CN108587016A - 聚乙烯醇水溶性泡沫塑料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料及其制备方法，以聚合度为500～2400，醇解度为85～99％聚乙烯醇粉料和水作为主要原料，在避免使用缩醛剂或交联剂的情况下，改进生产工艺，首先特定温度的热水溶胀，接着通过挤出加工成可发泡粒料，最后再通过快速升温法或瞬间减压方式制备聚乙烯醇泡沫材料，使产品保持很好的水溶性，而且工艺相对简单、成本低。所制备的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料具有很好的水溶性，可广泛应用于一次性医药、包装、制药等领域，具有易降解的特点。

Description

聚乙烯醇水溶性泡沫塑料及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于泡沫塑料或高分子发泡材料领域，特别涉及一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料及其制备方法和用途。
背景技术
聚合物发泡材料以已广泛应用于包装、医药、电子、汽车、航空航天、建筑节能等诸多领域，但是目前使用的发泡材料难以降解，当丢弃后对环境造成很大影响，因此制造一种可以水溶、可生物降解的发泡材料以替代传统聚烯烃类发泡材料在是非常必要的。
聚乙烯醇(PVA)作为一种水溶性聚合物，是一种可生物降解的聚烯烃，在环境中可以被微生物分解为二氧化碳和水，是一种环境友好材料。如果用聚乙烯醇代替常见聚烯烃类发泡材料对于减少白色污染有重大意义。
由于聚乙烯醇的熔融温度比较高，且与分解温度接近，要进行直接热塑加工发泡有一定的困难，目前其主要发泡产品的制备主要采用溶液发泡法或模压发泡法。如公开号为CN 101966409 A的专利文献中就是将聚乙烯醇溶于水然后与发泡助剂、交联剂、催化剂进行交联固化，在交联固化的同时或后期进行发泡，产生多孔性泡沫，之后再进一步熟化交联得到PVA海绵。而在公开号为CN 1289629 A的专利文献中，采用超细淀粉颗粒作为泡孔成核剂、甲醛为交联剂，在PVA溶胶固化成型后，再清洗掉淀粉得到细孔聚乙烯醇缩甲醛海绵。上海华一经济科技实业公司徐凌云以聚乙烯醇和玉米淀粉为主要成分加入醛、硫酸、有机硅消泡剂和表面活性剂，通过浇铸成型制备高吸水泡沫塑料，参见CN 1095075 A；陈信生等采用由PVA、甲醛、酸和化学发泡剂混合后于50～60℃条件下固化成型，得到可用于污水处理、隔温隔热、缓冲击填充材料的发泡PVA，参见CN 1557872 A；朱铁桥采用聚乙烯醇、甲醛为原料，在酸催化作用下经聚合反应后再添加乙二醛和碳酸氢钠发泡剂，经聚合打泡铸型脱模、洗涤加工成型，制备可用于外科手术吸液吸血PVA发泡材料(CN94102999.9)；湖北大学吴雄等将PVA、甘油、硬脂酸盐、对甲苯磺酰胺基脲发泡剂、轻质碳酸钙粉末等混合，经塑炼后，采用化学发泡法制备聚乙烯醇发泡材料。北京师范大学项爱民等以聚乙烯醇为基体，超临界二氧化碳为物理发泡剂，采用间歇式发泡法制备了环境友好型泡沫材料。研究了聚乙烯醇超临界二氧化碳发泡过程中成核剂种类和尺寸对PVA微孔泡沫泡孔结构的影响及调控机制。近年来聚乙烯醇熔融加工已经得到了解决，挤出发泡技术成本低、效率高，受到了极大关注。公开号为CN 101153089 A的专利采用水为发泡剂和增塑剂，经溶胀、熔融加工发泡。
目前国内常用模压发泡法、溶液浇铸法制备聚乙烯醇泡沫材料，生产周期长，工艺复杂，操作复杂，还存在化学发泡剂或缩醛剂的残留。热塑挤出发泡制备聚乙烯醇泡沫虽然工艺简单，其缺点是气泡成核和增长一步进行，不易控制。在上述这些制备聚乙烯醇的发泡材料中，一般加入缩醛剂或交联剂，使现在使用的产品是水不溶性的，这在一定程度上影响了它们在环境中的降解，另一方面也失去了聚乙烯醇作为水溶聚合物的这一特点。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生产方法简单、无交联剂、可水溶、可降解的环保型聚乙烯醇发泡材料或泡珠的制备方法。
本发明的第一个目的是提供一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按照以下重量份分别称取各原料：聚乙烯醇粉料65～100份、水10～45份、增塑剂0～10份、成核剂0～10份，备用；
其中，所述聚乙烯醇粉料的聚合度为500～2400，醇解度为85～99％；
S2：将S1中称取的聚乙烯醇粉料、水、增塑剂和成核剂进行共混，并在于65～80℃热水中浸透，沥干，得到含水共混物；之后用得到的含水共混物在50～120℃下用双螺杆机挤出造粒；
