摘要

本研究系統(tǒng)探討了植物纖維含量、聚醚F127添加量及聚乙烯醇(PVA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對植物纖維活性發(fā)泡材料表面張力的影響規(guī)律。通過表面張力測定、發(fā)泡性能分析及微觀結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)F127作為表面活性劑可顯著降低體系表面張力，且在臨界膠束濃度(CMC)時達(dá)到最低值。當(dāng)F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，體系表面張力最低(15.8 mN/m)，此時發(fā)泡倍率、孔隙率及回彈率均達(dá)到最佳值。植物纖維含量增加導(dǎo)致體系黏度增大，抑制了氣泡形成，而PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加則通過增強(qiáng)纖維間氫鍵作用間接影響表面張力。本研究為優(yōu)化植物纖維發(fā)泡材料的表面張力控制及發(fā)泡工藝提供了理論依據(jù)。

1引言

隨著"雙碳"戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，開發(fā)環(huán)保型緩沖包裝材料已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。植物纖維發(fā)泡材料因其可再生、可降解、環(huán)境友好等優(yōu)勢，逐漸成為傳統(tǒng)石油基泡沫材料的替代品。然而，植物纖維發(fā)泡材料的性能很大程度上取決于發(fā)泡工藝，其中表面張力是影響發(fā)泡效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。

表面張力是液體表面分子間相互作用力的表現(xiàn)，對氣泡的形成、穩(wěn)定性和分布具有決定性影響。在發(fā)泡過程中，較低的表面張力有助于氣泡的形成和穩(wěn)定，減少氣泡破裂，從而提高發(fā)泡倍率和孔隙率。研究表明，表面活性劑通過降低體系表面張力，可有效改善發(fā)泡性能。聚醚F127(PEO99-PPO65-PEO99)作為一種非離子型表面活性劑，具有良好的表面活性和乳化能力，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)泡材料的制備。

目前，關(guān)于植物纖維發(fā)泡材料表面張力的研究較為有限，尤其是針對不同工藝因素對表面張力影響的系統(tǒng)性研究。本文以闊葉木纖維和PVA為原料，利用F127活性發(fā)泡工藝，系統(tǒng)研究了纖維含量、F127添加量及PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對植物纖維活性發(fā)泡材料表面張力的影響規(guī)律，為優(yōu)化發(fā)泡工藝提供理論依據(jù)。

2實驗方法

2.1材料與試劑

主要材料：闊葉木纖維(大連揚(yáng)潤貿(mào)易有限公司)、聚乙烯醇PVA1788(羅恩試劑廠)、聚醚F127(山東科源生化有限公司)。

2.2植物纖維發(fā)泡材料的制備

將375 g木纖維漿板泡入23 L去離子水中12 h，使用瓦力打漿機(jī)細(xì)化30 min，得到打漿度(°SR)為20的闊葉木纖維。將纖維與PVA、F127按不同比例混合，加入去離子水形成懸浮液。將懸浮液在5000 r/min下高速分散10 min，隨后倒入帶有100目篩網(wǎng)的模具中排水12 h，脫模后在100℃干燥12 h，獲得植物纖維發(fā)泡材料。

2.3表面張力測定

采用芬蘭Kibron公司生產(chǎn)的便攜式表面張力儀測定懸浮液的表面張力。將Wilhelmy板浸入懸浮液中，通過精密電子天平測量板的受力，根據(jù)公式計算表面張力：

γ=F/4l

其中，γ為表面張力(mN/m)，F(xiàn)為測得的力(N)，l為板的周長(m)。

2.4發(fā)泡性能測試

發(fā)泡倍率、孔隙率、排液率等發(fā)泡性能參數(shù)按文中所述方法測定。

3結(jié)果與討論

3.1 F127添加量對表面張力的影響

隨著F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到2.5%，體系表面張力從45.3 mN/m顯著降低至15.8 mN/m，降幅達(dá)65.1%。當(dāng)F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.5%后，表面張力開始緩慢上升，至5%時表面張力為18.7 mN/m。

