可调湿发泡缓冲包装材料的制备及性能研究_卓丽菊.pdf

振 动 与 冲 击 第 39 卷第 13 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol. 39 No.13 2020 基金项目 浙江理工大学 521 人才培养计划; 浙江省基础公益研究计划 项目LGG19E080004; 2018 年度萧山区重大科技计划项目 收稿日期 2019 -01 -03 修改稿收到日期 2019 -04 -25 第一作者 卓丽菊 女,硕士生,1994 年生 通信作者 鄂玉萍 女,博士,讲师,1982 年生 可调湿发泡缓冲包装材料的制备及性能研究 卓丽菊1, 鄂玉萍2, 王家俊2, 许广禹1, 孙俊军3, 王 军4 1. 浙江理工大学 材料与纺织学院、丝绸学院, 杭州 310018; 2. 浙江理工大学 艺术与设计学院, 杭州 310018; 3. 浙江大胜达包装集团有限公司, 杭州 311215; 4. 江南大学 机械工程学院, 无锡 214122 摘 要利用微波发泡法制备一种新型的功能性发泡缓冲包装材料,采用热场发射扫描电子显微镜及微机控制电 子万能试验机对发泡淀粉基调湿材料的表观形貌及力学性能进行测试,探讨了淀粉含量、丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙 烯酰胺质量比、丙烯酸中和度及初始水含量对发泡淀粉基调湿材料性能的影响。 结果表明当淀粉含量为 10. 5 wt、丙 烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质量比为 4. 5∶ 1、丙烯酸中和度为 80、初始水含量为 10 g 时,发泡淀粉基调湿材料 的平台应力和缓冲系数分别达到 0. 363 MPa 和 3. 618,单位体积吸收的能量为 0. 326 J/ cm;发泡淀粉基调湿材料的吸/ 放 湿率随淀粉含量的增加而降低,随丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质量比、丙烯酸中和度及初始水含量的增加而 增加。 关键词 淀粉; 发泡; 调湿; 力学性能 中图分类号 TB332 文献标志码 ADOI10. 13465/ j. cnki. jvs. 2020. 13. 020 Preparation and properties of adjustable moisture foaming cushioning packaging materials ZHUO Liju1, E Yuping2, WANG Jiajun2, XU Guangyu1, SUN Junjun3, WANG Jun4 1. College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2. Art 3. Shengda Group Co. Ltd. , Hangzhou 311215, China; 4. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China Abstract Here, foamed starch-based humidity control FSHC material was successfully made with the microwave foaming . Then, a thermal field emission scanning electronic microscope and a microcomputer controlled electronic universal testing machine were used to detect apparent morphology and mechanical properties of FSHC material, effects of starch content, acrylic acid sodium-acrylate mixed solution and acrylamide mass ratio, acrylic acid neutralization degree and initial water content on properties of FSHC material were investigated. Results showed that the plat stress, cushioning coefficient and energy absorption unit volume of FSHC material reach 0. 