湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院湖南 株洲 412007

1 研究背景

發(fā)泡材料是一種質(zhì)量輕、緩沖性能好、價(jià)格低廉的材料，廣泛應(yīng)用于日常生活中，如作為緩沖包裝以保護(hù)內(nèi)裝產(chǎn)品。市面上常見(jiàn)的發(fā)泡材料都是以塑料為原料，其降解周期長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境污染大，且磨損形成的微塑料（100 nm～5 mm）對(duì)動(dòng)植物和人類的健康構(gòu)成威脅。塑料污染已成為全球環(huán)境問(wèn)題之一，很多國(guó)家和地區(qū)制定了相關(guān)規(guī)定和時(shí)間表，逐漸限制和禁止不可降解塑料的使用[1-3]。同時(shí)，大力發(fā)展可降解發(fā)泡塑料也是解決傳統(tǒng)塑料制品污染問(wèn)題的一種行之有效的方法。

淀粉是一種可完全降解的天然生物高分子，其具有來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、易生物降解等優(yōu)勢(shì)，因而成為生物降解材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。淀粉在完全降解后，會(huì)以二氧化碳和水的形式回到大自然[4]。但是，淀粉存在難于成型、力學(xué)性能差、易回生等缺點(diǎn)，一般需要對(duì)其進(jìn)行改性以拓寬其使用范圍[5]。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA） 是一種具有良好力學(xué)性能的可生物降解材料，含有較多羥基，與淀粉相容性好，因此常被用于淀粉材料的改性中[6-9]。淀粉和PVA均存在較多羥基，共混時(shí)羥基之間形成的氫鍵相互作用，融合形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料的力學(xué)性能和存儲(chǔ)穩(wěn)定性相較于純熱塑性淀粉或者PVA有大幅提高[10-13]。曾廣勝等[14-15]以木薯淀粉和PVA作為基質(zhì)，甘油和氫氧化鈉水溶液按一定配比混合后作為復(fù)合增塑劑對(duì)淀粉進(jìn)行改性，并以碳酸氫鈉為發(fā)泡劑，并輔以其他助劑，制備了淀粉/PVA復(fù)合發(fā)泡材料，此復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能，可以用作常見(jiàn)的緩沖材料，對(duì)其流變行為的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著淀粉含量的增加，材料的熔體黏度升高。梁亮等[16]將經(jīng)交聯(lián)改性后的玉米淀粉、甘油、PVA以及各種助劑進(jìn)行混煉、壓片等操作，制得淀粉/PVA復(fù)合材料，研究結(jié)果表明：采用硬脂酸和月桂酸鈉可成功對(duì) CaCO3進(jìn)行表面有機(jī)改性，增強(qiáng)增韌效果顯著；淀粉交聯(lián)改性后仍能保持分散及表面形貌。

現(xiàn)有對(duì)淀粉/PVA復(fù)合材料的發(fā)泡研究，主要集中于模壓發(fā)泡和連續(xù)式擠出發(fā)泡兩種工藝。這兩種工藝均存在一定的局限性：模壓發(fā)泡法生產(chǎn)效率較低，連續(xù)式擠出發(fā)泡背壓較低，發(fā)泡材料擠出前后壓力差不夠大，發(fā)泡效果不理想。針對(duì)上述問(wèn)題，本課題組擬以木薯淀粉和PVA為基體、甘油為增塑劑、偶氮二甲酰胺（azodicarbonamide，AC）為發(fā)泡劑，利用間歇式擠出發(fā)泡工藝制備淀粉/PVA復(fù)合發(fā)泡材料，并分析PVA含量、AC含量對(duì)淀粉/PVA復(fù)合發(fā)泡材料的表觀密度、吸水率、壓縮強(qiáng)度等參數(shù)的影響，最后得到材料的最佳配方。目前間歇式擠出發(fā)泡機(jī)[17]還未商業(yè)化，本課題組對(duì)注射機(jī)進(jìn)行特殊設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)間歇式擠出發(fā)泡。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料

