CN104194022B - 一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料及其制备方法。本发明在基体聚合物薄膜上施加将水溶性高分子插层的有机化改性的层状硅酸盐的浸渍液后，干燥得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料。本发明所制备的生物降解高阻隔塑料薄膜材料具有良好的阻湿阻气性能，并兼具较低的成本和良好的生物降解性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及可降解高阻隔塑料薄膜材料，更具体的，涉及一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料及其制备方法。
背景技术
近年来，研究开发高阻隔性材料成为塑料包装材料领域中的一个热门话题，这类材料对氧气、水蒸气和二氧化碳等有很高的阻隔性，使其具有防潮、保色、保香等特点，因此能很好的适应于各种特种塑料包装材料的需要。
塑料包装材料从工业品到生活领域同人类生活密切相关, 是塑料制品领域发展最快、应用最广的品种。随着社会的进步与发展，高效、节能、环保已成为塑料包装材料发展的趋势。然而目前所使用的高阻隔性塑料主要是聚乙烯醇类（EVOH）、聚偏二氯乙烯类（PVDC） 和尼龙类（PA）。这些塑料的共同特点是：品种少、价格昂贵、加工窗口窄、使用后不可降解，这些问题阻碍了塑料包装材料的广泛使用。
全降解聚甲基乙撑碳酸酯（PPC）不但具有一定的机械强度、优异的加工性能，而且还有良好的阻隔性能。PPC可用于-80℃的超低温保鲜膜、可降解发泡包装材料、一次性食品包装材料、一次性餐盒、全塑无压力饮料瓶等领域。
层状硅酸盐具有独特的层状结构，在与聚合物形成纳米复合材料后，能发挥有效的阻隔作用，对小分子气体和水蒸汽产生良好的阻隔性能。此外，由于层状硅酸盐的可膨润性和层间离子的可交换性，很容易与有机离子进行交换，使得层间距发生变化，表面由亲水性变为亲油性，这可使层状硅酸盐同大多数高分子具有很好的相容性。由于其价格低廉、阻隔性能卓越，高分子/粘土复合材料已成为一种新型的具有高阻隔性能的材料。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术问题，提供一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料的制备方法，以优化高阻隔塑料薄膜生产工艺，便于产业化推广应用。
本发明的另一个目的在于提供一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料，该薄膜材料具有良好的阻湿阻气性能。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将有机化改性的层状硅酸盐和水溶性高分子分散在水溶液中得到浸渍液；
S2. 在基体聚合物薄膜上施加S1的浸渍液，干燥，使浸渍液形成涂覆层，获得所述生物降解高阻隔塑料薄膜材料；
所述基体聚合物薄膜为聚甲基乙撑碳酸酯薄膜。
本发明中，由于层状硅酸盐的可膨润性和其层间离子的可交换性，很容易与有机离子进行交换，使得层间距发生变化，其经过有机化改性后表面由亲水性变为亲油性，这使层状硅酸盐同大多数高分子具有很好的相容性。层状硅酸盐具有独特的层状结构，本发明采用水溶性高分子插层有机化改性的层状硅酸盐为阻隔增强层，能发挥有效的阻隔作用，对小分子气体和水蒸汽产生良好的阻隔作用。
最后，采用浸渍或涂布等施加方法将水溶性高分子插层有机化改性的层状硅酸盐涂覆到基体聚合物薄膜上，经干燥后有效的提高了基体聚合物薄膜的阻湿阻气性能。
本发明的S1中，有机化改性层状硅酸盐的方法可以参考现有对无机物进行有机化改性的方法。
本发明的S1中，所述分散的步骤为先将有机化改性的层状硅酸盐放入水中进行分散，由于层状硅酸盐上带有的大量羟基可以与水形成氢键，使得层间高度膨胀；然后再将水溶性高分子加入进行分散，后来加入的水溶性高分子对层状硅酸盐进行插层和剥离。对层状硅酸盐进行有效的插层和剥离，可以大大延长水分子、气体分子等小分子的扩散路径，从而提高其阻隔性能。
优选地，所述分散方式为超声分散和/或搅拌等常规分散方式，所述超声频率优选为40KHz～60KHz，超声的时间优选为30min～120min。
所述搅拌速率优选为120rpm～160rpm。
经过超声分散和/或搅拌分散后可得到宏观透明均匀、体系稳定的浸渍液。
本发明的S2中，所述浸渍液的施加工艺可为采用浸渍或涂布，浸渍是指将基体聚合物薄膜浸入到浸渍液中，使得基体聚合物薄膜的两面都涂覆有浸渍液；涂布是指常规的涂布工艺。
本发明的S2中，优选地，干燥的工艺为在80℃烘箱内干燥10min。在所述干燥工艺条件下，能确保水溶性高分子和层状硅酸盐在基体聚合物上形成分布均匀，结合良好的涂覆层。
