背景技术
高透气聚烯烃流延薄膜专用树脂是国外于上世纪90年代发展起来的一种新型高分子材料,属高档合成树脂开发与深加工项目产品。该树脂经过流延、拉伸工艺生产的薄膜具有透气量大但不漏水、质地柔软、拉伸强度高、卫生性能好、废弃后可以迅速环境降解等特点。自1990年以来,日本、韩国和德国相继研究开发了该项技术,并于上世纪90年代中后期开始了批量生产,但其产品在透气均匀性和力学性能方面还不够理想。
在日常生活中,透气膜(透气不透水的薄膜)越来越广泛地应用于医药卫生用品包装(如药用胶膜、手术服、医用手套、妇女卫生巾、婴儿纸尿布和一次性床单及其它临床医疗耗材等)、食品包装(如保鲜膜、复合膜、熟食品包装袋等)和日用制品(如保暖服装夹层、一次性轻便雨衣)等,需求量很大。尤其是在2003年在全世界许多国家流行的SARS以及2005年以来肆虐全球的禽流感,更使得聚烯烃透气膜具有更加广阔的市场前景。
中国专利申请CN02116720.6公开了一种聚烯烃高透气流延薄膜专用树脂的制备与方法,它是以聚烯烃树脂(LDPE、LLDPE、共聚PP三种复配)和超细矿物填料(碳酸钙、滑石粉等,粒径3~10um)为主要原料,添加Ti-Al复合偶联剂、POE改性剂、OPE分散剂,经偶联处理,增容分散,密炼和挤出切粒工艺加工而成。该专用树脂通过流延、拉伸工艺,使薄膜中矿物填料颗粒与聚烯烃两相间产生均匀微细的孔隙,冷却结晶后形成聚烯烃高透气流延薄膜。
中国专利申请CN87100579报道了将含有聚烯烃树脂和无机充填剂的混合物所制成的膜至少向一轴方向延伸,其表面具有凹凸花样的透气性多孔性膜。制造该膜的一种方法是将上述混合物制成膜,将在该膜表面有凹凸花样的膜至少向一轴方向延伸,然后将所生成的膜用被加热的浮花压制辊筒压制凹凸花样并使延伸膜收缩。
中国专利申请CN97126230.6是关于适用于过滤材料、水系电池用隔离,电池用隔离膜,电解电容用隔离膜、通气性薄膜的用途、纸尿布和房板以防水渗透用途、其它衣料、包装、印刷领域中的用途,强度和透气度优良的高分子量聚烯烃微细多孔薄膜和制造方法,作为它的特征,该薄膜是由延伸键结晶和板状晶形成的纤维和/或螺旋状结晶形成的纤维所构成。该高分子量聚烯烃多孔薄膜,通过对实质上不含可塑剂和/或溶剂的极限粘度[η]=3dl/g以上的聚烯烃不透气性薄膜进行热处理和根据需要进行延伸处理和/或热定形进行制造。
以上三个专利申请技术存在如下缺点:不能有效地形成孔并控制孔径,不抗菌,而且中国专利申请CN02116720.6采用的是密炼机,工艺比较繁琐复杂。
专利CN00813612.2涉及一种从软聚合物组分和硬聚合物组分的共混物形成的冷拉伸透气膜。软聚合物组分(SPC)是主要烯烃单体和少量烯烃单体的共聚物。主要烯烃单体是乙烯或丙烯并形成SPC的大部分。在冷拉伸之后优选的膜显示至少为100g·密耳/m2·天的水汽透过率(WVTR)。其缺点是薄膜拉伸时的相分离形态不容易控制,对后续成孔工序的工艺要求十分复杂,此外该方法得到的透气膜的价格高昂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷,提供一种聚烯烃抗菌透气膜专用料及其制备方法,通过提高混合填料与聚烯烃之间的界面相互作用以及填料在聚烯烃中的分散均匀性;使得到的透气膜专用料的流延或者吹制薄膜在经过拉伸处理后,能够得到孔径大小好控制、孔径分布均匀、透气量大的透气膜;使得到的透气膜具有长效的抗菌功能。
本发明的聚烯烃抗菌透气膜专用料的制备方法包括如下步骤:
(1)将把纳米碳酸钙和重质碳酸钙进行混合,添加不饱和酸单体和长脂肪链单体、引发剂、聚醚磺酸盐、大分子偶联剂和聚烯烃树脂,在双螺杆挤出机中制成混合碳酸钙的预分散母料;
上述各组分的重量份数用量如下:
纳米碳酸钙 10~30份
重质碳酸钙 10~65份
不饱和酸单体 0.1~10份
长脂肪链单体 0.1~20份
引发剂 0.001~5份
聚醚磺酸盐 0.1~10份
大分子偶联剂 0.1~20份
聚烯烃树脂 5~80份