363 MPa, 3. 618 and 0. 326 J/ cm, respectively when starch content is 10. 5, mass ratio of acrylic acid sodium-acrylate mixed solution to acrylamide is 4. 5∶ 1, neutralization degree of acrylic acid is 80 and initial water content is 10 g; the moisture absorption / desorption rate of FSHC material decreases with increase in starch content, and increases with increase in mass ratio of acrylic acid sodium - acrylate mixed solution to acrylamide, neutralization degree of acrylic acid and initial water content. Key words starch; foaming; humidity control; mechanical properties 产品在运输过程中除了冲击和振动会造成损坏之 外,环境湿度的影响亦不可忽略[1]。 湿度较低容易产 生静电,造成机械的故障和产品附尘;而湿度太高不仅 使精密仪器的精度大大下降,亦会影响精密仪器的使 用寿命,而且湿度过高会使诸如皮革、纸张、竹木、食 品、纺织品或药品发霉变质,因此需要综合考虑冲击振 动和环境湿度影响对产品进行防护包装设计[2-4]。 发 泡材料因其良好的缓冲性能和吸能性能而广泛应用于 包装领域[5-6]。 但是常用发泡缓冲材料不具备湿度调 节功能,需额外放置能够调节环境湿度的材料或产品 通常为干燥剂、防潮涂层等,给包装作业带来不便, 也增加了包装成本。 本文针对上述问题提出一种具有 双向湿度调节功能的发泡缓冲材料的制备方法,并对 ChaoXing 其性能进行研究。 具有双向湿度调节功能的发泡缓冲材料是在调湿 材料的基础上,通过微波发泡工艺使凝胶状调湿材料 发泡形成多孔状结构。 调湿材料最早由日本学者提 出,是指一种不需要借助任何人工能源和机械设备,仅 依靠材料自身的吸放湿性能,感应所调空间空气湿度 的变化,从而自动调节空气相对湿度的环保材料[7-9]。 徐鹏飞[10]用冷冻干燥法制得魔芋葡甘聚糖基调湿材 料,然而冷冻干燥法耗时且制备成本高。 余丽萍等[11] 借鉴反向悬浮法将魔芋葡甘聚糖与丙烯酸、丙烯酰胺 进行接枝聚合,然后将制得的凝胶状物质通过微波发 泡法制备了具有调湿功能的缓冲包装材料,但是反向 悬浮法制备过程复杂,且魔芋葡甘聚糖原料价格昂贵。 郭俊峰[12]利用淀粉作为接枝骨架与不同的接枝单体进 行接枝共聚制备不同的调湿涂料,但是所制得的涂料 不适于包装领域应用。 淀粉是一种资源丰富、价格廉 价且可降解的生物质材料,淀粉颗粒由于具有大量的 羟基和不规整的微孔结构,具有良好吸湿性能,其糊化 后具有一定的黏度,有利于气泡的生长[13-15]。 因此,本 文用淀粉与丙烯酸、丙烯酰胺单体通过溶液聚合法进 行接枝聚合后再在微波条件下发泡制备发泡淀粉基调 湿材料,并对发泡淀粉基调湿材料的性能影响因素进 行研究。 1 实验试剂及制备方法 1. 1 实验试剂 玉米淀粉阿拉丁工业公司、丙烯酸CP,天津市 科密欧化学试剂有限公司、丙烯酰胺AR,天津市科 密欧化学试剂有限公司、氢氧化钠AR,天津市永大 化学试剂有限公司、甘油AR,杭州高晶精细化工有 限公司N,N-亚甲基双丙烯酰胺AR,麦克林公司、过 硫酸钾AR,天津市永大化学试剂有限公司、去离子 水自制。 1. 