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木塑复合材料托盘的研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-3-14     浏览次数:    
  木塑复合材料托盘的研究
  摘要:在对目前国内外托盘材料和产品研究技术综述的基础上,比较木塑复合材料托盘与实木托盘、塑料托盘及钢制托盘的使用性能及特点,论述木塑复合材料托盘的研制工艺和技术难点并指出,以废弃塑料作为基体材料,以木质剩余物纤维作为增强材料,利用挤出方法制作的新型复合材料托盘将成为托盘家族的主力军。
  前言
  托盘是机械化装卸搬运的重要载体,是货物仓储、运输的重要工具[1]。托盘与叉车能形成一个集装运输体系,将小型货物或集装箱按照一定的数量进行归总。目前,这种与装卸搬运机械化相适应的集装器具已经成为各个行业不可缺少的重要工具。有关资料显示,美国的托盘拥有总量约为15~20亿个,人均占有7~8个;日本的托盘拥有总量已接近10亿个,人均占有4~5个;韩国国内托盘拥有总量也非常大,人均占有个;澳大利亚、欧洲等国家和地区的托盘化运输应用也非常广泛。与国外相比,我国托盘应用水平差距很大,到2009年底,我国托盘拥有总量约1.7亿个,人均略超出0.1个[2]。在我国加入WTO之后,我国进出口贸易量剧增,托盘供不应求,我国托盘行业面临着巨大的挑战。
  在此背景下,研究利用木质剩余物和废弃塑料资源,开发绿色环保、技术指标先进、具有自主知识产权的新材料托盘,一方面可以节约大量木材,使尚未得到充分利用的生物质和废弃资源发挥最大效能;另一方面,研制出的新材料托盘对缓解我国经济快速发展对托盘材料和数量的需求具有积极意义。
  国内外托盘相关研究现状
  国外托盘研究情况
  托盘作为一种机械化和单元化储运工具从19世纪下半叶在欧美地区推行开始,距今已有百余年的历史。国外学者对托盘做了大量研究,近期部分研究成果如下:
  等人研究了不同材料木质复合材料托盘的最大承载力和静应力,经过比较得出一种最大承载力和静应力的托盘材料[3]。S.H.Masood和S.HaiderRizvi提出了一种利用木塑复合材料或瓦楞纸板复合物作为托盘材料的设计,并通过有限元分析得出了瓦楞纸板材料、木塑材料以及两种材料复合的托盘设计方案[4]。JohnF.Hunt在经过研究托盘原材料来源、纤维长度、纸浆模塑材料性能等因素之间的关系后经过大量的实验证明了长纤维比短纤维较容易形成纤维同向同面的优良结构,并计算出了材料的密度与弹性模量之间的回归方程[5]。Brumbaugh.J分析得出了刨花尺寸大小对刨花板托盘性能的影响程度[6]。Walker分析了对托盘生命周期的影响因素。Heebink经过分析验证,提出了顶铺板在堆码试验中一种较简单的计算方法[8]。E.GeorgeStern改进了对托盘刚度和最大承载能力的测试方法,该种改进方法相对于原方法更省时,较容易得出托盘的极限载荷[9]。Wallin在分析计算后得出了不同简支条件下托盘的工作情况和各种应力对托盘的影响[10]。Urbanik提出了在一种简支情况下托盘的刚度和应力的理论计算方法[11]。
  国内托盘主要研究情况
  我国代木托盘材料主要集中在竹木复合、以塑代木、纸木复合、以木代纸等方面的研究。
  中国包装科研测试中心徐炜峰通过揭示分析我国蜂窝纸式托盘所出现的问题,指出了影响蜂窝纸式托盘承载能力、力学性能、蜂窝纸式托盘质量的各种因素,并对蜂窝纸式托盘提出了改进意见[12]。浙江林学院刘晓红、周鲁兵对蜂窝板的结构及其物理性能进行了阐述,论证了蜂窝纸式托盘的生产工艺以及蜂窝板代替木材的可行性,并对生产过程中的相关问题提出了合理化建议[13]。吴海鸣介绍了宁波昌祺塑料有限公司所开发出的内置钢管式塑料托盘,阐述了该专利能充分克服普通塑料托盘动载、静载荷较低的缺陷[14]。大连轻工业学院的黄俊彦指出,纸木式托盘是一种无毒无害的高品质包装运输托盘。
  与普通的木制托盘相比这种托盘具有成本低、强度高、质量高、防水、防潮、防蛀等特点[15]。南京林业大学的李玲、李大纲通过对竹木式托盘和普通胶合板式托盘的力学性能进行对比,指出在相同的情况下,普通胶合板式托盘所需要的厚度要比竹木式托盘厚得多。并且也得出了沿梁长度和宽度方向厚度和载荷之间的关系[16]。彭国勋对双面铺板托盘的强度和刚度校核以及托盘的受力进行了相关的分析,并对托盘制作工艺以及托盘的质量性能提出了自己的观点[17]。
  木塑复合材料托盘
  木塑复合材料托盘与其他性能托盘比较
  木塑复合材料托盘与实木托盘比较。木材是利用最早的托盘材料之一,也是世界上最常用的托盘材料,约占市场份额86%。但是,面对我国这样一个森林资源缺乏的国家,市场有86%的托盘是实木托盘,这是极为不合理的。据统计,一棵成年树仅能制作6个实木托盘,而这些实木托盘的寿命大约是1年,可见实木托盘对森林资源造成很大影响。相比之下,木塑复合材料托盘具有十分明显的优势:
