摘 要:研究一種基于黃麻、粘膠、水性聚氨酯和羧甲基纖維素鈉（CMC）的可降解包裝材料的制備。采用非織造生產(chǎn)工藝，以可降解的黃麻和粘膠為原料，纖維梳理成網(wǎng)后，經(jīng)針刺機針刺，再將水性聚氨酯和羧甲基纖維素鈉（CMC）溶于水中，形成懸浮液均勻噴灑至纖維網(wǎng)，烘干后熱壓成型得到生物可降解包裝材料。對比聚乳酸（PLA）、水性聚氨酯、CMC的成本及力學(xué)性能，探究材料混比對黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC包裝材料的斷裂強力和斷裂伸長率的影響，并通過干燥和濕潤試樣的強力對比，探究了黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC包裝材料的耐水性能。結(jié)果表明，當(dāng)黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC混比為40/40/15/5，面密度為100g/m2時，所得的樣品縱、橫向斷裂強力分別為155.5N、52.6N，將樣品浸漬水中1h后取出，其縱、橫向的濕態(tài)強力保留率分別為50.0%、69.2%，可滿足包裝袋力學(xué)性能的要求。
關(guān)鍵詞：黃麻；粘膠；水性聚氨酯；羧甲基纖維素鈉；非織造；包裝材料
我國是世界上最大的塑料制品生產(chǎn)國和消費國，大量的塑料包裝廢棄物給環(huán)境帶來不容忽視的污染[1-2]。要真正解決塑料包裝材料對環(huán)境造成的污染問題，關(guān)鍵在于研究和開發(fā)可降解的綠色環(huán)保材料。天然的植物纖維廣泛存在于自然環(huán)境中，原料充足，具有可再生、可生物降解、強度高等性能特點[3]。因此，探究制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、同時具有生物可降解性的天然植物纖維/生物可降解塑料的軟包裝材料具有實際意義。
我國擁有豐富的麻類資源，其中，黃麻產(chǎn)量居于世界前列。黃麻纖維粗硬、強度高、價格低廉[4]，約為0.8萬/t。此外，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，不會對環(huán)境造成污染。聚乳酸(PLA)是以乳酸為原料制備的脂肪族聚酯，微生物以玉米、小麥秸稈等為原料可發(fā)酵制得乳酸，而后縮合加工得到聚乳酸[5]。聚乳酸因其綠色無污染、易加工成型、生物相容性好，成為近年來開發(fā)研究最活躍、發(fā)展最快的生物降解高分子材料之一[6]，但是PLA成本較高，約5萬/t。水性聚氨酯是以水代替有機溶劑作為分?jǐn)?shù)介質(zhì)的新型聚氨酯體系[7]。水性聚氨酯以水為溶劑，具有無污染、安全環(huán)保、防水性好、生物可降解等性能特點，成本約為1.2萬/t。羧甲基纖維素鈉（CMC）是一種由天然纖維素制得的纖維素醚，具有較高的降解性能，其水溶液具有良好的增稠、黏合、成膜、分散等性能[8]。CMC成本較低，約為0.7萬/t，在食品、醫(yī)藥、紡織、建筑等領(lǐng)域生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。于洋等[9]以黃麻纖維作為主要原料，將黃麻的優(yōu)良性能和針刺非織造加工技術(shù)相結(jié)合，制造出可降解的環(huán)保包裝袋。但針刺加固的強力不足，需添加黏結(jié)劑提高強力。徐潔等[10]以羧甲基纖維素鈉（CMC）和黃麻纖維為主要原料，采用流延成膜的方法，經(jīng)過乙醇-鹽酸溶液酸化和高溫烘焙處理，制備耐水性較好的CMC/黃麻地膜，但其成本高于塑料地膜。倪冰選等[11]選取大量市面上以聚酯（PET）纖維為原料的非織造布，且這些材料均通過梳理成網(wǎng)、黏合加固工藝制備而成，通過測試最終給出適合購物袋用的非織造布指標(biāo)范圍：厚度0.45mm~0.65mm；面密度100g/m2~150g/m2；干態(tài)縱向斷裂強力120N~180N；干態(tài)橫向斷裂強力15N~30N。因此，本研究以黃麻、粘膠為原料，并與成本相對低廉的水性聚氨酯和CMC混合，制備黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC可降解包裝材料，探究材料混比對黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC包裝材料力學(xué)性能的影響。同時結(jié)合前期研究[12]，為考察采用成本較低的CMC黏結(jié)劑等替代成本較高的PLA的效果，對比黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC樣品與黃麻/粘膠/PLA樣品的拉伸性能。
1試驗部分
1.1 試驗原料
黃麻纖維由湖南南源新材料有限公司提供；粘膠由張家港市錦花漂白纖維有限公司提供；PLA纖維由新鄉(xiāng)市日鑫生態(tài)紡織服飾有限公司提供；水性聚氨酯粉末由山東豪耀新材料有限公司提供；CMC，化學(xué)純，由國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供；纖維原料的力學(xué)性能如下。