2 发泡淀粉基调湿材料的制备 用一定质量的去离子水溶解 NaOH,在冷水浴和电 磁搅拌条件下,将 NaOH 溶液缓慢滴加入丙烯酸溶液 中,反应生成丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液;然后,在常温 下按照设定的丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰 胺质量比,将丙烯酰胺加入到上述丙烯酸-丙烯酸钠混 合溶液中,不断搅拌至丙烯酰胺完全溶解;称取一定质 量的玉米淀粉,加入到上述丙烯酸-丙烯酸钠-丙烯酰胺 混合溶液中,搅拌均匀;将上述混合溶液置于温度为 65 ℃、转速为 450 r/ min 的磁力搅拌机中糊化 30 min;取 出放至常温后,称取一定质量的过硫酸钾、甘油加入上 述均匀混合溶液中,用磁力搅拌机搅拌 15 min;再称取 一定质量的 N , N-亚甲基双丙烯酰胺,加入上述溶液 中,继续搅拌 45 min,最后得到凝胶状的淀粉基调湿材 料。 取一定质量的凝胶状淀粉基调湿材料放置于模具 中,在功率为 70 W 的微波炉中发泡 50 60 s,即可制 备得到所需的发泡淀粉基调湿材料。 1. 3 测试与表征 1. 3. 1 静态压缩性能测试 试验前按照 GB/ T 4857. 22005包装运输包装件 基本试验 [16]的要求,将直径 4 cm,高度 30 cm 的圆柱 形试样置于恒温恒湿箱中,在 25 ℃,50 RH 的条件下 预处理 24 h。 准静态压缩试验参照国标 GB / T 8168 2008[17]进行,以 CMT4304 型微机控制电子万能试验机 美特斯工业系统中国有限公司,深圳为试验平台,加 载速度为 12 mm/ min。 每种试样进行三次有效重复试 验。 将数据采集软件采集得到的载荷-位移数据通过计 算与数据处理得到应力、应变、缓冲系数与单位体积能 量吸收,再用 origin 软件绘制应力-应变曲线、缓冲系数 和能量吸收曲线。 1. 3. 2 吸/ 放湿率测定 发泡淀粉基调湿材料的吸/ 放湿率参照 WW/ T 00052007中华人民共和国文物保护行业标准 [18] 进行测试。 取一定质量发泡淀粉基调湿材料放入鼓风 干燥箱中,在 85 ℃ 条件下干燥至恒重,然后取出置于 密闭的玻璃容器中冷却至常温后称重,记此时质量为 m0。 然后将样品放入恒温恒湿试验箱25 ℃,80 RH 中,定期从箱中取出试样并称重。 连续测量,测量时 间间隔为 1 h,直到相邻两次质量变化小于 0. 01 g 为 止,记此时的样品质量为 ma;将该充分吸湿后的样品 取出,放入另一个恒温恒湿试验箱25 ℃,30 RH 中,连续称量直至相邻两次质量变化小于 0. 01 g 为止, 记此时的样品质量为 md;则发泡淀粉基调湿材料的吸 湿率 Ua和放湿率 Ud可参照式1进行计算 Ua ma- m0 m0 100 Ud ma- mb m0 100 1 1. 3. 3 吸/ 放湿平衡湿度测定 将定量的发泡淀粉基调湿材料置于恒温恒湿试验 箱中在 25 ℃,50RH 条件下预处理 12 h;将两个 2 L 玻璃容器分别置于 25 ℃,80 RH 和 25 ℃,30 的两 个恒温恒湿试验箱中预处理 2 h;将高精度湿度计 JB913,美德时仪器仪表有限公司和预处理过的发泡 淀粉基调湿材料分别置于两个玻璃容器内并密封,记 录两个玻璃容器内的湿度随时间变化,绘制湿度-时间 曲线。 1. 3. 4 泡孔形貌 将发泡淀粉基调湿材料表面镀金后,用热场发射 531第 13 期卓丽菊等 可调湿发泡缓冲包装材料的制备及性能研究 ChaoXing 扫描电子显微镜VLTRA55,Carl Zeiss SMT Pte Ltd,德 国观察发泡淀粉基调湿材料的表观形貌。 2 结果与讨论 2. 1 发泡淀粉基调湿材料发泡性能的影响因素 2. 1. 1 淀粉含量对发泡淀粉基调湿材料发泡性能的 影响 不同淀粉含量的发泡淀粉基调湿材料的 SEM 图如 图 1a d所示。 a 5.6 wt b 8.1 wt c 10.5 wt d 12.8 wt 图 1 不同淀粉含量的发泡淀粉基调湿材料的 SEM 图 Fig. 1 The SEM of FSHC material at different starch contents 可以看出,随着淀粉含量的增加,发泡材料的泡孔 逐渐变得丰富细密,分布趋向均匀。 随着淀粉含量的 增加,淀粉颗粒在加热糊化后,凝胶化程度有所提高, 体系的黏度不断增加,气泡膨胀的表面张力增大,气泡 在快速膨胀期不易破裂,有利于气泡的生长。 当淀粉 含量为 10. 