CN104177707A - 一种纳米无机材料改性聚丙烯及其制备方法与应用 - Google Patents

一种纳米无机材料改性聚丙烯及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种纳米无机材料改性聚丙烯及其制备方法与应用。该改性聚丙烯包括如下按质量份计的组分：聚丙烯50～60份、色母30～40份、增韧剂3～5份。本发明通过无机填料的使用，使PP材料具有环保性，提高了材料的力学性能和加工性能；同时大量使用纳米无机材料，在保持材料韧性的同时大幅提高其弹性模量，以达到减少制品重量的目的。通过成型技术的运用，使改性PP材料应用到食品包装中，使产品实现轻量化的同时，其机械性能、密封性能达到客户要求。本发明的产品在自然界中能快速自然降解，也可回收利用；被焚烧时不会产生有毒有害的气体及异味，不会对环境造成破坏，不会对人的身心健康产生负面有影响，对环境保护有重要的意义。

Description

一种纳米无机材料改性聚丙烯及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于食品塑料包装材料领域，特别涉及一种纳米无机材料改性聚丙烯(Polypropylene，简称PP)及其制备方法与应用。
背景技术
随着人类环境意识的提高，世界许多国家对包装产品制定了相应的政策法规来提高对包装产品的环保要求，如欧美国家对包装材料、标志、标识、包装再循环或再利用等方面做出了规定。我国也相继出台了一些政策，如环境保护法、包装资源回收利用暂行管理办法、商检法实施条例等等。目前国外在化妆品包装材料的选择上也加入了环保的考虑，国内企业生产的化妆品也在往这一方向发展。包装设计人员在工作时考虑的将不仅是包装材料的宣传作用和保护作用，还要考虑到这些材料能否被简易的最大限度的回收利用。
而转变经济发展模式，发展循环经济逐渐成为国际社会的共识，并被我国确定为今后经济发展的模式。我国循环经济立法遵循“轻量化是循环经济第一法则”的要求，重点强调“轻量化”，从而保证在发展的源头上实现资源节约，在发展的过程中实现多重利用，在发展的结果里实现综合效益。我国循环经济立法遵循：发展循环经济应当在技术可行、经济合理和环境友好的条件下，以轻量化优先为原则的指导思想开展工作。
包装在对食品提供保护，防止食品受外界微生物或其它物质的污染，防止或减少食品氧化和其它反应方面有着不可替代的作用。在诸多的食品包装中，塑料制品及复合包装材料占有举足轻重的地位。正因为塑料材料及含塑料复合材料有其它材料所不具备的优点，因此近几十年来的发展很快，据估计，21世纪塑料包装市场还将增长7％～9％。21世纪食品市场的竞争在很大程度上将取决于包装质量的竞争。用于食品包装的材料必须有适当的阻隔性，如油脂食品要求高阻氧性和阻油性，干燥食品要求高阻湿性，芳香食品要求高阻异味性；要有良好的机械性能，主要包括构料的抗拉伸强度、耐撕裂、耐冲击强度等；还要有良好的化学稳定性，不应与内装食品发生任何化学反应，确保食品安全。另外还要有较高的耐温性，适合食品的高温消毒和低温储藏等特点。由于塑料材料自身有着很大的缺陷，如对环境的污染问题，其耐温性和阻隔性总体还不如金属和玻璃容器等。21世纪飞速发展的食品工业已向化工产业，尤其是塑料制品产业提出了新的课题。
现有材料很难在具有环保性的前提下，所生产的制品力学性能、阻隔性能等功能性要求达得到食品包装要求，且很难实现低成品、大规模生产和循环利用。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种纳米无机材料改性聚丙烯。