S3：将S2得到的粒料进行恒温干燥，控制水份含量在8～18％范围内；
S4：将S3得到的干燥粒料进行降压发泡，于100～150℃，压强在0.2～1.5MPa，然后迅速减压，得到发泡粒料；或，
将S3得到的干燥粒料进行微波发泡，微波功率为500～2000W，时间2～5min，得到发泡粒料；
发泡粒料成型后得到所述聚乙烯醇水溶性泡沫塑料产品。
优选地，S2中，共混温度为50～90℃，共混时间为10～30min。
更优选地，S2中，共混温度为60～80℃，共混时间为15～20min。
优选地，S2中，双螺杆机的长径比为28～32：1，直径为20～65mm，挤出条件为：挤出温度80～95℃，转速为50～150转/秒。
优选地，发泡粒料成型的具体过程如下：
将发泡粒料放入具有进气和出气孔的模具中，填装以各发泡粒子与周边粒子有接触为度，通入60-90℃的水蒸汽，使泡沫粒子表面有溶解为止，停止得到特定形状的产品。
优选地，所述成核剂选自甲酰胺、纳米碳酸钙、纳米氧化锌、滑石粉、白炭黑、二氧化硅、蒙托土、粘土中的至少一种。
优选地，所述增塑剂选自甘油、柠檬酸三丁酯、单甘脂、甲酰胺、低分子量聚醚、三乙醇胺、油酸酰胺、硬脂酸酰胺中的至少一种。
本发明的第二个目的是提供上述任一方法制备的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料。
本发明的第三个目的是提供上述聚乙烯醇水溶性泡沫塑料作为医药包装材料的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的提供了一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料及其制备方法，采用价廉易得、环境友好的水作发泡剂、增塑剂、成核剂和功能助剂，通过物理方法制备聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，所制备的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料具有很好的水溶性和泡沫密度，可广泛应用于一次性医药、包装、制药等领域，具有易降解的特点。
(2)本发明以聚合度为500～2400，醇解度为85～99％聚乙烯醇粉料和水作为主要原料，在避免使用缩醛剂或交联剂的情况下，改进生产工艺，首先特定温度的热水溶胀，接着通过挤出加工成可发泡粒料，最后再通过快速升温法或瞬间减压方式制备聚乙烯醇泡沫材料，使产品保持很好的水溶性，且发泡倍率高，可制备中发泡泡沫材料，而且工艺相对简单、成本低。
(3)由于制备聚乙烯醇极性泡沫过程中不添加任何缩醛剂或交联剂，具有清洁、连续、高效、简便、经济的特点，并可根据需要生产不同形状的泡沫制品，诸如板材、片材、薄膜、块体、珠粒等多种形态，适应性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的发泡PVA颗粒示意图；
图2为本发明实施例3制备的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的电镜照片。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，下文中所用是的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1700，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份。
上述聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备过程具体如下：
将聚合度为1700、醇解度为99％的聚乙烯醇粒料100份、水45份混合，共混温度为60℃，共混时间为20min，之后于70℃的封闭式恒温容器中搅拌并充分溶胀，沥干，得到含水共混物，然后将溶胀的含水共混物使用双螺杆挤出机进行挤出造粒，其中加料区温度为60℃，中间段温度为90℃，模头温度为95℃，该双螺杆挤出长径比为30：1，直径为65mm，双螺杆转速为120rpm。将所得挤出粒料置于50℃烘箱中干燥，当水份含量为13％时，取出；用800W功率的微波炉中进行发泡，时间为2min，得到发泡的PVA泡珠，PVA泡珠具体见图1所示。通过短时间的微波发泡，使物料中的水分快速吸收微波后短时间汽化，且由于压力突然释放，被加热的物料内部水分发生闪蒸，从而带动物料组织膨化，提高产物的溶解度。微波膨化发泡由于加热速度快(整体温度快速升至90～130℃)，物料受热时间短，相对不易造成物料的某些不必要化学反应，也有助于溶解度的提高，尽可能保持水溶性。
实施例2
