エンジニアがパルプ成形パッケージについて話すとき、多くの場合、紙から作られ、リサイクル可能で、多くの用途でプラスチックよりも安価であるという明らかな点に焦点を当てます。{0}}しかし、これらの表面レベルの観察の下には、驚くほど複雑な材料科学の物語があり、その多くは発泡を中心に展開しています。成型パルプ内の発泡構造により、この素材に軽量、クッション性、圧縮強度という独自の組み合わせが与えられます。この構造を材料レベルで理解することは、パルプ成型品がなぜそのような性能を発揮するのか、またその限界がどこにあるのかを説明するのに役立ちます。
パルプモールドの微視的レベルでの発泡構造
モールドパルプの発泡を理解するには、その材料を紙製品ではなく繊維強化フォームとして考えると役立ちます。{0}顕微鏡レベルでは、成形パルプは絡み合ったセルロース繊維のネットワーク - で構成されており、通常は長さ 1 ～ 3 ミリメートル、幅 20 ～ 40 マイクロメートル - が成形型上に堆積されて乾燥されます。これらの繊維間の空間は多孔質の泡のような構造を形成し、この構造が素材に特有の特性を与えます。{9}}
成形パルプの気孔率は、製品の種類と製造プロセスに応じて、通常 70 ～ 90% の範囲です。この高い気孔率により、この材料は非常に軽量になります。- の密度は通常、0.15 ～ 0.45 g/cm3 の間に収まります。一方、固形板紙では 1.0 ～ 1.2 g/cm3、発泡ポリスチレン (EPS) フォームでは 0.02 ～ 0.05 g/cm3 です。繊維ネットワーク自体が引張強度と引裂抵抗を提供し、多孔質フォーム構造が圧縮クッションとエネルギー吸収を提供します。
材料の観点から興味深いのは、発泡構造が均一ではないことです。製品の表面付近、特に湿式プレス製品では、繊維がより密に詰まっており、より滑らかで丈夫な表皮層が形成されます。-中心に向かうにつれて、構造はより開いた多孔質になり、クッション性を提供します。この勾配構造 - の緻密なスキン、多孔質のコア - は、加工フォームやサンドイッチ複合材料で見られるものと似ており、これがパルプ成形品が保護包装に非常に適している理由の 1 つです。
製造プロセスパラメータが発泡構造をどのように形成するか
成型パルプの発泡構造は偶然に起こるものではなく、- 製造パラメータを注意深く制御することによって設計されています。プロセスの各段階は、最終的なフォーム構造に予測可能な形で影響を与えます。これらの関係を理解することが、一貫した製品品質の鍵となります。
繊維の準備。使用される繊維の種類と長さは、フォームの構造に直接影響します。段ボールまたはクラフト紙 - からのより長い繊維 - は、よりオープンな相互接続ネットワークを作成し、引張強度は向上しますが、表面の平滑性はわずかに低くなります。新聞紙やバガスからの短い繊維 - - はより密に固まり、より滑らかな表面を備えたより緻密な構造を形成しますが、引き裂き抵抗はわずかに低くなります。ほとんどの市販製品は、強度と表面品質のバランスをとるために、通常 50 ～ 70% の長繊維と 30 ～ 50% の短繊維のブレンドを使用しています。
一貫性を形成します。成形中の繊維と水の比率によって、金型に堆積する繊維の量が決まり、最終製品の厚さと密度に影響します。粘稠度が高い（単位水当たりの繊維が多い）ほど、製品の重量が重くなり、密度が高くなります。粘稠度が低いと、製品はより軽く、より多孔質になります。ほとんどのトランスファー成形品のスイートスポットは 0.5 ～ 1.0% です。-薄肉の-湿式-プレス製品の場合、多くの場合これより低くなり、約 0.3 ～ 0.6% です。
