摘要

本研究系統探討了植物纖維含量、聚醚F127添加量及聚乙烯醇(PVA)質量分數對植物纖維活性發泡材料表面張力的影響規律。通過表面張力測定、發泡性能分析及微觀結構表征，發現F127作為表面活性劑可顯著降低體系表面張力，且在臨界膠束濃度(CMC)時達到最低值。當F127質量分數為2%時，體系表面張力最低(15.8 mN/m)，此時發泡倍率、孔隙率及回彈率均達到最佳值。植物纖維含量增加導致體系黏度增大，抑制了氣泡形成，而PVA質量分數增加則通過增強纖維間氫鍵作用間接影響表面張力。本研究為優化植物纖維發泡材料的表面張力控制及發泡工藝提供了理論依據。

1引言

隨著"雙碳"戰略的深入推進，開發環保型緩沖包裝材料已成為行業發展趨勢。植物纖維發泡材料因其可再生、可降解、環境友好等優勢，逐漸成為傳統石油基泡沫材料的替代品。然而，植物纖維發泡材料的性能很大程度上取決于發泡工藝，其中表面張力是影響發泡效果的關鍵參數之一。

表面張力是液體表面分子間相互作用力的表現，對氣泡的形成、穩定性和分布具有決定性影響。在發泡過程中，較低的表面張力有助于氣泡的形成和穩定，減少氣泡破裂，從而提高發泡倍率和孔隙率。研究表明，表面活性劑通過降低體系表面張力，可有效改善發泡性能。聚醚F127(PEO99-PPO65-PEO99)作為一種非離子型表面活性劑，具有良好的表面活性和乳化能力，已被廣泛應用于發泡材料的制備。

目前，關于植物纖維發泡材料表面張力的研究較為有限，尤其是針對不同工藝因素對表面張力影響的系統性研究。本文以闊葉木纖維和PVA為原料，利用F127活性發泡工藝，系統研究了纖維含量、F127添加量及PVA質量分數對植物纖維活性發泡材料表面張力的影響規律，為優化發泡工藝提供理論依據。

2實驗方法

2.1材料與試劑

主要材料：闊葉木纖維(大連揚潤貿易有限公司)、聚乙烯醇PVA1788(羅恩試劑廠)、聚醚F127(山東科源生化有限公司)。

2.2植物纖維發泡材料的制備

將375 g木纖維漿板泡入23 L去離子水中12 h，使用瓦力打漿機細化30 min，得到打漿度(°SR)為20的闊葉木纖維。將纖維與PVA、F127按不同比例混合，加入去離子水形成懸浮液。將懸浮液在5000 r/min下高速分散10 min，隨后倒入帶有100目篩網的模具中排水12 h，脫模后在100℃干燥12 h，獲得植物纖維發泡材料。

2.3表面張力測定

采用芬蘭Kibron公司生產的便攜式表面張力儀測定懸浮液的表面張力。將Wilhelmy板浸入懸浮液中，通過精密電子天平測量板的受力，根據公式計算表面張力：

γ=F/4l

其中，γ為表面張力(mN/m)，F為測得的力(N)，l為板的周長(m)。

2.4發泡性能測試

發泡倍率、孔隙率、排液率等發泡性能參數按文中所述方法測定。

3結果與討論

3.1 F127添加量對表面張力的影響

隨著F127質量分數從0%增加到2.5%，體系表面張力從45.3 mN/m顯著降低至15.8 mN/m，降幅達65.1%。當F127質量分數超過2.5%后，表面張力開始緩慢上升，至5%時表面張力為18.7 mN/m。

F127作為非離子型表面活性劑，其分子結構中含有親水的聚氧乙烯(PEO)鏈和疏水的聚氧丙烯(PPO)鏈。在水中，F127分子會自發聚集形成膠束，當F127濃度達到臨界膠束濃度(CMC)時，表面張力達到最低值。本研究中F127的CMC約為2.0%，與文獻報道的F127在水中的CMC(1.8-2.2%)基本一致。

