CN107090151A - 一种具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物，原料主要包括以下质量份配比：聚乙烯醇70‑99份，增塑剂1‑30份，硅烷偶联剂0.5‑20份，抗氧化剂0.1‑10份，增塑剂选自多元醇。本申请优选两种不同聚合度的聚乙烯醇进行复配，改善了加工流动性。本发明还使用了多种环保无毒的增塑剂进行复配，使增塑效果明显。原料中的增塑剂、硅烷偶联剂和抗氧剂共同改性PVA，各原料组分间相互作用破坏PVA分子内和分子间氢键使得PVA材料的熔点降低、热分解温度升高，获得宽熔融加工窗口，实现熔融加工，拓宽了PVA的应用领域。

Description

一种具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物
技术领域
本发明属于聚乙烯醇组合物制备领域，特别是一种具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物及其制备方法。
背景技术
聚乙烯醇(PVA)是一种可由非石油路线大规模生产的水溶性高分子聚合物。聚乙烯醇分子中的大量羟基使其具有优异的耐油、耐溶剂及气体阻隔性能，在食品、香烟、化妆品等保香包装方面具有独特优势。然而，由于 PVA 高分子链相邻羟基间易形成大量的分子内和分子间氢键，使其热分解温度 (200-250℃) 与熔点 (220-240℃ ) 接近，熔融时即发生热分解，因此难以熔融加工，而一般采用溶液纺丝法、流延成膜，这仅能制备低维制品(比如薄膜、纤维等)，而且加工工艺复杂、能耗高、成本高，这极大地限制了PVA的应用与发展。
从目前的研究情况看, 加入小分子物质或低聚物增塑剂是实现PVA熔融加工的最为有效和直接的方法。加入的小分子物质或低聚物可与PVA分子链上的羟基形成氢键，减弱了PVA分子内和分子间的作用力,以降低熔点,改善PVA熔体流动性,实现熔融加工。如JP77110782报道了一种用水作增塑剂的熔融吹塑聚乙烯醇成膜方法，但是水作增塑剂热稳定性较差，加工过程容易产生气泡，导致薄膜无法均匀成型。专利CN1368515A公开了一种用于热塑加工聚乙烯醇薄膜的新型增速方法，该方法主要选择一种可聚合的酰胺类单体作为增塑剂，以及控制水在树脂中更多以结合水的形式存在，从而有效地降低了PVA树脂的加工温度，但是该方法选用的增塑剂容易迁移，且具有一定的毒性，使制备的薄膜不适合做食品包装膜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物及其制备方法。本发明通过加入增塑剂、硅烷偶联剂和抗氧剂来提高PVA复合材料热分解温度，降低其熔点温度，拓宽PVA的熔融加工窗口，实现熔融加工，降低熔融加工的难度。本发明聚乙烯醇组合物通过熔融加工的方法可制成薄膜、纤维、管材等，用于食品、药品、粮食等包装领域。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物，原料主要包括以下质量份配比
聚乙烯醇 70-99份，
增塑剂 1-30份，
硅烷偶联剂 0.5-20份，
抗氧化剂 0.1-10份，
所述增塑剂选自多元醇。
优选地，聚乙烯醇的聚合度为500～2400，醇解度为85～100%。优选两种不同聚合度的复合物，改善加工流动性，其中低聚合度的聚乙烯醇作为增塑剂。
本发明增塑剂选自乙二醇、丙三醇、季戊四醇、赤藓醇、山梨糖醇、聚乙二醇、低分子量的聚乙烯醇多元醇中的一种或多种，选用多种增塑剂进行复配，使增塑效果明显。所选择的增塑剂都含有大量的羟基，可以破坏PVA分子间与分子内氢键，与PVA形成新的氢键作用，从而降低PVA的熔点，改善加工流动性。
本发明的硅烷偶联剂的结构通式为为XSi(OY)3或XSi(OY)2Z，其中：
X为一个或多个氢原子被Cl、Br、NH2、SH、环氧基、 (甲基)丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团取代的链烃基和一个或多个氢原子被Cl、Br、NH2、SH、环氧基、 (甲基)丙烯酰氧基、异氰酸酯基官能团取代的杂链基中的一种；
Y为碳原子数1-6的烷基链中的一种；
Z为碳原子数1-6的烷基链中的一种。
本申请结构的硅烷偶联剂的主要作用原理：硅烷偶联剂的硅氧键断裂，形成硅醇基团，与PVA上的活性羟基反应脱水，从而减弱PVA自身氢键作用，降低熔点。
本发明的抗氧化剂为含磷抗氧剂或含酚类抗氧剂中的一种或多种：含磷抗氧剂既可以提高PVA的热稳定性，一定程度上还可以提高PVA阻燃性能；含酚类抗氧剂还具有不变色，无污染的特点。另外，两种抗氧剂共同使用，可以产生相互增效的作用，从而可大幅提高PVA的热稳定性。
本申请聚乙烯醇的制备方法：将聚乙烯醇、增塑剂、硅烷偶联剂、抗氧化剂分别按照重量份数称取，加入高速搅拌机中，在70~90℃下，充分混合均匀，制得混合料；然后将混合料加入挤出机进行挤出，将挤出的物料切粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物，其中挤出温度为140~240℃。
该方法与传统聚乙烯醇的加工方法相比：
传统聚乙烯醇的加工方法大多为添加大量的增塑剂，然后与PVA混合并密封增塑，直到增塑剂充分增塑到PVA分子链中，达到降低PVA熔点的目的，实现热塑加工。与传统聚乙烯醇的加工方法相比，该方法在70~90℃下高速搅拌，既可以使聚乙烯醇与助剂混合均匀，也可以利用其中释放的热量使得助剂充分渗透到PVA分子链中，减少增塑时间，混合料直接就可以进行挤出。
本申请另一聚乙烯醇的制备方法：将聚乙烯醇放入蒸馏水中配置成均匀溶液，再将称取的增塑剂、硅烷偶联剂、抗氧化剂加入聚乙烯醇溶液中，经搅拌混合均匀、干燥；然后将干燥好的混合料放入挤出机中，直接挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物；其中挤出温度为 140-240℃。该方法与传统聚乙烯醇的加工方法相比：无须增塑，只要混合均匀，烘干即可进行挤出造料。
本申请的组合物用于制备包装膜产品、纤维制品、中空容器、管材或片材。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1) 本发明使用了两种不同聚合度的聚乙烯醇进行复配，改善了加工流动性。
本发明还使用了多种环保无毒的增塑剂进行复配，使增塑效果明显。
(2) 本发明组合物中增塑剂、硅烷偶联剂和抗氧剂共同改性PVA，各原料组分间相互作用破坏PVA分子内和分子间氢键使得 PVA 材料的熔点降低、热分解温度升高，获得宽熔融加工窗口，实现熔融加工，拓宽了PVA的应用领域。