プレス圧力と温度。ここで、フォーム構造が最も劇的に定義されます。トランスファー成形では、プレスは比較的軽い - で表面の水を除去するのに十分な量 - で、得られる構造は非常に多孔質で、密度は約 0.15 ～ 0.25 g/cm3 です。湿式プレスでは、高圧 (50 ～ 150 バール) と高温 (摂氏 180 ～ 220 度) の組み合わせにより繊維構造が大幅に崩壊し、滑らかな表面を持つより高密度の製品 (0.3 ～ 0.45 g/cm3) が作成されます。プレス段階は基本的にフォーム圧縮ステップです - 多孔質構造をどれだけ潰すか、どれだけクッションとして残すかを制御します。
乾燥条件。プレス後、乾燥プロセスにより最終的なフォーム構造が形成されます。高温での急速な乾燥により、表面が皮膚に張り付き、内部に湿気が閉じ込められ、内部に空隙や水膨れが生じる可能性があります。適度な温度でゆっくりと乾燥させることで、より均一な水分除去とより一貫したフォーム構造が可能になります。乾燥温度と空気流量も製品の最終的な水分含有量に影響し、通常、ほとんどの用途では 6 ～ 10 パーセントが目標となります。水分含有量が高すぎると、カビが発生し、強度が低下します。低すぎると脆くなります。
機械的性能: フォーム構造がもたらすもの
成型パルプの発泡構造により、固形の紙製品やプラスチック発泡体とは異なる独特の機械的性能プロファイルが得られます。これらの特性を理解することは、エンジニアが特定の用途に適切な材料を指定するのに役立ちます。
圧縮強度とクッション性。ここで、モールドパルプの発泡構造が真価を発揮します。圧縮荷重がかかると、多孔質繊維ネットワークは徐々に変形し、車のクラッシュ ゾーンの仕組みと同様に、比較的長い変位範囲 - にわたってエネルギーを吸収します。成形パルプの圧縮弾性率は、密度と繊維の種類に応じて、通常 0.5 ～ 3 MPa の範囲になります。これは固形板紙 (500 ～ 1000 MPa) よりは低いですが、EPS フォーム (0.02 ～ 0.1 MPa) よりは高いため、成型パルプは EPS よりも構造的なサポートを提供しながら、意味のあるクッション性を提供できることを意味します。
引張強度と引裂強度。絡み合った繊維ネットワークにより、成形パルプに適度な引張強度 - (通常 1 ～ 5 MPa) - と良好な引裂抵抗が与えられます。これは、取り扱いや輸送中に形状を保持する必要がある製品や、ヒンジ セクションやスナップフィット クロージャなどの機能にとって重要です。-引張強度は繊維の長さと配向に大きく依存します。繊維がより長く、より整列すると、より高い引張強度が得られます。
エネルギー吸収。保護包装用の成形パルプの最も有用な特性の 1 つは、そのエネルギー吸収能力です。衝撃が加わると、フォーム構造が徐々に崩壊し、運動エネルギーを吸収し、梱包された製品を保護します。標準的な落下試験では、適切に設計された成型パルプインサートが、製品の重量と梱包設計に応じて、コンクリート上への 1 ～ 1.5 メートルの高さの落下から製品を保護できることが示されています。これは多くの用途において EPS フォームと同等であり、さらにリサイクル可能で堆肥化可能であるという利点もあります。
湿気に敏感。これが、材料の観点から見たパルプ成形の主な制限です。セルロース繊維で作られているため、環境から湿気を吸収し、高湿度では機械的特性が著しく低下します。相対湿度 80% では、乾燥状態に比べて圧縮強度が 30 ～ 50% 低下する可能性があります。このため、湿気{6}}耐性コーティング-ワックス、アクリル、PLA-が、高湿度や液体接触にさらされる製品によく使用されます。これは、何らかのバリア処理を施さずに湿った製品の一次包装にパルプ成形が通常使用されない理由でもあります。
成形パルプと EPS フォーム: 材料の比較
成型パルプは EPS フォームの持続可能な代替品として位置づけられることが多いため、材料科学の観点から 2 つを比較する価値があります。この違いは重要であり、各材料が異なる用途に適している理由を説明するのに役立ちます。