(2)混合碳酸钙预分散母料与聚烯烃树脂、匀孔剂、抗氧剂和复合抗菌母粒,双螺杆挤出机中挤出造粒、干燥和真空包装,得到抗菌的聚烯烃透气膜专用料;所述复合抗菌母粒是指以聚烯烃为载体的有机/无机复合抗菌母粒;
上述各组分重量份数用量如下:
混合碳酸钙预分散母料 20~80份
匀孔剂 0.1~5份
抗氧剂 0.1~0.5份
复合抗菌母粒 2~20份
聚烯烃树脂 20~70份
步骤(1)中,所说的纳米碳酸钙是指商品纳米碳酸钙粉体,其粒径为20~100纳米;
所说的重质碳酸钙是指商品重质碳酸钙粉体,其粒径为2~15um。
所说的不饱和酸单体是指丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸、衣康酸、富马酸、马来酸、马来酸酐(MAH)、马来酸单甲酯、马来酸单乙酯、马来酸单丁酯、马来酸单辛酯、马来酸单十二醇酯、马来酸单十四醇酯、马来酸单十六醇酯、马来酸单十八醇酯中的一种或一种以上,优选的不饱和酸单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐、马来酸单丁酯中的一种或一种以上。
所说的长脂肪链单体是指丙烯酸十二醇酯、丙烯酸十四醇酯、丙烯酸十六醇酯、丙烯酸十八醇酯、甲基丙烯酸十二醇酯、甲基丙烯酸十四醇酯、甲基丙烯酸十六醇酯、甲基丙烯酸十八醇酯中的一种或一种以上。
所说的引发剂是指过氧化二叔丁基、叔丁基过氧化氢、过氧化二异丙苯、异丙苯过氧化氢、过氧化二苯甲酰中的一种或一种以上。
所说的聚醚磺酸盐(AES)是指长链烷氧基聚氧乙烯醚的磺酸盐或长链烷基取代的酚基聚氧乙烯醚的磺酸盐,其中长链烷氧基聚氧乙烯醚的磺酸盐中的长链烷氧基是指十二烷氧基、十四烷氧基、十六烷氧基或十八烷氧基;长链烷基取代的酚基聚氧乙烯醚的磺酸盐中的长链烷基是指辛基、壬基、十二烷基、十四烷基、十六烷基或十八烷基,聚氧乙烯醚的聚合度是3-500,磺酸盐是指磺酸钠、磺酸钾或磺酸铵。
所说的聚烯烃是指商品的高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线形低密度聚乙烯(LLDPE)、非常低密度聚乙烯(VLDPE)、POE(乙烯-辛烯共聚物)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、EAA(乙烯-丙烯酸共聚物)、EMAA(乙烯-甲基丙烯酸共聚物)、EMA(乙烯-丙烯酸甲酯共聚物)、EEA(乙烯-丙烯酸乙酯共聚物)、EBA(乙烯-丙烯酸丁酯共聚物)、均聚聚丙烯(PP)、共聚聚丙烯EPDM(乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物)中的一种或一种以上。
所说大分子偶联剂是指商品的活性单体接枝改性聚烯烃,这里所指的活性单体包括苯乙烯、乙酸乙烯酯(VAc)、丙烯酸(AA)、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、衣康酸、富马酸、马来酸、马来酸酐(MAH)、马来酸单甲酯、马来酸单乙酯、马来酸单丁酯、马来酸单辛酯、马来酸单十二醇酯、马来酸单十四醇酯、马来酸单十六醇酯、马来酸单十八醇酯中的一种或一种以上,接枝率为0.5~30%。
更具体地,步骤(1)包括:先把在纳米碳酸钙和重质碳酸钙按比例在捏合机中混匀,然后再依顺序加入不饱和酸单体、长脂肪链单体、引发剂、聚醚磺酸盐、大分子偶联剂和聚烯烃树脂,捏合0.5~5分钟。把混合料直接排到双螺杆挤出机的喂料斗中,用螺杆加有5段混炼元件的长径比为36∶1~50∶1的双螺杆挤出机中挤出、切粒、干燥,即得混合碳酸钙预分散母粒,双螺杆挤出机的主机转速为50~600转/分,喂料速度为20~400转/分,挤出机的加热温度为80~220℃。
步骤(2)中,所说的匀孔剂优选氨基硅油,氨基的含量为0.1~5毫摩尔/100克,分子量是500~300000。
所述抗氧剂是指酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂或酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂以1∶1、3∶2、2∶1或者3∶1的复合物。