5 wt 时,发泡淀粉基调湿材料的泡孔较 小,分布均匀图 1c;但淀粉含量过多会导致淀粉 基调湿材料体系的黏度过高,气泡膨胀所受阻力过大, 泡孔难以膨胀长大,发泡效果不佳图 1d。 同样 地,淀粉含量过低则淀粉基调湿材料体系的黏度过低, 导致发泡有回缩现象,发泡淀粉基调湿材料的体积减 小图 1a。 2. 1. 2 丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺的质量 比对发泡淀粉基调湿材料的发泡性能的影响 不同丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺的质量 比制得的发泡淀粉基调湿材料 SEM 图如图 2a d所示。 当丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质 量比为 4. 5∶ 1图 2c,发泡淀粉基调湿材料的泡孔 较小,分布较均匀。 这是因为随着丙烯酸-丙烯酸钠混 合溶液与丙烯酰胺质量比的增大,淀粉基调湿材料体 系的黏度增大,能有效包裹住气泡,泡孔不易破裂,有 利于气泡的生长;但丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯 酰胺的质量比太大时,淀粉基调湿材料体系的黏度过 高,水分蒸发提供的动力小于表面张力,泡孔膨胀生长 阻力过大,大量气泡无法生长,泡孔数量减少,发泡效 果不佳。 a 2.5∶1 b 3.5∶1 c 4.5∶ 1 d 5.5∶ 1 图 2 不同丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺的质量比所制得的的发泡淀粉基调湿材料 SEM 图 Fig. 2 The SEM of FSHC material with different mass ratio of acrylic acid-sodium acrylate mixed solutionto acrylamide 2. 1. 3 丙烯酸中和度对发泡淀粉基调湿材料发泡性 能的影响 不同丙烯酸中和度所制得的发泡淀粉基调湿材料 SEM 图如图 3a d所示。 由于丙烯酸活性较高, 自聚速度快于丙烯酸与淀粉接枝共聚的速度,因此要 用碱性物质对丙烯酸进行中和。 当丙烯酸中和度为 80时图 3b,发泡淀粉基调湿材料的泡孔较小, 且分布均匀。 这是因为,当丙烯酸的中和度过低时,易 形成高度交联的均聚物,不利于丙烯酸单体与淀粉接 枝,导致接枝率下降,使体系的黏度减小,表面张力减 小,泡孔膨胀的阻力减小,因此所制得的发泡淀粉基调 湿材料的泡孔大;而丙烯酸中和度过大时,体系的黏度 增大,泡孔膨胀的表面阻力增大,不利于淀粉基调湿材 料的发泡,产生的泡孔较少且小。 2. 1. 4 初始水含量对发泡淀粉基调湿材料发泡性能 的影响 不同初始水含量的发泡淀粉基调湿材料的 SEM 图 如图 4a c所示。 随着初始水含量增加,发泡淀 粉基调湿材料的泡孔逐渐增大,当初始水含量为 10 g 时图4b,发泡淀粉基调湿材料的泡孔分布较为均 631振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing a 70 b 80 c 90 d 100 图 3 不同丙烯酸中和度所制得的发泡淀粉基调湿材料的 SEM 图 Fig. 3 The SEM of FSHC material with different neutralization degree of acrylic acid a 9 g b 10 g c 11 g 图 4 不同初始水含量的发泡淀粉基调湿材料的 SEM 图 Fig. 4 The SEM image of FSHC material with different initial water contents 匀,泡孔较小。 这是因为当初始水含量较少时,淀粉基 调湿材料黏度较大,微波发泡时,水分蒸发产生的动力 小于淀粉基调湿材料体系黏度,不利于泡孔生长,因此 泡孔小且少;而随着初始水含量的增大,淀粉基调湿材 料体系的黏度减小,阻碍泡孔膨胀的阻力减小,有利于 泡孔的膨胀,因此泡孔变大;但是当初始水含量过多 时,淀粉基调湿材料体系的黏度太小,对泡孔生长产生 的阻力较小,导致泡孔过大。 2. 2 发泡淀粉基调湿材料力学性能的影响因素 2. 2. 1 淀粉含量对发泡淀粉基调湿材料力学性能的 影响 图 5a、b和c分别为发泡淀粉基调湿材料的 应变-应力曲线、缓冲系数和单位体积吸收的能量曲线。 