖低于最優(yōu)水平，但其強(qiáng)力均高于文獻(xiàn)［8］中所給出的數(shù)值，即縱向斷裂強(qiáng)力大于1

20～180 N，橫向斷裂強(qiáng)力大于45～70 N，可滿足包裝材料力學(xué)性能的要求，且熱壓時(shí)間較短，方便實(shí)際生產(chǎn)，可節(jié)約能源，故可作為綜合最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過單因素分析法和正交實(shí)驗(yàn)研究了混合比及熱壓工藝對(duì)黃麻/粘膠/水性聚氨酯非織造包裝材料性能的影響，結(jié)論如下：

a）原料混合比：隨著粘膠含量的增加，包裝材料的斷裂強(qiáng)力呈上升趨勢，黃麻/粘膠/水性聚氨酯比例在30∶50∶20時(shí)材料的斷裂強(qiáng)力最高。在克重相近、黃麻纖維比例不變時(shí)，隨著水性聚氨酯比例的增加，樣品的斷裂強(qiáng)力均逐漸增加。說明水性聚氨酯能夠在一定范圍內(nèi)提升材料的拉伸性能。

b）熱壓工藝參數(shù)對(duì)黃麻/粘膠/水性聚氨酯包裝材料性能的影響：熱壓溫度：包裝材料的強(qiáng)力隨熱壓溫度的升高先升高后降低，材料的熱壓溫度為160℃時(shí)，斷裂強(qiáng)力最高；熱壓時(shí)間：材料的斷裂強(qiáng)力隨著熱壓時(shí)間的增加而增加；壓強(qiáng)：隨著壓強(qiáng)的逐漸升高，材料的斷裂強(qiáng)力先升高后降低。

c）正交實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)黃麻/粘膠/水性聚氨酯混合比為40∶40∶20，克重為105 g/m²時(shí)，熱壓溫度和壓強(qiáng)對(duì)樣品縱、橫向斷裂強(qiáng)力的影響顯著，熱壓時(shí)間的影響不顯著。

綜合所得最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)為：熱壓溫度160℃，熱壓時(shí)間20 s，壓強(qiáng)5 MPa。在此條件下制備的材料可滿足包裝袋的力學(xué)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