本发明的另一目的在于提供所述纳米无机材料改性聚丙烯的制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述纳米无机材料改性聚丙烯生物应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种纳米无机材料改性聚丙烯，包括如下按质量份计的组分：聚丙烯50～60份、色母30～40份、增韧剂3～5份；
所述的聚丙烯优选为EP300H与HP550J按质量比(3～5):(6～8)配比组成；
所述的增韧剂优选为美国陶氏化学(中国)有限公司的POE8200；
所述的色母的制备方法优选包括如下步骤：
(1)取13～15质量份的颜料，40～45质量份的载体，35～40质量份的滑石粉，3～5质量份的偶联剂；
(2)将载体、颜料和偶联剂通过计量喂料机，经过挤出机的螺杆熔融均化；
(3)将滑石粉，经过双螺杆作为喂料螺杆，经重力落料管道，落入双螺杆侧向喂料机上方的受料料斗，然后再经过高速的啮合喂料双螺杆，从挤出机的侧面喂入到挤出机里面；
(4)进过排气口、冷切机头、冷却水槽、吹干机、切粒机后，密封打包，即得到色母。
在色母的制备过程中，偶联剂在填料表面形成一层单分子覆盖膜，改变其原有的亲水性质，使填料表面性质发生根本性变化，可提高填料的分散性、流动性，改善复合材料的断裂伸长率、冲击性性能等。
步骤(1)中所述的颜料优选为钛白粉；
步骤(1)中所述的载体优选为线型低密度聚乙烯(Linear Low-DensityPolyethy–lene，缩写为LLDPE)；
步骤(1)中所述的偶联剂优选为钛酸酯偶联剂；
步骤(2)中所述的挤出机为长径比是1:30的双螺杆挤出机，其加工温度优选为210～220℃；
所述的纳米无机材料改性聚丙烯的制备方法，包括如下步骤：
(1)把聚丙烯50～60质量份、色母30～40质量份、增韧剂3～5份质量份，分别加到集中供料料箱，经集中供料系统送到自动配料机；
(2)将步骤(1)自动配料机中的材料经集中供料系统输送到机台带烘干机的料斗；
(3)步骤(2)料斗中的材料，由料斗落到螺杆里，在175℃～185℃温度下熔融均匀，即得纳米无机材料改性聚丙烯；
为了更好的实现本发明，
将步骤(3)得到的纳米无机材料改性聚丙烯，从机头挤出成料胚管，再由模具合拢，高压空气顶吹法，最后得到纳米无机材料改性聚丙烯制品；
所述的纳米无机材料改性聚丙烯制品，由于不同于一般的树脂材料，口模工装尺寸需要特别设计；料胚管厚度也需由100点抽芯精确控制，使产品达到客户要求；
步骤(1)所述的自动配料机为美国AEC公司的称重式配料机，各组分材料经过精确称量从配料机的小料斗落入到称量斗，称量完成后再落入混料斗，在混料斗经过搅拌螺杆混均匀后，最后落入受料斗；
步骤(2)中所述的烘干机的温度优选为70℃～90℃；
步骤(4)中所述的螺杆是指雅琪4+4(4模头双工位)单螺杆吹塑机中的螺杆，长径比为25:1；
所述的纳米无机材料改性聚丙烯应用于食品包装中。
本发明的机理是：(1)通过无机填料的使用，使PP材料具有环保性，提高了材料的力学性能和加工性能。(2)通过成型技术的运用，使改性PP材料应用到食品包装中，使产品实现轻量化的同时，其机械性能、密封性能达到客户要求。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明使用PP原料替代通用的HDPE材料，充分利用PP密度低、强度好的特点。同时大量使用纳米无机材料，在保持材料韧性的同时大幅提高其弹性模量，以达到减少制品重量的目的。该制品单个瓶重为10.6g，减重达3.4g。相对于现有的单重为14g的产品，每个制品少使用8.7g塑料原材料，减少使用了60％的石化原料。该产品符合GB9688-1988，各项指标完全符合客户提出的要求。
(2)本发明是PP塑料加改性纳米无机材料作为混合料来生产，减少使用了60％的石化原料。每年可以减少大量的塑料材料的消耗，按照年产量2亿只计算，制品减重每年可少消耗680吨，使用无机填料每年可少消耗塑料1060吨，共计1740吨/年。