从图中可以看出, 随着淀粉含量的增加,发泡淀粉基调 湿材料的平台应力先增大后减小,缓冲系数先减小后 增大。 这是因为随着淀粉含量的增加,发泡淀粉基调 湿材料的泡孔变小,孔径分布均匀,而这样的材料压缩 时倾向于整体同步变形,因此变形难度较大,泡孔不易 坍塌,造成平台应力增大;但是淀粉过多时,分子链缠 结形成团状结构,体系黏度过高,大量的气泡无法生 长,泡孔数量减少,发泡效果不佳,因此平台应力减小。 a 应力-应变 b 缓冲系数曲线图 c 单位体积吸收的能量 图 5 不同淀粉含量的发泡淀粉基调湿材料的 Fig. 5 The curves of stress-strain, cushioning coefficient and absorption energy curve of FSHC material with different starch contents 从图 5c可以看出,当应力较小时0. 1 0. 35 MPa,淀粉含量为 12. 8 wt 的发泡淀粉基调湿材料 的能量吸收曲线高于其他曲线;而随着应力的增大,淀 粉含量为 10. 5 wt 的发泡淀粉基调湿材料的能量吸 收高于其他试样。 这是因为淀粉含量为12. 8wt 的发 泡材料泡孔较大,在较小的应力范围内,泡孔孔壁易弯 曲变形吸收能量;而随着应力的增加和变形的深入,泡 孔较大的材料抵抗持续变形的能力较差,平台应力较 低,而泡孔细密且分布均匀的材料能够持续稳定地通 过泡孔的塑性变形吸收能量,因此淀粉含量为 10. 5 731第 13 期卓丽菊等 可调湿发泡缓冲包装材料的制备及性能研究 ChaoXing wt 发泡淀粉基调湿材料的能量吸收能力最大。 2. 2. 2 丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺的质量 比对发泡淀粉基调湿材料力学性能的影响 图 6a、b和c分别为不同丙烯酸-丙烯酸钠 混合溶液与丙烯酰胺质量比所制得的发泡淀粉基调湿 材料的应力-应变曲线、缓冲系数和单位体积吸收的能 量曲线。 随着丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质 量比的增大,发泡淀粉基调湿材料的平台应力逐渐增 大,当丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质量比为 4.51 时,其平台应力最大,缓冲系数最小,发泡淀粉基 调湿材料的缓冲性能最好。 这是因为,随着丙烯酸-丙 烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质量比的增大,体系黏度 增大,有利于泡孔的均匀生长,泡孔较小,且分布较为 均匀,小孔径所占的比例大,加载时发泡淀粉基调湿材 料倾向于整体同时变形,因此同一应变量下应力较大, 缓冲性能好。 但是当丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯 酰胺质量比过大时,淀粉基调湿材料体系的黏度过大, 泡孔的膨胀生长的阻力较大,导致泡孔小且少,因此发 泡淀粉基调湿材料的缓冲性能下降。 a 应力-应变曲线 b 缓冲系数曲线 c 单位体积吸收的能量 图 6 不同丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质量比所制得的发泡淀粉基调湿材料的 Fig. 6 The curves of stress-strain, cushioning coefficient and absorption energy curve of FSHC material with different mass ratio of acrylic acid-sodium acrylate mixed solution to acrylamide 2. 2. 3 丙烯酸中和度对发泡淀粉基调湿材料的力学 性能影响 不同丙烯酸中和度的发泡淀粉基调湿材料的应力- 应变曲线、缓冲系数和单位体积吸收的能量曲线如图 7 a、b和c所示。 当丙烯酸中和度为 80 时,发泡 淀粉基调湿材料的平台应力较大,缓冲系数最小,缓冲 性能最好。 