CN115895049B - 一种纤维增强交联气凝胶缓冲材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纤维增强交联气凝胶缓冲材料及其制备方法。采用本发明的技术方案，将具有三维网状结构高吸能的丝瓜络与交联气凝胶进行结合，得到一种新型的纤维增强交联气凝胶缓冲材料，该气凝胶能改善之前淀粉基缓冲材料，脆性高以及缓冲性能差的缺点，有利于推动绿色化缓冲包装的发展，解决绿色化缓冲材料性能不足的问题。
Description
技术领域
本发明属于包装材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强交联气凝胶缓冲材料及其制备方法
背景技术
商品在流通过程中，必须要经过装卸、货运环节，难免都会受到碰撞、挤压、冲击等问题，到消费者手上时可能就会受到不同程度的损伤。目前，传统包装材料包括eps、epe等在电商以及物流运输中还是占有主要份额。其会给环境造成很大的污染，不利于经济的持续性发展。因此研发绿色缓冲材料是必然的趋势，淀粉基缓冲材料也是其中的研究热点。
淀粉基可降解包装材料主要有淀粉发泡塑胶以及淀粉气凝胶，淀粉气凝胶是新型材料，具有制作简单、来源广、可降解、保温隔热性能好的优点，用其制作绿色缓冲包装材料，具有很大应用价值。但是淀粉气凝胶作为缓冲材料具有吸能差、缓冲性能差、脆性较大等缺点，这大大限制了这种包装材料的广泛应用。
因此，为了淀粉基可降解包装材料的发展以及应用，亟需一种制备具有高吸能，缓冲性能好的淀粉基气凝胶缓冲材料。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明第一个目的是提供一种纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备方法，以使得制备得到的缓冲材料具有吸能性好，缓冲性能好。
对此，本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
步骤一、垫状纤维的制备
首先将天然丝瓜络进行清理除去杂质，再将丝瓜络除去芯层，只留外层的纤维，将其平整展开，利用热压机对其进行热压，使其变成平整垫状。
步骤二、溶液的制备
用容器称取淀粉，加蒸馏水，然后放置在温度水浴锅上进行热处理，并同时进行机械搅拌，机械搅拌的同时分批加入聚乙烯醇和明胶，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同，最后获得混合水溶液。
步骤三、纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备
混合水溶液倒入具有垫状丝瓜络的模具中，将模具放置在超声清洗机中超声处理，再将混合水溶液放置在冰箱进行回生，得到交联水凝胶，最后把交联水凝胶进行冷冻干燥，最后获得三维网状结构增强淀粉气凝胶缓冲材料。
优选步骤一所述的热压温度为70～100℃，热压时间为2～8h。
优选步骤二所述的淀粉溶液，淀粉的质量分数为6～25％，蒸馏水的质量分数为75～94％
优选步骤二所述淀粉为玉米淀粉、支链淀粉、氧化淀粉或两种以上的混合物。
优选步骤二所述的水浴锅的热处理，水浴锅的温度为70～95℃，热处理时间为0.5～2h。
优选步骤二所述的机械搅拌的速度为300～600r/min，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同。
优选步骤三所述超声处理时间为10～60min。
优选步骤三所述回生温度为0～8℃，回生时间为12-24h。
优选步骤三所述冷冻干燥的温度为-30～-60℃，时间为48～72h，真空度为1-15Pa。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，将具有高吸能的三维网状结构的丝瓜络作为一种吸能骨架加入到气凝胶体系中，同时再加入聚乙烯醇以及明胶，改善了淀粉气凝胶吸能不足，脆性大的缺点。其次丝瓜络本身是呈现不规则的柱状，很难在现实生活中作为缓冲材料，本发明将其处理成平整垫状，并用交联水凝胶将其粘合在一起，可以做出不同形状的包装，而不用受原本形状的限制，扩展这种农副产品的应用面。
最后，两者结合到一起制作出的纤维增强交联气凝胶，不仅拥有较佳的吸能性以及缓冲性能，而且具备一定的保温性能；另外，本发明技术方案的原料绿色无污染，都是可再生的生物基材料，制备方法简单，容易应用。
附图说明
图1为实施例1的宏观样品图
图2为实施例1、对比例1、对比例2的应力应变曲线
图3为实施例1、对比例1、对比例2的缓冲系数曲线
图4为实施例1的扫描电镜图
图5为垫状纤维三维网状结构放大图
具体实施方式
实施例1
步骤一、垫状纤维的制备
