張書彬　 杜力　 唐全波

摘要：綜述植物纖維發(fā)泡材料的研究進(jìn)展，并設(shè)計了一款用于筆記本電腦緩沖包裝的植物纖維發(fā)泡材料襯墊，為進(jìn)一步開發(fā)植物纖維發(fā)泡材料及在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用提供科學(xué)的研究基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，植物纖維發(fā)泡材料原料廣泛，其緩沖性能的好壞除了與材料的配比有關(guān)外，還和成型工藝條件有關(guān)。只要設(shè)計的緩沖結(jié)構(gòu)合理，植物纖維發(fā)泡材料完全能夠滿足筆記本電腦等電子產(chǎn)品的緩沖包裝要求。

關(guān)鍵詞：植物纖維發(fā)泡材料；研究進(jìn)展；筆記本電腦；緩沖設(shè)計

中圖分類號：TB322；S38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

植物纖維發(fā)泡材料是以稻草、麥稈等農(nóng)作物秸稈，或者草類植物纖維為主要原料，配以一定比例的廢紙、淀粉和助劑，經(jīng)過發(fā)泡技術(shù)制成的[13]。農(nóng)作物秸稈來源廣泛，成本低廉，但我國農(nóng)作物秸稈利用率還不到70%[4]，大部分用于焚燒、作肥還田、動物飼料，用作工業(yè)原料使用比例很低[5]，用在產(chǎn)品包裝上的比例更低。植物纖維發(fā)泡材料是可降解材料，研究使用植物纖維發(fā)泡材料替代難降解的包裝材料意義重大，不僅可以保護(hù)我們的生存環(huán)境免受污染，還可以通過利用農(nóng)作物秸稈增加農(nóng)民的收入。

1 植物纖維發(fā)泡材料研究進(jìn)展

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對植物纖維發(fā)泡材料進(jìn)行了研究和探索，主要分為兩類，一類是植物纖維為主的發(fā)泡材料制備及其性能研究，一類是以塑料材料為主的，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能的研究。

1.1 植物纖維為主的發(fā)泡材料

植物纖維發(fā)泡材料的原材料取材廣泛，研究者選取的原材料種類繁多，如麥稈、玉米秸稈、高粱秸稈、大麻稈芯纖維、椰子纖維、龍舌蘭纖維、棉漿粕纖維、果渣、蔗渣、木薯渣等等。膠黏劑能夠?qū)⑾嗤蛘卟煌奈镔|(zhì)結(jié)合在一起，還能具有很好的成膜性能，阻止發(fā)泡氣體逸出的功能。在上述研究中，大都采用聚乙烯醇作為膠黏劑。為了提高植物纖維發(fā)泡材料的力學(xué)性能和外觀性能，可以加入滑石粉或碳酸鈣等助劑。發(fā)泡技術(shù)是制作植物纖維發(fā)泡材料成敗的關(guān)鍵技術(shù)，一般有物理發(fā)泡法、化學(xué)發(fā)泡法和機(jī)械發(fā)泡法三種。上述學(xué)者絕大多數(shù)采用化學(xué)發(fā)泡法，采用的發(fā)泡劑為碳酸氫鈉、碳酸氫銨無機(jī)發(fā)泡劑。將植物纖維原料、膠黏劑、發(fā)泡劑、滑石粉等助劑混合，經(jīng)過一步成型或者二步成型方法，烘烤模壓成型。這些研究者通過研究，尋找到各種材料的最佳配比，調(diào)整成型工藝條件，如成型溫度、壓力、時間等等，制作出緩沖性能良好的發(fā)泡材料，如解林坤，強(qiáng)明禮等人研究的蔗渣纖維發(fā)泡材料近似線彈性材料，何蕊，陳太安等人以麻稈芯為主要原料，制成緩沖性能較好的發(fā)泡材料，高德，常江等人以玉米秸稈為主要原料，通過模壓成型制成緩沖效果良好的發(fā)泡材料。以上研究結(jié)果表明，植物纖維發(fā)泡材料緩沖性能的好壞除了與材料的配比有關(guān)外，還和成型工藝條件有關(guān)。