  (1)木塑复合材料托盘所用的原材料是木质剩余物和废弃的塑料,这样既可以废物利用,同时也使生态环境免受破坏。
  (2)实木托盘具有消耗木材、传播虫害等弊端。许多国家对木质包装制品的进出口进行了限制或禁用。欧美等一些国家曾因天牛问题对我国木质包装制品实施抵制政策。而木塑复合材料托盘就不存在这个问题,由于木塑托盘挤出时需要一定的温度,而这温度足以把虫卵给消灭掉,从而解决后顾之忧。
  (3)实木托盘由于虫卵等问题需要对实木托盘进行熏蒸处理,因此每个托盘需要增加10元的成本。相比之下,木塑复合材料托盘质优价廉,性价比高。
  因此,木塑复合材料托盘取代实木托盘已成了一种必然趋势。
  木塑复合材料托盘与塑料托盘比较
  目前,国内使用最多的是实木托盘和塑料托盘,分别占86%和13%。而且很多具有采购托盘意向的企业也把目光投向了塑料托盘。但是,塑料托盘原材料价格居高不下也是各个托盘制造企业不得不面临的问题之一,石油价格居高不下,即便在低油价时塑料托盘的平均成本也为90元/个,远高于木塑复合材料托盘。此外,塑料托盘模具开发成本较高,也是各个托盘制造企业不得不面临的一个问题之一。与塑料托盘相比,在相同承载能力的条件下,木塑复合材料原料价格低廉且来源广阔,模具开发成本较低且可连续生产,大大降低了生产成本。
  木塑复合材料托盘与钢制托盘比较。
  钢制托盘由于自身的材质原因,使得其重量很重,同时由于钢制托盘在潮湿的环境中容易生锈,这点也对钢制托盘的批量生产带来了限制。
  为了扩大钢制托盘的使用范围,目前市场上出现了以Q195热镀锌带钢为原料的轻钢托盘。表1为木塑复合材料托盘与轻钢托盘的比较。
  木塑复合材料托盘制作工艺与技术
  工艺过程
  (1)主要原料与助剂。木粉:经过筛分干燥处理后的目左右的木粉;废弃塑料:基本成分为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)等;助剂:偶联剂、胶黏剂、防水剂、脱模剂、阻燃剂、抗氧剂、增韧剂等。
  (2)主要设备。生产制作木塑复合材料托盘的主要设备有电热真空干燥箱、电热鼓风干燥箱、高速混合机、双螺杆挤出机、注塑机等。
  (3)生产工艺。将处理后的木粉、废旧塑料与粘结剂、防水剂、脱模剂、阻燃剂、氧化剂、增韧剂等用高速混合机按照一定的比例进行混合。将混合后的混料放入双螺杆挤出机挤出造粒,随后注射机注射样条,将注射而成的样条进行组装成成型托盘。具体工艺流程如图1所示。
  生产工艺关键问题。木塑复合材料托盘的制备技术的关键之处是保证木粉的高填充量以达到托盘有较高使用性能的同时有较低的成本。在木粉的高填充量的前提下保证废旧塑料有较高的渗透性和流动性,促使木粉与塑料具有较好的界面相容性,使之复合。综上必须解决以下问题[18]:
  (1)为了保证木塑复合材料托盘的机械性能,必须采用合适种类的木质粉料。如果木质粉料含有较高的脂性,则应该对木质粉料进行皂化处理,最常用的方法是将木质粉料浸泡在溶液中,随后水洗、中和、干燥。
  (2)为了保证木塑复合材料托盘中木粉与塑料的紧凑性,木质填料的粒径大小必须控制在一定的范围之内。这样虽然有较高的填充量,但是并不表现出很大的体积。一般木质粉料的粒径大小控制在20~80目范围内,这样可以很好地将木质粉料与废旧塑料浸润。同时,为了保证挤出成型均匀性,木塑复合材料托盘具有较高的机械性能,所有原料的含水率必须控制在2%以下。如果所加的木质粉料的含水率在2%以上,导致最后制品产生气泡,机械性能下降。
  (3)保证木质粉料与塑料的界面相容性。木质粉料是极性物质,其成份约有50%为纤维素,而纤维素中含有大量的羟基,这些羟基使木质粉料具有较高的吸水性。相反,塑料是非极性的,具有很强的疏水性。因此,二者的相容性差,界面粘结力很小,极容易导致木塑制品的各向性能变差。为了提高木塑之间的界面相容性,可以在木质粉料中加入1%~10%的钛酸酯偶联剂或聚丙烯酸酯偶联剂。
  (4)由于木塑复合材料是挤出成型,因此复合材料的熔体粘度对木塑制品的性能有着非常重要的影响。木质粉料以团聚的状态包围在塑料周围,随着木质粉料的增加,复合材料的熔体粘度将会越来越高,这样将会导致加工流动性下降。为了改善这一情况,可以加入适量的硬脂酸,这样将改善木质粉料的聚集程度,从而降低材料熔体粘度,提高加工流动性。
  (5)注射成型的木塑样条拼装时托盘对各项力学性能的保证。如样条与样条之间的连接构件、连接方式等。
  结束
  语林业木质剩余物和废弃塑料综合利用是我国学术界近期研究的热点之一,该问题的深入研究对托盘的开发以及生产具有重要的指导意义。以废弃塑料为基体材料,以木质剩余物纤维作为增强材料的木塑复合材料托盘,产品绿色环保,可回收二次加工再利用,原材料资源丰富,价格低廉,托盘的综合性能优于实木和塑料托盘。随着对木塑托盘材料和产品性能研究的不断深入,木塑复合材料托盘逐渐将成为托盘家族中的主力军。
  本文由 合肥木托盘 整理编辑。
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