Kad inženieri runā par formētu celulozes iepakojumu, viņi bieži koncentrējas uz acīmredzamo -, ka tas ir izgatavots no papīra, tas ir pārstrādājams, daudzos gadījumos tas ir lētāks nekā plastmasa. Taču zem šiem virsmas-līmeņa novērojumiem slēpjas pārsteidzoši sarežģīts materiālzinātnes stāsts, un liela daļa no tā ir saistīta ar putošanu. Putu struktūra formētās celulozes iekšpusē nodrošina materiāla unikālo vieglā svara, amortizācijas spējas un spiedes stiprības kombināciju. Šīs struktūras izpratne materiāla līmenī palīdz izskaidrot, kāpēc formētā celuloze darbojas tā, kā tā darbojas, un kur ir tās robežas.
Formas celulozes putu struktūra mikroskopiskā līmenī
Lai izprastu formētās celulozes putošanu, materiālu var uzskatīt par šķiedru{0}}pastiprinātu putuplastu, nevis kā papīra izstrādājumu. Mikroskopiskā līmenī formētā celuloze sastāv no savstarpēji savienotu celulozes šķiedru tīkla -, kas parasti ir 1–3 milimetrus garš un 20–40 mikrometri plats -, kas ir uzklāts uz formēšanas veidnes un pēc tam žāvēts. Atstarpes starp šīm šķiedrām veido porainu, putu{9}}līdzīgu struktūru, kas piešķir materiālam raksturīgās īpašības.
Formas celulozes porainība parasti svārstās no 70 līdz 90 procentiem atkarībā no produkta veida un ražošanas procesa. Šīs augstās porainības dēļ materiāls ir tik viegls, ka - blīvums parasti ir no 0,15 līdz 0,45 g/cm³, salīdzinot ar 1,0 līdz 1,2 g/cm³ cietam kartonam un 0,02 līdz 0,05 g/cm³ putupolistirola (EPS) putām. Pats šķiedru tīkls nodrošina stiepes izturību un izturību pret plīsumiem, savukārt porainā putu struktūra nodrošina spiedes amortizāciju un enerģijas absorbciju.
No materiālu viedokļa interesanti ir tas, ka putu struktūra nav viendabīga. Produkta virsmas tuvumā, jo īpaši mitrās-preses produktos, šķiedras ir blīvāk iepakotas, radot gludāku un stiprāku ādas slāni. Virzienā uz centru struktūra ir atvērtāka un poraināka, nodrošinot amortizāciju. Šī gradienta struktūra - blīva apvalka, porains kodols - ir līdzīga tai, ko redzat konstruētās putās un sviestmaižu kompozītmateriālos, un tā ir daļa no tā, kas liek veidotajai celulozei tik labi izmantot aizsargājošu iepakojumu.
Kā ražošanas procesa parametri veido putu struktūru
Formas celulozes putu struktūra nav kaut kas tāds, kas vienkārši notiek -, tā ir izstrādāta, rūpīgi kontrolējot ražošanas parametrus. Katrs procesa posms paredzamā veidā ietekmē galīgo putu struktūru, un šo attiecību izpratne ir būtiska produkta nemainīgai kvalitātei.
Šķiedru sagatavošana.Izmantoto šķiedru veids un garums tieši ietekmē putu struktūru. Garākas šķiedras - no gofrētā kartona vai kraftpapīra - veido atvērtāku, savstarpēji savienotu tīklu ar labāku stiepes izturību, bet nedaudz zemāku virsmas gludumu. Īsākas šķiedras - no avīžpapīra vai bagasa - iesaiņojas ciešāk, veidojot blīvāku struktūru ar gludākām virsmām, bet nedaudz zemāku izturību pret plīsumiem. Lielākajā daļā komerciālo produktu tiek izmantots maisījums, parasti no 50 līdz 70 procentiem garu šķiedru un no 30 līdz 50 procentiem īsu šķiedru, lai līdzsvarotu izturību un virsmas kvalitāti.
