基本信息
- 项目名称：
- 功能型石头纸包装材料
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 石头纸具有塑料和纸双重性能，其能耗低、环保易降解、 防潮性好、物理性能优良。目前主要用于新闻出版纸、地图、墙纸等，在包装领域的应用较少。本项目基于石头纸的性能分析，采用集成创新思想，结合石头纸的优良性能与蜂窝纸板和瓦楞纸板的力学结构，开发出具有多种功能的石头纸复合瓦楞纸板和石头纸蜂窝纸板，并创造性地将聚合物发泡技术引入石头纸的生产中，降低了石头纸的比重和生产成本，促进了石头纸在包装领域的广泛应用。
- 详细介绍：
- 低碳时代的到来，使得全球绿色环保意识不断增强，世界各国都在大力发展低碳经济。在这种大的环境下，石头纸作为一种低能耗、环保易降解的新材料受到了广泛的关注。许多研究人士在石头纸方面做了大量研究，投入了大量的人力和物力，但都过度地关注于石头纸的生产技术，忽视了石头纸相关的后续产品的开发和应用领域的拓宽，从而造成了石头纸生产出现“一头热”的现象。为了解决石头纸生产和应用“一头热”现象，促进石头纸产业的健康发展，本项目注重开发设计石头纸新产品，并拓宽石头纸的应用领域。 石头纸是一种集合塑料和纸双重性能的新型环保材料，具有良好的理化性能，特别是在抗拉伸性、防潮性等方面与普通纤维纸相比有明显的优势。同时，与塑料相比，其生产原料充足、成本低、环保性能好，节省石油资源。 本项目致力于集成创新地研究开发石头纸应用新配方和新的生产工艺，提高其应用性能；通过将在石头纸材料引入包装行业，开发设计基于石头纸的新产品，拓宽石头纸的应用范围，减轻包装行业的环保压力；加快石头纸的相关技术研究，引起更多人对石头纸的关注和相关产品的使用，进一步为石头纸的发展注入资金和科研活力，从而推动石头纸在国内更好更快更稳的发展，促成石头纸产业链形成，为我国的低碳经济的发展做出卓越的贡献。 本项目基于石头纸的性能分析，借鉴瓦楞纸板和蜂窝纸板等包装材料的优良结构性能，提出并制备以石头纸为原料的石头纸蜂窝纸板和石头纸复合瓦楞纸板。 针对传统蜂窝纸板存在生产线不完整、蜂窝成型水平低、纸板防潮防水性差以及胶粘复合成板工艺缺陷大等不足之处，石头纸蜂窝纸板的芯层采用生产工艺简单高效的链式模压方式制得，将芯层纸板通过带有凸出蜂窝状六棱柱结构的链式模压装置并经模压得到带一层面纸的单层蜂窝状纸芯或者带夹芯纸的双层蜂窝状纸芯。然后运用热熔复合工艺将石头纸面纸与制得的芯纸复合成板，此工艺不需粘合剂，而且粘合强度好，遇水不裂开。制得的石头纸蜂窝纸板较传统蜂窝纸板强度高、防潮防水性好、绿色环保、成箱简单，可以广泛应用于包装运输行业、建筑业、车船制造业、家俱业、农业、广告、装饰、体育器材等领域。 常用的普通瓦楞纸板耐破性能和防潮性能差，储存或者运输的过程中因受力不均造成纸板破裂，损坏被包物，或者因为环境潮湿等而使得纸板受潮，影响内容物的质量。针对传统瓦楞纸板的上述缺陷，本项目将挤出流压延制芯工艺与热熔复合工艺结合，即将石头纸通过模口为瓦楞形的模头直接挤出并冷却制得芯层，而后将石头纸面纸和芯层的两个粘合面经过预热，通过瞬间高温熔融粘合制造出防潮性能好、耐破能力强，能更好地保护内包装物的功能型石头纸复合瓦楞纸板。 石头纸具有良好的耐撕、耐折，防水、防潮等优良性能，但是其高比重的碳酸钙成分使得其克重大，这导致石头纸的运输成本增高。针对石头纸的不足，本项目根据其含有的塑料特性，利用集成创新的方法，寻找到适合石头纸发泡温度的发泡剂，利用挤出成型和热压发泡的方法生产出发泡石头纸。