CN110437482A - 一种五层高阻隔可降解包装材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五层高阻隔可降解包装材料及其制备方法。以生物可降解材料聚乳酸薄膜为基体，在所述聚乳酸薄膜的两侧表面上设有阻隔增强层，所述阻隔增强层为聚丙烯酸薄膜以及设于所述聚丙烯酸薄膜上的聚乙烯薄膜或聚丙烯薄膜，形成（聚丙烯或聚乙烯）/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/（聚丙烯或聚乙烯）复合薄膜。本发明以具有生物可降解的聚乳酸为基体；采用聚丙烯酸以及聚乙烯或聚丙烯流延在聚乳酸薄膜上增强阻隔性能，具有很高的阻隔性能（阻水性能和阻氧性能）、良好的生物降解性等特点；本发明采用流延的方法将聚丙烯酸以及聚乙烯或聚丙烯流延到基体聚合物聚乳酸薄膜上，方法简洁有效，便于产业化。

Description

一种五层高阻隔可降解包装材料及制备方法
技术领域
本发明属于包装材料技术领域，具体涉及一种五层高阻隔可降解包装材料及其制备方法。
背景技术
目前，在医药，化工，食品，化妆品和汽车等领域，包装材料已经从金属材料和玻璃材料慢慢转向阻隔高分子材料。由于高分子材料比金属类等材料更为透明，轻便，可设计性强，更加符合现今对包装阻隔材料的要求，因此更加受到包装行业的青睐。除此之外，高分子材料易加工，成本低，可以大量生产，广泛应用。然而，由于高分子材料本身结构上的一些特性，导致部分高分子材料的阻隔能力达不到一些包装产品高阻隔的要求，因此，如何进一步有效地提高阻隔高分子材料对氧气，水蒸气，芳香分子等的阻隔性能是目前研究的重要方向。
如今在一些高阻隔包装材料的行业当中，高阻隔的高分子复合材料已经开始得以应用，根据所需要求用简便的方法对多种材料进行复合，最后得到的材料不仅能够达到所需的阻隔要求，并且还能同步提高其他性能，让高分子复合材料的综合性能得到很大的提高。尤其是对于使用广泛的通用塑料，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS) 等，如果能提高这些产量大、加工性能好且成本低的通用塑料的阻隔性能，相信会对包装阻隔领域产生非常重要的影响。
阻隔高分子材料对小分子有着一定的阻挡能力，可以广泛应用于包装行业，用于食品，医疗，电子器件等包装领域当中。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。
聚乳酸(PLA)是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米、木薯等)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。
聚乳酸还具有良好的机械性能，高抗击强度，高柔性和热稳定性，不变色，对氧和水蒸气具有良好的透过性，又有良好的透明性和抗菌、防霉性，使用寿命可达2-3年。但由于聚乳酸具有良好的透气性和透氧性，它也具有隔离气味的特性，因此病毒及霉菌容易依附在生物可降解塑料的表面。因此，需要对其具有适当的复合，从而能够达到所需的阻隔要求。
聚丙烯酸(PAA)是一种水溶性的丙烯酸的聚合物，可作增稠剂、分散剂、絮凝剂、胶粘剂和成膜剂等，还具有良好的阻氧性能。广泛用于涂料、造纸、纺织、采油、采矿、食品、医药、化妆品及水处理等工业中。
聚乙烯(PE)是结构最简单的高分子，也是应用最广泛的高分子材料。它无毒、无臭、无味，由重复的–CH2–单元连接而成的，故其分子链柔顺性好，分子链排列紧密，化学稳定性很好并且水蒸气的阻隔性能十分优异，易加工。
聚丙烯(PP)是由丙烯聚合而成的一种热塑性塑料，按甲基排列位置分为等规聚丙烯、无规聚丙烯和间规聚丙烯三种。聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶聚合物，结构规整，因而具有优良的力学性能和阻水性能，易加工。
聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等烯烃类聚合物是结晶型聚合物，因其阻隔性能好、抗冲击强度高、高透明，就其价格和性能两方面，烯烃类聚合物薄膜为理想的包装材料。其能否与聚乳酸薄膜结合生成生物降解高阻隔塑料薄膜材料是本发明需要研究的课题。
发明内容
本发明的目的是提高聚乳酸的阻隔性能，提供一种五层高阻隔可降解包装材料。
本发明的目的还在于提供上述五层高阻隔可降解包装材料的制备方法，为上述生物降解高阻隔塑料薄膜材料的工业化生产提供一种可靠的途径。
