摘要
本研究介绍了一种泡沫成形技术制备多孔缓冲材料的方法，同时利用聚酯纤维（PET纤维）和苯丙乳液增强天丝纤维缓冲材料，实现力学性能的改善。结果表明，当浆浓为3%，pH值=7，以十二烷基苯磺酸钠（SDBS）为发泡剂，纯天丝缓冲材料采用质量分数3%苯丙乳液增强，缓冲材料弹性模量可从37.30 kPa提升至116.12 kPa。当使用质量分数9%苯丙乳液增强时，控制天丝纤维与PET纤维（细度17 dtex）质量比为1∶1，缓冲材料弹性模量为46.99 kPa，密度为0.030 g/c
纤维网络在工业界和自然界（植物细胞和动物组织）中十分常见。通过改变密度、分子聚合和纤维取向，形成错综复杂的纤维网络结构，赋予了生态系统的多样性，延伸至工业领域亦是如
纤维素作为储量庞大的可再生资源，具有可回收、绿色环保的优
天丝纤维，长度6 mm，广州某厂家；聚酯纤维（PET纤维），长度12 mm，细度6和17 dtex，广州某厂家；苯丙乳液（固含量约45%），济南欧度新材料有限公司；十二烷基苯磺酸钠（SDBS，分析纯），上海凌峰化学试剂有限公司；十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，分析纯），上海博奥生物科技有限公司；聚乙烯醇水溶液（PVA，固含量约3%），自制。
RW20顶置搅拌器，德国IKA公司；HP-BJQ纤维疏解机，济南恒品机电技术有限公司；DHG-9030A电热鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；OLYMPUS BX51研究级正置显微镜，日本奥林巴斯公司；COXEM EM-30Plus扫描电子显微镜（SEM），韩国库塞姆公司；VERTEX 70傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），德国布鲁克公司；INSTRON 5565拉伸压缩材料试验机，美国英斯特朗公司。
首先采用单因素实验和正交实验法分别探究纤维浓度、pH值、表面活性剂种类对天丝纤维泡沫体系中泡沫分布及泡沫稳定性的影响。通过对泡沫尺寸分布、泡沫半衰期和排液半衰期的分析，结果表明，当纤维质量分数为3%、pH值为7、以SDBS作为发泡剂时，发泡效果最好，排液半衰期最长，泡沫最为稳定（
| 表面活性剂种类 | 纤维质量分数/% | pH值 | 泡沫半衰期/min | 排液半衰期/s |
|---|---|---|---|---|
| PVA | 3 | 6 | 5 | 8 |
| 2 | 7 | 3 | 4 | |
| 1 | 8 | 1 | 1 | |
| SDBS | 2 | 8 | >60 | 24 |
| 1 | 6 | >60 | 21 | |
| 3 | 7 | >60 | 40 | |
| CTAB | 1 | 7 | >60 | 31 |
| 3 | 8 | >60 | 24 | |
| 2 | 6 | >60 | 27 |
按以上条件制备复合纤维缓冲材料。首先称取植物纤维发泡浆料200 g，其中绝干纤维质量分数3%，SDBS发泡剂质量分数0.15%，调节pH值为7；接着将发泡浆料移入纤维疏解机，加水疏解30 s；疏解后倒入发泡装置内，利用顶置搅拌器搅拌发泡，机械搅拌发泡10 min，转速1800 r/min；发泡完成后将发泡浆料倒入成形装置注模脱水10 min。最后将湿泡沫料浆移入干燥箱内，80 ℃干燥固化8 h。
当绝干纤维成分为纯天丝纤维时，在加水疏解前加入苯丙乳液（质量分数为2%、3%、4%、5%，即固含量占浆料总质量的百分比），制备成天丝纤维/苯丙乳液增强缓冲材料（SA@LF）；当绝干纤维成分为天丝纤维和2种细度的PET纤维（细度为6和17 dtex，天丝纤维∶PET纤维的绝干质量比为1∶1）时，在加水疏解前加入苯丙乳液（质量分数为2%、3%、4%、5%，即固含量占浆料总质量的百分比），制备成天丝纤维/PET纤维/苯丙乳液增强缓冲材料（SA@LF/PET(6 dtex)、SA@LF/PET(17 dtex)）。
通过泡沫半衰期和排液半衰期可以分析泡沫的稳定性。控制发泡剂种类为PVA、SDBS、CTAB，其绝干质量为0.15 g，纤维质量分数为1%、2%、3%，利用稀盐酸和K2CO3溶液调节pH值为6、7、8，设计3水平3因素正交实验。搅拌完成后立即记录此刻容器内的泡沫体积，并且静置，记录静置过程中泡沫体积的变化及容器底部液膜排液沉降的液体体积的变化。探究天丝纤维体系最优发泡工艺条件，实现稳定发泡。