所述聚烯烃树脂同步骤(1)。
所说的复合抗菌母粒优选以聚烯烃为载体的有机/无机复合抗菌母粒,有机抗菌剂是指合成类有机抗菌剂主要品种有:季胺盐类、双胍类、酚类、有机金属类、吡啶类、咪唑类和噻吩类抗菌剂,无机抗菌剂是指纳米二氧化硅负载银离子抗菌剂、纳米二氧化钛负载银离子抗菌剂、纳米氧化锌负载银离子抗菌剂和纳米二氧化锡负载银离子抗菌剂,复合抗菌母粒中有机抗菌剂的含量是1~30%,无机抗菌剂的含量是1~30%,聚烯烃载体树脂的含量为40~98%。
采用该复合抗菌母粒,可以达到抗菌作用和抗菌持续时间长的效果,加入到聚烯烃透气膜专用料中,使得到的聚烯烃透气膜不仅可以有隔绝高致病性细菌或者病毒的作用,还可以起着杀灭细菌的功能。
本发明方法的工作原理如下:
在挤出过程中,添加的不饱和酸单体作为混合碳酸钙的表面改性剂,使之与碳酸钙的表面进行反应,反应式如下:
其中,R1=H-、HOOC-、CH3OOC-、C2H5OOC-、C4H9OOC-、C8H17OOC-、C12H25OOC-、C14H29OOC-、C16H33OOC-、C18H37OOC-、HOOC-CH2-或CH3-等,R2=H-、HOOC-、HOOC-CH2-、CH3-或C2H5-等。
该反应得到了以纳米碳酸钙或者重质碳酸钙为核、表面以离子键结合的形式结合了可进行均聚和与其它单体共聚的不饱和基团。
一方面,结合在混合碳酸钙表面的不饱和基团与长脂肪链单体进行共聚反应,反应式如下:
其中,R3=十二烷基、十四烷基、十六烷基或者十八烷基等,长脂肪链与聚烯烃具有很好的相容性。
另一方面,结合在碳酸钙表面的不饱和基团与聚烯烃进行接枝反应,形成的原位接枝物使聚烯烃与碳酸钙之间具有化学键的作用,反应式如下:
上述两个方面的反应都达到提高了碳酸钙与聚烯烃之间相互作用的目的。
匀孔剂的主要作用是不但以十分细小均匀的状态分散在填料粒子表面,依靠表面能低的作用,在聚烯烃薄膜拉伸过程中,促进填料与聚烯烃之间均匀微细孔隙的形成,而且匀孔剂上的氨基可以与接枝在聚烯烃分子上的不饱和酸或者酸酐单体反应,形成共价键或者离子键,促进了填料粒子在聚烯烃树脂基体中的分散性,反应式如下:
本发明就是在上述技术背景下,采取了如下新的技术措施:
1、使用纳米碳酸钙和重质碳酸钙混合填料,确保了微孔及其均匀性。
2、在混合填料中加入含长脂肪链的单体和不饱和酸单体,在挤出过程中使这些单体对重质碳酸钙和纳米碳酸钙进行原位表面接枝聚合改性,以提高纳米碳酸钙和重质碳酸钙与聚烯烃的相容性。
3、用自制的大分子偶联剂作为树脂与填料的界面改性剂,以提高树脂与填料之间的相互作用。
4、为了提高填料的分散性,加入活性分散剂聚醚磺酸盐。
5、采用了先纳米碳酸钙和重质碳酸钙混合填料的预分散母粒的技术,使得填料的分散更加均匀。
6、为了得到均匀的孔,加入了具有致孔和匀孔作用的氨基硅油。
7、在混合物中加入长效的有机-无机复合抗菌剂赋予透气膜具有抗菌功能。
8、不采用耗能高、粉尘飞扬严重、后续加工困难的密炼机,而采用螺杆经过特殊设计的双螺杆挤出机中挤出造粒。
具体实施方式
实施例1
在200升捏合机中,按表1实施例1的配方,加入20千克的纳米碳酸钙(粒径为30~65纳米)和60千克的重质碳酸钙(粒径为6~10um),在低速搅拌下依顺序加入0.8千克的甲基丙烯酸、0.8千克的甲基丙烯酸十八醇酯、0.008千克的过氧化二叔丁基、1千克的十六烷氧基聚氧乙烯醚磺酸钠(聚氧乙烯醚的聚合度为20)、3千克的马来酸酐接枝线形低密度聚乙烯(接枝率1.2毫摩尔/100克)和14.4千克的线形低密度聚乙烯(熔体流动速率为17g/10min),加毕后,高速搅拌1分钟,得到混合物。
把混合物加入到双螺杆挤出机的喂料斗中,用螺杆加有5段混炼元件的长径比为48:1的、螺杆直径为75mm的双螺杆挤出机中挤出、切粒,双螺杆挤出机的主机转速是250转/分,喂料速度30转/分,挤出机各段(包括机头共6段)的温度依次是160℃、195℃、195℃、190℃、190℃、180℃,最后干燥即得混合碳酸钙预分散母粒HCM-1。