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1700，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份、甘油(丙三醇)5份。其制备过程和实施例1相同。
实施例3
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1799，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份、甘油(丙三醇)5份。其制备过程和实施例1相同。
实施例4
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1788，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份、甘油(丙三醇)5份。其制备过程和实施例1相同。
实施例5
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1700，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份、甘油(丙三醇)5份、甲酰胺1份、纳米碳酸钙1份。其制备过程和实施例1相同。
实施例6
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1700，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份、聚醚5份、甲酰胺1份、纳米二氧化钛1份。其制备过程和实施例1相同。
实施例7
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1700，醇解度为88％聚乙烯醇粉料100份、水45份、单甘酯5份、甲酰胺1份、纳米二氧化硅1份。其制备过程和实施例1相同。
实施例8
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，具体原料配方与实施例2相同，具体制备过程和实施例1相同，不同之处仅在于，将所得挤出粒料置于50℃烘箱中干燥，当水份含量为12％时，取出；用800W功率的微波炉中进行发泡，时间为2min，得到发泡的PVA泡珠。
实施例9
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，具体原料配方与实施例3相同，具体制备过程和实施例1相同，不同之处仅在于，将所得挤出粒料置于50℃烘箱中干燥，当水份含量为10％时，取出；用800W功率的微波炉中进行发泡，加热发泡，时间为2min，得到发泡的PVA泡珠，图2为本实施例制备得到的PVA泡珠的电镜照片，由图2可以看出，发泡PVA为开口型泡孔。
实施例10
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，具体原料配方与实施例4相同，具体制备过程和实施例1相同，不同之处仅在于，将所得挤出粒料置于50℃烘箱中干燥，当水份含量为13％时，取出；用800W功率的微波炉中进行发泡，加热发泡，时间为2min，得到发泡的PVA泡珠。
实施例11
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，具体原料配方与实施例5相同，具体制备过程和实施例1相同，不同之处仅在于，将所得挤出粒料置于50℃烘箱中干燥，控制水份含量为12％左右，用双螺杆挤压膨化机发泡成型，温度控制在120℃，得管状发泡材料(材料的形状随口模的形状而变)。
实施例12
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，具体原料配方与实施例3相同，具体制备过程和实施例1相同，不同之处仅在于，将所得挤出粒料置于50℃烘箱中干燥，当水份含量为10％时，取出；且发泡过程不同，本实施例采用气流膨化机发泡，当温度达到150℃，压力达0.8MPa，瞬间开盖降至常温常压，得发泡粒料，体积增大6倍。
实施例13
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，具体原料配方与实施例1相同，具体制备过程和实施例1相同，不同之处仅在于，在80℃的封闭式恒温容器中充分溶胀。
实施例14
本实施例一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料，具体原料配方与实施例1相同，具体制备过程和实施例1相同，不同之处仅在于，用500W功率的微波炉中进行发泡，时间为5min。