本发明的上述第一个目的可以通过以下技术方案来实现：一种生物降解高阻隔塑料复合薄膜材料，以生物可降解材料聚乳酸薄膜为基体，在所述聚乳酸薄膜的两侧表面上设有阻隔增强层，所述阻隔增强层为聚丙烯酸薄膜以及设于所述聚丙烯酸薄膜上的聚乙烯薄膜或聚丙烯薄膜，形成(聚丙烯或聚乙烯)/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/(聚丙烯或聚乙烯)复合薄膜。
可选地，所述聚乳酸薄膜的数均分子量为50,000至250,000 g/mol，化学结构单元为(n满足其分子量范围)：
可选地，所述聚乳酸薄膜的厚度为30～90μm。
更佳地，所述聚乳酸薄膜的厚度为40～60μm。
可选地，所述聚丙烯酸薄膜的厚度为1～3μm。
更佳地，所述聚丙烯酸薄膜的厚度为1～2μm。
可选地，所述聚乙烯薄膜或聚丙烯的厚度为1～2μm。
更佳地，所述聚乙烯薄膜或聚丙烯薄膜的厚度为1～1.5μm。
可选地，为了提高聚乳酸薄膜的阻隔性能，所述聚乙烯薄膜或所述聚丙烯薄膜为单层或多层。
更佳地，为了提高聚乳酸薄膜的阻隔性能，所述聚乙烯薄膜或所述聚丙烯薄膜为单层或两层。
本发明通过在可降解的聚乳酸(PLA)的薄膜两个表面设置较薄的水溶性的聚丙烯薄膜(PAA)，同时在聚丙烯薄膜(PAA)上设置较薄的高阻隔塑料薄膜聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，使制成的(聚丙烯或聚乙烯)/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/(聚丙烯或聚乙烯)复合薄膜既具有很高的阻隔性能，又具有良好的生物降解性，并为聚乳酸基生物降解高阻隔塑料薄膜材料的工业化生产提供了途径。
同时聚乳酸(PLA)透氧性和透水性能好，而聚丙烯酸(PAA) 具有很好的阻氧性能，聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)阻水性好，将三者结合后，形成的聚丙烯或聚乙烯)/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/ (聚丙烯或聚乙烯)复合薄膜，其阻水性和阻氧性好，因此在对于透气性和透水性要求比较高的包装薄膜上，使用效果非常好。
本发明的上述第二个目的可以通过以下技术方案来实现：上述五层高阻隔可降解包装材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)聚丙烯酸配置成水溶液；
(2)将权利要求1所述的基体薄膜浸渍在聚丙烯酸水溶液中，通过浸渍涂布后经干燥得到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸复合薄膜；
(3)把聚乙烯树脂或聚丙烯树脂通过螺杆机挤出机进行塑化；
(4)设置好温度，将聚乙烯或聚丙烯流延到聚丙烯酸/聚乳酸/ 聚丙烯酸薄膜上；
(5)将流延后的聚丙烯酸-聚乳酸薄膜冷却干燥，制得(聚丙烯或聚乙烯)/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/(聚丙烯或聚乙烯)复合薄膜。在上述生物降解高阻隔塑复合料薄膜材料的制备方法中：
可选地，步骤(1)中所述聚丙烯酸的分子量为2000-5000。
更佳地，步骤(1)中所述聚丙烯酸水溶液的质量浓度为5％-10％。
可选地，步骤(3)中螺杆机挤出机机筒的温度设置如下：加料段175～185℃，塑化段195～205℃，均化段225～235℃。
可选地，步骤(4)中流延时采用流延机，流延机中各段温度设置如下：中间部位205～210℃，两端部位215～220℃，冷却辊的温度为25±5℃。
冷却辊的温度是指步骤(4)中将聚乙烯或聚丙烯流延到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸薄膜表面后在冷却辊上冷却时时冷却辊的温度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明以具有生物可降解的聚乳酸为基体；采用采用聚丙烯酸(PAA)以及聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)流延在聚乳酸薄膜上增强阻隔性能，利用本发明所制备的生物降解高阻隔塑料薄膜材料的结构为(PE或PP)/PAA/PLA/PAA/(PE或PP)，其具有很高的阻隔性能(阻水性能和阻氧性能)、良好的生物降解性等特点；
(2)本发明采用流延的方法将聚丙烯酸(PAA)以及聚乙烯(PE) 或聚丙烯(PP)流延到基体聚合物聚乳酸薄膜上，方法简洁有效，便于产业化。