木薯淀粉，工業(yè)級(jí)，濟(jì)南匯盛化工有限公司；PVA（1788），工業(yè)級(jí)，山東?？祷び邢薰荆籄C發(fā)泡劑，工業(yè)級(jí)，武漢吉業(yè)升化工有限公司；甘油，工業(yè)級(jí)，山東德發(fā)化工有限公司。

2.2 儀器與設(shè)備

真空干燥箱，ZKG4080型，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；電子天平，BSA124S型，賽多利斯科學(xué)儀器公司；高速混合機(jī)，SHR-10A型，張家港格蘭機(jī)械有限公司；雙螺桿擠出機(jī)，GTE-35型，南京科倍隆科亞機(jī)械有限公司；注塑機(jī)，XS-ZY500型，寧波海天集團(tuán)股份公司；萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)，CMT600型，深圳新三思公司；油浴鍋，DF-101型，鞏義予華儀器有限責(zé)任公司；強(qiáng)力塑膠粉碎機(jī)，PC230型，廣州通盛科技有限公司；邵氏硬度計(jì)，LX-A型，北京沃威科技有限公司；偏光顯微鏡，Leica DM2500P型，德國(guó)Leica Mirosystems公司。

2.3 樣品制備

1）將淀粉放置在真空干燥箱中干燥24 h，用電子天平稱取一定量的淀粉與甘油，高速混合機(jī)中混合后用密封袋裝好，靜置48 h，對(duì)淀粉進(jìn)行塑化。

2）將PVA放置在真空干燥箱中干燥24 h，用電子天平稱取一定量的PVA和甘油，將其倒入燒杯并置于油浴鍋中，設(shè)置溫度為180 ℃，攪拌均勻后冷卻至室溫，并破碎造粒。

3）將塑化后的淀粉、PVA與甘油混合物用擠出機(jī)混合，制得淀粉/PVA復(fù)合材料。擠出機(jī)的各段溫度設(shè)定如表1所示。

4）用電子天平稱取一定量的淀粉/PVA復(fù)合材料和發(fā)泡劑，將其倒入高速混合機(jī)中混合。

5）將混合好的材料倒入注射機(jī)中，使用注射機(jī)的儲(chǔ)料與射出功能將材料完成發(fā)泡并射出，將射出的發(fā)泡材料裝袋貼標(biāo)簽以備檢測(cè)。由于AC發(fā)泡劑在170 ℃左右完全分解，淀粉在180 ℃左右開(kāi)始部分碳化，因此本文分析了注射機(jī)設(shè)置不同溫度時(shí)材料的發(fā)泡效果。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度設(shè)置如表2所示時(shí)，發(fā)泡效果最好。為保證發(fā)泡材料擠出前后有很大的壓力差，注射機(jī)控制采用手動(dòng)模式，通過(guò)調(diào)控座臺(tái)位置，使噴嘴遠(yuǎn)離澆口套，不進(jìn)行合模、保壓等操作，經(jīng)儲(chǔ)料、塑化后對(duì)空注射，收集噴射出的發(fā)泡材料。

表1 擠出機(jī)各段溫度設(shè)定Table 1 Temperature setting for each section of extruder ℃

表2 注射機(jī)各段溫度控制Table 2 Temperature setting for each section of injection machine ℃

2.4 測(cè)試與表征

1）表觀密度

采用排水法測(cè)量材料體積。將試樣置于溫度為23 ℃、相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕箱中吸水至飽和后，對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。材料的表觀密度分為兩部分，分別是干燥狀態(tài)與吸水至飽和狀態(tài)。材料的表觀密度ρ可以利用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：m為材料質(zhì)量；V為材料排出水的體積。

2）發(fā)泡倍率

材料的發(fā)泡倍率是在相同質(zhì)量下，材料發(fā)泡后的體積與發(fā)泡前的體積之比。發(fā)泡前的材料，即未加入發(fā)泡劑而注塑成型的材料，作為空白對(duì)照組。材料的發(fā)泡倍率K計(jì)算公式為

