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材料学与应用，2012年，3,151-156
http://dx.doi.org/10.4236/msa.2012.33023
2012年三月在线发布(http://www.SciRP.org/journal/msa)
关于使用椰子纤维作为运输包装的缓冲材料的测试
Cliacute;via D.Pinho da Costa Castro1,Joseacute; de Assis Fonseca Faria1,Tiago Bassani Hellmeister Dantas2
1食品工程，坎皮纳斯大学，坎皮纳斯，巴西；2包装技术中心-ITAL，坎皮纳斯，巴西
电子邮件：assis@fea.unicamp.br
2011年12月21日收稿；2012年1月17日修订；2012年2月21日接收
摘要
由于椰子汁这种饮料在市场上非常受欢迎，并且销量很高，使得作为提取椰子纤维的椰子果皮这种原材料几乎是取之不尽的。另一方面，由绿色椰子生产的纤维比干燥的椰子纤维少得多。本研究的目的是研究绿色（白色）椰子纤维作用于包装系统中的缓冲材料时的性能。通过缓冲性能试验评价绿色椰子纤维在其自然状态下以及模制成缓冲垫形状时的机械性能。结果表明，没有添加凝集剂成型的纤维在静态载荷增加时表现出的性能更佳，有效减少了冲击加速度。此外，试验中绿色椰子纤维表现出与其他纤维缓冲材料类似的属性，在某些情况下能够有效地保护一些被认为脆弱的产品。
关键词
椰子纤维；冲击；缓冲
1介绍
在植物纤维中，椰子纤维（椰子树）已广泛用于生态产品的开发，这可能是由于其作为有机固体废物的这一特性造成的。在这样的背景下，一般选用用硫化橡胶模制的干燥的成熟椰子纤维为原料生产产品。例如一些传统的纤维制品，如绳索，刷子，地毯，垫子等；以及最近以来的一些汽车零部件和园艺产品。与此同时，大量被制造的的白色椰子纤维造成了巨大的生态问题。特别是在大型城市中心，一些椰子汁的加工企业将产出的椰子纤维当作废物处理，严重污染了环境。然而到目前为止，只有极少数关于椰子纤维污染的申请报告被审核。另一方面，即使椰子汁消耗量的增加，使得椰果被大量使用，但绿色（白色）椰子纤维在巴西市场上依旧没有被作为纤维产品的主要原料。最近的一项调查估计，2008年巴西产生了大约250万公吨椰子壳[1]。然而，在椰子收获总量中，只有15％的椰子纤维被良好的利用[2]。
缺乏关于白色椰子纤维性能的知识，是其与成熟椰壳纤维相比很少被使用的原因[3]。出于这个原因，一个可行的替代方案是：使用椰子纤维作为包装系统的保护材料。虽然一些研究也提到这种可能性[4,5]，但在文献中没有发现关于这种材料的缓冲性能或任何其它潜在应用的研究。
在缓冲系统中，相当长的一段时间内，使用纤维素材料做缓冲材料一直是一种常见的方案。然而，由于塑料材料其优秀的弹性性能，以及与其他材料相比，单位量所提供的产品的保护效果更高。所以，在系统包装的缓冲部分更偏向于选择塑料材料。在比较研究中[6]，得出的结论是，与非塑料材料相比，塑料材料以较少量的材料使用量为产品提供了更好的保护。此外，塑料材料不受水分的影响，还具有抗分解和抗真菌生长的性能。然而，生态需求鼓励减少使用塑料包装材料的数量，同时鼓励替代材料和技术的研究与开发。在这一背景下，基于机械试验的结果，本研究探讨椰子纤维作为缓冲材料的保护水平，包括未加工的椰子纤维和添加天然凝集剂模制成缓冲垫形状的椰子纤维制品。
2实验
2.1材料
实验所用的原料：1）通过绿色椰子果皮得到的纤维；2）添加天然凝集剂模制成缓冲垫形状的椰子纤维制品。
椰壳纤维是由椰子果皮经过机械去壳工序得到的，椰子果皮的来源主要是椰子汁在被消费之后产生的废弃的椰子果皮，收集于巴西坎皮纳斯市的凉亭和休闲区这类城市设施中。
模制成缓冲垫形状的椰子纤维制品使用如下天然凝集剂：离心胶乳，由Braslaacute;tex Ind. e Com. de Borrachas Ltda,Baacute;lsamo-SP公司提供；木薯淀粉购自巴西坎皮纳斯本地零售店。
2.2方法
2.2.1通过机械分离从果皮中提取椰子纤维
收获后，整个椰子果皮首先通过预清洗与干燥过程，然后通过机械方法脱壳，即将未粉碎的果皮打成碎片[7,8]。从根本上来说，这个过程中椰子果皮在一个高速旋转的机器中接收高速冲击，以便使其分解成纤维和外壳粉碎后的灰尘。通过使用旋转筛，使解体后的纤维从椰子壳的粉末中分离，随后晒干，使其成为水分含量15%的椰子纤维。
2.2.2评估椰子纤维
分离的目的是为了获得长度更长的纤维，以获得较好的缓冲性能。在室温26˚Cplusmn;2˚C的条件下，使用精度为1mm的卡尺测定一百根单根纤维的长度[2]。
2.2.3椰壳纤维试样的制备
在随后的冲击吸收测试中，以椰子纤维作为测试试样。两种类型的试样分别为：1）天然的或不使用任何添加剂的椰子纤维；2）添加天然凝集剂模制成缓冲垫形状的椰子纤维制品。
没有添加剂的纤维垫的试样：考虑到难以确定的散装材料的厚度，决定以材料重量作为试验的变量，而不是以常用的厚度为变量。因此，试样样本使用半分析天平称重，样本规格分别为0.025kg、0.050kg、0.075kg。
