用于纸张包装的涂饰阻燃竹材的包装性能研究
时间：2023-06-04 16:50:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
周炘杰，张彩娟，杨昌浩，何铭宇，于丽丽
（天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457）
竹材是一种常用包装材料，具有生长周期短、力学性能好、可生物降解等优点，在造纸、包装、建筑、家具、交通等领域得到了广泛的应用[1]。竹材的品种越来越多，生产技术越来越成熟，如竹质层压板、刨花板、胶合板、竹塑复合材料等已开始逐步取代传统木质材料占据的市场份额[2-3]。然而，竹材易燃。有研究表明，竹材一旦被点燃，火焰在5~10 min内便会充斥整个房间，导致火灾和安全事故[4]，严重影响其适用性。因此，竹材在使用前需要进行必要的阻燃改性处理，以确保其使用的安全性。
传统竹材阻燃处理方法有加压浸注、常压浸注、真空浸注等，虽然可以在一定程度上提高竹材的阻燃性，但是由于竹材本身密度较大，渗透性较差，在处理过程中存在着阻燃改性均匀性较差、阻燃剂处理难度大等问题。而利用阻燃涂料对竹材进行表面涂覆处理，借助涂层的物理和化学阻燃作用，不仅可以有效解决阻燃剂处理竹材存在的问题，而且由于涂覆工艺成熟，更有利于工业化推广。其中，水性聚氨酯（WPU）涂料是一种环保性较好的涂料品种[5-7]，它以水替代传统溶剂，具有优良的乳液性能和膜伸长率高、初黏力强等优点，常应用于木器涂料、建筑等领域[8-11]。但是，水性聚氨酯干燥成膜后的氧指数偏低[12-13]，具有较大的火灾隐患性。硼系阻燃剂低烟、低毒、资源丰富，且与其他阻燃剂复配效果好，逐渐受到研究人员的关注[14]。YU等[15]的研究表明，与未处理竹材相比，含有硼酸或硼砂的阻燃剂均可以有效降低竹材的热释放及烟释放。当硼酸与硼砂的比例为1∶1时，可获得良好的协同效应。含磷类化合物一般在气相和凝聚相发挥作用，受热分解后形成磷酸和多磷酸，脱水碳化在物质表面形成难燃碳层，从而隔绝温度，阻止热量传递[16-18]。刘姝君等[19]在竹基纤维复合材料中加入聚磷酸铵（APP）阻燃剂，发现相对于未处理材料，加入阻燃剂可以使引燃时间延长，热释放速率、热释放总量、发烟总量均大幅度降低。而且，经阻燃改性处理后竹材的力学性能有较大优势，不仅竹材本身环保可回收，而且竹板材的纤维密度大，有更好的抗压能力[20]。
本文考察了阻燃涂料对竹材进行涂覆的工艺，通过固含量优化、涂覆量优化和三点抗弯实验对涂料进行综合评估，筛选出对竹材力学性能影响最小的阻燃涂料，以期为竹材的纸张包装应用提供参考。
1.1 实验材料与试剂
选用产地为江西省赣州市的竹集成材成品，为竹材条经热压后制成的长2000 mm、宽140 mm、厚20 mm的板材，含水率为4%～6%。
SETAQUA6515水性涂料，购自湛新树脂(上海)有限公司，为市售水性竹器涂料，外观主要为乳白色液体，成膜后无颜色，成膜物质主要为聚氨酯，固含量为50%。
硼酸（分子量为61.83）、硼砂（分子量为381.37），分析纯，天津市大茂化学试剂厂；
消泡剂，工业级，天津市大茂化学试剂厂；
四水八硼酸二钠（分子量为412.52），分析纯，天津索罗门生物科技有限公司；
聚磷酸铵（分子量为149.087），天津索罗门生物科技有限公司；
渗透剂（AEO-9），广州克莱雅化工有限公司。
1.2 涂覆工艺