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。
实施例1
本实施例提供的五层高阻隔可降解包装材料，以生物可降解材料聚乳酸薄膜为基体，在聚乳酸薄膜的两侧表面上设有阻隔增强层，阻隔增强层为聚丙烯酸薄膜以及设于所述聚丙烯酸薄膜上的聚乙烯薄膜，形成聚乙烯/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/聚乙烯复合薄膜即PE/PAA/PLA/PAA/PE复合薄膜。
其中：
聚乳酸薄膜的数均分子量为50,000至250,000g/mol。
聚乳酸薄膜的厚度为30μm。
聚丙烯酸薄膜的厚度为1μm。
聚乙烯薄膜的厚度为1μm。
聚乙烯薄膜为两层。
该五层高阻隔可降解包装材料的制备方法如下：
(1)聚丙烯酸配置成水溶液；
(2)聚乳酸基体薄膜浸渍在聚丙烯酸水溶液中，通过浸渍涂布后经干燥得到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸复合薄膜；
(3)把聚乙烯树脂通过螺杆机挤出机进行塑化；
(4)设置好温度，将聚乙烯流延到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸薄膜上；
(5)将流延后的聚丙烯酸-聚乳酸薄膜冷却干燥，制得(聚丙烯或聚乙烯)/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/(聚丙烯或聚乙烯)复合薄膜，然后重复步骤(4)～步骤(5)，制得聚乙烯为双层的聚乙烯/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/聚乙烯薄膜。
其中：
步骤(3)中聚乙烯树脂的熔融指数为2-8g/10min。
步骤(3)中螺杆机挤出机机筒的温度设置如下：加料段175℃，塑化段195℃，均化段225℃。
步骤(4)中流延时采用流延机，各段温度设置如下：中间部位 205℃，两端部位215℃，冷却辊的温度为30℃。
实施例2
本实施例提供的五层高阻隔可降解包装材料，以生物可降解材料聚乳酸薄膜为基体，在聚乳酸薄膜的两侧表面上设有阻隔增强层，阻隔增强层为聚丙烯酸薄膜以及设于聚丙烯酸薄膜一面上的聚丙烯薄膜，另一面上的聚乙烯薄膜，形成聚丙烯/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸 /聚乙烯复合薄膜即PP/PAA/PLA/PAA/PE复合薄膜。
其中：
聚乳酸薄膜的数均分子量为100,000至200,000g/mol。
聚乳酸薄膜的厚度为50μm。
聚丙烯酸薄膜的厚度为2.0μm。
聚乙烯薄膜和聚丙烯薄膜的厚度均为1.5μm。
聚乙烯薄膜和聚丙烯薄膜均为单层。
该五层高阻隔可降解包装材料的制备方法如下：
(1)聚丙烯酸配置成水溶液；
(2)将聚乳酸基体薄膜浸渍在聚丙烯酸水溶液中，通过浸渍涂布后经干燥得到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸复合薄膜；
(3)把聚乙烯树脂和聚丙烯树脂分别通过螺杆机挤出机进行塑化；
(4)设置好温度，将聚乙烯和聚丙烯薄膜分别流延到聚丙烯酸/ 聚乳酸/聚丙烯酸薄膜的两个表面上；
(6)将流延后的聚丙烯酸-聚乳酸薄膜冷却干燥，形成聚乙烯/ 聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸薄膜/聚丙烯酸复合薄膜。
其中：
步骤(1)中聚丙烯酸的质量分数为8％。
步骤(3)中螺杆机挤出机机筒的温度设置如下：加料段180℃，塑化段200℃，均化段230℃。
步骤(4)中流延时采用流延机，各段温度设置如下：中间部位 208℃，两端部位218℃，将聚乙烯流延到聚乳酸薄膜表面后设置冷却辊的温度为25℃。
实施例3
本实施例提供的五层高阻隔可降解包装材料，以生物可降解材料聚乳酸薄膜为基体，在聚乳酸薄膜的两侧表面上设有阻隔增强层，阻隔增强层为聚丙烯酸薄膜以及设于聚丙烯酸薄膜表面上的聚丙烯薄膜，形成聚丙烯/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/聚丙烯复合薄膜即 PP/PAA/PLA/PAA/PP复合薄膜。
其中：
聚乳酸薄膜的数均分子量为150,000至180,000g/mol。
聚乳酸薄膜的厚度为90μm。
聚丙烯酸薄膜的厚度为3μm。
聚丙烯薄膜的厚度为2μm。
聚丙烯薄膜为单层。
该五层高阻隔可降解包装材料的制备方法如下：
(1)聚丙烯酸配置成水溶液；