式中：V1為發(fā)泡后的材料體積；V0為發(fā)泡前的材料體積；ρ1為發(fā)泡后的材料密度；ρ0為未加入發(fā)泡劑的材料密度。

3）相對(duì)硬度

采用邵氏硬度計(jì)對(duì)材料的相對(duì)硬度進(jìn)行測(cè)試。本測(cè)試過(guò)程中主要分為材料表面硬度測(cè)試與材料橫截面硬度測(cè)試兩個(gè)部分。將材料放置在溫度為23 ℃、相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕箱中緩慢吸水，然后每隔一段時(shí)間對(duì)材料的硬度進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)試樣取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，取均值。

4）吸水性能

塑料吸水性能測(cè)試參照QB/T 2669—2004《泡沫塑料吸水性試驗(yàn)方法》。每隔24 h稱量材料吸水后的質(zhì)量，并計(jì)算吸水率。吸水率W計(jì)算公式為

式中：m1為吸水后的質(zhì)量；m0為初始質(zhì)量。

5）回彈性能

分別測(cè)定干燥狀態(tài)及吸水至飽和狀態(tài)下材料的回彈率。用游標(biāo)卡尺測(cè)量材料初始厚度d0，然后用萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)將材料壓縮至一半的厚度，保持5 min，取出材料，再靜置10 min，測(cè)量其厚度d[18]。1材料的回彈率R計(jì)算公式為

6）壓縮性能

塑料壓縮性能測(cè)試參照GB/T 1041—2008《塑料 壓縮性能的測(cè)定》。試樣的高度?。?0.0±2.0）mm，直徑?。?0.0±0.2）mm。每個(gè)試樣測(cè)試7組數(shù)據(jù)，取均值。

7）發(fā)泡形態(tài)

利用偏光顯微鏡觀察淀粉/PVA 復(fù)合發(fā)泡材料的泡孔形態(tài)。

3 結(jié)果與討論

3.1 PVA含量對(duì)材料性能的影響

提高復(fù)合材料中淀粉含量可降低生產(chǎn)成本，但淀粉材料在力學(xué)性能等方面有局限性，加入適量PVA可改善其性能。

3.1.1 PVA含量對(duì)材料表觀密度的影響

表觀密度是復(fù)合發(fā)泡材料的重要指標(biāo)。本課題組分析PVA含量對(duì)3種不同含量發(fā)泡劑的淀粉/PVA復(fù)合材料表觀密度的影響。第一組實(shí)驗(yàn)是將不同PVA含量的淀粉/PVA復(fù)合材料放置在60 ℃干燥箱中，干燥后檢測(cè)復(fù)合材料的表觀密度，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，不含發(fā)泡劑的樣品表觀密度隨PVA含量升高而降低，說(shuō)明PVA的表觀密度小于淀粉的表觀密度；當(dāng)PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，材料的表觀密度逐漸趨向于穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，隨著PVA含量的增加，樣品的表觀密度下降幅度較大；當(dāng)發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，PVA含量對(duì)發(fā)泡倍率影響不顯著。

第二組實(shí)驗(yàn)是將不同PVA含量的淀粉/PVA復(fù)合材料放置在23 ℃、濕度為50%的恒溫恒濕箱中吸水至飽和后，檢測(cè)復(fù)合材料的表觀密度，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2%的樣品，隨著PVA含量的增加，樣品的表觀密度下降幅度近似且均較大；當(dāng)PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，材料的表觀密度逐漸趨向于穩(wěn)定；吸水至飽和的復(fù)合材料表觀密度比干燥時(shí)的高，這是由材料吸水后質(zhì)量變大，而體積變化幅度相對(duì)較小造成的；相比干燥情況下，吸水至飽和后，發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合材料表觀密度的變化更大，其原因可能是吸水過(guò)程中，PVA含量較低的復(fù)合材料發(fā)生了蠕變，泡孔縮小，使其體積變小。

3.1.2 PVA含量對(duì)材料發(fā)泡倍率的影響

PVA含量對(duì)材料發(fā)泡倍率的影響如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至15%，復(fù)合材料的發(fā)泡倍率有較大提高的。其主要原因是PVA具有更好的力學(xué)性能，有利于泡孔形成與穩(wěn)定。而PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增加至40%的過(guò)程中，復(fù)合材料的發(fā)泡倍率基本平穩(wěn)?？梢?jiàn)，當(dāng)PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%以上時(shí)，復(fù)合材料具有較高的發(fā)泡倍率。發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料的發(fā)泡倍率變化不大，這可能是因?yàn)榘l(fā)泡劑含量較高，純淀粉的發(fā)泡倍率已經(jīng)接近極限值，PVA的加入對(duì)發(fā)泡倍率的影響不明顯。