通过泡沫尺寸分布测试表现泡沫的稳定性。将浆料疏解后，搅拌发泡至产生水基泡沫体积为350~400 mL。将自制采样装置放置于泡沫体系中，静置30 s。浆料从装置侧面进入夹缝，直至完全填充。将采集完泡沫的装置置于光学显微镜下进行观察，采集图片。用Nano Measurer软件分析收集的图像，得到气泡大小及分布数据，进行分析。
试样为直径65 mm，高度不确定的圆柱体，依照GB/T 8168—2008《包装用缓冲材料静态压缩试验方法》对试样的密度进行测试，用感量为0.01 g以上的天平测量样品的质量，记录测定值。按照
| ρ = | （1） |
式中，ρ为实验样品密度，g/c
依照GB/T 8168—2008《包装用缓冲材料静态压缩试验方法》进行试样静态缓冲性能测试。静态缓冲是指以低速对材料加压，压板以12 mm/min的速度沿高度方向对样品逐渐增加载荷。圆柱体的上下表面均平坦，通过拉伸压缩材料试验机记录或测出至少10点，确定材料在厚度方向上的压缩应力-应变曲线。
根据GB/T 19811—2005/ISO 16929：2021标准，在实验室里测试了材料的堆肥崩解情况。将缓冲材料（切成15 mm×15 mm的正方形）埋于堆肥土下4~6 cm，用长度×宽度×高度=30 cm×20 cm×10 cm带透气孔的聚丙烯塑料箱承装。堆肥由固体质量分数为10%商业堆肥、30%兔饲料、10%淀粉、5%蔗糖、1%尿素、4%玉米油和40%锯末以及相当于固体质量50%的水组成。然后将缓冲材料样品在58 ℃的好氧条件下孵育，并在崩解第10、20、30、40、50、60、70、80、90、150和210天进行称量，以定性检查堆肥中随时间变化的物理降解程度。每隔固定的时间，取出样品用蒸馏水清洗，在37 ℃的电热鼓风干燥箱中干燥24 h，称量，按照
| （2） |
式中，D为实验材料的崩解程度，%；m1表示实验开始时投入的实验材料总干固体量，g；m2表示实验后收集得到实验材料总干固体量，g。
通过正交实验研究了纤维质量分数、pH值和表面活性剂种类对天丝纤维泡沫体系泡沫分布和稳定性的影响。确定主要影响因素为：纤维质量分数（1%、2%和3%）、pH值（6、7和8）和表面活性剂种类（PVA、SDBS和CTAB）。正交实验根据表L9（
通过正交实验分析，利用排液半衰期计算K值及R值，结果如
| 表面活性剂种类 | 纤维质量分数/% | pH值 | 空列 | |
|---|---|---|---|---|
| K1 | 13 | 72 | 56 | 63 |
| K2 | 85 | 55 | 75 | 49 |
| K3 | 82 | 53 | 49 | 68 |
| k1 | 4.33 | 24.00 | 18.67 | 21.00 |
| k2 | 28.33 | 18.33 | 25.00 | 16.33 |
| k3 | 27.33 | 17.67 | 16.33 | 22.67 |
| R | 72 | 19 | 26 | 19 |
基于正交实验的结果，通过设置单一变量分别为纤维质量分数、表面活性剂类型和pH值，控制其他条件，在正交实验中获得的最佳条件，进行气泡尺寸分布测量。
图1 泡沫尺寸分布
Fig. 1 Bubble size distribution
结合
结合
通过静态压缩实验对材料进行缓冲性能测试。
| 苯丙乳液质量分数/% | 弹性模量/kPa | 形变量/% | 密度/（g·c |
|---|---|---|---|
| 0 | 37.30 | 7 | 0.028 |
| 2 | 92.69 | 7 | 0.042 |
| 3 | 116.12 | 8 | 0.044 |
| 4 | 105.65 | 6 | 0.047 |
| 5 | 116.97 | 13 | 0.053 |
图2 SA@LF宏观形貌图
Fig. 2 Macromorphology photos of SA@LF
为了进一步分析缓冲材料的力学性能，测量了其压缩性能参数，见
图3 SA@LF应力-应变曲线
Fig. 3 Stress-strain curves of SA@LF
纯天丝纤维缓冲材料（未添加苯丙乳液）与SA@LF（苯丙乳液质量分数为2%、3%、4%、5%，浆浓为3%）相比，SA@LF的密度和弹性模量均有所提高。这是因为苯丙乳液中的环氧基团能与纤维素中带有活性氢的基团反应，形成交联网络，乳液中的羟基和纤维素中的羟基形成氢键，增强SA@LF力学性能。但当苯丙乳液质量分数达到3%后，SA@LF的力学性能提高效果不再明显，平台应力甚至有所下降。这主要是因为苯丙乳液在适当质量分数范围内与纤维复合后能够改善纤维的力学性能，但过量的苯丙乳液可能在材料内部团聚，在干燥过程中产生表面应力，造成材料的脆性增加，力学性能降低。质量分数3%苯丙乳液增强的SA@LF弹性模量为116.12 kPa，密度为0.044 g/c
