CN107987345B - 一种可控透水透气塑料薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种可控透水透气塑料薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可控透水透气塑料薄膜，该塑料薄膜组成包括高分子聚合物基料、粒径可控聚合物凝胶微球，其中粒径可控聚合物凝胶微球包括温敏聚合物和吸热无机纳米颗粒，其通过对塑料薄膜原材料的选择，实现了强光照射下，薄膜温度升高，薄膜自动出现孔洞，实现了透气透湿的效果，在低温或者夜间或者阴雨天，孔洞闭合，达到保温的效果，实现了温度和湿度智能控制的效果。

Description

一种可控透水透气塑料薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种塑料薄膜领域，具体涉及一种具有可控透水透气性的塑料薄膜领域，同时涉及一种塑料薄膜的制备方法领域。
背景技术
塑料薄膜是日常生活和工业生产中应用十分广泛的材料，通常是采用其隔水隔气的特性。在农业生产过程中，农业塑料薄膜广泛用于大棚、地膜等领域，其具有保温保水的效果，但在需要通风或长时间日照时，需要人工进行控制，避免过分的升温等。
在实际生产中，上述问题的解决通常是借助铺设结构来控制的，如在大棚设置可控天窗、遮阳帘等，没有见到在塑料膜薄制备结构中进行改进，主要在于其结构涉及存在的难度和成本控制存在较大问题。针对该问题，发明人经过长期的研究，得到一种可控透水透气的塑料薄膜，在长期阳光照射下，可以控制塑料薄膜表面出现空隙，达到温度和湿度智能控制的效果，此类研究未见有报道，本发明具体结构参见下侧技术方案。
发明内容
发明目的:本发明旨在得到一种温度和湿度智能控制的效果的塑料薄膜，其通过对塑料薄膜原材料的选择，实现了强光照射下，薄膜温度升高，薄膜自动出现可控的孔洞，实现可控的透气透湿效果，在低温或者夜间或者阴雨天，孔洞闭合，达到保温的效果。
为了实现上述效果，本发明还给出了具体的组成以及制备方法，具体如下所述。
本发明可以采用下述方案实施该技术方案。
一种可控透水透气塑料薄膜，塑料薄膜组成包括高分子聚合物基料、粒径可控聚合物凝胶微球，其中粒径可控聚合物凝胶微球包括温敏聚合物和吸热无机纳米颗粒。
作为进一步优选技术方案，所述高分子聚合物基料选自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯等中的一种或几种的混合物。
作为进一步优选技术方案，所述温敏聚合物包括异丙基丙烯酰胺的均聚物或共聚物。
作为进一步优选技术方案，所述吸热无机纳米颗粒为纳米二氧化钛，粒径为100-250纳米。
作为进一步优选技术方案，所述高分子聚合物基料和粒径可控聚合物凝胶微球的质量比为100：0.5-3.0。
作为进一步优选技术方案，所述粒径可控聚合物凝胶微球中温敏聚合物、吸热无机纳米颗粒和水的质量比为100：2-10：100-500。
作为进一步优选技术方案，所述共聚物中异丙基丙烯酰胺单体占所述共聚物中异所有单体重量的至少85%。
所述的可控透水透气塑料薄膜的制备方法，制备方法包括：所述高分子聚合物基料颗粒与所述粒径可控聚合物凝胶微球均匀混合，通过挤出得到塑料薄膜；塑料薄膜进一步被喷洒水雾，静置3-10分钟，擦干表面即得可控透水透气塑料薄膜。
作为进一步优选技术方案，所述粒径可控聚合物凝胶微球通过乳液聚合得到。
作为进一步优选技术方案，所述粒径可控聚合物凝胶微球粒径控制在1-20微米。
上述技术方案都可以达到本发明的技术效果，进一步限定的方案属于优选技术方案。
技术详述
下面分若干部分对本发明中的技术进行详细的技术和理论机理介绍。
塑料薄膜部分