|
纖維 |
黃麻 |
粘膠 |
PLA |
|
纖維線密度/dtex |
32.3 |
2 |
3 |
|
纖維長度/mm |
＞1000 |
51 |
51 |
|
斷裂強度/（cN·dtex-1） |
3.35 |
2.41 |
2.15 |
|
強度不勻率/% |
35.60 |
9.12 |
27.99 |
|
斷裂伸長率/% |
1.89 |
15.64 |
28.48 |
|
伸長率CV/% |
29.52 |
23.17 |
33.57 |
1.2 試驗儀器與設(shè)備
FZS-600型單錫林雙道夫梳理機（常熟偉成非織造成套設(shè)備有限公司），FZZ-1000型主針刺機（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（上海齊才液壓機械有限公司），YG141N型數(shù)字式織物厚度儀（南通宏大實驗儀器有限公司），HD026N型多功能織物強力機（溫州方圓儀器有限公司），FA-1004型電子天平（上海天平儀器廠）。
1.3 樣品制備
將切斷后的黃麻纖維與粘膠以一定比例混和、開松后喂入梳理機，經(jīng)2道~3道梳理后得到均勻的纖維網(wǎng)。通過調(diào)整喂入原料質(zhì)量控制纖維網(wǎng)單位面積質(zhì)量，將纖維網(wǎng)進行針刺。其次，將水性聚氨酯和CMC的粉末混合溶于水中（粉末與水的比例為1:10），形成懸浮液。將懸浮液均勻噴灑至纖維網(wǎng)上，于90℃烘箱中烘干。然后移至平板硫化機中熱壓成型，制得可降解包裝材料。
1.4 性能測試
1.4.1 面密度
將制備所得的黃麻/粘膠/聚氨酯/CMC樣品干燥后稱取其質(zhì)量，并測量其長度、寬度，可計算得到黃麻/粘膠/聚氨酯/CMC樣品的面密度（g/m2）。
1.4.2 厚度
測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T24218.2—2009《紡織品非織造布試驗方法第2部分：厚度的測定》。
測試儀器：YG141N型數(shù)字式織物厚度儀。
1.4.3 強伸性能
測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T24218.3—2010《紡織品非織造布試驗方法第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》。
測試儀器：HD026N型多功能織物強力機。
參數(shù)設(shè)置：試樣寬度為50mm±0.5mm，隔距長度為100mm，拉伸速度為100mm/min。
2結(jié)果與討論
2.1 混比對包裝材料力學(xué)性能的影響
在纖維原料中，黃麻纖維強度高，自身剛性較大，成網(wǎng)效果較差。為提高可加工性，混入一定比例的粘膠纖維，有助于纖維之間的相互纏結(jié)，提高材料的拉伸性能。羧甲基纖維素鈉（CMC）是生物可降解材料，其具有優(yōu)良的黏結(jié)性，可有效提高包裝材料強力。在前期的試驗中，選擇4組黃麻/粘膠/CMC混比，分別為60/20/20、50/30/20、40/40/20、30/50/20。將各組原料混和開松，梳理成網(wǎng)，喂入針刺機針刺。稱取適量CMC粉末混合溶于水中（粉末與水的比例為1:10），將溶液均勻噴灑至纖維網(wǎng)上，于90℃烘箱中烘干至恒重。然后轉(zhuǎn)移至平板硫化機中（參數(shù)固定為：熱壓時間15s，熱壓溫度160℃，壓強5MPa）熱壓成型，并測試各組樣品的強伸性能，測試結(jié)果如表1所示。
表1 不同黃麻/粘膠/CMC混比樣品的力學(xué)性能
由表1可得，所制備樣品強力均高于文獻[11]中所給出的數(shù)值，可滿足包裝材料的要求。在面密度相近的條件下，當(dāng)CMC比例一定（20%）時，隨著粘膠纖維比例增加，樣品縱、橫向斷裂強力以及斷裂伸長率均逐步增加?？梢姡谝渣S麻為主要原料時，適當(dāng)增加粘膠含量可有效提高纖維的抱合、纏結(jié)，從而提高樣品的斷裂強力。本研究中，為兼顧非織造包裝材料的力學(xué)性能和成本，設(shè)置黃麻纖維比例為40%、非織造材料的面密度在100g/m2左右。對所制備包裝材料的濕態(tài)強力進行測試，將2.1試驗中混比40/40/20制得的樣品裁剪為條樣在水中浸漬1h后取出，放在吸水紙上吸去多余的水分，測試織物斷裂強力。測試結(jié)果如表2所示。
表2 黃麻/粘膠/CMC40/40/20試樣的干、濕態(tài)斷裂強力
由表2可得，該試樣在浸水后縱向斷裂強力降低至85.2N，強力保留率僅為干態(tài)的32.3%；橫向斷裂強力降低至46.2N，強力保留率僅為干態(tài)的26.1%。這是因為黃麻、粘膠、CMC都是親水性高分子物質(zhì)，樣品耐水性能較差。當(dāng)包裝材料浸濕后，濕強顯著小于干強，會影響包裝材料的使用效果。
2.2 水性聚氨酯對包裝材料的防水性能