(3)在制品中添加纳米无机材料可以提高材料的阻隔性能，配合瓶口和盖的结构设计达到阻隔密封的效果。取消了老产品内需使用的防潮干燥剂。每个制品中不需要加入一袋干燥剂，这意味着每年减少了2亿小袋干燥剂被抛弃在自然界中，减少了对环境的不良影响。
(4)本发明使用顶对顶吹瓶的新工艺、新机器，大大降低的生产能耗，产量相同的情况下，耗电量减少1.2万度，节约成本0.96万元，单位能耗降低超过60％。
(5)该包装废弃物在自然界中能自然降解，也可回收利用，对环境保护有重要的意义。包装废弃物在自然界中能快速降解，不会造成白色污染。如被焚烧时不会产生有毒有害的气体及异味，不会对环境造成破坏，不会对人的身心健康产生负面有影响。这正好与国家大力提倡的节能规划、减少资源浪费、降低环境污染的发展规划相一致。
(6)本发明的纳米无机材料为片状，长径比约为10：1，经过表面聚合物接枝和硅烷偶联剂改性使之在树脂中均匀取向分布，达到增加阻隔性能的效果。通过选择不同牌号的聚丙烯树脂与该无机填料组合，使新配方材料在大幅提高弯曲模量的基础上能保持原有的冲击性能，成功的开发出一种新型的环保阻隔配方，提供了我们挤出吹瓶工艺稳定生产所需物料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1色母的制备
由于滑石粉的添加量比较多，如采用常规造粒法，滑石粉会使载体树脂和料筒壁的热隔绝和抑制摩擦热的介入。故我们采用滑石粉侧向进料的工艺，具体如下：
(1)采用长径比为1:30的双螺杆挤出机，加工温度为210～220℃；
(2)取43质量份LLDPE、15质量份钛白粉和5份钛酸酯偶联剂，通过前面的计量喂料机，经过螺杆熔融均化。
(3)经过37质量份的滑石粉经过失重式计量称量后，经过双螺杆作为喂料螺杆，经重力落料管道，落入双螺杆侧向喂料机上方的受料料斗，然后再经过高速的啮合喂料双螺杆，从挤出机的侧面喂入到挤出机里面。
(4)进过排气口、冷切机头、冷却水槽、吹干机、切粒机后，密封打包，得到色母。
实施例2色母的制备
由于滑石粉的添加量比较多，如采用常规造粒法，滑石粉会使载体树脂和料筒壁的热隔绝和抑制摩擦热的介入。故我们采用滑石粉侧向进料的工艺，具体如下：
(1)采用长径比为1:30的双螺杆挤出机，加工温度为210～220℃；
(2)取40质量份LLDPE、13质量份钛白粉和3份钛酸酯偶联剂，通过前面的计量喂料机，经过螺杆熔融均化。
(3)经过35质量份的滑石粉经过失重式计量称量后，经过双螺杆作为喂料螺杆，经重力落料管道，落入双螺杆侧向喂料机上方的受料料斗，然后再经过高速的啮合喂料双螺杆，从挤出机的侧面喂入到挤出机里面。
(4)进过排气口、冷切机头、冷却水槽、吹干机、切粒机后，密封打包，得到色母。
实施例3色母的制备
由于滑石粉的添加量比较多，如采用常规造粒法，滑石粉会使载体树脂和料筒壁的热隔绝和抑制摩擦热的介入。故我们采用滑石粉侧向进料的工艺，具体如下：
(1)采用长径比为1:30的双螺杆挤出机，加工温度为210～220℃；
(2)取45质量份LLDPE、14质量份钛白粉和4份钛酸酯偶联剂，通过前面的计量喂料机，经过螺杆熔融均化。
(3)经过40质量份的滑石粉经过失重式计量称量后，经过双螺杆作为喂料螺杆，经重力落料管道，落入双螺杆侧向喂料机上方的受料料斗，然后再经过高速的啮合喂料双螺杆，从挤出机的侧面喂入到挤出机里面。
(4)进过排气口、冷切机头、冷却水槽、吹干机、切粒机后，密封打包，得到色母。
实施例4纳米无机材料改性聚丙烯的制备
(1)把聚丙烯55质量份(其中EP300H 20质量份，HP550J 35质量份)、实施例1得到的色母40质量份、增韧剂POE8200(购自美国陶氏化学(中国)有限公司)5质量份，分别加到集中供料料箱，经集中供料系统(美国AEC公司，型号VTC 3/48)送到自动配料机。