添加凝集剂的纤维垫试样：通过改变试样的厚度（0.025m和0.050m）和凝集剂的类型（胶乳和淀粉）制备不同参数的试样。所有模制成型的缓冲垫密度相同（0.05kg试样厚度0.025m；0.1kg试样厚度0.05m），形状相同（0.2mtimes;0.2m）。纤维在一个纸板箱中成型，使其达到测试样品需要的尺寸。含有凝集剂的纤维垫的制备过程：用水将胶乳稀释至5％的浓度，然后使用气流粉碎机将凝集剂喷洒到纤维上。将材料放入具有合适尺寸和形状的模具中，并将模具在阳光下干燥30分钟，随后除去模具并将纤维垫干燥至水分含量为15％。对于使用淀粉为凝集剂的纤维垫：将淀粉与水加热至80℃左右，形成浓度5％的凝胶。如前所述，将凝集剂喷洒到纤维上，模制并在太阳下干燥[7]。
将所有测试试样放置在气调室中48小时，参数设定为：温度23℃plusmn;1℃，相对湿度50％plusmn;2％。直到缓冲性能试验之前，依据ASTM标准测试方法D685（1993）的原理和指南对试样进行处理。
2.2.4减震试验
根据ASTM标准测试方法D4168（2002）的原理和指南对椰子纤维进行缓冲性能试验。在该试验中，以放置在椰子纤维垫下面的木板所受的垂直向下的静态载荷，来评价纤维减缓冲击的能力。试验中使用的测试设备包括：附接在减震器工作台的MTS868型减震器测试系统和PCB8626M01型加速度计；连接在用以测量静态载荷的木板上的Dytran3105A型加速度计；以及用作试样的支撑物的木箱。传感器测得的信号用500Hz过滤器进行信号处理，然后使用GHI Wincat软件程序（版本2.00）进行分析。
试验分两个阶段进行。在第一阶段，用不含添加剂的椰子纤维垫组成的样品测试；在第二阶段，用具有凝集剂的椰子纤维垫组成的样品测试。所有试验均在室温21℃plusmn;2℃，相对湿度60％plusmn;3％的环境下进行。
为了测试天然椰子纤维的性能，样品下落高度定为0.3m，并选择以下变量：1）静态压力从0.11至0.94kPa，这个范围归类为“轻”[9]; 2）试样的质量从0.025kg变化到0.1kg。在这样的标准下，一式三份进行40次试验，如表1所示。在这些试验之后，评定曲线上的保护水平最佳点，并且对于0.75m的下落高度下的试验重复测试。由此，可以估计不同厚度的试样冲击后立即吸收的能量数值。
为了测试使用凝集剂的椰子纤维垫的性能，其它参数与前面的相同，但是如表2所示，仅对其施加5个静态载荷。
3结果与讨论
3.1椰子纤维的评价
事实上，椰子果皮没有被预先粉碎，不仅加速了解纤过程，使其更灵活，还产生了更大比例的长纤维，其平均长度为153plusmn;49毫米。通过解纤过程，获得了在干燥过程中由于多酚氧化酶的作用变成棕色的白色纤维。这种酶通常存在于水果和蔬菜中，促进各种酚类物质的有氧氧化[10]。其氧化作用导致了棕色纤维的形成，这是由于在解纤期间，组织（果皮）破裂并在干燥期间与环境空气接触并氧化（图1）。
3.2没有凝集剂的椰子纤维的缓冲性能
缓冲性能试验的结果如图2和图3所示，坐标系中纵轴为减速峰值，横轴为静态载荷。图2显示了天然椰子纤维的性能，四种不同重量的样本，静态压力在0.11至0.94kPa间，跌落高度为0.3m。在这些条件下，除了在0.55kPa的点，所有曲线呈现随静态载荷增加而减速效果减慢的增加的态势，到达峰值之后的四组数据减速效果急剧下降。这种趋势表明，最好的保护情况在小于0.55kPa时，具体数值需要进一步研究。在图2中，观察到在0.65 kPa时，增加的静态载荷，大部分的曲线趋于缓慢下降。实验结果中，由于0.025kg的曲线后半段显示材料有异常高的减速水平（这与实际情况不符），所以后面测试得到的数据是不切实际的，予以舍去。
表1 使用没有凝集剂的椰子纤维的冲击吸收试验的规划，试验样品的静态压力和质量
|
质量(kg) |
静态载荷 (kPa) |
|||||||||
|
0.11 |
0.18 |
0.28 |
0.38 |
0.48 |
0.55 |
0.65 |
0.74 |
0.84 |
0.94 |
|
|
0.025 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
0.050 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
|
0.075 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
|
0.100 |
31 |
32 |
33 |
34 |
35 |
36 |
37 |
38 |
39 |
40 |
表2 使用具有凝集剂的椰子纤维的冲击吸收试验的规划，试验样品的静态压力和厚度
|
厚度s (m) |
静态载荷 (kPa) |
||||
|
0.11 |
0.18 |
0.28 |
0.38 |
0.48 |
|
|
0.025 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
0.050 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
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