CN114806119B - 一种口杯纸用高阻隔薄膜及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种口杯纸用高阻隔薄膜及其制备工艺，属于口杯纸制造技术领域，包括以下重量份原料：聚乳酸60‑90份、聚己内酯20‑30份、耐热增强组分3‑10份、隔热纤维5‑8份、抗水解剂0.1份、防老剂0.1‑1份和加工助剂0.1‑1份；制备工艺包括以下步骤：将聚乳酸、聚己内酯、耐热增强组分、隔热纤维、抗水解剂、防老剂和加工助剂在双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得到膜颗粒材料，然后将膜颗粒材料熔融并向口杯原纸上进行淋膜，得到口杯纸用高阻隔薄膜，本发明采用聚乳酸为基材制备可生物降解的阻隔膜，并且在薄膜原料中加入耐热增强组分和隔热纤维提高聚乳酸阻隔膜的耐热性和隔热性。

Description

一种口杯纸用高阻隔薄膜及其制备工艺
技术领域
本发明属于口杯纸制造技术领域，具体地，涉及一种口杯纸用高阻隔薄膜及其制备工艺。
背景技术
口杯纸是一种用来加工成纸杯等餐饮产品的纸，是在纸张成型后，再进行后加工工艺，主要是覆膜工艺，在纸张表面覆盖上一层PP或者PE膜提高其阻隔性能，现有的覆膜方式主要是淋膜，是将塑料粒子通过流延机涂覆在纸张表面达到防油、防水(相对的)、可热合的目的，但是PP或者PE膜不能生物降解，对环境保护不利，并且PP或者PE膜保温隔热效果较差，在使用由其制备的口杯时容易造成拿取不便或烫伤的问题，而聚乳酸是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生植物资源(如玉米、木薯等)所提取的淀粉原料制成，来源广泛且对环境友好，但是聚乳酸耐水解性差，特别是在高温加工或较高使用温度下极易水解而导致摩尔质量降低，使材料性能劣化，因此，如何提高聚乳酸的耐热耐水解性能并由此制备一种口杯纸用高阻隔薄膜是目前需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中口杯纸覆膜难以生物降解，对环境保护不力，并且隔热性能差，造成拿取不变的问题，本发明提供一种口杯纸用高阻隔薄膜及其制备工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种口杯纸用高阻隔薄膜，包括以下重量份原料：聚乳酸60-90份、聚己内酯20-30份、耐热增强组分3-10份、隔热纤维5-8份、抗水解剂0.1份、防老剂0.1-1份和加工助剂0.1-1份；
该口杯纸用高阻隔薄膜由以下步骤制成：
将聚乳酸、聚己内酯、耐热增强组分、隔热纤维、抗水解剂、防老剂和加工助剂在双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得到膜颗粒材料，然后将膜颗粒材料熔融并向口杯原纸上进行淋膜，得到口杯纸用高阻隔薄膜；
其中，双螺杆挤出机的工艺参数设置如下：温度控制在170-190℃之间，螺杆转速控制在50-150rad·min-1，所述切粒机的转速控制在25-100rad·min-1，淋膜工艺的温度为：机体温度为170-180℃，模头温度为180-190℃。
进一步地，隔热纤维由以下步骤制成：
步骤S1、将玻璃纤维和质量分数30％丙酮水溶液混合，超声清洗30min后取出，置于腐蚀液中超声振荡10min后取出，置于改性液中，搅拌反应8-10h，然后用无水乙醇洗涤干燥，得到改性玻璃纤维；
其中，玻璃纤维、丙酮水溶液、腐蚀液和改性液的用量比为1.5-2.0g：30-40mL：25-30mL：35-40mL，腐蚀液由氟化铵、质量分数37％盐酸溶液和去离子水按照用量比5g：3mL：250-300mL组成，改性液由DMF、KH-560和去离子按照用量比35mL：0.1-0.2g：2mL组成。
首先利用丙酮溶液洗涤玻璃纤维去除其表面的杂质，然后利用腐蚀液进行刻蚀，使玻璃纤维表面粗糙化，该利用偶联剂KH-560使其表面富含环氧基团；