该发泡石头纸具有良好的缓冲减震性能、良好的隔热隔音性能、良好的防潮保鲜性能、定量小等多种性能优势，并能作为包装材料、缓冲材料、装潢材料、印刷材料等得到广泛地应用。 经过长期的努力，本项目现阶段已向国家专利局申请了包括《石头纸蜂窝纸板及其制造方法》、《一种石头纸瓦楞纸板及其制造方法》、《一种轻质石头纸的制造方法》三项发明专利，目前均已取得专利受理通知书。同时，本项目在中文核心期刊《包装工程》杂志上连续发表论文《石头纸力学性能研究》、《石头纸蜂窝纸板力学试验研究》、《发泡石头纸的制备及性能检测》三篇。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目致力于功能型石头纸包装材料的开发和研究。运用集成创新的思想，以石头纸为原料，将石头纸的优良性能与蜂窝纸板和瓦楞纸板的力学性能相结合，开发出具有多种功能性的石头纸复合瓦楞纸板和石头纸蜂窝纸板及其相关生产工艺，同时创造性地将发泡技术引入石头纸的生产制造之中，降低石头纸材料的比重和成本。通过对其生产工艺的研发和性能特点的探究，推进石头纸材料在包装领域的应用。 石头纸蜂窝纸板芯层采用链式模压成型工艺，即芯层通过芯层纸板经带有凸出的蜂窝状的六棱柱结构的链式模压装置模压得到，然后将制得的芯层和石头纸面纸在瞬间高温下使熔融粘合。 与相同规格的传统瓦楞纸板相比较，厚度为4.50mm的石头纸复合瓦楞纸板的耐破度至少是传统瓦楞纸板的2.5倍，戳穿强度是其1.7倍。 石头纸瓦楞纸板芯层则采用挤出流压延成型工艺，即让石头纸在熔融状态通过模口为瓦楞形的模头直接挤出冷却成型得到芯层，将得到的芯层和面纸的两个粘合面经过预热，通过瞬间高温热熔粘合。 制得的定量为202 g/m2的蜂窝纸板和相同规格的传统蜂窝纸板比较，平压强度是传统蜂窝纸板的2.6倍，耐破度至少是其2.5倍。 轻质石头纸，即发泡后的石头纸和未发泡的石头纸复合而成的克重较轻的多层石头纸，以发泡和热熔复合为技术关键，使用多流道挤出机，之后进行热压发泡制得。 轻质石头纸生产过程中，选用重量百分比为0.1~0.7%的AC发泡剂进行发泡工艺，控制挤出机的多层流道温度为160~170℃，热压发泡温度为180-200℃。
科学性、先进性
- 科学性 当今，石头纸这一新型环保包装材料是发展绿色包装的关键。但是，人们在关注石头纸生产技术的同时，忽视了石头纸性能研究和应用领域开发。 本项目针对传统瓦楞纸板和蜂窝纸板的材耗和污染大，并且无防潮保鲜性，提出将石头纸设计制造成复合瓦楞纸板和蜂窝纸板，增强其功能性；针对石头纸的比重大、成本偏高，采用聚合物发泡技术，降低比重和成本。 先进性 （1）石头纸复合瓦楞纸板生产中采用挤出流压延技术，成型工艺简单。采用预印后的印刷效果优良，且环保易降解。 （2）石头纸蜂窝采用链式模压成型，可生产各种尺寸的蜂窝纸板，具有抗压强度高、隔音隔热功能。 （3）在石头纸复合瓦楞纸板和蜂窝纸板制备过程中采用热熔复合工艺，粘合强度好，遇水不开裂。 （3）轻质石头纸的制备采用发泡技术，原理是用发泡产生的气体替代石头纸中的部分填料。与同等厚度的普通石头纸相比，比重降低了20%-30%，而且挺度显著提高，降低了生产成本。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 本项目研究功能型石头纸包装材料已经通过实验室试验阶段，进入中期实际生产调试阶段，已获得部分调试产品。
技术转让方式
- 本项目研发技术因学校资助的原因，暂时未提出技术转让。