Konsekvences veidošana.Šķiedru-un-ūdens attiecība formēšanas laikā nosaka, cik daudz šķiedras nogulsnējas uz veidnes, kas savukārt ietekmē gala produkta biezumu un blīvumu. Augstāka konsistence (vairāk šķiedrvielu uz ūdens vienību) rada smagākus, blīvākus produktus. Zemāka konsistence rada vieglākus, porainākus produktus. Lielākajai daļai veidņu produktu ir 0,5–1,0 procentu konsistence; plānās -slapjās -preses izstrādājumiem tas bieži ir zemāks, aptuveni 0,3–0,6 procenti.
Presēšanas spiediens un temperatūra.Šeit putu struktūra tiek definēta visdramatiskāk. Pārneses formēšanā presēšana ir salīdzinoši viegla -, tikai pietiekami, lai noņemtu virszemes ūdeni -, un iegūtā struktūra ir ļoti poraina ar blīvumu aptuveni 0,15–0,25 g/cm³. Slapjā presē augsta spiediena (50 līdz 150 bāri) un augstas temperatūras (180 līdz 220 grādi pēc Celsija) kombinācija ievērojami sabrūk šķiedras struktūru, veidojot daudz blīvāku produktu (0,3 līdz 0,45 g/cm³) ar gludu virsmu. Presēšanas stadija būtībā ir putu saspiešanas darbība -, jūs kontrolējat, cik daudz porainās struktūras sabrūk un cik daudz paliek amortizācijai.
Žāvēšanas apstākļi.Pēc presēšanas žāvēšanas process nosaka galīgo putu struktūru. Ātra žāvēšana augstā temperatūrā var izraisīt virsmas nodīšanu, aizturot mitrumu iekšpusē un radot iekšējus tukšumus vai tulznas. Lēnāka žāvēšana mērenā temperatūrā nodrošina vienmērīgāku mitruma noņemšanu un konsekventāku putu struktūru. Žāvēšanas temperatūra un gaisa plūsmas ātrums ietekmē arī produkta galīgo mitruma saturu, kas parasti ir 6 līdz 10 procenti lielākajai daļai lietojumu. Pārāk augsts mitruma saturs izraisa pelējuma veidošanos un samazina izturību; pārāk zems rada trauslumu.
Mehāniskā veiktspēja: ko nodrošina putu struktūra
Formas celulozes putu struktūra nodrošina tai raksturīgu mehāniskās veiktspējas profilu, kas atšķiras gan no cietajiem papīra izstrādājumiem, gan no plastmasas putām. Izpratne par šīm īpašībām palīdz inženieriem noteikt pareizo materiālu konkrētajam lietojumam.
Spiedes spēks un amortizācija.Šeit patiešām mirdz formētās celulozes putu struktūra. Zem spiedes slodzes porains šķiedras tīkls pakāpeniski deformējas, absorbējot enerģiju relatīvi ilgā pārvietojuma diapazonā - līdzīgi kā darbojas automašīnas saburzīšanas zona. Formas celulozes spiedes modulis parasti svārstās no 0,5 līdz 3 MPa atkarībā no blīvuma un šķiedras veida. Tas ir zemāks par cieto kartonu (500 līdz 1000 MPa), bet augstāks par EPS putām (0,02 līdz 0,1 MPa), kas nozīmē, ka formēta celuloze nodrošina lielāku strukturālo atbalstu nekā EPS, vienlaikus piedāvājot nozīmīgu amortizāciju.
Stiepes un plīsuma izturība.Bloķētais šķiedru tīkls nodrošina formētās celulozes saprātīgu stiepes izturību - parasti no 1 līdz 5 MPa - un labu izturību pret plīsumiem. Tas ir svarīgi izstrādājumiem, kuriem apstrādes un piegādes laikā jāsaglabā forma, kā arī tādiem elementiem kā eņģes un snap{5}}pieguļoši aizdari. Stiepes izturība ir ļoti atkarīga no šķiedras garuma un orientācijas; garākas, vairāk izlīdzinātas šķiedras nodrošina lielāku stiepes izturību.