步骤S2、将无水乙醇加入装有SiO2气凝胶的三口烧瓶中，超声10min后加入质量分数25％氨水和γ-氨丙基三乙氧基硅烷，30℃下磁力搅拌24h，然后加入改性玻璃纤维，搅拌反应10-15h，反应结束后，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，干燥，得到隔热纤维；
其中，无水乙醇、SiO2气凝胶、氨水、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和改性玻璃纤维的用量比为200mL：1.5-2g：3mL：2mL：10.8-11.4g，首先利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷对SiO2气凝胶改性使其表面富含氨基，进而利用氨基与改性玻璃纤维表面的环氧基团发生开环反应，使玻璃纤维表面负载SiO2气凝胶，得到隔热纤维。
SiO2气凝胶由于具有纳米孔结构、较高的孔隙率和超低的导热系数，被称作最具有前景的“超级绝热材料”，但是SiO2气凝胶自身的脆性导致其结构在应用过程中容易遭到破坏，形成碎裂的小块或粉末，并且其本身粒径较小，在应用过程中容易团聚、难以分散，本发明通过偶联剂处理，使其接枝与玻璃纤维表面，结合玻璃纤维导热性能低的热性，得到一种SiO2气凝胶增强的玻璃纤维，集气凝胶和玻璃纤维的隔热特性于一身，通过负载处理不仅对SiO2气凝胶起到增韧作用，并且使SiO2气凝胶在复合材料中均匀分散。
进一步地，耐热增强组分由以下步骤制成：
步骤S11、将马尾松松香置于圆底烧瓶中，氮气保护下，机械搅拌下升温至140℃维持1h，分三次加入马来酸酐，每次间隔3min，然后升温至170℃，搅拌反应2h后降温至120℃，加入冰乙酸回流反应1h，反应结束后对粗产物用冰醋酸结晶，得到酸酐单体，马尾松松香、马来酸酐和冰乙酸的用量比为60g：15g：120-150mL；
步骤S12、将酸酐单体、1,1,1-三羟甲基乙烷和钛酸四丁酯加入装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中，氮气保护下，升温至220℃，常压搅拌反应8-10h，反应结束后，冷却至室温，加入丙酮使反应产物溶解，再加入甲醇沉淀，减压抽滤，滤饼在50℃干燥至恒重，得到耐热增强组分，酸酐单体和1,1,1-三羟甲基乙烷的质量比为35-40：9.2-9.5，钛酸四丁酯用量为酸酐单体和1,1,1-三羟甲基乙烷质量和的1-2％。
马尾松松香含有90％的树脂酸，树脂酸是一类具有三环菲骨架结构的一元酸，在高温下异构成左旋海松酸，然后与马来酸酐发生加成反应，得到含有稠环的酸酐单体，利用酸酐单体与1,1,1-三羟甲基乙烷在钛酸四丁酯催化作用下发生酯化反应，得到含有稠环的超支化聚酯，即耐热增强组分。
进一步地，抗水解剂为抗水解剂BioAdimide100或抗水解剂TMP-2000。
进一步地，防老剂为紫外线吸收剂UV-0、UV-9和UV-328中的一种或多种按照任意比例混合。
进一步地，加工助剂为乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸和硬脂酸盐中的一种或多种按照任意比例混合。
本发明的有益效果：
1、本发明提供一种口杯纸用高阻隔薄膜及其制备工艺，采用聚乳酸作用为主要基料，赋予薄膜生物可降解性，采用聚己内酯为增韧树脂，对聚乳酸进行增韧改性，更为突出的是，本发明为了提高口杯纸的隔热效果，在薄膜基材中加入隔热纤维，隔热纤维中SiO2气凝胶的存在，减少了纤维之间的彼此接触并且填充在纤维与纤维之间的空隙中，形成三维的隔热网络，阻隔热量的传递，赋予薄膜优异的热阻隔效应。
