聚乙烯醇流延涂布成膜工艺研究

聚乙烯醇流延涂布成膜工艺研究

随着材料和加工技术的进步，塑料软包装已经覆盖了许多地区。人们生活中的必需品包括购物袋、商品袋、货物袋、冰箱保新鲜袋等塑料软包装品。工业包装、家庭食品包装、服装包装、药物包装等也采用了大量的塑料软包装膜。然而,包装废弃物给人们生活带来的负面影响和对环境造成的危害也愈演愈烈。如今,随着人们环境保护意识的不断增强,消费者对商品包装也提出了越来越高的要求,期待绿色包装的呼声也越来越高。所谓绿色包装是指能够循环复用、再生利用或在自然界降解腐烂,且在产品的整个生命周期中对人体及环境不造成公害的适度包装。塑料软包装薄膜的绿色化已经成为包装材料的重要发展趋势之一。水溶性薄膜作为一种新型的绿色化包装产品,本身具有可降解性,能在自然界中自然溶解而消失,是一种可保护环境的薄膜材料,愈来愈受到人们的欢迎。经过国内外材料学家们十多年的努力,在聚乙烯醇(PVA)水溶性薄膜的研究开发和使用上已经取得了突破性进展。目前,国外主要有日本、美国、法国等生产销售此类产品,像美国的W.T.P公司和C.C.I.P公司,法国的GREENSOL公司以及日本的合成化学公司等。国内株洲工学院与广东肇庆方兴包装材料公司在中国包装总公司科技部的支持下,联合研制开发了水溶性薄膜及生产设备,已通过省部级鉴定,目前已投入生产,其产品正在走向市场。在国内,水溶性薄膜市场正在兴起。构成聚乙烯醇薄膜的主要原料是聚乙烯醇,由于含有大量的羟基,可在水中溶胀或溶解,是迄今发现的唯一具有水溶性的高聚物。本试验以聚乙烯醇为主要原料,通过流延法成膜,同时添加增塑剂、乳化剂、增强剂、脱膜剂等助剂,以改善膜的性能及水溶性。旨在为水溶性薄膜的生产提供一定的技术支持。1测试1.1基纤维素钠cmc、石蜡、二甲基硅油聚乙烯醇、甘油、乙二醇、山梨醇、多聚磷酸钠、吐温80、磷酸三丁酯、可溶性淀粉、琼脂、明胶、羧甲基纤维素钠(CMC)、石蜡、二甲基硅油;光滑钢板、ZL-300A纸与纸板抗张试验机(长春市纸张试验机厂)、ZH-4型纸与纸板厚度测定仪(长春市纸张试验机厂)、远红外快速恒温干燥箱(上海跃进医疗器械厂)、756PC(IV)型紫外可见分光光度计(上海光谱仪器有限公司)。1.2聚乙烯醇亲水膜的制备工艺流程如下:1.3聚乙烯醇水膜性能测定1.3.1膜厚度的测量用ZH-4纸与纸板厚度测定仪在待测膜上随机测5点,取平均值。1.3.2抗拉力的测定将膜裁切成15mm宽的长条,用抗张强度测定仪测定,有效伸长率为40%,拉伸速度为450mm/s,记录此时的抗拉力,根据下式计算:TS=F×10-6/S;式中:TS—抗张强度(MPa);F—试样断裂时承受的最大张力(N);S—试样的截面积(m2)。1.3.3透光率的测量将待测样品裁切成矩形,贴于比色皿表面,在600nm下测定透光率,以空比色皿作为对照,用透光率大小间接表示膜透明度。2结果与分析2.1聚乙烯醇成膜薄膜的制备准确称取5.0,5.5,6.0,6.5,7.0和7.5g聚乙烯醇,加50mL蒸馏水加热溶解,分别加入1.0g甘油,70～80℃水浴加热10min,室温放置3～5min后过滤,不锈钢板上涂膜,80～90℃的恒温干燥箱中干燥20min后取出,室温条件下放置10min,揭膜,恒温恒湿箱中平衡24h,测试膜的性能。试验重复3次得到试验结果,以下同。聚乙烯醇质量分数为10.0%和11.0%时,所成膜极薄,抗张强度低,易拉断;聚乙烯醇质量分数为14.0%和15.0%时,膜液有大块未溶解团状物,成膜发脆。聚乙烯醇成膜质量分数为12.0%和13.0%时,可以得到柔软、表面光滑的薄膜,其主要性能见表1。聚乙烯醇质量分数为12.0%和13.0%时,所成膜抗张强度差异不显著,12.0%的透光率比13.0%的大,且表面性能好,综合考虑,确定12.0%为适宜聚乙烯醇成膜质量分数。2.2温度和相邻关系处理条件对抗张强度的影响准确称取5份聚乙烯醇各6.0g,在不同温度下干燥,其他流程同上。试验表明室温到120℃下干燥都可以成膜,其性能见表2。从室温到120℃,随干燥温度升高,干燥时间逐渐减少,膜透光率大致呈上升趋势。温度较高时,由于水分蒸发较快,甘油与水之间的氢键未充分形成,导致膜含水量少,虽然抗张强度大,但质地脆,弹性小,高温使膜轻微焦化,呈黄色,膜外观较差。室温时,需自然干燥2h以上,干燥时间过长,且甘油结合了过多的水分,膜的致密性下降。在80～90℃时,和其相邻处理60～70℃、90～100℃相比,其抗张强度最大,且差异显著。综合考虑,干燥温度控制在80～90℃。2.3工艺条件对膜性能的影响准确称取聚乙烯醇4份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,分别加入甘油、乙二醇、山梨醇、丙二醇各1.0g。