(2)配料机为称重式配料机(购自美国AEC公司，型号BD-900-5R)，配料机有4个小料斗，各组分材料经过精确称量从配料机的小料斗落入到称量斗、再由称量斗落入到混料斗，在混料斗经过搅拌螺杆混均匀后，最后落入受料斗。
(3)将步骤(2)受料斗中的材料经集中供料系统输送到机台带烘干机的料斗，烘干机温度80℃。
(4)吹塑机(购自香港雅琪集团有限公司)采用雅琪4+4(4模头双工位)单螺杆机，长径比为1:25；
步骤(3)料斗中的材料，由料斗落到螺杆里，在175～185℃温度下熔融均匀，即得纳米无机材料改性聚丙烯；
为了更好的实现本发明，
将步骤(4)得到的纳米无机材料改性聚丙烯，从机头挤出成料胚管，再由模具合拢，高压空气顶吹法，最后得到纳米无机材料改性聚丙烯制品；
所述的纳米无机材料改性聚丙烯制品，由于不同于一般的树脂材料，口模工装尺寸需要特别设计；料胚管厚度也需由100点抽芯精确控制，使产品达到客户要求。
本实施例获得的纳米无机材料改性聚丙烯制品，外观良好，壁厚均匀；产品的弹性模量、硬度、刚度、冲击强度都有较大提高。产品自身具有干燥性，适合食品用。
实现方式：
一、硬度、刚度：
在产品实现轻量化的同时，相关测试性能符合客户要求。
1、产品打盖测试：
将盖轻放瓶口置于上下夹具中间，使用拉压力试验机，速度设定为254mm/min，位移为5.5mm，将上夹具加载与瓶盖，使其与瓶身完全配合，记录最大值。
标准：<25kgf。
实施例4所得产品的测试数据为：18～20kgf。
2、侧压力测试：
瓶身侧放，使用拉压力试验机，速度设定220mm/min，位移12.5mm，将上夹具加载于瓶身上，记录最大值(>5.8kgf)。
实施例4所得产品的测试数据为：8～10kgf。
3、正压力测试：
瓶身正放，使用拉压力试验机，速度设定12.7mm/min，位移为6.35mm，将上夹具加载于瓶口上，记录最大值(>21kgf)。
实施例4所得产品的测试数据为：25～28kgf。
二、冲击强度：
低温跌落测试：
产品装标称内容物，在-15℃下放置24小时后，1.5米正放跌落一次，破裂比例<15％。
实施例4所得产品的测试数据为：9％～11％。
实施例5纳米无机材料改性聚丙烯的制备
(1)把聚丙烯50质量份(其中EP300H 16.7质量份，HP550J 33.3质量份)、实施例1得到的色母30质量份、增韧剂POE8200(购自美国陶氏化学(中国)有限公司)3质量份，其余步骤按实施例4相同的步骤，即得纳米无机材料改性聚丙烯。
(2)所得产品性能数据：
1、产品打盖测试：
将盖轻放瓶口置于上下夹具中间，使用拉压力试验机，速度设定为254mm/min，位移为5.5mm，将上夹具加载与瓶盖，使其与瓶身完全配合，记录最大值。
标准：<25kgf。
实施例5所得产品的测试数据为：21～23kgf。
2、侧压力测试：
瓶身侧放，使用拉压力试验机，速度设定220mm/min，位移12.5mm，将上夹具加载于瓶身上，记录最大值(>5.8kgf)。
实施例5所得产品的测试数据为：6～8kgf。
3、正压力测试：
瓶身正放，使用拉压力试验机，速度设定12.7mm/min，位移为6.35mm，将上夹具加载于瓶口上，记录最大值(>21kgf)。
实施例5所得产品的测试数据为：23～25kgf。
二、冲击强度：
低温跌落测试：
产品装标称内容物，在-15℃下放置24小时后，1.5米正放跌落一次，破裂比例<15％。
实施例5所得产品的测试数据为：9％～13％。
实施例6纳米无机材料改性聚丙烯的制备
(1)把聚丙烯60质量份(其中EP300H 23.1质量份，HP550J 36.9质量份)、实施例1得到的色母35质量份、增韧剂POE8200(购自美国陶氏化学(中国)有限公司)4质量份，其余步骤按实施例4相同的步骤，即得纳米无机材料改性聚丙烯。