2、本发明为了提高薄膜的耐热性，在薄膜基材中加入了耐热增强组分，其为超支化聚合物，具有强极性、无缠结和低黏度特性，与聚乳酸之间具有较高的相容性，将其加入复合材料中，极性的隔热纤维优先分布于极性的耐热增强组分中，形成类似于“海-岛结构”的独特分散相，能够作为刚性填料，起到增韧聚乳酸的作用，并且超支化聚合物含有稠环基团，稠环基团的引入能够提高复合材料的耐热性能，当复合材料受到高温时，体系所吸收的能量在具有大共轭结构的稠环基团上分散，而不是集中在某个化学键的断裂上，在一定程度上抑制了高温所导致的交联和裂解反应，起到耐热保护作用。
3、本发明为了提高薄膜的耐水解性能，在薄膜基材中加入了抗水解剂，克服聚乳酸易水解的问题。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种隔热纤维，由以下步骤制成：
步骤S1、将1.5g玻璃纤维和30mL质量分数30％丙酮水溶液混合，超声清洗30min后取出，置于腐蚀液中超声振荡10min后取出，置于改性液中，搅拌反应8h，用无水乙醇洗涤干燥，得到改性玻璃纤维，腐蚀液由氟化铵、质量分数37％盐酸溶液和去离子水按照用量比5g：3mL：250mL组成，改性液由DMF、KH-560和去离子按照用量比35mL：0.1g：2mL组成；
步骤S2、将200mL无水乙醇加入装有1.5gSiO2气凝胶的三口烧瓶中，超声10min后加入3mL质量分数25％氨水和2mLγ-氨丙基三乙氧基硅烷，30℃下磁力搅拌24h，然后加入10.8g改性玻璃纤维，搅拌反应10h，反应结束后，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，干燥，得到隔热纤维。
实施例2
本实施例提供一种隔热纤维，由以下步骤制成：
步骤S1、将2.0g玻璃纤维和40mL质量分数30％丙酮水溶液混合，超声清洗30min后取出，置于腐蚀液中超声振荡10min后取出，置于改性液中，搅拌反应10h，然后用无水乙醇洗涤干燥，得到改性玻璃纤维，腐蚀液由氟化铵、质量分数37％盐酸溶液和去离子水按照用量比5g：3mL：300mL组成，改性液由DMF、KH-560和去离子按照用量比35mL：0.2g：2mL组成；
步骤S2、将200mL无水乙醇加入装有2g SiO2气凝胶的三口烧瓶中，超声10min后加入3mL质量分数25％氨水和2mLγ-氨丙基三乙氧基硅烷，30℃下磁力搅拌24h，然后加入11.4g改性玻璃纤维，搅拌反应15h，反应结束后，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，干燥，得到隔热纤维。
对比例1
本对比例为实施例1中步骤S1所得的改性玻璃纤维。
对比例2
本对比例提供一种改性气凝胶，由以下步骤制成：
将200mL无水乙醇加入1.5g SiO2气凝胶的三口烧瓶中，超声10min后加入3mL质量分数25％氨水和2mLγ-氨丙基三乙氧基硅烷，30℃下磁力搅拌24h，旋蒸去除无水乙醇和氨水，得到改性气凝胶。
实施例3
本实施例提供一种耐热增强组分，由以下步骤制成：
步骤S11、将60g马尾松松香置于圆底烧瓶中，氮气保护下，机械搅拌下升温至140℃维持1h，分三次加入15g马来酸酐，每次间隔3min，然后升温至170℃，搅拌反应2h后降温至120℃，加入120mL冰乙酸回流反应1h，反应结束后对粗产物用冰醋酸结晶，得到酸酐单体；
步骤S12、将35g酸酐单体、9.2g 1,1,1-三羟甲基乙烷和钛酸四丁酯加入装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中，氮气保护下，升温至220℃，常压搅拌反应8h，反应结束后，冷却至室温，加入丙酮使反应产物溶解，再加入甲醇沉淀，减压抽滤，滤饼在50℃干燥至恒重，得到耐热增强组分，钛酸四丁酯用量为酸酐单体和1,1,1-三羟甲基乙烷质量和的1％。
实施例4
本实施例提供一种耐热增强组分，由以下步骤制成：
步骤S11、将60g马尾松松香置于圆底烧瓶中，氮气保护下，机械搅拌下升温至140℃维持1h，分三次加入15g马来酸酐，每次间隔3min，然后升温至170℃，搅拌反应2h后降温至120℃，加入150mL冰乙酸回流反应1h，反应结束后对粗产物用冰醋酸结晶，得到酸酐单体；