在涂刷涂料之前，首先用200目砂纸打磨竹集成材测试件表面，沿竹材纹路打磨掉多余竹丝，用毛刷扫去竹材表面多余竹屑，备用。手工将制得的涂料用毛刷均匀涂刷在测试件表面，每次涂刷一定量的涂料，然后在自然条件下晾干，必须等上一次涂刷完全干燥之后再涂刷下一次，直至完成测试件涂刷。
1.3 WPU固含量优化
将水性聚氨酯涂料用磁力搅拌器分别配置成WPU固含量为10%、20%、30%的涂料，然后均匀涂刷在100 mm×100 mm的竹集成材测试件表面，每个测试件涂刷5次，每次2 g，最终涂刷完成后，在自然条件下干燥3 d备用。
涂层附着力测试参考GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，在测试件平面上随机选取3个位置进行划格，取测试结果相对较好的前两个等级（附着力等级评价0~5级）。测试装置参见图1，每种固含量的水性聚氨酯涂料重复3次实验。根据附着力实验的测试结果确定水性聚氨酯固含量。
图1 附着力测试装置
1.4 涂覆量优化
根据1.3节的结果，分别按涂覆量为8、6、4 g，将水性聚氨酯涂料均匀涂刷在100 mm×100 mm竹集成材测试件表面，每次2 g，最终涂刷完成后，在自然条件下干燥3 d备用。
参考GB 23999—2009《室内装饰装修用水性涂料》，采用家具表面漆膜耐磨测试仪(TST-C1020型，泰仕特仪器(中国)有限公司)检测测试件。首先在竹集成材测试件中心打孔，然后在750 g的重力下，以500 r为测试转数、60 r/min为测试转速进行测试。每种涂覆量的测试件重复3次实验，记录测试件磨前和磨后的质量，并计算出平均质量损失。耐磨性测试装置参见图2。根据耐磨性和附着力的测试结果确定水性聚氨酯涂料的固含量。
图2 耐磨性测试装置
1.5 改性水性涂料制备工艺
通过预实验复配出4种阻燃剂，最佳添加比例如表1所示。
表1 阻燃剂最佳复配比例
首先将购买的市售水性聚氨酯涂料配成20%的固含量，将制备好的乳液与表1中4种复配阻燃剂中的一种按1∶1的比例混合，搅拌1 h，再加入渗透剂AEO-9，搅拌1 h，搅拌完成后，若泡沫较多或比较黏稠，则添加1滴消泡剂，制备完成后备用。
5种涂料的编号及成分如表2所示，将制备好的涂料静置24 h，发现有少量黄色或白色沉淀，所以优化制备工艺，加入阻燃剂后搅拌的时间增加2 h，增大搅拌速度。
表2 涂料列表
1.6 三点抗弯实验
根据1.4节的涂覆量优化实验结果计算单位面积的涂覆量，从而确定三点抗弯实验所用竹集成材测试件的涂料用量。
参考GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，用万能力学实验机对110 mm×50 mm×5 mm的竹材测试件进行测试，两支座之间的距离为80 mm，每组重复3个测试件。实验开始前记录测试件实际长度、厚度、宽度，结束后记录实验最大载荷和最大变形量。并根据式（1）计算静曲强度，根据式（2）计算弹性模量。
式中：σb为测试件的静曲强度，MPa；
Fmax为测试件破坏时的最大载荷，N；
l1为两支座之间的距离，mm；
b为测试件宽度，mm；
t为测试件厚度，mm。
式中：Eb为测试件的弹性模量，MPa；
l1为两支座间的距离，mm；
b为测试件宽度，mm；
t为测试件厚度，mm；
F2-F1为在载荷-挠度曲线中直线段内载荷的增加量（F1值约为最大载荷的10%，F2值约为最大载荷的40%），N；
a2－a1为测试件板材中部变形的增加量，即在测试区间测试件的变形量，mm。
2.1 WPU固含量优化