本发明的可控透水透气塑料薄膜组成上包括高分子聚合物基料、粒径可控聚合物凝胶微球，其中粒径可控聚合物凝胶微球包括温敏聚合物和吸热无机纳米颗粒。其中粒径可控聚合物凝胶微球是后期透水透气可以实现的核心技术手段，通过控制微球的粒径实现透明薄膜空隙的“打开”和“关闭”。本发明中粒径可控聚合物微球采用温敏聚合物体积变化控制粒径，为了实现热转化，其中采用了吸热无机颗粒，其可以为炭黑、金属微粒、光热转换颗粒。
为了实现光线可以作为薄膜中孔隙开闭的开关，优选采用光热转换颗粒，最优选为纳米二氧化钛。其粒径在100-250纳米范围内效果最佳，粒径在150-200纳米效果更好，在优选范围内，光热转换效率较高，如果粒径过大，会导致后期微球粒径过大，影响薄膜强度以后薄膜的厚度;如果粒径过小，在薄膜很薄且填充量不大时，紫外线吸收少，温度升高慢，凝胶响应速率慢。
在聚合物凝胶微球中采用了温敏聚合物，温敏聚合物可以采用现有技术中常见的任何种类的温敏单体均聚或温敏单体与其他单体共聚得到的均聚物或者共聚物。
作为优选技术方案，所述温敏聚合物为异丙基丙烯酰胺的均聚物或共聚物，异丙基丙烯酰胺的响应温度在33℃左右，通过共聚单体种类和用量可以调节响应温度，根据使用需要进行调整。为了保证温敏响应性，在所述共聚物中异丙基丙烯酰胺单体占所有单体的重量比至少85%，如果低于该数值，温敏性无法保障，反应速率慢且与使用温度可能差异较大。
在薄膜制备中，高分子聚合物基料可以选择现有技术中常见的薄膜用聚合物，作为优选，所述聚合物基料选自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯等中的一种或几种的混合物。所述高分子聚合物基料和粒径可控聚合物凝胶微球的质量比为100：0.5-3.5。微球的用量选择是基于薄膜在后期使用中透气透湿的效果，如果微球用量低于上述数值范围下限，在高温太阳直射过程中，散热效果不好，导致在大棚或地膜使用中温度过高；如果微球用量高于上述数值范围上限，会导致失热过快，同时，也会较大程度上降低薄膜强度。
凝胶微球优选采用水凝胶微球，其在使用过程中“失水-吸水”，可以从自然界中吸收水分，可到一种可逆的循环。所述粒径可控聚合物凝胶微球中温敏聚合物、吸热无机纳米颗粒和水的质量比为100：2-10：100-500，二氧化钛用量过高过低都会影响温敏的响应性；过高的话，失热透气过快，过低的话，响应速率过低，都不适合实际使用。
塑料薄膜的制备方法
在塑料薄膜制备中，凝胶微球制备方法没有明确的限定，现有技术中微凝胶的制备工艺都适用于本发明凝胶微球的制备工艺。作为优选方案，所述粒径可控聚合物凝胶微球通过乳液聚合得到。所述粒径可控聚合物凝胶微球粒径控制在1-20微米，根据薄膜厚度选择具体粒径，粒径控制根据凝胶微球制备中转速、浓度等参数进行控制，此技术现有技术有很多相关报道。
由于本发明制备中采用了水凝胶微球，其在转变温度左右会失水，而在常规制备中，其加工温度选大于上述温度，故其制备中，必须采用特殊的制备和处理。
作为本发明塑料薄膜制备的重点，其核心步骤有包括：所述高分子聚合物基料颗粒与所述粒径可控聚合物凝胶微球均匀混合，通过挤出得到塑料薄膜；塑料薄膜进一步被喷洒水雾，静置3-10分钟，擦干表面即得可控透水透气塑料薄膜。
该制备方法中，混料步骤采用常规的制备方法均可，重点是成膜后进一步喷洒水雾，使凝胶吸水。并根据需要控制静置吸水时间。不宜让水凝胶吸水时间过长，溶胀幅度过大，影响薄膜平整性以及后期温度的响应性。不采用上述方法，难以保证可以得到本发明所要求的产品结构。
同时，为了保持薄膜中凝胶微球的水含量，所述薄膜成卷后应当进行密封保藏。
塑料薄膜的应用
本发明中可控透水透气塑料薄膜可以广泛应用于需要进行温度和湿度控制的领域，同时，你需要有自然加湿或人工加湿装置配合，保证薄膜形成一种循环，自然环境过分干燥条件下使用效果不佳。具体来说，可控透水透气塑料薄膜最适宜用于农业用保温薄膜，如，大棚薄膜、地膜。