步骤S12、将40g酸酐单体、9.5g 1,1,1-三羟甲基乙烷和钛酸四丁酯加入装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中，氮气保护下，升温至220℃，常压搅拌反应10h，反应结束后，冷却至室温，加入丙酮使反应产物溶解，再加入甲醇沉淀，减压抽滤，滤饼在50℃干燥至恒重，得到耐热增强组分，钛酸四丁酯用量为酸酐单体和1,1,1-三羟甲基乙烷质量和的2％。
对比例3
本对比例提供一种耐热增强组分，由以下步骤制成：
将35g马来酸酐、9.2g 1,1,1-三羟甲基乙烷和钛酸四丁酯加入装有搅拌器、温度计、分水管的三口烧瓶中，氮气保护下，升温至220℃，常压搅拌反应8h，反应结束后，冷却至室温，加入丙酮使反应产物溶解，再加入甲醇沉淀，减压抽滤，滤饼在50℃干燥至恒重，得到耐热增强组分，钛酸四丁酯用量为酸酐单体和1,1,1-三羟甲基乙烷质量和的1％。
实施例5
一种口杯纸用高阻隔薄膜，包括以下重量份原料：聚乳酸60份、聚己内酯30份、实施例3耐热增强组分3份、实施例1隔热纤维8份、抗水解剂0.1份、防老剂0.1份和加工助剂0.1份；
该口杯纸用高阻隔薄膜由以下步骤制成：
将聚乳酸、聚己内酯、耐热增强组分、隔热纤维、抗水解剂、防老剂和加工助剂在双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得到膜颗粒材料，然后将膜颗粒材料熔融并向口杯原纸上进行淋膜，得到口杯纸用高阻隔薄膜；
其中，双螺杆挤出机的工艺参数设置如下：温度控制在170-190℃之间，螺杆转速为100rad·min-1，所述切粒机的转速为100rad·min-1，淋膜工艺的温度为：机体温度为170-180℃，模头温度为180-190℃。
其中，抗水解剂为抗水解剂BioAdimide100，防老剂为紫外线吸收剂UV-0，加工助剂为乙撑双硬脂酰胺。
实施例6
一种口杯纸用高阻隔薄膜，包括以下重量份原料：聚乳酸90份、聚己内酯20份、实施例4耐热增强组分10份、实施例2隔热纤维5份、抗水解剂0.1份、防老剂0.1份和加工助剂1份；
该口杯纸用高阻隔薄膜由以下步骤制成：
将聚乳酸、聚己内酯、耐热增强组分、隔热纤维、抗水解剂、防老剂和加工助剂在双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得到膜颗粒材料，然后将膜颗粒材料熔融并向口杯原纸上进行淋膜，得到口杯纸用高阻隔薄膜；
其中，双螺杆挤出机的工艺参数设置如下：温度控制在170-190℃之间，螺杆转速为80rad·min-1，所述切粒机的转速为100rad·min-1，淋膜工艺的温度为：机体温度为170-180℃，模头温度为180-190℃。
其中，抗水解剂为抗水解剂BioAdimide100，防老剂为紫外线吸收剂UV-9，加工助剂为硬脂酸。
实施例7
一种口杯纸用高阻隔薄膜，包括以下重量份原料：聚乳酸80份、聚己内酯25份、实施例3耐热增强组分6份、实施例2隔热纤维4份、抗水解剂0.1份、防老剂0.5份和加工助剂0.5份；
该口杯纸用高阻隔薄膜由以下步骤制成：
将聚乳酸、聚己内酯、耐热增强组分、隔热纤维、抗水解剂、防老剂和加工助剂在双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得到膜颗粒材料，然后将膜颗粒材料熔融并向口杯原纸上进行淋膜，得到口杯纸用高阻隔薄膜；
其中，双螺杆挤出机的工艺参数设置如下：温度控制在170-190℃之间，螺杆转速为120rad·min-1，所述切粒机的转速为25-100rad·min-1，淋膜工艺的温度为：机体温度为170-180℃，模头温度为180-190℃。
其中，抗水解剂为抗水解剂TMP-2000，防老剂为紫外线吸收剂UV-328，加工助剂为硬脂酸盐。
对比例4
将实施例5中的隔热纤维替换成对比例1中物质，其余原料及制备过程同实施例5。
对比例5