其他流程同上。由表3可知,在工艺条件相同的情况下,3种增塑剂以添加山梨醇和甘油效果较好,添加乙二醇效果较差。主要原因在于乙二醇分子结构中羟基少,结合的水分子较少,膜脆,质地较硬,抗张强度低。山梨醇为六元醇,甘油为三元醇,结合水分比较多,膜性能较好,且二者抗张强度差异显著。但山梨醇较甘油成本较高。综合考虑,确定最佳的增塑剂为甘油。2.4甘油质量分数准确称取聚乙烯醇5份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,分别与0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0g甘油混合,其他流程同上。试验表明,甘油质量分数大于5.0%时,膜非常柔软,有少量甘油析出,数据不易测出;当甘油质量分数小于2.0%时,膜脆,易断裂,原因是结合水过少。甘油质量分数在2.0%～5.0%之间,可以得到具有一定弹性的薄膜。其性能见表4。由表4可见,随着甘油质量分数的增加,膜抗张强度降低,由于甘油含量增加,单位体积羟基的数目增多,结合水分子的数目也增多,所制薄膜较柔软,弹性大。综合考虑,甘油质量分数以2.0%为宜。2.5聚磷酸钠、吐温80、磷酸三丁酯的配比对薄膜性能的影响准确称取聚乙烯醇3份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,各加入甘油1.0g,然后分别加入多聚磷酸钠、吐温80、磷酸三丁酯各1.0g,其他流程同上,结果见表5。多聚磷酸钠水溶性较差,所制的薄膜发白,表观性能差,没有对其性能进行测试。吐温80的透光率虽不及磷酸三丁酯,但抗张强度远远大于磷酸三丁酯。综合考虑,选择吐温80作为聚乙烯醇水溶性薄膜的乳化剂。2.6其他流程同上例准确称取聚乙烯醇5份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,分别与0.3,0.5,0.7,1.0和1.3g吐温80混合,其他流程同上。试验表明:吐温80质量分数大于2.0%时,膜的表面有大量小颗粒,表观性能不好。当吐温80质量分数小于0.6%时,膜水溶性不佳。吐温质量分数在1.0%左右时,可以得到具有一定水溶性的薄膜,其性能见表6。由表6可见,随着吐温质量分数的增加,膜抗张强度呈下降趋势,透光率也大致呈递减趋势。综合考虑,吐温80质量分数以1.0%为宜。2.7性淀粉、cmc准确称取聚乙烯醇4份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,各加入吐温0.5g,分别加入琼脂、明胶、可溶性淀粉、CMC各0.5g,其他流程同上,结果见表7。试验表明,加入明胶和CMC时,有部分颗粒不完全溶解,成膜效果差。加入可溶性淀粉和琼脂时膜的抗张强度较大,二者透光率差异不显著,添加可溶性淀粉的聚乙烯醇膜抗张强度显著大于添加琼脂的聚乙烯醇膜。综合考虑,选择可溶性淀粉作为聚乙烯醇膜的增强剂。2.8可溶性淀粉质量分数准确称取聚乙烯醇4份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,分别与0.25,0.50,0.75和1.00g可溶性淀粉混合,其他流程同上。试验表明,可溶性淀粉质量分数大于2.0%时,膜的表面有大量小颗粒,表观性能不好,且由于可溶性淀粉的增强效果,使得薄膜与钢板之间的粘着力增大,不易揭膜。可溶性淀粉质量分数为1.0%时,可以得到具有较高强度的薄膜,其抗张强度与其它处理相比差异显著。其性能见表8。综合考虑,可溶性淀粉质量分数以1.0%为宜。2.9石蜡、二甲基硅油对聚乙烯醇膜表观性能和脱膜效果的影响准确称取聚乙烯醇2份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,各加入可溶性淀粉0.50g,分别加入石蜡、二甲基硅油各0.2g,其他流程同上。为了便于揭膜添加脱膜剂,但不能过多影响聚乙烯醇膜的性能。试验表明,添加二甲基硅油的聚乙烯醇膜的表观性能和脱膜效果都优于石蜡。所成膜的主要性能见表9,综合考虑,选二甲基硅油作为适宜的脱膜剂。2.10甲基处理、膜的制备确称取聚乙烯醇4份各6.0g,用蒸馏水加热溶解,分别加入0.2,0.3,0.4和0.5g二甲基硅油,其他流程同上。二甲基硅油质量分数为1.0%时,膜的表面有大量小颗粒和油渍,表观性能不好。当二甲基硅油质量分数为0.4%时,不易揭膜。二甲基硅油质量分数为0.8%时,可以得到性能较好的薄膜,膜的抗张强度最大,和其他处理相比差异显著。其性能见表10。综合考虑,二甲基硅油质