(3) 本发明操作简单，生产效率高，生产难度低。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例 1
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1799) 90份、丙三醇 8份、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550) 2份、抗氧剂1010 1份 加入高速搅拌机中，在80℃下，充分混合均匀，制得混合料；然后混合料放入双螺杆挤出机中进行造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中，螺杆温度为 230℃，螺杆转速为 100rpm，口模温度为 210℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
实施例 2
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1799) 90份、赤藓醇 7份、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560) 3份、抗氧剂168 1份加入高速搅拌机中，充分混合均匀，制得混合料；然后混合料放入单螺杆挤出机中挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中螺杆温度为 230℃，螺杆转速为 100rpm，口模温度为 210℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
实施例 3
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1788) 80 份、季戊四醇和低分子量聚乙烯醇0588复合增塑剂(质量比1 ：1) 15份、γ-巯丙基三乙氧基硅烷(KH580) 5份、抗氧剂1076 2份加入高速搅拌机中，充分混合均匀，制得混合料 ；然后混合料加入双螺杆挤出机中挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中螺杆温度为 220℃，螺杆转速为100rpm，口模温度为 205℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
实施例 4
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1788) 35份、聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1799) 40份、乙二醇和赤藓醇复合增塑剂(质量比1 ：1) 15份、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570) 10份、抗氧剂3114 3份加入高速搅拌机中，在80℃下，充分混合均匀，制得混合料；然后混合料放入单螺杆挤出机中挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物；其中螺杆温度为 200℃，螺杆转速为 100rpm，口模温度为180℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
实施例 5
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1788) 40份、聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1799) 35份、乙二醇和赤藓醇复合增塑剂(质量比1 ：1) 10份、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570) 15份、抗氧剂168和抗氧剂1098(质量比1 ：5) 4份加入高速搅拌机中，在80℃下，充分混合均匀，制得预混料；然后再将预混料在120℃的烘箱里塑化 1 小时 ；最后将塑化好的预混料放入双螺杆挤出机中挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中，螺杆温度为 180℃，螺杆转速为 100rpm，口模温度为 170℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
实施例6
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号1799) 90份与蒸馏水3000份在 95℃下加热溶解，然后将丙三醇 6份 、γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590）4份、抗氧剂2643份加入溶液中搅拌混合均匀，随后将混合溶液倒入容器中，在 60℃下真空干燥得到干燥的混合料，然后将干燥好的混合料放入单螺杆挤出机中，直接挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中，螺杆温度为220℃，螺杆转速为80rpm，口模温度为 200℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
实施例 7
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号1788) 85份与蒸馏水2500份在95℃下加热溶解，然后将聚乙二醇和山梨糖醇复合增塑剂(质量比1 ：1) 8份、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷（KH602） 7份、抗氧剂300 2份 加入溶液中搅拌混合均匀，随后将混合溶液倒入容器中，在 60℃下真空干燥得到干燥的混合料，然后将干燥好的混合料放入单螺杆挤出机中，直接挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中，螺杆温度为210℃，螺杆转速为 80rpm，口模温度为 195℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
实施例 8