将实施例6中的隔热纤维替换成对比例2中物质，其余原料及制备过程同实施例6。
对比例6
将实施例7中的耐热增强组分替换成对比例3中物质，其余原料及制备过程同实施例7。
(一)将实施例5-7和对比例4-6所获得口杯纸用高阻隔薄膜进行测试，参照GB/T36392-2018进行渗透性的检测，透湿度按照GB/T 2679.2-2015进行测试，试验条件为稳定(38±1)℃，相对湿度(90±2)％，拉伸强度参照标准GB/T 1040.3-2006测试，测试结果如表1所示：
表1
由表1可以看出，相比于对比例4-6，实施例5-7所制备的阻隔膜材料具有更高的阻隔性能和力学性能。
(二)将实施例5-7和对比例4-5所制备的口杯纸用高阻隔薄膜进行隔热保温性能测试，即将各组赋予阻隔膜的口原纸进行剪裁制成纸杯，将90℃的水等量的倒入各组纸杯中，放置于室温下，每隔20min测试杯中水的温度和对于时间内纸杯外壁的温度，测试结果如表2所示：
表2
由表2可以看出，相比于对比例4-6，实施例5-7所制备的口杯纸用高阻隔薄膜具有更高的保温隔热性能。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种口杯纸用高阻隔薄膜，其特征在于，包括以下重量份原料：聚乳酸60-90份、聚己内酯20-30份、耐热增强组分3-10份、隔热纤维5-8份、抗水解剂0.1份、防老剂0.1-1份和加工助剂0.1-1份；
所述隔热纤维由以下步骤制成：
步骤S1、将玻璃纤维和丙酮水溶液混合，超声清洗后取出，置于腐蚀液中超声振荡10min后取出，置于改性液中搅拌反应8-10h，洗涤干燥，得到改性玻璃纤维；
步骤S2、将无水乙醇和SiO2气凝胶混合，超声后加入质量分数25％氨水和γ-氨丙基三乙氧基硅烷，30℃下磁力搅拌24h，加入改性玻璃纤维，搅拌反应10-15h，过滤，滤饼洗涤，干燥，得到隔热纤维；
耐热增强组分由以下步骤制成：
将酸酐单体、1,1,1-三羟甲基乙烷和钛酸四丁酯混合，氮气保护下，升温至220℃，常压搅拌反应8-10h，后处理，得到耐热增强组分；
酸酐单体由以下步骤制成：
将马尾松松香置于圆底烧瓶中，氮气保护下，机械搅拌下升温至140℃维持1h，加入马来酸酐，然后升温至170℃，搅拌反应2h后降温至120℃，加入冰乙酸回流反应1h，重结晶，得到酸酐单体。
2.根据权利要求1所述的一种口杯纸用高阻隔薄膜，其特征在于，步骤S1中腐蚀液由氟化铵、质量分数37％盐酸溶液和去离子水按照用量比5g：3mL：250-300mL组成，改性液由DMF、KH-560和去离子按照用量比35mL：0.1-0.2g：2mL组成。
3.根据权利要求1所述的一种口杯纸用高阻隔薄膜，其特征在于，步骤S2中无水乙醇、SiO2气凝胶、氨水、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和改性玻璃纤维的用量比为200mL：1.5-2g：3mL：2mL：10.8-11.4g。
4.根据权利要求1所述的一种口杯纸用高阻隔薄膜，其特征在于，酸酐单体和1,1,1-三羟甲基乙烷的质量比为35-40：9.2-9.5，钛酸四丁酯用量为酸酐单体和1,1,1-三羟甲基乙烷质量和的1-2％。
5.根据权利要求1所述的一种口杯纸用高阻隔薄膜，其特征在于，马尾松松香、马来酸酐和冰乙酸的用量比为60g：15g：120-150mL。
6.根据权利要求1所述的一种口杯纸用高阻隔薄膜的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将聚乳酸、聚己内酯、耐热增强组分、隔热纤维、抗水解剂、防老剂和加工助剂在双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得到膜颗粒材料，然后将膜颗粒材料熔融并向口杯原纸上进行淋膜，得到口杯纸用高阻隔薄膜。
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