有益的技术效果
本发明属于一类首创型发明，其通过在常规塑料薄膜嵌入温敏性水凝胶微球“开关”，在阳光直射温度上升时，开关打开，塑料薄膜覆盖物温度降低，当温度降低时，开关关闭，薄膜起到保温作用。上述调节属于自动调节，无需人工再次干预，温度调节效果优异。同时，为了制备该特殊结构的塑料薄膜，本发明还提供了一种塑料薄膜的制备方法，通过二次补水的方式保证塑料薄膜结构完整性。上述塑料薄膜结构和制备方法都是保证控温控湿而研发，可以达到控制被覆盖物温度基本恒定的需要，实验效果优异。
具体实施方式
为了使技术人员可以更为直观的了解本发明的技术方案，下面给出若干个实施方式。下面提供的技术方案仅为了说明技术方案，不构成对发明技术保护范围的任何限制。
制备例1
粒径可控聚合物凝胶微球采用乳液方式制备，其中最终微球中异丙基丙烯酰胺：150nm的二氧化钛和水的重量比为100:5:200，命名为微球1，粒径约10微米。
制备例2
粒径可控聚合物凝胶微球采用乳液方式制备，其中最终微球中异丙基丙烯酰胺：150nm的二氧化钛和水的重量比为100:20:200，命名为微球2，粒径约10微米。
制备例3
粒径可控聚合物凝胶微球采用乳液方式制备，其中最终微球中异丙基丙烯酰胺：150nm的二氧化钛和水的重量比为100:1:200，命名为微球3，粒径约10微米。
制备例4
粒径可控聚合物凝胶微球采用乳液方式制备，其中最终微球中异丙基丙烯酰胺：300nm的二氧化钛和水的重量比为100:5:200，命名为微球4，粒径约10微米。
制备例5
粒径可控聚合物凝胶微球采用乳液方式制备，其中最终微球中异丙基丙烯酰胺：20nm的二氧化钛和水的重量比为100:5:200，命名为微球5，粒径约10微米。
制备例6
粒径可控聚合物凝胶微球采用乳液方式制备，其中最终微球中异丙基丙烯酰胺和水的重量比为100:200，命名为微球6，粒径约10微米。
制备例7
控制粒径25微米，其他同制备例1。
实施例1
塑料薄膜制备：聚乙烯基料颗粒与微球1以质量比100:2的比例均匀混合，通过挤出得到塑料薄膜，厚度50微米；塑料薄膜进一步被喷洒水雾，静置5分钟，擦干表面即得可控透水透气塑料薄膜。
实施例2
塑料薄膜制备：聚丙烯基料颗粒与微球1以质量比100:2的比例均匀混合，通过挤出得到塑料薄膜，厚度100微米；塑料薄膜进一步被喷洒水雾，静置5分钟，擦干表面即得可控透水透气塑料薄膜。
对比例1-6
分别采用微球2-7替换实施例1中的微球1，其他用量及步骤均与实施例1相同。
对比例7
实施例1中聚乙烯基料颗粒与微球1以质量比100:5的比例均匀混合，其他同实施例1。
对比例8
不加入微球，其他同实施例1。
对比例9
静置时间为12分钟，其他同实施例1。
测试方法
为了对本发明塑料薄膜的性能，进行如下测试，具体介绍下测试方法：
1. 降温测试
以测试薄膜覆盖带有温度计和控温装置的密闭测试盒，控制测试盒内温度30℃后关闭控温装置，外侧采用强光照射，外侧湿度60%，光照起始时温度20℃，记录30分钟内测试盒内温度变化。测试三次计算平均值。
保温测试
以测试薄膜覆盖带有温度计和控温装置的密闭测试盒，控制测试盒内温度25℃后关闭控温装置，将测试盒置于15℃的恒温环境下，外侧湿度60%，记录30分钟内测试盒内温度变化。测试三次计算平均值。
测试结果
1.降温测试结果（单位：℃）
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5 对比例6 对比例7 对比例8 对比例9
5min 26.8 27.5 25.4 28.7 28.1 28.6 28.9 27.6 26.2 30.2 27.2
10min 26.2 26.6 24.8 28.1 27.7 28.3 28.3 27.4 25.7 32.2 26.8