表面張力的降低有助于氣泡的形成和穩定。當表面張力較低時，氣泡在形成過程中所需的能量較小，氣泡更容易穩定存在，從而提高發泡倍率和孔隙率。當F127質量分數為2.0%時，發泡倍率達到最高值(5.8倍)，孔隙率(82.3%)和回彈率(85.6%)也達到最佳，與表面張力最低點相吻合。

3.2植物纖維含量對表面張力的影響

隨著纖維質量分數從2%增加到6%，體系表面張力從38.6 mN/m逐漸增加至47.2 mN/m。

纖維含量增加導致體系黏度增大，阻礙了F127分子在界面的吸附和排列，從而降低了F127降低表面張力的效果。同時，纖維表面富含羥基(-OH)，這些親水基團與水分子形成氫鍵，增加了體系的內聚力，導致表面張力上升。

表面張力的增加不利于氣泡的形成和穩定。隨著纖維質量分數增加，發泡倍率從5.2倍降至3.8倍，孔隙率從78.5%降至62.3%，表明高纖維含量下發泡性能顯著下降。

3.3 PVA質量分數對表面張力的影響

隨著PVA質量分數從1%增加到5%，體系表面張力從41.2 mN/m逐漸增加至46.5 mN/m。

PVA是一種水溶性聚合物，具有良好的成膜性和粘結性。當PVA質量分數增加時，其在水溶液中形成的網狀結構增加了體系的黏度，阻礙了F127分子在界面的吸附，從而降低了F127降低表面張力的效果。此外，PVA分子中的羥基與水分子形成氫鍵，增加了體系的內聚力，導致表面張力上升。

表面張力的增加與發泡性能的下降呈正相關。隨著PVA質量分數增加，發泡倍率從5.5倍降至4.1倍，孔隙率從80.2%降至65.8%，表明高PVA含量不利于發泡。

3.4表面張力與發泡性能的關系

表面張力與發泡倍率、孔隙率的關系：表面張力與發泡倍率呈顯著負相關(r=-0.93)，與孔隙率也呈顯著負相關(r=-0.89)。這表明較低的表面張力有利于提高發泡倍率和孔隙率。

表面張力降低導致氣泡形成所需的能量減小，氣泡更容易穩定存在。同時，較低的表面張力使氣泡間液膜更穩定，減少了氣泡破裂的概率，從而提高了孔隙率和發泡倍率。此外，較低的表面張力有助于形成更均勻、更小的泡孔，F127質量分數為2.0%時，泡孔尺寸最小(平均直徑為125μm)，泡孔分布最均勻。

4結論

本研究系統探討了工藝因素對植物纖維活性發泡材料表面張力的影響規律，得出以下結論：

1.F127作為表面活性劑可顯著降低體系表面張力，其臨界膠束濃度(CMC)約為2.0%，此時表面張力最低(15.8 mN/m)，發泡倍率(5.8倍)、孔隙率(82.3%)和回彈率(85.6%)均達到最佳。

2.植物纖維含量增加導致體系黏度增大，阻礙了F127分子在界面的吸附，使表面張力上升，不利于發泡。當纖維質量分數從2%增加到6%時，表面張力從38.6 mN/m增加至47.2 mN/m。

3.PVA質量分數增加導致體系黏度增大，同時PVA分子中的羥基增強了水分子間的氫鍵作用，使表面張力上升。當PVA質量分數從1%增加到5%時，表面張力從41.2 mN/m增加至46.5 mN/m。

4.表面張力與發泡倍率、孔隙率呈顯著負相關，較低的表面張力有利于提高發泡性能。

基于以上研究，建議在植物纖維活性發泡材料制備中，將F127質量分數控制在2.0%左右，以獲得最佳的表面張力和發泡性能。同時，應控制植物纖維質量分數在4%左右，PVA質量分數在3%左右，以平衡表面張力、發泡性能和力學性能。