Enerģijas absorbcija.Viena no visnoderīgākajām veidnes celulozes īpašībām aizsargiepakojumam ir tās enerģijas absorbcijas spēja. Trieciena laikā putu struktūra pakāpeniski sabrūk, absorbējot kinētisko enerģiju un aizsargājot iesaiņoto produktu. Standarta kritienu testi liecina, ka pareizi izstrādāti celulozes ieliktņi var aizsargāt izstrādājumus no 1 līdz 1,5 metru augstuma kritieniem uz betona atkarībā no izstrādājuma svara un iepakojuma dizaina. Tas ir salīdzināms ar EPS putām daudzos lietojumos, ar papildu priekšrocību, ka tās ir pārstrādājamas un kompostējamas.
Mitruma jutība.Tas ir galvenais liešanas celulozes ierobežojums no materiālu viedokļa. Tā kā tas ir izgatavots no celulozes šķiedrām, tas absorbē mitrumu no vides, un tā mehāniskās īpašības ievērojami pasliktinās augsta mitruma apstākļos. Pie 80 procentu relatīvā mitruma spiedes izturība var samazināties par 30 līdz 50 procentiem salīdzinājumā ar sausiem apstākļiem. Tāpēc mitrumizturīgus pārklājumus -vasks, akrils, PLA - bieži izmanto izstrādājumiem, kas tiks pakļauti augsta mitruma iedarbībai vai saskarei ar šķidrumu. Tas ir arī iemesls, kāpēc formēto celulozi parasti neizmanto mitru produktu primārajai iepakošanai bez jebkāda veida barjeras apstrādes.
Veidotā celuloze pret EPS putām: materiālu salīdzinājums
Tā kā formētā celuloze bieži tiek pozicionēta kā ilgtspējīga alternatīva EPS putām, ir vērts salīdzināt abus materiālus no materiālzinātnes viedokļa. Atšķirības ir būtiskas un palīdz izskaidrot, kāpēc katrs materiāls ir piemērots dažādiem lietojumiem.
EPS putas ir slēgtas{0}}šūnu polimēru putas, kas izgatavotas no polistirola lodītēm. Tam ir ārkārtīgi zems blīvums (0,02 līdz 0,05 g/cm³), lieliska siltumizolācija un ļoti augsta enerģijas absorbcija uz svara vienību. Bet tas ir izgatavots no naftas, tas nav viegli pārstrādājams lielākajā daļā pašvaldību sistēmu, un tas saglabājas vidē simtiem gadu. Tas arī mēdz sadalīties mazās lodītes, kuras ir grūti saturēt un var kļūt par mikroplastmasas piesārņojumu.
Turpretim formēta celuloze ir atvērtas{0}}šūnu šķiedras putas, kas izgatavotas no pārstrādātas celulozes. Tas ir blīvāks (0,15 līdz 0,45 g/cm³), tāpēc tas ir smagāks tādam pašam tilpumam, taču tas ir pilnībā pārstrādājams standarta papīra plūsmās un kompostējams rūpnieciskās kompostēšanas iekārtās. Tas nesaglabājas vidē - kompostēšanas apstākļos sadalās 30–90 dienu laikā. Tam ir zemāka siltumizolācija nekā EPS, bet labāks struktūras atbalsts pie salīdzināma blīvuma, un tas neizdala mikroplastmasu.
Lietojumprogrammām, kurās ļoti{0}}viegls svars un siltumizolācija ir kritiski svarīgas, - piemēram, svaigu jūras velšu piegāde vai temperatūras jutīgu produktu-izolācijai - EPS joprojām ir priekšrocības. Lielākajai daļai aizsargājošu iepakojumu lietojumu - elektronika, kosmētika, patēriņa preces, rūpnieciskās sastāvdaļas - formēta celuloze nodrošina salīdzināmu vai labāku aizsardzību ar ievērojami mazāku ietekmi uz vidi. Tā kā zīmoli, pieņemot lēmumus par iepakojumu, arvien vairāk ņem vērā--dzīves laika beigu vides izmaksas, šis kompromiss novirza vairāk lietojumu uz formētu celulozi.
