摘 要:研究一种基于黄麻、粘胶、水性聚氨酯和羧甲基纤维素钠（CMC）的可降解包装材料的制备。采用非织造生产工艺，以可降解的黄麻和粘胶为原料，纤维梳理成网后，经针刺机针刺，再将水性聚氨酯和羧甲基纤维素钠（CMC）溶于水中，形成悬浮液均匀喷洒至纤维网，烘干后热压成型得到生物可降解包装材料。对比聚乳酸（PLA）、水性聚氨酯、CMC的成本及力学性能，探究材料混比对黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC包装材料的断裂强力和断裂伸长率的影响，并通过干燥和湿润试样的强力对比，探究了黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC包装材料的耐水性能。结果表明，当黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC混比为40/40/15/5，面密度为100g/m2时，所得的样品纵、横向断裂强力分别为155.5N、52.6N，将样品浸渍水中1h后取出，其纵、横向的湿态强力保留率分别为50.0%、69.2%，可满足包装袋力学性能的要求。
关键词：黄麻；粘胶；水性聚氨酯；羧甲基纤维素钠；非织造；包装材料
我国是世界上最大的塑料制品生产国和消费国，大量的塑料包装废弃物给环境带来不容忽视的污染[1-2]。要真正解决塑料包装材料对环境造成的污染问题，关键在于研究和开发可降解的绿色环保材料。天然的植物纤维广泛存在于自然环境中，原料充足，具有可再生、可生物降解、强度高等性能特点[3]。因此，探究制备工艺简单、生产成本低廉、同时具有生物可降解性的天然植物纤维/生物可降解塑料的软包装材料具有实际意义。
我国拥有丰富的麻类资源，其中，黄麻产量居于世界前列。黄麻纤维粗硬、强度高、价格低廉[4]，约为0.8万/t。此外，黄麻纤维具有优良的可降解性，能够在自然环境中通过光、热、微生物的作用自行降解，降解的最终产物是二氧化碳和水，不会对环境造成污染。聚乳酸(PLA)是以乳酸为原料制备的脂肪族聚酯，微生物以玉米、小麦秸秆等为原料可发酵制得乳酸，而后缩合加工得到聚乳酸[5]。聚乳酸因其绿色无污染、易加工成型、生物相容性好，成为近年来开发研究最活跃、发展最快的生物降解高分子材料之一[6]，但是PLA成本较高，约5万/t。水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分数介质的新型聚氨酯体系[7]。水性聚氨酯以水为溶剂，具有无污染、安全环保、防水性好、生物可降解等性能特点，成本约为1.2万/t。羧甲基纤维素钠（CMC）是一种由天然纤维素制得的纤维素醚，具有较高的降解性能，其水溶液具有良好的增稠、黏合、成膜、分散等性能[8]。CMC成本较低，约为0.7万/t，在食品、医药、纺织、建筑等领域生产中得到广泛应用。于洋等[9]以黄麻纤维作为主要原料，将黄麻的优良性能和针刺非织造加工技术相结合，制造出可降解的环保包装袋。但针刺加固的强力不足，需添加黏结剂提高强力。徐洁等[10]以羧甲基纤维素钠（CMC）和黄麻纤维为主要原料，采用流延成膜的方法，经过乙醇-盐酸溶液酸化和高温烘焙处理，制备耐水性较好的CMC/黄麻地膜，但其成本高于塑料地膜。倪冰选等[11]选取大量市面上以聚酯（PET）纤维为原料的非织造布，且这些材料均通过梳理成网、黏合加固工艺制备而成，通过测试最终给出适合购物袋用的非织造布指标范围：厚度0.45mm~0.65mm；面密度100g/m2~150g/m2；干态纵向断裂强力120N~180N；干态横向断裂强力15N~30N。因此，本研究以黄麻、粘胶为原料，并与成本相对低廉的水性聚氨酯和CMC混合，制备黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC可降解包装材料，探究材料混比对黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC包装材料力学性能的影响。同时结合前期研究[12]，为考察采用成本较低的CMC黏结剂等替代成本较高的PLA的效果，对比黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC样品与黄麻/粘胶/PLA样品的拉伸性能。
1试验部分
1.1 试验原料
黄麻纤维由湖南南源新材料有限公司提供；粘胶由张家港市锦花漂白纤维有限公司提供；PLA纤维由新乡市日鑫生态纺织服饰有限公司提供；水性聚氨酯粉末由山东豪耀新材料有限公司提供；CMC，化学纯，由国药集团化学试剂有限公司提供；纤维原料的力学性能如下。