表3为不同WPU固含量涂料的实验结果。由表3可知：对于不同WPU固含量的涂料，附着力均为1级，漆膜基本无脱落，区别不明显。因此，进一步考察了耐磨性实验结果和涂料的涂刷适用性。耐磨性测试中的涂层质量损失均很小，三种WPU固含量的涂层质量损失差别不大，其中30%WPU固含量涂料的质量损失最小，仅为0.003 1 g。不同WPU固含量涂料的乳液状态稍有不同，其中10%WPU固含量涂料的流动性极好，不易涂刷，20%和30%WPU固含量涂料均符合标准且较易涂刷，考虑成本因素，在保证涂层理化性能的前提下，选择20%WPU固含量用于后续实验。
表3 不同WPU固含量涂料的实验结果
2.2 涂覆量优化
对于WPU固含量为20%的涂料，不同涂覆量时的涂层附着力和耐磨性数据见表4。由表4可知：对于不同的涂覆量，涂层附着力均为1级，漆膜基本无脱落。对于不同涂覆量，耐磨测试中的涂层质量损失均很小，且差别不大，涂覆量为4 g和6 g时的涂层质量损失约为0.003 0 g，涂覆量为8 g时的涂层质量损失最小，约为0.002 4 g。其中，涂覆量为4 g时的竹材表面露白，涂层被磨穿。所以，在保证涂层性能的前提下，选择成本较低的6 g/0.01 m2作为后续实验的单位面积涂覆量。
表4 不同涂覆量时的实验结果
2.3 三点抗弯实验
按照优化后的单位面积涂覆量（6 g/0.01 m2），将5种涂料分别涂刷在110 mm×50 mm×5 mm的竹集成材测试件上。涂刷面积为0.012 6m2，水性聚氨酯和阻燃剂比例为1∶1。计算得到水性聚氨酯涂料的涂覆量为7.56 g，阻燃涂料的涂覆量为15.12 g。以未涂刷涂料的竹集成材作为参照，6种板材测试件的应力-应变曲线如图3所示。从图3中可以看出：各曲线非常接近，说明仅在竹集成材表面涂刷涂料对板材的应力-应变曲线影响不大。
图3 各板材的应力-应变曲线
根据式（1）和式（2）计算得出6种竹集成材测试件的弹性模量和静曲强度如表5所示。与素材相比，涂刷涂料后测试件的弹性模量均有不同程度下降，测试件5下降最大，约下降15.23%，仅涂刷WPU(1号涂料)测试件的弹性模量下降7.46%，涂刷2、3、4号阻燃涂料测试件的弹性模量均比涂刷纯WPU的测试件好，其中，涂刷2号涂料的测试件的弹性模量相比素材仅下降了1.88%，说明此测试件的刚度较好，不易变形。总体上，各测试件的弹性模量下降程度均不大，因为弹性模量是物体的固有属性，在表面涂刷的涂料难以均匀分散到竹材中，仅对表面有一定影响，难以对整个板材的弹性模量有影响。
表5 各板材的弹性模量和静曲强度
静曲强度也可以表征材料的力学性能，一般情况下，静曲强度越高，材料抗弯曲破坏能力越强。涂刷2、3、4号涂料的测试件的静曲强度均有一定程度提高；
涂刷1号和5号涂料的测试件的静曲强度均有不同程度下降，其中，涂刷5号涂料测试件的下降程度最大，为9.14%，可能是因为添加物只是分布在涂料中，形成的是悬浊液，在干燥过程中并没有渗透进竹材，静曲强度受到一定影响。
总体上，涂刷2号涂料的测试件的力学性能较好，较素材变化不大。涂刷5号涂料的测试件的力学性能变化程度较大，性能最差。
（1）通过涂层的附着力与耐磨性测试筛选出最优涂刷工艺：20%水性聚氨酯的涂覆量为6 g/0.01m2，此时的附着力为1级，质量仅损失0.003 g，既能满足要求，又能节省成本。
（2）三点抗弯实验表明：仅在竹材表面涂刷涂料对材料的力学性能影响较弱，可以在满足阻燃要求的同时用于纸张包装等应用。
（3）在与WPU固含量为20%的涂料等比例混合的情况下，力学性能最优的阻燃剂组分及比例为m（硼酸）:m（硼砂）:m（水）=1∶1∶8。
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