作品可展示的形式
- 试验品和上机调试产品的图片及部分实物。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目设计开发出的功能型石头纸包装材料包括石头纸蜂窝纸板、石头纸复合瓦楞纸板、轻质石头纸。石头纸蜂窝纸板较传统蜂窝纸板强度高、防潮防水性好、缓冲环保、成箱简单；石头纸复合瓦楞纸板较传统瓦楞纸板防潮性、防水性、阻隔性更好，强度高。石头纸蜂窝纸板和石头纸复合瓦楞纸板可广泛替代传统纸板，应用于包装运输行业、建筑业、制造业、家具业、农业、广告装饰、医药业、体育器材等领域。轻质石头纸降低了石头纸的比重，提高了其挺度，成本低廉，对塑料和传统纤维纸有很大的替代潜力。 我国目前已跻身于世界包装大国的行列，早在2008年全国包装工业总产值就已达1260亿美元，其中纸制品包装如蜂窝纸板与瓦楞纸板以及各种轻质发泡材料给整个包装行业创造了约40％的经济产值。相较于传统包装材料，本项目开发的功能型石头纸包装材料在性能与价格上的双重优势将获得巨大的市场空间。同时在国家大力支持节约型环保材料和国际绿色包装盛行的背景下，功能型石头纸包装材料在环境保护和资源节约上的优势也会促进其在包装材料甚至更广泛的领域内应用。
同类课题研究水平概述
- 国内外瓦楞纸板研究状况 1、瓦楞辊寿命的研究。国外将高质长寿的瓦楞辊作为提高瓦线总体技术的关键，使整条瓦线宽幅、 高速和全自动化；国内瓦楞纸板生产仍采用单面瓦楞机作业，对瓦楞辊研究很少。 2、瓦楞原纸的成型工艺研究。国外已研究出特点为使纤维沿造纸机纵向45°角分布的造纸工艺，但尚未形成工业化；国内主要对瓦楞原纸高浓成形装置进行研究。 3、瓦楞原纸的纤维原料分析。国外对废纸纤维进行深入分析，以提高瓦楞原纸的质量。国内对废纸纤维原料的研究力度不够。 4、F- 瓦楞纸板。国内外目前研究出了一种堆码强度优良和印刷适性好的新型F-瓦楞纸板。 5、将瓦楞纸板与蜂窝纸复合运用。国内依据仿生学原理将纸蜂窝与瓦楞纸板或三合板复合开发出新型的复合包装材料。 国内外蜂窝纸板研究状况 1、不同厚度的蜂窝纸板缓冲性能并比较其影响研究 国内外均分析不同厚度的蜂窝纸板的准静态缓冲曲线,研究提高蜂窝纸板力学性能的最佳途径； 2、蜂窝纸板静态压缩特性研究。国外基于实验建立了蜂窝纸板静态压缩的神经网络模型，并对其模型参数进行了优化；国内利用有限元程序对蜂窝纸板的压缩进行了模拟； 3、新型纸蜂窝芯的结构性能研究。国外发明了瓦楞纸板状纸蜂窝芯；国内主要研究正六棱柱和瓦楞状两种纸蜂窝芯的结构性能。 国内外石头纸研究状况 （1）国外研究状况 1、改进合成纸生产技术，使用大型压延机生产的技术，使合成面积大、速度快，使厚度薄、成本低； 2、基于填料改性高密度聚乙烯膜研制合成纸； 3、基于溶剂处理聚苯乙烯聚氯乙烯膜改善合成纸性能； 4、基于二氧化钦填充同质异晶聚合物膜制成合成纸； 5、改变合成纸表面性质使其具有可热熔封、可印刷性，如定向聚丙烯膜为基础的合成纸。 （2）国内研究状况 国内石头纸研究还处于刚刚发展阶段。 1、研制压延法石头纸技术，并通过小试鉴定和涂布法合成纸小试； 2、内地石头纸尚无大规模生产, 利用进口聚丙烯合成纸加工成制品； 4、将石头纸研究用作钙塑箱； 5、对石头纸的环保性能加以研究，符合低碳潮流； 6、研究石头纸的性能加以研究，探究其应用领域； 7、石头纸仍未被国内市场接受，销量低迷。 国内外均大力倡导低碳社会，设计制造环保绿色功能型石头纸包装材料，更好地挖掘石头纸的优势并应用，推动了石头纸的发展。