F127作為非離子型表面活性劑，其分子結(jié)構(gòu)中含有親水的聚氧乙烯(PEO)鏈和疏水的聚氧丙烯(PPO)鏈。在水中，F(xiàn)127分子會自發(fā)聚集形成膠束，當(dāng)F127濃度達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)時，表面張力達(dá)到最低值。本研究中F127的CMC約為2.0%，與文獻(xiàn)報道的F127在水中的CMC(1.8-2.2%)基本一致。

表面張力的降低有助于氣泡的形成和穩(wěn)定。當(dāng)表面張力較低時，氣泡在形成過程中所需的能量較小，氣泡更容易穩(wěn)定存在，從而提高發(fā)泡倍率和孔隙率。當(dāng)F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，發(fā)泡倍率達(dá)到最高值(5.8倍)，孔隙率(82.3%)和回彈率(85.6%)也達(dá)到最佳，與表面張力最低點相吻合。

3.2植物纖維含量對表面張力的影響

隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增加到6%，體系表面張力從38.6 mN/m逐漸增加至47.2 mN/m。

纖維含量增加導(dǎo)致體系黏度增大，阻礙了F127分子在界面的吸附和排列，從而降低了F127降低表面張力的效果。同時，纖維表面富含羥基(-OH)，這些親水基團(tuán)與水分子形成氫鍵，增加了體系的內(nèi)聚力，導(dǎo)致表面張力上升。

表面張力的增加不利于氣泡的形成和穩(wěn)定。隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，發(fā)泡倍率從5.2倍降至3.8倍，孔隙率從78.5%降至62.3%，表明高纖維含量下發(fā)泡性能顯著下降。

3.3 PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對表面張力的影響

隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%，體系表面張力從41.2 mN/m逐漸增加至46.5 mN/m。

PVA是一種水溶性聚合物，具有良好的成膜性和粘結(jié)性。當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，其在水溶液中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了體系的黏度，阻礙了F127分子在界面的吸附，從而降低了F127降低表面張力的效果。此外，PVA分子中的羥基與水分子形成氫鍵，增加了體系的內(nèi)聚力，導(dǎo)致表面張力上升。

表面張力的增加與發(fā)泡性能的下降呈正相關(guān)。隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，發(fā)泡倍率從5.5倍降至4.1倍，孔隙率從80.2%降至65.8%，表明高PVA含量不利于發(fā)泡。

3.4表面張力與發(fā)泡性能的關(guān)系

表面張力與發(fā)泡倍率、孔隙率的關(guān)系：表面張力與發(fā)泡倍率呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.93)，與孔隙率也呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.89)。這表明較低的表面張力有利于提高發(fā)泡倍率和孔隙率。

表面張力降低導(dǎo)致氣泡形成所需的能量減小，氣泡更容易穩(wěn)定存在。同時，較低的表面張力使氣泡間液膜更穩(wěn)定，減少了氣泡破裂的概率，從而提高了孔隙率和發(fā)泡倍率。此外，較低的表面張力有助于形成更均勻、更小的泡孔，F(xiàn)127質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，泡孔尺寸最小(平均直徑為125μm)，泡孔分布最均勻。

4結(jié)論

本研究系統(tǒng)探討了工藝因素對植物纖維活性發(fā)泡材料表面張力的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1.F127作為表面活性劑可顯著降低體系表面張力，其臨界膠束濃度(CMC)約為2.0%，此時表面張力最低(15.8 mN/m)，發(fā)泡倍率(5.8倍)、孔隙率(82.3%)和回彈率(85.6%)均達(dá)到最佳。

2.植物纖維含量增加導(dǎo)致體系黏度增大，阻礙了F127分子在界面的吸附，使表面張力上升，不利于發(fā)泡。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增加到6%時，表面張力從38.6 mN/m增加至47.2 mN/m。

3.PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致體系黏度增大，同時PVA分子中的羥基增強(qiáng)了水分子間的氫鍵作用，使表面張力上升。當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%時，表面張力從41.2 mN/m增加至46.5 mN/m。

4.表面張力與發(fā)泡倍率、孔隙率呈顯著負(fù)相關(guān)，較低的表面張力有利于提高發(fā)泡性能。

基于以上研究，建議在植物纖維活性發(fā)泡材料制備中，將F127質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.0%左右，以獲得最佳的表面張力和發(fā)泡性能。同時，應(yīng)控制植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%左右，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%左右，以平衡表面張力、發(fā)泡性能和力學(xué)性能。