1.2 植物纖維增強(qiáng)塑料發(fā)泡材料

Wei Dan Ding， Davoud Jahani等人在聚乳酸（PLA）中加入植物纖維熔融混合，注射成型，制成復(fù)合泡沫材料，結(jié)果表明植物纖維使得泡沫材料細(xì)胞結(jié)構(gòu)更加均勻。王瑜、張萍等人在聚乳酸中加入玉米秸稈纖維，通過偶氮二甲酰胺進(jìn)行發(fā)泡，模壓成型制得發(fā)泡材料，研究表明植物纖維的加入，改變了氣泡泡孔的結(jié)構(gòu)，形成泡孔多而均勻。Rosana Moriana， Francisco Vilaplana 等人在熱塑性淀粉基共聚物中加入大麻、紅麻等生物纖維，制成復(fù)合材料，研究結(jié)果表明加入植物纖維可以改進(jìn)復(fù)合材料的熱機(jī)械性能和力學(xué)性能。ShuKai Yeh， ChiaChun Hsieh等人在聚丙烯基體中加入稻殼纖維，以SEBSgMA作為偶聯(lián)劑，用NaOH，硅烷，或氫氧化鈉+鹽酸+硅烷來提高偶聯(lián)劑的效果，制備復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，加入偶聯(lián)劑可改善泡孔結(jié)構(gòu)，降低泡沫密度。Heartwin A. Pushpadass， Govindarajan Suresh Bahu等人按照質(zhì)量比7：3將玉米淀粉和聚苯乙烯顆?；旌希瑫r加入滑石粉和聚碳酸酯顆粒，制得泡沫材料。研究表明，這種復(fù)合發(fā)泡材料防潮能力較好，并且發(fā)泡劑量的多少對泡沫材料的性質(zhì)影響較大。

2 植物纖維發(fā)泡材料的應(yīng)用

目前，筆記本電腦緩沖包裝材料有EPS、EPE、瓦楞紙板、紙漿模塑等。本文采用植物纖維發(fā)泡材料對筆記本電腦進(jìn)行緩沖設(shè)計。

2.1 產(chǎn)品特性分析

本設(shè)計以13.3吋某型號筆記本電腦為研究對象，主機(jī)質(zhì)量為1.5kg，產(chǎn)品外形尺寸為340mm×240mm×25mm，其它附件包括電源適配器、數(shù)據(jù)線、說明書、保修卡等。電源適配器和數(shù)據(jù)線用紙盒包裝，說明書和保修卡裝在塑料袋中，本設(shè)計不對附件進(jìn)行研究。根據(jù)類比法，確定筆記本電腦脆值為60g，運(yùn)輸過程中的等效跌落高度為80cm。

2.2 緩沖襯墊結(jié)構(gòu)

襯墊采用左右結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩側(cè)對稱，組裝后立放裝箱，裝配如圖1（a）（效果圖為平放）。襯墊具體結(jié)構(gòu)如圖1（b），每個襯墊的兩個端面內(nèi)側(cè)都有一個凸臺，立放時，端面凸臺承載，該凸臺設(shè)計尺寸6cm×2cm，凸臺高度取1.5cm，和筆記本電腦組裝后，兩個端面凸臺承載，所以承載面積為24cm2。每個襯墊的兩個側(cè)面內(nèi)側(cè)各設(shè)計4個凸臺，對稱分布， 凸臺設(shè)計尺寸和端面凸臺尺寸相同。為了保持壁厚均勻，襯墊內(nèi)側(cè)有凸臺的外側(cè)向內(nèi)凹，反之，外側(cè)有凸臺的對應(yīng)的襯墊內(nèi)側(cè)向內(nèi)凹，外側(cè)凸起的高度，凸臺高度設(shè)計為1.5cm。所以，緩沖襯墊整體長為40cm，寬為8.5cm，高度為6.5cm。

2.3 跌落仿真驗證

利用Ansys軟件的LSDYNA模塊進(jìn)行跌落仿真分析，模擬跌落加速度曲線如圖2所示，由圖可以看出，包裝件的最大加速度約為43g，小于產(chǎn)品的脆值60g，說明設(shè)計滿足合理，滿足緩沖要求。當(dāng)然在模擬仿真過程做了很多簡化處理，如果條件許可，可以制造出襯墊實(shí)物，進(jìn)行實(shí)驗室跌落實(shí)測，再結(jié)合仿真進(jìn)行緩沖結(jié)構(gòu)評價。

3 結(jié)論

植物纖維發(fā)泡材料原料來源廣泛，國內(nèi)外學(xué)者對植物纖維發(fā)泡材料進(jìn)行了研究，不論是以植物纖維為主的發(fā)泡材料，還是在塑料基材中加入植物纖維的復(fù)合材料，通過材料不同的配比，改變制造工藝，都能制得性能良好的發(fā)泡材料，具有良好的應(yīng)用前景。將植物纖維發(fā)泡材料通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，用在筆記本電腦的包裝上，跌落仿真驗證該設(shè)計是可行的。限于研究條件所限，未能加工制造出植物纖維緩沖襯墊實(shí)物，并進(jìn)行實(shí)驗室試驗，與跌落仿真相互印證。

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基金項目：重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目（KJ120707）

作者簡介：張書彬（1976），男，碩士，講師，主要研究方向：產(chǎn)品運(yùn)輸包裝防護(hù)。