按表2实施例1的配方,把40千克干燥的混合碳酸钙预分散母粒HCM-1和40千克低密度聚乙烯(熔体流动速率为8g/10min)、14.8千克线形低密度聚乙烯(熔体流动速率为2g/10min)、1千克氨基硅油(氨基含量1.6摩尔/100克,分子量是20000)、4千克复合抗菌母粒及0.2千克抗氧剂在捏合机中搅拌均匀后,在双螺杆挤出机共混挤出、造粒、干燥,得到聚烯烃抗菌透气膜专用料GPM-1。
聚烯烃抗菌透气膜专用料GPM-1经流延成膜和拉伸后得到的聚烯烃透气膜的透气性能、力学性能和抗菌性能如表3所示。
实施例2
按实施例1相同的加工工艺条件,按表1实施例2的配方制备混合碳酸钙预分散母粒HCM-2,按表2实施例2的配方制得聚烯烃抗菌透气膜专用料GPM-2。与实施例1不同的是GPM-2适合吹塑成膜制得透气膜。
实施例3
步骤同实施例1,按表1实施例3的配方制备混合碳酸钙预分散母粒HCM-3。加工工艺条件与实施例1不同的是:双螺杆挤出机的主机转速是280转/分,喂料速度40转/分,挤出机各段(包括机头共6段)的温度依次是180℃、200℃、200℃、195℃、195℃、190℃。按表2实施例3的配方制得聚烯烃抗菌透气膜专用料GPM-3。
表1 实施例1~6混合碳酸钙预分散母粒制备的配方(单位:千克)
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实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
实施例4 |
实施例5 |
实施例6 |
纳米碳酸钙(粒径30~65nm) |
20 |
15 |
|
30 |
10 |
15 |
纳米碳酸钙(粒径60~80nm) |
|
|
10 |
|
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|
重质碳酸钙(粒径6~10um) |
60 |
65 |
65 |
50 |
|
|
重质碳酸钙(粒径4~15um) |
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|
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|
72 |
68 |
甲基丙烯酸 |
0.8 |
0.8 |
|
|
|
0.8 |
丙烯酸 |
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|
1 |
|
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|
马来酸单丁酯 |
|
|
|
0.8 |
|
|
马来酸酐 |
|
|
|
|
0.8 |
|
甲基丙烯酸十八醇酯 |
0.8 |
0.8 |
|
0.8 |
1.0 |
0.8 |
丙烯酸十八醇酯 |
|
|
1.2 |
|
|
|
过氧化二叔丁基 |
0.008 |
0.008 |
|
0.008 |
0.012 |
0.008 |
过氧化二异丙苯 |
|
|
0.012 |
|
|
|
AES(聚合度20) |
1 |
1 |
|
|
|
1 |
AES(聚合度9) |
|
|
0.8 |
|
|
|
AES(聚合度30) |
|
|
|
1 |
1 |
|
MAH接枝LLDPE(接枝率1.2mmol/100g) |
3 |
|
|
|
|
|
MAH接枝POE(接枝率为1.2mmol/100g) |
|
3 |
3 |
|
|
|
GMA接枝LLDPE(接枝率2.0mmol/100g) |
|
|
|
3 |
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|
(AA-MAH)接枝LLDPE |
|
|
|
|
2.4 |
|
(VAc-GMA)接枝LLDPE |
|
|
|
|
|
2 |
LLDPE(MI=17g/10min) |
14.4 |
|
|
|
|
|
POE(MI=2.0g/10min) |
|
14.4 |
|
|
|
|