首先将天然丝瓜络进行清理除去杂质，再将丝瓜络除去芯层，只留外层的纤维，将其平整展开；再利用热压机在热压温度100℃下，对其进行热压，热压时间为4h，使其变成平整垫状。
步骤二、溶液的制备
用容器称取3g氧化淀粉，加91ml的蒸馏水，然后放置在温度为90℃的水浴锅上，热处理时间为1h，并同时进行机械搅拌，机械搅拌的同时分批加入聚乙烯醇3g和明胶3g，机械搅拌的速度为300r/min，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同，得到混合水溶液。
步骤三、纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备
混合水溶液倒入具有垫状丝瓜络的模具中，将模具放置在超声清洗机中超声处理15min，再将混合水溶液放置在温度为5℃的冰箱进行回生，回生时间24h，得到交联水凝胶，再把交联水凝胶进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-56℃，时间为64h，真空度为1Pa；最终获得纤维增强交联气凝胶缓冲材料。
实施例2
步骤一、垫状纤维的制备
首先将天然丝瓜络进行清理除去杂质，再将丝瓜络除去芯层，只留外层的纤维，将其平整展开；再利用热压机在热压温度100℃下，对其进行热压，热压时间为4h，使其变成平整垫状。
步骤二、溶液的制备
用容器称取3g支链淀粉，加91ml的蒸馏水，然后放置在温度为90℃的水浴锅上，热处理时间为1h，并同时进行机械搅拌，机械搅拌的同时分批加入聚乙烯醇3g和明胶3g，机械搅拌的速度为300r/min，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同，得到混合水溶液。
步骤三、纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备
混合水溶液倒入具有垫状丝瓜络的模具中，将模具放置在超声清洗机中超声处理15min，再将混合水溶液放置在温度为5℃的冰箱进行回生，回生时间24h，得到交联水凝胶，再把交联水凝胶进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-56℃，时间为64h，真空度为1Pa；最终获得纤维增强交联气凝胶缓冲材料。
实施例3
步骤一、垫状纤维的制备
首先将天然丝瓜络进行清理除去杂质，再将丝瓜络除去芯层，只留外层的纤维，将其平整展开；再利用热压机在热压温度100℃下，对其进行热压，热压时间为4h，使其变成平整垫状。
步骤二、溶液的制备
用容器称取6g支链淀粉，加91ml的蒸馏水，然后放置在温度为90℃的水浴锅上，热处理时间为1h，并同时进行机械搅拌，机械搅拌的同时分批加入聚乙烯醇3g和明胶1g，机械搅拌的速度为300r/min，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同，得到混合水溶液。
步骤三、纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备
混合水溶液倒入具有垫状丝瓜络的模具中，将模具放置在超声清洗机中超声处理15min，再将混合水溶液放置在温度为5℃的冰箱进行回生，回生时间24h，得到交联水凝胶，再把交联水凝胶进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-56℃，时间为64h，真空度为1Pa；最终获得纤维增强交联气凝胶缓冲材料。
表1本发明的纤维增强交联气凝胶缓冲材料的理化指标。
注：本试验以60％应变来计算屈服强度以及变形比能
对比例1
步骤一、溶液的制备
用容器称取3g氧化淀粉，加91ml的蒸馏水，然后放置在温度为90℃的水浴锅上，热处理时间为1h，并同时进行机械搅拌，机械搅拌的同时分批加入聚乙烯醇3g和明胶3g，机械搅拌的速度为300r/min，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同，得到混合水溶液。
步骤二、交联气凝胶缓冲材料的制备
混合水溶液倒入具有垫状丝瓜络的模具中，将模具放置在超声清洗机中超声处理15min，再将混合水溶液放置在温度为5℃的冰箱进行回生，回生时间24h，得到交联水凝胶，再把交联水凝胶进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-56℃，时间为64h，真空度为1Pa；最终获得纤维增强交联气凝胶缓冲材料。
对比例2
步骤一、淀粉水溶液的制备
用容器称取6g玉米淀粉，加91ml的蒸馏水，然后放置在温度为90℃的水浴锅上，热处理时间为1h，并同时进行机械搅拌，，机械搅拌的速度为300r/min，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同，得到混合水溶液。