Jaunie pētījumi un nākotnes virzieni
Formas celulozes putošanas materiālu zinātne ir aktīva pētniecības joma, un vairāki jauni virzieni varētu paplašināt materiāla iespējas tuvākajos gados.
Nanocelulozes pastiprināšana ir viena no daudzsološām jomām. Pievienojot šķiedru vircai celulozes nanofibrilus (CNF) vai celulozes nanokristālus (CNC), pētnieki ir pierādījuši stiprības uzlabojumus par 20 līdz 40 procentiem bez ievērojama svara pieauguma. Tas varētu nodrošināt plānākus, vieglākus celulozes izstrādājumus, kas joprojām atbilst izturības prasībām, vēl vairāk samazinot materiālu patēriņu un sūtīšanas svaru.
Vēl viena joma ir bioloģiski{0}}barjerpārklājumi, kas nodrošina pārstrādājamību. Tradicionālie vaska un plastmasas pārklājumi uzlabo mitruma izturību, bet padara produktu grūtāk pārstrādājamu. Jauni ūdens- un bio-pārklājumi -, tostarp šellaka, cietes- bāzes preparāti un augu-vaski -, nodrošina mitruma izturību, vienlaikus saglabājot saderību ar papīra pārstrādes plūsmām. Tas varētu pavērt jaunas liešanas celulozes pielietošanas iespējas augsta mitruma apstākļos, kur tas pašlaik nav praktiski.
Arī sauso formēto šķiedru tehnoloģija strauji attīstās. Veidojot produktus no iepriekš-veidotiem šķiedru paklājiem, nevis no ūdens suspensijas, sausās presēšanas procesi patērē par 40 procentiem mazāk enerģijas un var sasniegt plānākas sienas un stingrākas pielaides nekā tradicionālā mitrā formēšana. Šai tehnoloģijai nobriest un zvīņojoties, tā var padarīt formēto celulozi konkurētspējīgu ar termoformētu plastmasu plānās -sienu lietojumos, piemēram, vākos, atvāžamos apvalkos un vienreizējās lietošanas traukos.
Noslēguma domas
Formētās celulozes putošanas tehnoloģija ir sarežģītāka, nekā šķiet no pirmā acu uzmetiena. Tas, kas izskatās pēc vienkārša papīra izstrādājuma, patiesībā ir inženierijas šķiedru putas ar kontrolētu porainu struktūru, gradienta blīvumu un paredzamām mehāniskām īpašībām. Izpratne par šo materiālu zinātni palīdz izskaidrot, kāpēc formētā celuloze tik labi darbojas aizsargiepakojumā, kur ir tās ierobežojumi un kur notiekošie pētījumi paplašina tās iespējas.
Tā kā ilgtspējība kļūst par arvien svarīgāku faktoru, pieņemot lēmumus par iepakošanu, materiālu zinātnes priekšrocības, ko sniedz formētās celulozes - atjaunojamās izejvielas, otrreizēja pārstrāde, kompostējamība un mikroplastmasas neizdalīšanās -, visticamāk, veicinās turpmāku ieviešanu. Apvienojumā ar pastāvīgiem uzlabojumiem putošanas tehnoloģijā, barjerpārklājumos un sausās preses ražošanā, formētā celuloze nākamajos gados var ieņemt pieaugošu aizsargājamo iepakojumu tirgus daļu.Sazinieties ar Hesheng inženieru komanduja vēlaties apspriest, kā formētās celulozes putošanas tehnoloģiju var izmantot jūsu konkrētajam iepakošanas izaicinājumam.