为提高SA@LF/PET的弹性模量，提高苯丙乳液质量分数为3%、6%、9%的浓度梯度。
| 缓冲材料 | 苯丙乳液质量分数/% | 弹性模量/kPa | 形变量/% | 密度/（g·c |
|---|---|---|---|---|
|
SA@LF/PET （6 dtex） | 3 | 15.38 | 0 | 0.024 |
| 6 | 16.66 | 0 | 0.027 | |
| 9 | 40.41 | 0 | 0.037 | |
|
SA@LF/PET （17 dtex） | 3 | 37.98 | 8 | 0.028 |
| 6 | 40.07 | 5 | 0.022 | |
| 9 | 46.99 | 6 | 0.030 |
提高苯丙乳液的质量分数，在一定程度上提高了SA@LF/PET的弹性模量。
图4 SA@LF/PET应力-应变曲线
Fig. 4 Stress-strain curves of SA@LF/PET
在天丝纤维与PET纤维（17 dtex）质量比=1∶1的情况下，质量分数9%苯丙乳液增强体的最大弹性模量为46.99 kPa，密度为0.030 g/c
图5 苯丙乳液处理前后天丝纤维缓冲材料的SEM图
Fig. 5 SEM images of Lyocell fiber buffer materials before and after treatment with styrene acrylic
由
图6 SA@LF/PET（6 dtex）纤维交接处的SEM图
Fig. 6 SEM images of SA@LF/PET（6 dtex）’s fiber junctions
对纯天丝缓冲材料和SA@LF/PET（6 dtex）进行了FT-IR分析，结果如
图7 纯天丝缓冲材料和SA@LF/PET（6 dtex） FT-IR谱图
Fig. 7 FT-IR spectra of Lyocell fiber buffer material and SA@LF/PET(6 dtex)
崩解测试用于确定泡沫缓冲材料在环境中分解所需时间，本研究中的生物降解评估方法依据EN 13432。通过静态压缩实验表征了苯丙乳液和PET纤维对天丝纤维基泡沫材料的增强作用，选择其中具有最佳缓冲性能的纤维基缓冲材料进行生物降解性测试，分析结果如
图8 210天内纤维基缓冲材料的崩解程度
Fig. 8 Disintegration of cellulose-based buffer materials within 210 days
由
苯丙乳液增强材料在降解过程中降解速率先快后慢，推测原因是被苯丙乳液包裹的天丝纤维在苯丙乳液分解后才开始逐渐分解。而加入的PET纤维作为一种难熔纤维，自身降解缓慢，在被苯丙乳液包裹后，SA@LF/PET降解效果更不理想。
本研究采用苯丙乳液和聚酯纤维（PET纤维）增强天丝纤维缓冲材料（SA@LF/PET）。通过加入表面活性剂，采用机械搅拌，使纤维在水基泡沫中得到良好的分散，构成三维立体网络结构，从而实现缓冲材料的轻量化和高回弹。
3.1 经苯丙乳液处理后的纤维表面有苯丙乳液沉积，苯丙乳液包裹经过搅拌分散后的纤维，呈现凹凸不平的表面，在其表面均匀分布，形成了光滑的薄膜，苯丙乳液的黏结，使纤维间的交织更加紧密，在提高纯天丝纤维材料的弹性模量和缓冲性能上发挥重要作用；而对于SA@LF/PET，苯丙乳液较多吸附于天丝纤维中，在天丝纤维和PET纤维之间没有形成良好的连接点，可能导致缓冲材料力学性能下降。
3.2 天丝纤维/苯丙乳液增强缓冲材料（SA@LF）与SA@LF/PET均在700 c
3.3 与纯天丝缓冲材料相比，质量分数3%苯丙乳液使缓冲材料的弹性模量由37.30 kPa提高到116.12 kPa，提高了缓冲材料的强度、密度和回弹性，扩展了应力压缩范围，增加苯丙乳液的质量分数在一定程度上提高了材料的弹性模量。而PET纤维的加入虽然降低了缓冲材料的弹性模量，但同时也降低了材料的密度，提高了材料的回弹性。
3.4 在缓冲材料的崩解测试中，纯天丝泡沫材料的降解速率相对规律且平缓，天丝纤维在第20天时的质量损失率为8.31%，第20~90天质量匀速损失，在第90~210天质量加速损失。苯丙乳液增强材料在降解过程中降解速率先快后慢。
参 考 文 献
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