这是因为,随着丙烯酸中和度增大,发泡淀 粉基调湿材料的泡孔较小,且泡孔分布较为均匀,加载 时更倾向于整体变形,局部泡孔不易坍塌,使得台应力 逐渐增大,缓冲系数减小,缓冲性能较好;但是丙烯酸 的中和度过大时,发泡淀粉基调湿材料的泡孔较少且 分布不均匀,材料性能上更接近于固体材料,平台应力 小,缓冲系数大,缓冲性能较差。 a 应力-应变曲线 b 缓冲系数曲线图 c 单位体积吸收的能量 图 7 不同丙烯酸中和度的发泡淀粉基调湿材料 Fig. 7 The curves of stress-strain, buffering coefficient and absorption energy curve of FSHC material with different neutralization degree of acrylic acid 2. 2. 4 初始水含量对发泡淀粉基调湿材料力学性能 的影响 不同初始水含量制得的发泡淀粉基材料的应力-应 变曲线、 缓冲系数和单位体积吸收的能量曲线如 图8a、b和c所示。 从图 8 可以看出随着初始水含量的增大,发泡淀 粉基调湿材料的平台应力先增大后减小,缓冲先减小 后增大。 当初始水含量为 10 g 时平台应力最大,缓冲 831振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 系数最小,缓冲性能最好。 这是因为当初始水含量增 大时,泡孔较小,且泡孔分布较为均匀,加载时发泡淀 粉基调湿材料的局部泡孔不易坍塌,倾向于整体变形, 随着压力的增加和变形的深入,泡孔发生稳定持续的 塑性变形,因此平台应力水平较高,吸收的能量较多; 而当初始水含量过大时,所得泡孔大而少,在较低应力 水平下就很容易发生孔壁弯曲,吸收能量,但随着应力 的增加,拥有这类泡孔的发泡材料不能持续抵抗外力 作用,所能吸收的能量逐渐减少。 a 应力-应变曲线 b 缓冲系数曲线图 c 单位体积吸收的能量 图 8 不同初始水含量的发泡淀粉基调湿材料的 Fig. 8 Stress-strain curve, cushioning coefficient curve and absorption energy curve of FSHC material with different initial water contents 2. 3 发泡淀粉基调湿材料调湿性能的影响因素 各因素对发泡淀粉基调湿材料调湿性能的影响如表 1 所示。 表 1 淀粉基发泡调湿材料调湿性能的影响因素 Tab. 1 The influencing factors of humidity control perance of the FSHC material 淀粉含量/ 丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与 丙烯酰胺的质量比 丙烯酸中和度/ 初始水含量/ g 5. 68. 110. 512. 82∶ 13∶ 14∶ 15∶ 170809010091011 吸湿率67. 766. 264. 261. 162. 864. 066. 266. 963. 266. 268. 369. 165. 566. 267. 1 放湿率51. 649. 746. 552. 748. 748. 851. 652. 247. 751. 653. 554. 750. 651. 652. 2 从表 1 可知,随着淀粉含量的增加,发泡淀粉基调 湿材料的吸/ 放湿率都降低。 这是因为淀粉主要用来 提供交联网络结构的骨架,当淀粉含量过多时,形成的 高分子网络骨架大,高分子支链较多,发泡淀粉基调湿 材料的网络空间的体积小,不利于吸/ 放湿的进行,因 此发泡淀粉基调湿材料的吸/ 放湿率降低。 当淀粉含 量为 5. 6 wt 时,发泡淀粉基调湿材料的吸/ 放湿率达 到最大分别为 67. 91,52. 16,但是淀粉含量为 5. 6 wt 时,体系的黏度太小,发泡时泡孔较大,发泡 淀粉基调湿材料有回缩现象,缓冲性能差;当淀粉含量 为 10. 5 wt 时,发泡淀粉基调湿材料的吸/ 放湿率分 别为 63. 83,49. 86,与淀粉含量为 5. 6 wt 时的 吸/ 放湿率相近,且缓冲性能最好,故选用淀粉含量 为10. 5 wt。 随着丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺的质量 比的增大,发泡淀粉基调湿材料的吸/ 放湿率也随之增 大。 