步骤二、交联气凝胶缓冲材料的制备
淀粉水溶液倒入具有垫状丝瓜络的模具中，将模具放置在超声清洗机中超声处理15min，再将混合水溶液放置在温度为5℃的冰箱进行回生，回生时间24h，得到淀粉水凝胶，再把淀粉水凝胶进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-56℃，时间为64h，真空度为1Pa；最终获得淀粉气凝胶缓冲材料。
表2本发明的对比例的理化指标。
注：本试验以60％应变来计算屈服强度以及变形比能
可以从图5看出垫状丝瓜络纤维具有明显的三维网状吸能结构，这种纤维可以添加到其他材料中，提高其他材料的吸能性以及缓冲性能。
通过对比表1和表2的数据，实施例1与对比例1的区别是有无添加三维网状结构纤维，可以看出添加纤维可以很好地提升交联气凝胶的缓冲吸能性，变形比能提升了44％，缓冲系数保持在2.8，具有优异的缓冲性能。实施例1与对比例2，可以看出纤维增强交联气凝胶缓冲材料大大地提升了纯淀粉气凝胶的缓冲吸能性，变形比能大约提升了810％，缓冲系数降低了16％。
由图2可以看出实施例1，具有平台区，且平台区明显，说明其在静态压缩过程中其缓冲吸能性好。
由图3可以看出实施例1的缓冲系数-最大应力曲线对比对比例向右移动，说明实施例1能够承受更大应力，可对更大质量的物体进行缓冲。
由图4的sem图可以看出来，实施例1中的纤维可以与淀粉气凝胶很好地结合在一起，且气凝胶具有均一的孔洞，这也是其具有较好的缓冲性能的吸能性以及保温隔热性能的原因之一。
综上所述，纤维增强交联气凝胶缓冲材料，拥有丝瓜络的三维网状吸能结构，吸能性高，缓冲性能好，且具备优良的保温隔热性能，是一种优秀的高吸能绿色缓冲包装材料。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (9)
1.一种纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
步骤一、垫状纤维的制备
首先将天然丝瓜络进行清理除去杂质，再将丝瓜络除去芯层，只留外层的纤维，将其平整展开，利用热压机对其进行热压，使其变成平整垫状；
步骤二、溶液的制备
用容器称取淀粉，加蒸馏水，然后放置在温度水浴锅上进行热处理，并同时进行机械搅拌，机械搅拌的同时分批加入聚乙烯醇和明胶，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同，最后获得混合水溶液；
步骤三、纤维增强交联气凝胶缓冲材料的制备
混合水溶液倒入具有垫状丝瓜络的模具中，将模具放置在超声清洗机中超声处理，再将混合水溶液放置在冰箱进行回生，得到交联水凝胶，最后把交联水凝胶进行冷冻干燥，最后获得纤维增强交联气凝胶缓冲材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤一中所述的热压温度为70～100℃，热压时间为2～8h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤二所述的淀粉的质量分数为6～25％，蒸馏水的质量分数为75～94％，聚乙烯醇质量分数为1-6％，明胶的质量分数为1-6％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤二所述淀粉为玉米淀粉、支链淀粉、氧化淀粉或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤二所述的水浴锅的热处理，水浴锅的温度为70～95℃，热处理时间为0.5～2h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤二所述的机械搅拌的速度为300～600r/min，机械搅拌的时间与水浴锅热处理的时间等同。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤三所述超声处理时间为10～60min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤三所述回生温度为0～8℃，回生时间为12-24h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤三所述冷冻干燥的温度为-30～-60℃，时间为48～72h，真空度为1-15Pa。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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