生物质缓冲包装材料性能及其应用技术研究

摘要

为了解决塑料包装材料带来的“白色污染”等环境污染问题，本文提出了一种具有多孔微观结构的新型可降解生物质缓冲包装材料。但目前生物质缓冲包装材料普遍存在着缓冲性能不足、通过试错法进行新产品配方研发时面临的研发周期过长、原有成型设备无法满足该新型生物质缓冲包装材料对制备工艺的需求等问题。为了解决以上问题，本文开展了以下研究:
　　为了提升该新型生物质缓冲包装材料的缓冲性能，解决生物质材料缓冲性能普遍不足的问题。本文通过能量吸收效率-应力曲线研究了纤维碱化改性、淀粉塑化改性和纤维含量对生物质缓冲包装材料缓冲性能的影响，并首次从多孔微观结构和淀粉与纤维之间的氢键结合强度及其相容性三个方面对其影响机理进行了探究。研究发现纤维碱化改性和淀粉塑化改性均提升了纤维和淀粉两者之间的相容性，促进生物质缓冲包装材料内部形成了更致密的多孔微观结构，从而提升了该材料的缓冲性能。纤维碱化改性和淀粉塑化改性促使碱化剑麻纤维和塑化淀粉(TPS)两者之间形成了更强的氢键，即增强了碱化剑麻纤维和TPS两者之间的界面粘附强度，从而提升了该材料的缓冲性能;随着纤维含量的增加，生物质缓冲包装材料内部的多孔微观结构先变致密后变松散，从而使该材料的缓冲性能先增加后减小。当碱化剑麻纤维和TPS的质量比为4:13时，生物质缓冲包装材料内部的多孔微观结构最致密，其缓冲性能最佳。通过为期4周的降解性能测试试验研究发现，生物质缓冲包装材料的质量损失率达62.36％，表明该材料具有优越的降解性能，在自然环境条件下可降解。当压缩载荷较大时(0.7-7MPa)，该可降解生物质缓冲包装材料的缓冲性能优于EPS（发泡聚苯乙烯），可以替代EPS作为缓冲包装材料。
　　为了解决原有生物质材料配方研发时多采用试错法导致的新材料开发周期长、研发成本高等问题。本文提出了以产品性能为驱动的生物质缓冲包装材料配伍组分快速设计方法，建立了生物质缓冲包装材料基于各配伍组分的材料力学性能、密度和成本的数学预测模型。在生物质缓冲包装材料新产品的研发过程中，可以通过上述材料性能的数学预测模型，以新产品的性能为驱动，对该材料的配伍组分进行快速设计，从而大幅缩短新产品的研发周期;在满足新产品对材料力学性能的要求的情况下，可以对该材料的密度和成本进行优化设计，实现对该复合材料的轻量化设计，同时可以对该复合材料的成本进行最优化设计。
　　为了满足该新型生物质缓冲包装材料对成型设备要求，弥补原有成型设备的不足，并进一步提升生物质缓冲包装材料的缓冲性能。本文研发了一套温度场及压力场动态可控成型设备，具体包括模压系统、温度控制系统和压力控制系统。通过以上三个系统的协同调控，可以对该成型设备模具型腔内的温度场和压力场实现准确调控。通过仿真优化设计方法，对原有成型模具进行了一系列优化改进设计，解决了原成型模具无法形成稳定压力场、模具型腔内的温度场及压力场不均一等问题。最终实现了在该新型成型设备的模具型腔内形成稳定、均一的温度场及压力场，并能对其实现准确动态调控。
　　本文研究了纤维碱化改性、淀粉塑化改性和纤维含量对生物质缓冲包装材料缓冲性能的影响，并对其深层影响机理进行了探究，提升了生物质缓冲包装材料的缓冲性能，制备了可以替代EPS的新型生物质缓冲包装材料;本文建立了以产品性能为驱动生物质缓冲包装材料配伍组分的快速设计方法、研发了一套适用于该新型生物质材料的温度场及压力场动态可控的成型设备。为该新型生物质缓冲包装材料的大规模市场化应用提供了理论和技术支撑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．1．1 课题的背景

1．1．2 课题的意义

1．2 生物质材料的研究现状及存在问题

1．2．1 生物质材料性能研究现状

1．2．2 生物质材料配伍组分研发方法的研究现状

1．2．3 生物质材料成型设备的研究现状

1．3 课题的提出

1．4 论文的研究内容及框架

第2章 纤维及淀粉改性对生物质缓冲包装材料缓冲性能的影响

2．2．2 热塑性淀粉的制备

2．2．3 碱化纤维的制备

2．2．4 生物质缓冲包装材料的制备

2．3 生物质缓冲包装材料性能表征

2．3．1 缓冲性能测试试验

2．3．2 微观结构表征

2．3．3 氢键表征

2．4 试验结果与分析

2．4．1 缓冲性能分析

2．4．2 微观形貌分析

2．4．3 氢键分析

2．5 本章小结

第3章 纤维含量对生物质缓冲包装材料缓冲性能的影响

3．1 试验材料及设备

3．2 试验及方法

3．2．2 生物质缓冲包装材料的制备

3．2．3 缓冲性能的表征

3．2．4 SEM电镜扫描试验

3．2．6 防水性能表征

3．3 试验结果与分析

3．3．1 缓冲性能分析

3．3．2 徽观形貌分析

3．3．3 降解性能和防水性能分析

3．4 本章小结

第4章 生物质缓冲包装材料配伍组分的快速设计方法

4．1 多配伍组分对生物质材料性能的协同影响规律分析

4．2 基于配伍组分的生物质缓冲包装材料性能预测模型建立及验证

4．2．1 样本空间的构建

4．2．2 材料性能预测模型的建立

4．2．3 材料性能预测模型的验证

4．3 产品性能驱动的材料配伍组分快速设计方法

4．4 本章小结

第5章 生物质缓冲包装材料成型设备的关键技术设计

5．1 生物质材料模压设备的研究现状

5．2 温度场及压力场动态可控成型设备的研发

5．2．1 成型设备整体方案设计

5．2．2 模压系统

5．2．3 温度控制系统

5．2．4 压力控制系统

5．3 成型设备温度场和压力场的仿真优化设计

5．3．1 温度场的仿真优化设计

5．3．2 压力场的仿真优化设计

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及参与科研项目的情况

致谢