(2)将聚乳酸基体薄膜浸渍在聚丙烯酸水溶液中，通过浸渍涂布后经干燥得到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸复合薄膜；
(3)把聚丙烯树脂分别通过螺杆机挤出机进行塑化；
(4)设置好温度，将聚丙烯薄膜分别流延到聚丙烯酸/聚乳酸/ 聚丙烯酸薄膜的两个表面上；
(6)将流延后的聚丙烯酸-聚乳酸薄膜冷却干燥，制得聚丙烯/ 聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/聚丙烯复合薄膜。
其中：
步骤(1)中聚丙烯树脂的熔融指数为5-10g/10min。
步骤(3)中螺杆机挤出机机筒的温度设置如下：加料段190℃，塑化段220℃，均化段225℃。
步骤(4)中流延时采用流延机，各段温度设置如下：中间部位 215℃，两端部位225℃，将聚丙烯流延到聚乳酸薄膜表面后设置冷却辊的温度为20℃。
上述实施例1-3中的五层高阻隔可降解包装材料的氧气透过率系数和水蒸气透过率系数如下表1所示。
表1：实施例1-3中的五层高阻隔可降解包装材料的氧气透过率系数和水蒸气透过率系数
注：气体透过率测试参考国家标准则GB/T1038-2000，水蒸气透过量的测试方法参考GB/T 1037-1998或GB/T 21529-2008。
说明：
a、氧气透过率测试条件为：23℃、0％RH；
b、水蒸气透过率测试条件为：23℃、85％RH。

Claims (10)

1.一种五层高阻隔可降解包装材料，其特征是以生物可降解材料聚乳酸薄膜为基体，在所述聚乳酸薄膜的两侧表面上设有阻隔增强层，所述阻隔增强层为聚丙烯酸薄膜以及设于所述聚丙烯酸薄膜上的聚乙烯薄膜或聚丙烯薄膜，形成（聚丙烯或聚乙烯）/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/（聚丙烯或聚乙烯）复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的五层高阻隔可降解包装材料，其特征是：所述聚乳酸薄膜的数均分子量为50,000至250,000 g/mol。
3.根据权利要求1所述的五层高阻隔可降解包装材料，其特征是：所述聚乳酸薄膜的厚度为30~90μm。
4.根据权利要求1所述的五层高阻隔可降解包装材料，其特征是：所述聚丙烯酸薄膜的厚度为1~3μm。
5.根据权利要求1所述的五层高阻隔可降解包装材料，其特征是：所述聚乙烯薄膜或所述聚丙烯薄膜的厚度为1~2μm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的五层高阻隔可降解包装材料，其特征是：所述聚乙烯薄膜或所述聚丙烯薄膜为单层或多层。
7.权利要求1-5所述的五层高阻隔可降解包装材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）聚丙烯酸配置成水溶液；
（2）将权利要求1所述的基体薄膜浸渍在聚丙烯酸水溶液中，通过浸渍涂布后经干燥得到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸复合薄膜；
（3）把聚乙烯树脂或聚丙烯树脂通过螺杆机挤出机进行塑化；
（4）设置好温度，将聚乙烯或聚丙烯流延到聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸薄膜上；
（5）将流延后的聚丙烯酸-聚乳酸薄膜冷却干燥，制得（聚丙烯或聚乙烯）/聚丙烯酸/聚乳酸/聚丙烯酸/（聚丙烯或聚乙烯）复合薄膜。
8.根据权利要求7所述的五层高阻隔可降解包装材料的制备方法，其特征是：步骤（4）中所述聚乙烯树脂的熔融指数为1-10 g/10min。
9.根据权利要求7所述的五层高阻隔可降解包装材料的制备方法，其特征是：步骤（3）中螺杆机乙烯的挤出机机筒的温度设置如下：加料段175~185℃，塑化段195~205℃，均化段225~235℃；步骤（4）中流延时采用流延机，流延机中各段温度设置如下：中间部位205~210℃，两端部位215~220℃，冷却辊的温度为25±5℃。
10.根据权利要求7所述的五层高阻隔可降解包装材料的制备方法，其特征是：步骤（3）中螺杆机丙烯的挤出机机筒工艺温度如下：加料段190-210℃，塑化段220-235℃，均化段220-230摄氏度；聚丙烯塑化后步骤（4）进入流延机，各段温度设置如下：中间部位215-220℃，两端部位225-230℃，将聚丙烯流延到聚乙烯醇薄膜表面后设置冷却辊的温度为25±5℃。
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