3.1.3 PVA含量對(duì)材料相對(duì)硬度的影響

材料的相對(duì)硬度和材料吸水性密切相關(guān)，同時(shí)發(fā)泡倍率也會(huì)影響材料的相對(duì)硬度。

本文研究了發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，不同PVA含量的復(fù)合材料的相對(duì)硬度隨吸水時(shí)間的變化（見(jiàn)圖4）。從圖4可以看出：1）當(dāng)PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)，材料的初始相對(duì)硬度值最高，第1天和第2天材料的相對(duì)硬度變化較大，4 d后，材料相對(duì)硬度趨向穩(wěn)定，在18 HA左右。2）隨著PVA含量的增加，材料初始相對(duì)硬度逐漸降低。造成以上結(jié)果的原因主要有兩方面：一是PVA相比于純熱塑性淀粉，具有較低的相對(duì)硬度；二是隨著PVA含量的增加，材料的發(fā)泡倍率不斷提升，使材料相對(duì)硬度降低。3）吸水飽和后，材料相對(duì)硬度隨著PVA含量的增加而不斷增加。這是由于吸水后淀粉相的相對(duì)硬度低于吸水后PVA相的。

3.1.4 PVA含量對(duì)材料吸水性能的影響

開(kāi)放式環(huán)境中，材料吸水性是影響其性能的關(guān)鍵因素之一。本實(shí)驗(yàn)中復(fù)合材料的發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%。先將材料置于60 ℃干燥箱中干燥24 h，冷卻后再將其放置在溫度為23 ℃、相對(duì)濕度為50%的環(huán)境下吸水，每隔24 h測(cè)量1次材料質(zhì)量，并計(jì)算吸水率。

不同PVA含量的復(fù)合材料吸水率隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，第1天復(fù)合材料吸水速率最快，隨后吸水速率降低，最后趨于穩(wěn)定。因此吸水至飽和材料的質(zhì)量取最后兩天的均值。

發(fā)泡復(fù)合材料吸水至飽和時(shí)的吸水率隨PVA含量的變化如圖6所示。由圖6可知，材料吸水至飽和時(shí)，隨著PVA含量的增加，吸水率降低，但是下降幅度較小，材料的吸水率穩(wěn)定在20%左右。

3.1.5 PVA含量對(duì)材料回彈性能的影響

發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，PVA復(fù)合材料分別在干燥與吸水至飽和下的回彈性能分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，吸水后材料的回彈性能顯著提升；同時(shí)隨著PVA含量增加，材料的回彈性能也在逐步增加。當(dāng)材料中PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%以上時(shí)，材料具有較好的回彈性能，但隨PVA含量的增加，回彈性能的變化變緩。因此，考慮成本，PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%較佳，同時(shí)使材料吸水至飽和，這有利于材料回彈性能的提高。

3.1.6 PVA含量對(duì)材料壓縮性能的影響

屈服應(yīng)力和壓縮模量可以反映材料的壓縮性能。發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的PVA復(fù)合材料在干燥與吸水至飽和下的壓縮性能如圖8所示。

由圖8可知，無(wú)論是干燥還是吸水至飽和的復(fù)合材料均是隨著PVA含量的增加，材料的壓縮模量變小，屈服應(yīng)力是先減后增。雖然壓縮模量減小，但是材料達(dá)到屈服點(diǎn)的力卻不斷增加，這意味著PVA含量越高材料的彈性形變范圍更大，此特性符合緩沖材料的定位。研究結(jié)果表明PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%以上時(shí)，材料的緩沖性能較好。此外，當(dāng)材料吸水至飽和后，其壓縮模量變化非常大，減小到干燥材料的1/10左右，但是其屈服應(yīng)力變化小很多。吸水至飽和后，材料彈性形變范圍變大。如果作為緩沖材料，材料在吸水至飽和后的壓縮性能更加優(yōu)異。因此，考慮成本，PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇30%，且材料為吸水至飽和狀態(tài)。