PP(MI=2.5g/10min) |
|
|
19 |
|
|
|
LDPE(MI=7g/10min) |
|
|
|
14.4 |
|
|
LDPE(MI=8g/10min) |
|
|
|
|
12.8 |
|
EVA(VA含量为18%,MI=25g/10min) |
|
|
|
|
|
12.4 |
混合碳酸钙预分散母粒编号 |
HCM-1 |
HCM-2 |
HCM-3 |
HCM-4 |
HCM-5 |
HCM-6 |
表2 实施例1~6聚烯烃抗菌透气膜专用料制备的配方(单位:千克)
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实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
实施例4 |
实施例5 |
实施例6 |
HCM-1 |
40 |
|
|
|
|
|
HCM-2 |
|
40 |
|
|
|
|
HCM-3 |
|
|
45 |
|
|
|
HCM-4 |
|
|
|
40 |
|
|
HCM-5 |
|
|
|
|
38 |
|
HCM-6 |
|
|
|
|
|
36 |
LDPE(MI=8g/10min) |
40 |
|
|
|
57 |
55.2 |
LDPE(MI=2g/10min) |
|
40 |
|
35 |
|
|
LLDPE(MI=2g/10min) |
14.8 |
|
|
|
|
|
HDPE(MI=0.7g/10min) |
|
13.8 |
|
15 |
|
|
PP(MI=27g/10min) |
|
|
46 |
|
|
|
POE(MI=2g/10min) |
|
|
|
5 |
|
|
EVA(VA含量为18%,MI=25g/10min) |
|
|
|
|
|
5 |
氨基硅油(氨基含量1.6mmol/100g,分子量20000) |
1 |
1 |
0.8 |
|
|
0.6 |
氨基硅油(氨基含量1.2mmol/100g,分子量80000) |
|
|
|
0.6 |
0.5 |
|
复合抗菌母粒 |
4 |
5 |
3 |
4.2 |
4.3 |
3 |
抗氧剂 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
抗菌透气膜专用料编号 |
GPM-1 |
GPM-2 |
GPM-3 |
GPM-4 |
GPM-5 |
GPM-6 |
实施例4
按实施例1相同的加工工艺条件,按表1实施例4的配方制备混合碳酸钙预分散母粒HCM-4,按表2实施例4的配方制得聚烯烃抗菌透气膜专用料GPM-4。与实施例1不同的是GPM-4和GPM-2一样,适合吹塑成膜制得透气膜。
实施例5
按实施例1相同的加工工艺条件,按表1实施例5的配方制备混合碳酸钙预分散母粒HCM-5,按表2实施例5的配方制得聚烯烃抗菌透气膜专用料GPM-5。
实施例6
按实施例1相同的加工工艺条件,按表1实施例6的配方制备混合碳酸钙预分散母粒HCM-6,按表2实施例6的配方制得聚烯烃抗菌透气膜专用料GPM-5。
表3 实施例1~6得到的聚烯烃透气膜的透气性能、力学性能和抗菌性能
性能 |
GPM-1 |
GPM-2 |
GPM-3 |
GPM-4 |
GPM-5 |
GPM-6 |
克重/g/m<sup>2</sup> |
22 |
30 |
21 |
31 |
20 |
18 |
水蒸气透过率/g/m<sup>2</sup>/day |
~7000 |
~6000 |
~5000 |
~6000 |
~8000 |
~8000 |
纵向拉伸强度/MPa |
16 |
24 |
30 |
22 |
15 |
14 |
横向拉伸强度/MPa |
8 |
16 |
20 |
16 |
7 |
7 |
纵向伸长率/% |
220 |
240 |
220 |
280 |
240 |
280 |
横向伸长率/% |
450 |
320 |
420 |
360 |
460 |
420 |
收缩率/% |
4 |
3 |
6 |
3 |
4 |
4 |