EPS フォームは、ポリスチレン ビーズから作られた独立気泡ポリマー フォームです。{0}密度が非常に低く (0.02 ～ 0.05 g/cm3)、優れた断熱性と単位重量あたりのエネルギー吸収性が非常に高くなります。しかし、それは石油から作られており、ほとんどの地方自治体のシステムでは簡単にリサイクルできず、何百年も環境中に残留します。また、小さなビーズに分解される傾向があり、これを封じ込めるのが難しく、マイクロプラスチック汚染になる可能性があります。
対照的に、モールドパルプは、リサイクルセルロースから作られた連続気泡繊維発泡体です。-密度が高い（0.15 ～ 0.45 g/cm3）ため、同じ体積でも重いですが、標準的な紙の流れで完全にリサイクル可能で、産業用堆肥化施設で堆肥化できます。環境内では残留しません - 堆肥化条件下では 30 ～ 90 日で分解されます。 EPSよりも断熱性は低いですが、同等の密度でより優れた構造サポートを備えており、マイクロプラスチックを放出しません。
-超軽量と断熱性が重要な用途では、-たとえば新鮮な魚介類の輸送や、温度に敏感な製品の断熱-- EPS には依然として利点があります。ほとんどの保護包装用途 - 電子機器、化粧品、消費財、工業部品 - において、パルプ成形は同等以上の保護を提供し、環境への影響を大幅に軽減します。ブランドが包装の決定に耐用年数終了後の環境コストを考慮することが増えているため、このトレードオフにより、より多くの用途がパルプ成形に移行しています。
新たな研究と将来の方向性
パルプ成形発泡の材料科学は活発な研究分野であり、いくつかの新たな方向性により、今後数年間で材料の機能が拡張される可能性があります。
ナノセルロース強化は有望な分野の 1 つです。研究者らは、セルロース ナノフィブリル (CNF) またはセルロース ナノクリスタル (CNC) を繊維スラリーに添加することにより、大幅な重量増加なしに 20 ～ 40 パーセントの強度向上を実証しました。これにより、強度要件を満たしながら、より薄く、より軽量なパルプ成形品が可能になり、材料の使用量と輸送重量がさらに削減されます。
もう 1 つの分野は、リサイクル性を維持するバイオベースのバリア コーティングです。{0}従来のワックスやプラスチックのコーティングは耐湿性を向上させますが、製品のリサイクルが難しくなります。新しい水-ベースおよびバイオ-ベースのコーティング-には、シェラック、デンプン-ベースの配合物、植物-由来のワックス-が含まれており、紙のリサイクルの流れとの互換性を保ちながら耐湿性を提供します。これにより、現在実用的ではない高湿度環境でのパルプ成形の新たな用途が開かれる可能性があります。{10}
乾式成形繊維技術も急速に進歩しています。水スラリーではなく、あらかじめ成形された繊維マットから製品を成形することにより、乾式プレス プロセスでは使用するエネルギーが 40% 削減され、従来の湿式成形よりも薄い壁と厳しい公差を実現できます。-この技術が成熟して規模が拡大すると、蓋、クラムシェル、使い捨て容器などの薄肉用途において、成形パルプが熱成形プラスチックと競合できるようになる可能性があります。{4}}
最後に
パルプモールドの発泡技術は、一見したよりも高度です。単純な紙製品に見えるものは、実際には、制御された多孔質構造、勾配密度、および予測可能な機械的特性を備えた人工繊維フォームです。この材料科学を理解することは、パルプ成型品がなぜ保護包装に非常に適しているのか、その限界はどこにあるのか、そして進行中の研究によってその機能が拡張されているのかを説明するのに役立ちます。
持続可能性がパッケージングの決定においてますます重要な要素となる中、成型パルプ - の再生可能原料、リサイクル可能性、堆肥化可能性、マイクロプラスチックの脱落がない - の材料科学上の利点により、採用が継続的に増加する可能性があります。発泡技術、バリアコーティング、および乾式プレス製造における継続的な改善と組み合わせることで、パルプ成形品は今後数年間で保護包装市場のシェアを拡大する立場にあります。Hesheng のエンジニアリング チームに連絡するパルプ成形技術を特定の包装の課題にどのように適用できるかについて議論したい場合。