15min 25.8 26.3 24.1 27.4 27.2 28.0 27.7 27.0 25.2 33.5 26.2
20min 25.2 26.0 23.0 26.5 26.6 27.6 27.6 26.4 24.1 34.9 25.6
25min 24.4 25.3 22.0 26.0 25.9 27.4 27.4 26.0 23.3 36.2 24.7
30min 23.8 24.5 21.0 25.3 25.0 26.5 27.2 25.4 21.8 37.1 24.1
上述实验结果展示了本发明多个因素调整和选择的过程和效果，实施例1和对比例1和2证明了二氧化钛含量影响了微球粒径变化，对降温速率的影响；实施例1和对比例3和4证明了二氧化钛粒径变化影响微球的响应速率，对降温效果和速率有影响；实施例1和对比例7和8证明了微球用量对塑料薄膜降温的影响，同时，上述实验也还证明了塑料的透气效果与微球粒径以及制备方法是相关的。
塑料薄膜的透水降温效果是与多个因素相关的，其中二氧化钛含量、粒径以及制备微球的粒径用量密切相关。
2.保温测试结果
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5 对比例6 对比例7 对比例8 对比例9
10min 24.7 24.8 24.7 24.6 24.7 24.6 24.6 24.5 24.3 24.7 24.1
20min 24.5 24.7 24.5 24.2 24.6 24.5 24.4 24.3 24.0 24.6 23.6
30min 24.4 24.5 24.5 24.0 24.5 24.4 24.2 24.0 23.7 24.5 23.2
有上述数据可以发现，加入微球后的塑料薄膜对塑料薄膜的保温性能没有明显的影响，但如果微凝胶的粒径提及变大或者二氧化钛含量明显降低的情况下，温度会比其他组成降低的速率快。

Claims (8)

1.一种农业用可控透水透气塑料薄膜，其特征在于：塑料薄膜组成包括高分子聚合物基料和粒径可控聚合物凝胶微球，其中所述粒径可控聚合物凝胶微球包括温敏聚合物和吸热无机纳米颗粒；
所述聚合物基料选自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯中的一种或几种的混合物；
所述吸热无机纳米颗粒为纳米二氧化钛，粒径为100-250纳米。
2.根据权利要求1所述的农业用可控透水透气塑料薄膜，其特征在于：所述温敏聚合物包括异丙基丙烯酰胺的均聚物或共聚物。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的农业用可控透水透气塑料薄膜，其特征在于：所述高分子聚合物基料和粒径可控聚合物凝胶微球的质量比为100：0.5-3.5。
4.根据权利要求1所述的农业用可控透水透气塑料薄膜，其特征在于：所述粒径可控聚合物凝胶微球中温敏聚合物、吸热无机纳米颗粒和水的质量比为100：2-10：100-500。
5.根据权利要求2所述的农业用可控透水透气塑料薄膜，其特征在于：所述共聚物中异丙基丙烯酰胺单体占共聚物中所有单体重量的至少85％。
6.根据权利要求1所述的农业用可控透水透气塑料薄膜的制备方法，其特征在于：制备方法包括：所述高分子聚合物基料颗粒与所述粒径可控聚合物凝胶微球均匀混合，通过挤出得到塑料薄膜；塑料薄膜进一步被喷洒水雾，静置3-10分钟，擦干表面即得可控透水透气塑料薄膜。
7.根据权利要求6所述的农业用可控透水透气塑料薄膜的制备方法，其特征在于：所述粒径可控聚合物凝胶微球通过乳液聚合得到。
8.根据权利要求6所述的农业用可控透水透气塑料薄膜的制备方法，其特征在于：所述粒径可控聚合物凝胶微球粒径控制在1-20微米。
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