|
纤维 |
黄麻 |
粘胶 |
PLA |
|
纤维线密度/dtex |
32.3 |
2 |
3 |
|
纤维长度/mm |
＞1000 |
51 |
51 |
|
断裂强度/（cN·dtex-1） |
3.35 |
2.41 |
2.15 |
|
强度不匀率/% |
35.60 |
9.12 |
27.99 |
|
断裂伸长率/% |
1.89 |
15.64 |
28.48 |
|
伸长率CV/% |
29.52 |
23.17 |
33.57 |
1.2 试验仪器与设备
FZS-600型单锡林双道夫梳理机（常熟伟成非织造成套设备有限公司），FZZ-1000型主针刺机（常熟伟成非织造成套设备有限公司），XLB-400×400×2型平板硫化机（上海齐才液压机械有限公司），YG141N型数字式织物厚度仪（南通宏大实验仪器有限公司），HD026N型多功能织物强力机（温州方圆仪器有限公司），FA-1004型电子天平（上海天平仪器厂）。
1.3 样品制备
将切断后的黄麻纤维与粘胶以一定比例混和、开松后喂入梳理机，经2道~3道梳理后得到均匀的纤维网。通过调整喂入原料质量控制纤维网单位面积质量，将纤维网进行针刺。其次，将水性聚氨酯和CMC的粉末混合溶于水中（粉末与水的比例为1:10），形成悬浮液。将悬浮液均匀喷洒至纤维网上，于90℃烘箱中烘干。然后移至平板硫化机中热压成型，制得可降解包装材料。
1.4 性能测试
1.4.1 面密度
将制备所得的黄麻/粘胶/聚氨酯/CMC样品干燥后称取其质量，并测量其长度、宽度，可计算得到黄麻/粘胶/聚氨酯/CMC样品的面密度（g/m2）。
1.4.2 厚度
测试标准：GB/T24218.2—2009《纺织品非织造布试验方法第2部分：厚度的测定》。
测试仪器：YG141N型数字式织物厚度仪。
1.4.3 强伸性能
测试标准：GB/T24218.3—2010《纺织品非织造布试验方法第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》。
测试仪器：HD026N型多功能织物强力机。
参数设置：试样宽度为50mm±0.5mm，隔距长度为100mm，拉伸速度为100mm/min。
2结果与讨论
2.1 混比对包装材料力学性能的影响
在纤维原料中，黄麻纤维强度高，自身刚性较大，成网效果较差。为提高可加工性，混入一定比例的粘胶纤维，有助于纤维之间的相互缠结，提高材料的拉伸性能。羧甲基纤维素钠（CMC）是生物可降解材料，其具有优良的黏结性，可有效提高包装材料强力。在前期的试验中，选择4组黄麻/粘胶/CMC混比，分别为60/20/20、50/30/20、40/40/20、30/50/20。将各组原料混和开松，梳理成网，喂入针刺机针刺。称取适量CMC粉末混合溶于水中（粉末与水的比例为1:10），将溶液均匀喷洒至纤维网上，于90℃烘箱中烘干至恒重。然后转移至平板硫化机中（参数固定为：热压时间15s，热压温度160℃，压强5MPa）热压成型，并测试各组样品的强伸性能，测试结果如表1所示。
表1 不同黄麻/粘胶/CMC混比样品的力学性能
由表1可得，所制备样品强力均高于文献[11]中所给出的数值，可满足包装材料的要求。在面密度相近的条件下，当CMC比例一定（20%）时，随着粘胶纤维比例增加，样品纵、横向断裂强力以及断裂伸长率均逐步增加。可见，在以黄麻为主要原料时，适当增加粘胶含量可有效提高纤维的抱合、缠结，从而提高样品的断裂强力。本研究中，为兼顾非织造包装材料的力学性能和成本，设置黄麻纤维比例为40%、非织造材料的面密度在100g/m2左右。对所制备包装材料的湿态强力进行测试，将2.1试验中混比40/40/20制得的样品裁剪为条样在水中浸渍1h后取出，放在吸水纸上吸去多余的水分，测试织物断裂强力。测试结果如表2所示。
表2 黄麻/粘胶/CMC40/40/20试样的干、湿态断裂强力
由表2可得，该试样在浸水后纵向断裂强力降低至85.2N，强力保留率仅为干态的32.3%；横向断裂强力降低至46.2N，强力保留率仅为干态的26.1%。这是因为黄麻、粘胶、CMC都是亲水性高分子物质，样品耐水性能较差。当包装材料浸湿后，湿强显著小于干强，会影响包装材料的使用效果。
2.2 水性聚氨酯对包装材料的防水性能
为了进一步提高包装材料的使用性，对材料进行耐水处理，使其具有一定的耐水效果，避免湿态下的强度显著损失。水性聚氨酯具有较好的耐水性和可降解性，但其黏结性不如CMC。因此，为提高包装材料的使用性，可合理配置水性聚氨酯和CMC粉末的用量。将黄麻纤维与粘胶混和开松、梳理成网，喂入针刺机针刺。再称取适量水性聚氨酯和CMC粉末混合溶于水中（粉末与水的比例为1:10），形成悬浮液均匀喷洒至针刺后的纤维网上，烘干并热压成型。将样品裁剪为条样法规格，测试其干强。再将样品在水中浸渍1h后取出，用吸水纸除去多余水分后，测试其湿强。样品的干湿强测试结果如表3所示。