这是因为,随着丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯 酰胺的质量比的增大,亲水性官能团-COON 与-OH 的 含量增加,吸水性能提高;而且酰胺基团、-COONa 和- OH 三个官能团会产生协同效应,进一步提高发泡淀粉 基调湿材料的吸/ 放湿率。 因此当丙烯酸-丙烯酸钠混 合溶液与丙烯酰胺的质量比达到 5. 51 时,发泡淀粉 基调湿材料的吸/ 放湿率达到最大分别为 66. 8 和 52. 1。 但是丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺 的质量比为 5. 51 时,所得的材料的发泡性能较差,缓 冲性能不佳,因此丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰 胺的质量比宜为 4. 5∶ 1。 随着丙烯酸中和度的增大,发泡淀粉基调湿材料 的吸放湿率也随之增大。 这是因为,丙烯酸与氢氧化 钠反应生成丙烯酸钠,丙烯酸钠的官能团-COONa 亲水 性强于-COOH,随之丙烯酸中和度的增大,体系中的- COONa 官能团含量增多,因此发泡淀粉基调湿材料的 吸放湿率增大;而且-COONa 官能团带有负电,-COONa 官能团之间会产生强烈的静电排斥,有利于网络的扩 张,增大了水分子进出的孔道,故发泡淀粉基调湿材料 的吸放湿率增大。 当丙烯酸的中和度为 80 的时,发 泡淀粉基调湿材料的力学性能最好,且吸放湿率分别 达到66. 3和51. 34,随着丙烯酸中和度的增大材料 的吸放湿率变化不大,故选取丙烯酸中和度为 80。 随着初始水含量的增多,发泡淀粉基调湿材料的 931第 13 期卓丽菊等 可调湿发泡缓冲包装材料的制备及性能研究 ChaoXing 吸/ 放湿率增大。 这是因为随着初始水含量的增加,淀 粉基调湿材料体系黏度减小,有利于泡孔的生长,泡孔 增多且变大,孔隙率增大,表面积增大,亲水性基团与 水分子接触的几率增大,因此发泡淀粉基调湿材料的 吸/ 放湿率增大。 而发泡淀粉基调湿材料在初始水含 量为10 g 的吸/ 放湿率与初始水含量为11 g 相差较小, 且前者所得的发泡材料的缓冲性能最好,因此选择初 始水含量为 10 g。 2. 4 发泡淀粉基调湿材料的吸/ 放湿平衡湿度 在高湿环境中,调湿材料通过快速吸收环境中的 水分从而降低环境湿度;在低湿时又能迅速放出自身 的水分从而增大环境湿度,这正是调湿材料的特点。 本文所制得的最佳配比下的发泡淀粉基调湿材料的 吸/ 放湿平衡湿度曲线如图 9 所示。 由图 9 可知,发泡 淀粉基调湿材料具有良好的吸/ 放湿性能,且能将环境 湿度调节至 50 左右的范围内,能有效解决环境湿度 对产品产生的不利影响。 图 9 最佳配比下发泡淀粉基调湿材料的调湿性能 Fig. 9 Humidity control properties of FSHC material under optimal condition 3 结 论 本文用丙烯酸和丙烯酰胺为单体与淀粉进行接枝 聚合,制备淀粉基调湿材料,并在微波加热条件下进行 发泡制得具有调湿功能的发泡缓冲材料,对该材料发 泡性能、静态缓冲性能和调湿性能的影响因素进行了 研究,得到以下结果 1 随淀粉含量、丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙 烯酰胺的质量比、丙烯酸中和度、初始水含量的增加, 发泡淀粉基调湿材料的平台应力先增加后减小,缓冲 系数先减小后增加;当淀粉含量为 10. 5 wt、丙烯酸- 丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺质量比为 4. 5∶ 1、丙烯酸 中和度80和初始水含量10 g 时发泡淀粉基调湿材料 能量吸收性能最优。 2 随淀粉含量的增加发泡淀粉基调湿材料吸/ 放湿率降低;随丙烯酸-丙烯酸钠混合溶液与丙烯酰胺 的质量比、丙烯酸中和度、初始水含量的增加,发泡淀 粉基调湿材料的吸/ 放湿率增加. 3 最佳配比条件下所制得的发泡淀粉基调湿材 料能将环境湿度调节至 50 左右,从而解决环境湿度 对产品的不利影响。 参 考 文 献 [ 1] 鄂玉萍. 湿度和应变率对纸质缓冲材料能量吸收特性的 影响[D]. 无锡江南大学,2010. 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