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号1788) 40份、聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号 1799) 40份与 2400份蒸馏水在95℃下加热溶解，然后将乙二醇 10份、γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(KH792) 10份、抗氧化剂1098 4份加入溶液中搅拌混合均匀，随后将混合溶液倒入容器中，在 60℃下真空干燥得到干燥的混合料，然后将干燥好的混合料放入单螺杆挤出机中，直接挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中，螺杆温度为 200℃，螺杆转速为 90rpm，口模温度为 180℃，切粒机牵引速度为10rpm。
实施例 9
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号1788) 80份与 2400份蒸馏水在 95℃下加热溶解，然后将聚乙二醇 10份、KH550和KH602(质量比1:1) 10份、抗氧剂1683份加入溶液中搅拌混合均匀，随后将混合溶液倒入容器中，在 60℃下真空干燥得到干燥的混合料，然后将干燥好的混合料放入双螺杆挤出机中，直接挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物 ；其中，螺杆温度为 200℃，螺杆转速为 80rpm，口模温度为 185℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
比较例 1
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号1799) 100份与蒸馏水3000份在95℃下加热溶解，然后将溶液倒入容器中，在80℃下真空干燥得到样品，进行裁剪制备标准样条。
比较例 2
称取聚乙烯醇(中石化长城能源化工宁夏有限公司，牌号1799) 85份、丙三醇 15份加入高速搅拌机中，在80℃下，充分混合均匀，制得混合料；然后将混合料加入双螺杆挤出机中挤出造粒，其中螺杆温度为230℃，螺杆转速为100rpm，口模温度为 220℃，切粒机牵引速度为 10rpm。
测试例 ：
将本发明实施例和对比例所得的产品进行热压成型或直接剪裁制备标准样条，按GB-13022标准进行拉伸性能测试，采用热失重分析仪和差失扫描量热仪测试其热分解温度、熔点。测试结果见表 1 所示。
表1
项目 拉伸强度/MPa 断裂伸长率/% 热分解温度/℃ 熔点/℃
实施例1 56 328 253 208
实施例2 54 359 258 203
实施例3 43 427 263 198
实施例4 42 485 276 179
实施例5 48 453 285 170
实施例6 51 376 268 196
实施例7 49 390 272 193
实施例8 48 425 277 176
实施例9 45 419 281 183
对比例1 59 318 240 231
对比例2 54 352 236 201
由表 1 中数据可以看出，与比较例 1 相比，由于实施例 1 ～ 9中分别加入了增塑剂、硅烷偶联剂和抗氧剂，实施例1～ 9中的热分解温度提高，同时熔点降低 ；其中，与比较例1相比，实施例5的热分解温度提高了 45℃，熔点降低了 61℃ ；与比较例2相比，实施例6中热分解温度提高32℃，熔点降低5℃，而且拉伸强度和断裂伸长率变化不大 。由此可见，加入增塑剂、硅烷偶联剂和抗氧剂后，PVA 的热分解温度升高，熔点略有降低，材料的力学性能不受影响。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物，其特征在于：原料主要包括以下质量份配比
聚乙烯醇 70-99份，
增塑剂 1-30份，
硅烷偶联剂 0.5-20份，
抗氧化剂 0.1-10份，
所述增塑剂选自多元醇，
所述硅烷偶联剂的结构通式为为XSi(OY)3或XSi(OY)2Z，其中：
X为一个或多个氢原子被Cl、Br、NH2、SH、环氧基、 (甲基)丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团取代的链烃基和一个或多个氢原子被Cl、Br、NH2、SH、环氧基、 (甲基)丙烯酰氧基、异氰酸酯基官能团取代的杂链基中的一种；
Y为碳原子数1-6的烷基链中的一种；
Z为碳原子数1-6的烷基链中的一种。
2.根据权利要求1所述的具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物，其特征在于：聚乙烯醇的聚合度为500～2400，醇解度为85～100%。
3.根据权利要求2所述的具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物，其特征在于：所述聚乙烯醇选自两种不同聚合度的复合物。
4.根据权利要求1所述的具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物，其特征在于：所述增塑剂选自乙二醇、丙三醇、季戊四醇、赤藓醇、山梨糖醇、聚乙二醇、低分子量的聚乙烯醇多元醇中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物，其特征在于：所述抗氧化剂为含磷抗氧剂或含酚类抗氧剂中的一种或多种。
6.一种制备权利要求1所述具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物的方法，其特征在于：将聚乙烯醇、增塑剂、硅烷偶联剂、抗氧化剂分别按照重量份数称取，加入高速搅拌机中，在70～90℃下，充分混合均匀，制得混合料；然后将混合料加入挤出机进行挤出，将挤出的物料切粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物，其中挤出温度为140～240℃。
7.一种制备权利要求1所述具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物的方法，其特征在于：将聚乙烯醇放入蒸馏水中配置成均匀溶液，再将称取的增塑剂、硅烷偶联剂、抗氧化剂加入聚乙烯醇溶液中，经搅拌混合均匀、干燥；然后将干燥好的混合料放入挤出机中，直接挤出造粒，制得热塑性聚乙烯醇组合物；其中挤出温度为 140～240℃。
8.一种权利要求1～5中任一项所述的具有较宽熔融加工窗口的聚乙烯醇组合物的用途，其特征在于：所述组合物用于制备包装膜产品、纤维制品、中空容器、管材或片材。
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