3.2 發(fā)泡劑含量對(duì)材料性能的影響

發(fā)泡劑含量的多少?zèng)Q定了材料性能的好壞。當(dāng)發(fā)泡劑含量過(guò)低時(shí)，材料的泡孔小、少，無(wú)法達(dá)到發(fā)泡材料的性能要求；當(dāng)發(fā)泡劑含量過(guò)高時(shí)，材料的泡孔過(guò)大，應(yīng)力容易集中于部分點(diǎn)上，材料易于破壞。為分析不同含量的發(fā)泡劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響，本文控制發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)2%，發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%。

3.2.1 發(fā)泡劑含量對(duì)材料表觀密度的影響

發(fā)泡劑含量對(duì)復(fù)合材料表觀密度的影響如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)發(fā)泡劑含量增大時(shí)，材料的表觀密度隨之減少；對(duì)于不同PVA含量的材料，材料表觀密度隨發(fā)泡劑含量的變化趨勢(shì)是一致的。當(dāng)發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%后，材料的表觀密度趨于穩(wěn)定，因而根據(jù)所需材料的表觀密度要求以及材料制作成本可以適當(dāng)調(diào)整發(fā)泡劑的含量。

3.2.2 發(fā)泡劑含量對(duì)材料發(fā)泡倍率的影響

發(fā)泡劑含量對(duì)PVA復(fù)合材料發(fā)泡倍率的影響如圖10所示。由圖10可知，隨著發(fā)泡劑含量的增大，材料的發(fā)泡倍率也逐漸增大，其變化趨勢(shì)是先快速變化，后緩慢變化。因而可以根據(jù)材料所限定的表觀密度對(duì)發(fā)泡劑含量進(jìn)行適度調(diào)整，調(diào)整范圍為0.5%～2.0%。發(fā)泡劑含量較高時(shí)，材料容易出現(xiàn)聚集過(guò)大的泡孔，因而并非發(fā)泡劑含量越高材料發(fā)泡倍率就越高，控制發(fā)泡劑含量是非常重要的。

3.2.3 發(fā)泡劑含量對(duì)材料相對(duì)硬度的影響

發(fā)泡劑含量對(duì)復(fù)合材料相對(duì)硬度的影響如圖11所示。

由圖11可知，當(dāng)發(fā)泡劑含量增大時(shí)，材料的相對(duì)硬度隨之降低。其原因是發(fā)泡材料被探針擠壓時(shí)，泡孔越多，泡孔結(jié)構(gòu)擠壓難度越低，材料的相對(duì)硬度也減小。

3.2.4 發(fā)泡劑含量對(duì)材料吸水性能的影響

當(dāng)PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，不同發(fā)泡劑含量的復(fù)合材料的吸水率隨時(shí)間的變化如圖12所示。由圖可知，第1天和第2天，隨著發(fā)泡劑的增加，材料的吸水速率顯著提升，其中未發(fā)泡材料的吸水率最低；第7天時(shí)，所有材料的吸水率相差不大。

3.2.5 發(fā)泡劑含量對(duì)材料回彈性能的影響

當(dāng)PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，不同發(fā)泡劑含量的復(fù)合材料在吸水前后回彈率的變化曲線如圖13所示。

由圖13可知，材料吸水后，回彈性能顯著提升；同時(shí)隨著發(fā)泡劑含量增加，材料的回彈率也逐步增加，且當(dāng)發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到1%時(shí)，材料回彈率提升最快。這是由于泡孔使材料的彈性形變范圍變廣。而當(dāng)發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%后，材料回彈率趨于穩(wěn)定?？梢?jiàn)，發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%左右且材料吸水至飽和時(shí)，材料可獲得較好的回彈性能。

3.2.6 發(fā)泡劑含量對(duì)材料壓縮性能的影響

當(dāng)PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，不同發(fā)泡劑含量的復(fù)合材料在干燥和吸水至飽和狀態(tài)下壓縮模量和屈服應(yīng)力的變化如圖14所示。