(2)所得产品性能数据：
1、产品打盖测试：
将盖轻放瓶口置于上下夹具中间，使用拉压力试验机，速度设定为254mm/min，位移为5.5mm，将上夹具加载与瓶盖，使其与瓶身完全配合，记录最大值。
标准：<25kgf。
实施例6所得产品的测试数据为：22～24kgf。
2、侧压力测试：
瓶身侧放，使用拉压力试验机，速度设定220mm/min，位移12.5mm，将上夹具加载于瓶身上，记录最大值(>5.8kgf)。
实施例6所得产品的测试数据为：7～9kgf。
3、正压力测试：
瓶身正放，使用拉压力试验机，速度设定12.7mm/min，位移为6.35mm，将上夹具加载于瓶口上，记录最大值(>21kgf)。
实施例6所得产品的测试数据为：24～26kgf。
二、冲击强度：
低温跌落测试：
产品装标称内容物，在-15℃下放置24小时后，1.5米正放跌落一次，破裂比例<15％。
实施例6所得产品的测试数据为：11％～13％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米无机材料改性聚丙烯，其特征在于包括如下按质量份计的组分：聚丙烯50～60份、色母30～40份、增韧剂3～5份。
2.根据权利要求1所述的纳米无机材料改性聚丙烯，其特征在于：所述的聚丙烯为EP300H与HP550J按质量比(3～5):(6～8)配比组成。
3.根据权利要求1所述的纳米无机材料改性聚丙烯，其特征在于：所述的增韧剂为POE8200。
4.根据权利要求1所述的纳米无机材料改性聚丙烯，其特征在于：所述的色母的制备方法包括如下步骤：
(1)取13～15质量份的颜料，40～45质量份的载体，35～40质量份的滑石粉，3～5质量份的偶联剂；
(2)将载体、颜料和偶联剂通过计量喂料机，经过挤出机的螺杆熔融均化；
(3)将滑石粉，经过双螺杆作为喂料螺杆，经重力落料管道，落入双螺杆侧向喂料机上方的受料料斗，然后再经过高速的啮合喂料双螺杆，从挤出机的侧面喂入到挤出机里面；
(4)进过排气口、冷切机头、冷却水槽、吹干机、切粒机后，密封打包，即得到色母。
5.根据权利要求4所述的纳米无机材料改性聚丙烯，其特征在于：
步骤(1)中所述的颜料为钛白粉；
步骤(1)中所述的载体为线型低密度聚乙烯。
6.根据权利要求4所述的纳米无机材料改性聚丙烯，其特征在于：步骤(1)中所述的偶联剂为钛酸酯偶联剂；
步骤(2)中所述的挤出机为长径比是1:30的双螺杆挤出机，其加工温度为210～220℃。
7.权利要求1～6任一项所述的纳米无机材料改性聚丙烯的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)把聚丙烯50～60质量份、色母30～40质量份、增韧剂3～5份质量份，分别加到集中供料料箱，经集中供料系统送到自动配料机；
(2)将步骤(1)自动配料机中的材料经集中供料系统输送到机台带烘干机的料斗；
(3)步骤(2)料斗中的材料，由料斗落到螺杆里，在175℃～185℃温度下熔融均匀，即得纳米无机材料改性聚丙烯。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：还包括如下步骤：
将步骤(3)得到的纳米无机材料改性聚丙烯，从机头挤出成料胚管，再由模具合拢，高压空气顶吹法，最后得到纳米无机材料改性聚丙烯制品。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的烘干机的温度为70℃～90℃；
步骤(4)中所述的螺杆的长径比为25:1。
10.权利要求1～6任一项所述的纳米无机材料改性聚丙烯在食品包装中的应用。
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