為了進一步提高包裝材料的使用性，對材料進行耐水處理，使其具有一定的耐水效果，避免濕態(tài)下的強度顯著損失。水性聚氨酯具有較好的耐水性和可降解性，但其黏結(jié)性不如CMC。因此，為提高包裝材料的使用性，可合理配置水性聚氨酯和CMC粉末的用量。將黃麻纖維與粘膠混和開松、梳理成網(wǎng)，喂入針刺機針刺。再稱取適量水性聚氨酯和CMC粉末混合溶于水中（粉末與水的比例為1:10），形成懸浮液均勻噴灑至針刺后的纖維網(wǎng)上，烘干并熱壓成型。將樣品裁剪為條樣法規(guī)格，測試其干強。再將樣品在水中浸漬1h后取出，用吸水紙除去多余水分后，測試其濕強。樣品的干濕強測試結(jié)果如表3所示。
表3 水性聚氨酯和CMC對樣品干濕強力的影響
由表3可得，全部采用水性聚氨酯代替CMC，則黏結(jié)性不夠，所制備樣品干強低于文獻[11]中所給出的數(shù)值，不能滿足包裝材料的要求。而水性聚氨酯和CMC比例（10%）相同時，制備的樣品黏結(jié)性較好，但強力保留率較低，因此，適當(dāng)降低CMC比例，并增加水性聚氨酯的比例，可兼顧包裝材料的力學(xué)性能和耐水性能。當(dāng)黃麻/粘膠比例（40%）一定，面密度相近時，降低CMC比例，樣品的縱、橫向斷裂強力逐漸下降，斷裂伸長率隨之增加；增加水性聚氨酯的比例，樣品的強力保留率逐步增加。原料混比為黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC40/40/15/5時，樣品的干態(tài)縱、橫向斷裂強力為155.5N、52.6N，該樣品縱、橫向的濕態(tài)強力保留率分別為50.0%、69.2%。
考慮原料混比對樣品力學(xué)性能的影響，并結(jié)合成本，當(dāng)樣品面密度控制在100g/m2時，原料混比為黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC40/40/15/5較為合適。因此，合理配置CMC和聚氨酯粉末的比例，可充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，相互協(xié)調(diào)，提升材料的拉伸性能和耐水性能。
2.3 黏結(jié)劑對包裝材料力學(xué)性能的影響
課題組前期曾選用黃麻/粘膠/PLA制備可降解包裝材料[11]，本試驗采用相同的混和比例，用現(xiàn)有的黃麻、粘膠等原料，按現(xiàn)有的方法制備了黃麻/粘膠/PLA的樣品，從而可以更好地對比黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC樣品與黃麻/粘膠/PLA樣品的力學(xué)性能。本試驗所制備的黃麻/粘膠/PLA樣品的力學(xué)性能測試結(jié)果如表4所示。在相同的混合比例下，不同黏結(jié)劑對樣品力學(xué)性能的影響對比情況如表5所示。
表4 不同黃麻/粘膠/PLA混合比樣品的斷裂強力
表5 不同黏結(jié)劑對樣品力學(xué)性能的影響
由表4、表5可知，在其他條件相同的情況下，干態(tài)下的黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC制備的樣品縱向斷裂強力高于同等比例的黃麻/粘膠/PLA制備的樣品縱向斷裂強力。另根據(jù)前期試驗[12]，黃麻/粘膠/PLA制備的樣品的濕態(tài)強力保留率僅為40%-50%，低于本實驗中黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC制備的樣品濕態(tài)強力保留率?？梢?，水性聚氨酯與CMC混合的黏結(jié)劑不僅成本低，性能也優(yōu)于PLA纖維。
3 結(jié)語
所研究的基于黃麻、粘膠、水性聚氨酯和羧甲基纖維素鈉（CMC）的可降解包裝材料的非織造制備技術(shù)具有一定的應(yīng)用價值，可替代黃麻/粘膠/PLA樣品，有效降低成本。具體結(jié)論如下。
（1）由于CMC的黏結(jié)性好，本試驗中4個不同比例的黃麻/粘膠/CMC樣品均可滿足包裝袋力學(xué)性能的要求。但由于CMC包裝材料濕強差，濕強下的強力保留率僅26%~32%，影響包裝材料在濕態(tài)下的使用。
（2）當(dāng)黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC混比為40/40/15/5，面密度為100g/m2，所得的樣品干態(tài)下縱、橫向斷裂強力分別為155.5N、52.6N；濕態(tài)下的強力保留率達(dá)50.0%、69.2%。合理配置CMC和聚氨酯粉末的比例，可提升材料的拉伸性能和耐水性能。
（3）在其他條件相同的情況下，將不同比例的黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC樣品與相應(yīng)的黃麻/粘膠/PLA樣品的強力進行對比。結(jié)果顯示：在面密度相近時，黃麻/粘膠/水性聚氨酯/CMC的樣品縱向斷裂強力高于相應(yīng)的黃麻/粘膠/PLA的樣品縱向斷裂強力。
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文章摘自: 武柳君，陳蔚翔，周迎春，張斌，郁崇. 黃麻可降解包裝材料制備及性能研究[J]. 棉紡織技術(shù):1-5[2024-01-23].http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1132.TS.20240122.1200.002.html.