由圖14可知，當(dāng)發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0提升至1%時(shí)，干燥材料和吸水至飽和材料的壓縮模量和屈服應(yīng)力均顯著降低，這主要是由材料從密致結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榕菘捉Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。而結(jié)構(gòu)的改變對(duì)材料的壓縮性能改變影響非常大；而當(dāng)材料中發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%后時(shí)，材料的壓縮模量和屈服應(yīng)力趨于穩(wěn)定。如果發(fā)泡劑的含量過(guò)多，那么發(fā)泡劑的分解產(chǎn)物也可能會(huì)影響材料性能。因而，當(dāng)發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，材料的壓縮性能最好。

3.2.7 發(fā)泡劑含量對(duì)泡孔形態(tài)的影響

根據(jù)發(fā)泡成型理論，發(fā)泡成型要經(jīng)歷3個(gè)階段：形成氣泡核、氣泡生長(zhǎng)及氣泡固化定型。而發(fā)泡劑能促進(jìn)氣泡成型[11]。根據(jù)圖10的結(jié)論，PVA含量對(duì)發(fā)泡倍率影響較小，發(fā)泡劑含量對(duì)發(fā)泡倍率影響較大，本課題組選擇固定PVA含量，分析發(fā)泡劑含量對(duì)泡孔形態(tài)的影響。當(dāng)PVA添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，不同發(fā)泡劑含量的復(fù)合材料的泡孔形態(tài)如圖15所示。

由圖15可知，隨著發(fā)泡劑含量的增加，泡孔孔徑從50 μm逐漸增大到200 μm；當(dāng)發(fā)泡劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5%時(shí)，材料的泡孔分布較均勻，當(dāng)發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.5%時(shí)，泡孔均勻性變差。

4 結(jié)論

本課題組采用間歇式擠出發(fā)泡工藝制備淀粉/PVA復(fù)合發(fā)泡材料，并分析了淀粉/PVA復(fù)合發(fā)泡材料的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）隨PVA含量的增加，復(fù)合材料的表觀密度不斷減小，減小幅度在10%之內(nèi)。當(dāng)PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至15%時(shí)，材料的發(fā)泡倍率大幅提升，之后，發(fā)泡倍率趨于穩(wěn)定。干燥狀態(tài)下材料的相對(duì)硬度隨著PVA含量的增加不斷降低，吸水飽和狀態(tài)下則相反，呈上升趨勢(shì)。PVA含量對(duì)材料吸水性能影響較小，飽和吸水率穩(wěn)定在20%左右。隨PVA含量的增加，材料的回彈率逐漸增加，壓縮模量逐漸減小至穩(wěn)定，屈服應(yīng)力先減小后增大。

2）隨著發(fā)泡劑含量的增加，復(fù)合材料的表觀密度不斷減小；發(fā)泡倍率不斷增加；材料的相對(duì)硬度不斷降低；吸水率提高，最終穩(wěn)定在20%左右；材料的回彈率逐漸增加；壓縮模量和屈服應(yīng)力均逐漸減小而后穩(wěn)定；材料的泡孔孔徑逐漸增大但是發(fā)泡分布的均勻性變差。當(dāng)PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，干燥材料的壓縮模量穩(wěn)定在40 MPa左右，吸水飽和材料的壓縮模量則穩(wěn)定在8 MPa左右。

3）相比于干燥狀態(tài)下，吸水至飽和的材料表觀密度增加約20%，相對(duì)硬度降低，回彈率大幅提高，平均提高約30%，壓縮模量大幅減少，減少幅度為60%～90%。

從上述結(jié)論可知，淀粉/PVA復(fù)合發(fā)泡材料的最佳配方是PVA的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、發(fā)泡劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。與連續(xù)式擠出、模壓等發(fā)泡工藝相比，間歇式擠出發(fā)泡工藝具有生產(chǎn)效率高、成型壓力大等優(yōu)點(diǎn)。在未來(lái)的研究中，本課題組將研制間歇式擠出發(fā)泡設(shè)備，對(duì)配方、工藝與發(fā)泡機(jī)理等進(jìn)行更加系統(tǒng)地研究。