表3 水性聚氨酯和CMC对样品干湿强力的影响
由表3可得，全部采用水性聚氨酯代替CMC，则黏结性不够，所制备样品干强低于文献[11]中所给出的数值，不能满足包装材料的要求。而水性聚氨酯和CMC比例（10%）相同时，制备的样品黏结性较好，但强力保留率较低，因此，适当降低CMC比例，并增加水性聚氨酯的比例，可兼顾包装材料的力学性能和耐水性能。当黄麻/粘胶比例（40%）一定，面密度相近时，降低CMC比例，样品的纵、横向断裂强力逐渐下降，断裂伸长率随之增加；增加水性聚氨酯的比例，样品的强力保留率逐步增加。原料混比为黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC40/40/15/5时，样品的干态纵、横向断裂强力为155.5N、52.6N，该样品纵、横向的湿态强力保留率分别为50.0%、69.2%。
考虑原料混比对样品力学性能的影响，并结合成本，当样品面密度控制在100g/m2时，原料混比为黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC40/40/15/5较为合适。因此，合理配置CMC和聚氨酯粉末的比例，可充分发挥两者的优势，相互协调，提升材料的拉伸性能和耐水性能。
2.3 黏结剂对包装材料力学性能的影响
课题组前期曾选用黄麻/粘胶/PLA制备可降解包装材料[11]，本试验采用相同的混和比例，用现有的黄麻、粘胶等原料，按现有的方法制备了黄麻/粘胶/PLA的样品，从而可以更好地对比黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC样品与黄麻/粘胶/PLA样品的力学性能。本试验所制备的黄麻/粘胶/PLA样品的力学性能测试结果如表4所示。在相同的混合比例下，不同黏结剂对样品力学性能的影响对比情况如表5所示。
表4 不同黄麻/粘胶/PLA混合比样品的断裂强力
表5 不同黏结剂对样品力学性能的影响
由表4、表5可知，在其他条件相同的情况下，干态下的黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC制备的样品纵向断裂强力高于同等比例的黄麻/粘胶/PLA制备的样品纵向断裂强力。另根据前期试验[12]，黄麻/粘胶/PLA制备的样品的湿态强力保留率仅为40%-50%，低于本实验中黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC制备的样品湿态强力保留率。可见，水性聚氨酯与CMC混合的黏结剂不仅成本低，性能也优于PLA纤维。
3 结语
所研究的基于黄麻、粘胶、水性聚氨酯和羧甲基纤维素钠（CMC）的可降解包装材料的非织造制备技术具有一定的应用价值，可替代黄麻/粘胶/PLA样品，有效降低成本。具体结论如下。
（1）由于CMC的黏结性好，本试验中4个不同比例的黄麻/粘胶/CMC样品均可满足包装袋力学性能的要求。但由于CMC包装材料湿强差，湿强下的强力保留率仅26%~32%，影响包装材料在湿态下的使用。
（2）当黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC混比为40/40/15/5，面密度为100g/m2，所得的样品干态下纵、横向断裂强力分别为155.5N、52.6N；湿态下的强力保留率达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）在其他条件相同的情况下，将不同比例的黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC样品与相应的黄麻/粘胶/PLA样品的强力进行对比。结果显示：在面密度相近时，黄麻/粘胶/水性聚氨酯/CMC的样品纵向断裂强力高于相应的黄麻/粘胶/PLA的样品纵向断裂强力。
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文章摘自: 武柳君，陈蔚翔，周迎春，张斌，郁崇. 黄麻可降解包装材料制备及性能研究[J]. 棉纺织技术:1-5[2024-01-23].http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1132.TS.20240122.1200.002.html.