本发明中，所述基体聚合物薄膜具有1层以上的涂覆层，进一步提高生物降解高阻隔塑料薄膜材料的阻湿阻气等性能。
本发明中，所述浸渍液中有机化改性的层状硅酸盐的质量浓度为1%～5%，所述水溶性高分子的质量浓度为1%～5%。
本发明中，基体聚合物薄膜为聚甲基乙撑碳酸酯薄膜，其具有良好的阻隔性能和可生物降解性等优点；所述聚甲基乙撑碳酸酯薄膜为现有市售的或以现有常规方法自制的。所述聚甲基乙撑碳酸酯是由二氧化碳和环氧丙烷交替聚合而得，其数均分子量为50000～300000g/mol，化学结构为：
其中n的数值范围为：490～2940。
本发明中，所述层状硅酸盐为蒙脱土、水滑石等中的一种或几种。所述层状硅酸盐的可膨润性和其层间离子的可交换性，很容易与有机离子进行交换，使得层间距发生变化。
本发明中，所述有机化改性的层状硅酸盐所用有机化改性试剂为季铵盐、十二烷基硫酸钠中的一种或几种。
本发明中，所述水溶性高分子为聚乙烯醇、聚乙二醇等中的一种或几种。
本发明中，所述基体聚合物薄膜的厚度为10um～500um。
本发明中，所述生物降解高阻隔塑料薄膜材料的涂覆层厚度为1um～2um。涂覆层作为阻隔增强层，其越厚阻隔性能越好；但若太厚则会影响其与基体聚合物的附着效果以及降低塑料薄膜的柔韧性。
优选地，本发明中在浸渍液中加入助剂，所述助剂为乙二醇单甲醚、乙二醇单丁醚等中的一种或几种，用于调节阻隔增强层体系的表面张力。
一种采用上述的制备方法制备的生物降解高阻隔塑料薄膜材料，以具有生物可降解的聚甲基乙撑碳酸酯为基体薄膜，并涂覆有水溶性高分子插层的有机化改性的层状硅酸盐，该塑料薄膜材料具有很好的阻湿阻气性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明采用浸渍或涂布方法将水溶性高分子插层的有机化改性的层状硅酸盐的浸渍液施加到基体聚合物薄膜上，方法简单有效，且便于产业化的实现。
（2）本发明的生物降解高阻隔塑料薄膜材料以具有生物可降解的聚甲基乙撑碳酸酯为基体薄膜，并涂覆有水溶性高分子插层的有机化改性的层状硅酸盐的浸渍液，因此，本发明的生物降解高阻隔塑料薄膜材料具有很高的阻隔性能、良好的生物降解性等特点。
具体实施方式
本发明可以结合以下具体实施例进一步解释和阐明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。
以下实施例中，聚甲基乙撑碳酸酯薄膜为现有市售的或以现有常规方法自制的。
实施例1
将1.0 g经季铵盐有机化改性的蒙脱土放入100 ml去离子水中，超声2小时，超声频率为50KHz，将体系密封后以120rpm的转速剧烈搅拌一周；取1g聚乙烯醇（PVA）放入上述体系中，继续搅拌24小时即得到PVA插层的蒙脱土溶液，该溶液宏观透明均匀，体系稳定。将厚度为40um聚甲基乙撑碳酸酯薄膜浸渍到PVA插层的蒙脱土溶液中，取出后放在80 oC烘箱内干燥10min即得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料，其涂覆层的厚度为1.2um。其氧气透过率和水蒸气透过率结果如表1所示。
实施例2
将1.5 g经季铵盐有机化改性的蒙脱土放入100 ml去离子水中，超声2小时，超声频率为60KHz，将体系密封后以160rpm的转速剧烈搅拌一周；取1g聚乙烯醇（PVA）放入上述体系中，继续搅拌24小时即得到PVA插层的蒙脱土溶液，该溶液宏观透明均匀，体系稳定。将厚度为200um聚甲基乙撑碳酸酯薄膜浸渍到PVA插层的蒙脱土溶液中，取出后放在80 oC烘箱内干燥10min即得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料，其涂覆层的厚度为1.25um。其氧气透过率和水蒸气透过率结果如表1所示。
实施例3
将1.0 g经十二烷基硫酸钠有机化改性的水滑石放入100 ml去离子水中，超声2小时，超声频率为40KHz，将体系密封后以130rpm的转速剧烈搅拌一周；取1 g聚乙烯醇（PVA）放入上述体系中，继续搅拌24小时即得到PVA插层的水滑石溶液，该溶液宏观透明均匀，体系稳定。将厚度为500um聚甲基乙撑碳酸酯薄膜浸渍到PVA插层的水滑石溶液中，取出后放在80 oC烘箱内干燥10min即得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料，其涂覆层的厚度为1.15um。其氧气透过率和水蒸气透过率结果如表1所示。
实施例4
将2.0 g经十二烷基硫酸钠有机化改性的水滑石放入200 ml去离子水中，超声60min，超声频率为40KHz，将体系密封后以130rpm的转速剧烈搅拌一周；取4 g聚乙烯醇（PVA）放入上述体系中，继续搅拌24小时即得到PVA插层的水滑石溶液，该溶液宏观透明均匀，体系稳定。将厚度为40um聚甲基乙撑碳酸酯薄膜浸渍到PVA插层的水滑石溶液中，取出后放在80 oC烘箱内干燥10min即得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料，其涂覆层的厚度为1.1um。其氧气透过率和水蒸气透过率结果如表1所示。