对比例1
本对比例一种聚乙烯醇泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1700，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份。
上述聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备过程具体如下：
将聚合度为1700、醇解度为99％的聚乙烯醇粒料100份、水45份加入到70℃的封闭式恒温容器中搅拌并充分溶胀，将充分溶胀的聚乙烯醇粒料直接在160℃的双螺杆挤出机中熔融挤出发泡制备聚乙烯醇泡沫塑料。
对比例2
本对比例一种聚乙烯醇泡沫塑料，包括如下重量份的原料：聚合度为1700，醇解度为99％聚乙烯醇粉料100份、水45份。具体制备过程和对比例1相同，不同之处仅在于：采用常温溶胀的方式处理原料，即在20℃的封闭式恒温容器中充分溶胀。
上述实施例1～12提供的聚乙烯醇泡沫塑料均具有很好的水溶性，且满足泡沫塑料对于力学和加工性能的要求。
表1各材料的性能指标
由表1可以看出，本发明实施例1～14所制备的发泡聚乙烯醇材料，具有完全的水可溶性，以聚乙烯醇1799制备的发泡材料为例，在热水很快溶解，而以1788为原料制备的发泡材料，可以冷水溶解。对比例1～2提供的发泡聚乙烯醇材料相对来说，可溶性较差。进一步的，我们发现泡沫密度或发泡的倍率与制备的发泡粒料的含水量相关，当含水量增多，发泡倍率增大，泡沫密度减小，但如果含水量过高，在受热后会形成粘流体而不利于发泡，难以得到较好的泡沫材料，这说明粒料水份含量的控制是发泡效果好坏的关键。因此，我们控制粒料的水份含量在8～18％范围内，有利于发泡。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：按照以下重量份分别称取各原料：聚乙烯醇粉料65～100份、水10～45份、增塑剂0～10份、成核剂0～10份，备用；
其中，所述聚乙烯醇粉料的聚合度为500～2400，醇解度为85～99％；
S2：将S1中称取的聚乙烯醇粉料、水、增塑剂和成核剂进行共混，并在于65～80℃热水中浸透，沥干，得到含水共混物；之后用得到的含水共混物在50～120℃下用双螺杆机挤出造粒；
S3：将S2得到的粒料进行恒温干燥，控制水份含量在8～18％范围内；
S4：将S3得到的干燥粒料进行降压发泡，于100～150℃，压强在0.2～1.5MPa，然后迅速减压，得到发泡粒料；或，
将S3得到的干燥粒料进行微波发泡，微波功率为500～2000W，时间2～5min，得到发泡粒料；
发泡粒料成型后得到所述聚乙烯醇水溶性泡沫塑料产品。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，其特征在于，S2中，共混温度为50～90℃，共混时间为10～30min。
3.根据权利要求2所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，其特征在于，S2中，共混温度为60～80℃，共混时间为15～20min。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，其特征在于，S2中，双螺杆机的长径比为28～32：1，直径为20～65mm，挤出条件为：挤出温度80～95℃，转速为50～150转/秒。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，其特征在于，发泡粒料成型的具体过程如下：
将发泡粒料放入具有进气和出气孔的模具中，填装以各发泡粒子与周边粒子有接触为度，通入60-90℃的水蒸汽，使泡沫粒子表面有溶解为止，停止得到特定形状的产品。
6.根据权利要求1所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，其特征在于，所述成核剂选自甲酰胺、纳米碳酸钙、纳米氧化锌、滑石粉、白炭黑、二氧化硅、蒙托土、粘土中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料的制备方法，其特征在于，所述增塑剂选自甘油、柠檬酸三丁酯、单甘脂、甲酰胺、低分子量聚醚、三乙醇胺、油酸酰胺、硬脂酸酰胺中的至少一种。
8.根据权利要求1～7任一项所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料。
9.根据权利要求8所述的聚乙烯醇水溶性泡沫塑料作为医药包装材料的用途。
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