实施例5
将1.0 g经十二烷基硫酸钠有机化改性的水滑石放入100 ml去离子水中，超声2小时，超声频率为50KHz，将体系密封后以150rpm的转速剧烈搅拌一周；取1 g聚乙烯醇（PVA）放入上述体系中，继续搅拌24小时即得到PVA插层的水滑石溶液，该溶液宏观透明均匀，体系稳定。将厚度为40um聚甲基乙撑碳酸酯薄膜浸渍到PVA插层的水滑石溶液中，取出后放在80 oC烘箱内干燥10min后再次浸渍到PVA插层的水滑石溶液，然后再次干燥即得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料，其涂覆层的厚度为1.5um。其氧气透过率和水蒸气透过率结果如表1所示。
实施例6
将1.0 g经季铵盐有机化改性的蒙脱土放入100 ml去离子水中，超声30min，超声频率为50KHz，将体系密封后以120rpm的转速剧烈搅拌一周；取1g聚乙二醇放入上述体系中，继续搅拌24小时即得到聚乙二醇插层的蒙脱土溶液，该溶液宏观透明均匀，体系稳定。将厚度为40um聚甲基乙撑碳酸酯薄膜用聚乙二醇插层的蒙脱土溶液进行涂布，取出后放在80 oC烘箱内干燥10min即得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料，其涂覆层的厚度为1um。其氧气透过率和水蒸气透过率结果如表1所示。
实施例7
将1.0 g经季铵盐有机化改性的蒙脱土放入由20ml乙二醇单丁醚和80ml去离子水组成的混合溶剂中，超声2小时，超声频率为50KHz，将体系密封后以160rpm的转速剧烈搅拌一周；取1g聚乙烯醇（PVA）放入上述体系中，继续搅拌24小时即得到PVA插层的蒙脱土溶液，该溶液宏观透明均匀，体系稳定。将厚度为40um聚甲基乙撑碳酸酯薄膜浸渍到PVA插层的蒙脱土溶液中，取出后放在80 oC烘箱内干燥10min即得到生物降解高阻隔塑料薄膜材料，其涂覆层的厚度为1.3um。其氧气透过率和水蒸气透过率结果如表1所示。
表1 不同实施例下膜材料的氧气透过率系数和水蒸气透过率系数
说明：a、氧气透过率测试条件为：23oC、0%RH；
b、水蒸气透过率测试条件为：23 oC、85%RH。
由表1的实验结果可知，经过本发明方法制备的生物降解高阻隔塑料薄膜材料的氧气透过率系数和水蒸气透过率系数相比聚甲基乙撑碳酸酯薄膜（PPC）均有大幅度的降低，阻湿阻气效果得到明显的改善。由实施例5可知，经过两次涂覆和干燥后得到的薄膜材料的阻湿阻气效果更为显著，实际生产过程中可以根据需要选择不同的涂覆次数。
Claims (9)
1.一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将有机化改性的层状硅酸盐和水溶性高分子分散在水溶液中得到浸渍液；
S2. 在基体聚合物薄膜上施加S1的浸渍液，干燥，使浸渍液形成涂覆层，获得所述生物降解高阻隔塑料薄膜材料；
所述基体聚合物薄膜为聚甲基乙撑碳酸酯薄膜；S1中所述分散为先将有机化改性的层状硅酸盐放入水中进行分散后，再将水溶性高分子加入进行分散。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述浸渍液中有机化改性的层状硅酸盐的质量浓度为1%～5%，水溶性高分子的质量浓度为1%～5%。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述聚甲基乙撑碳酸酯的数均分子量为50000～300000g/mol。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述层状硅酸盐为蒙脱土、水滑石中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述有机化改性的层状硅酸盐所用有机化改性试剂为季铵盐、十二烷基硫酸钠中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述水溶性高分子为聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述基体聚合物薄膜的厚度为10um～500um。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述生物降解高阻隔塑料薄膜材料的涂覆层厚度为1um～2um。
9.一种权利要求1至8任意一项所述的制备方法制备得到的生物降解高阻隔塑料薄膜材料。
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