CN1468273A - 适用作层制品覆盖层和包裹物及其它包装材料的可生物降解聚合物膜和片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可生物降解聚合物共混物,该共混物由至少一种“硬”生物聚合物和至少一种“软”聚合物制成,适用于层制品覆盖层、包裹物和其它包装材料。“硬”的生物聚合物倾向于更脆和更刚性,并通常具有高于约10℃玻璃化转变温度。“软”的生物聚合物倾向于更软和柔韧,并通常具有低于约0℃的玻璃化转变温度。尽管硬和软的聚合物各自具有特定的内在优点,但是发现了硬和软聚合物的特定共混物具有比硬或软聚合物本身更为优越的增效性能。可生物降解的聚合物包括聚酯、聚酰胺酯和可热塑性加工的淀粉。该聚合物共混物可选择性含有无机填料。由该聚合物共混物制成的膜和片可被纹饰从而增强其丰厚手感。包裹物通常被制造成具有好的“死褶”性能,从而保持包装部位,并且不会反弹回至“解开的”和平面形式。按照水蒸汽透过性系数(WVPC)评价层叠膜时,其通常具有好的水蒸汽阻透性能。
Description
发明背景
1.发明领域
本发明总的涉及可生物降解的聚合物共混物。更具体地,本发明涉及两种或多种生物高分子如可生物降解的聚酯和聚酰胺酯的共混物,以生产柔性和伸长率等物理性能改进的片和膜。可生物降解的聚合物共混物可以适于多种应用,如制造一次性包裹物、包装袋和其它包装材料或用作涂层材料。2.相关技术
随着越来越富裕,购买和积累更多东西的能力也越来越强。在历史上,世界上从未有如此多的人具有如此强大的购买力。购买相对便宜的物品如书籍、工具、玩具和食物的能力是一种几乎为社会的所有阶层的人享受的奢侈,即使对于那些被认为是社会贫穷阶层的人们也是如此。由于大部分购买的物品必须预先包装,因此一次性包装材料的量的增长极大,这些材料日常地作为固体废料丢弃至环境中。因此,社会越富,产生的垃圾越多。
在许多情况下,包装材料预期仅用于单一用途,如盒子、箱子、袋子和包裹物,用于包装许多(如果不是最多)通过批发或零售购买的商品。即使是计算机和“无纸”交易的出现也没有阻止包装废料增多的趋势。事实上,“电子商务”的开始引发了很大的邮购热潮,从而增大而非减少了使用的包装材料的量,因为目前产品必须单独装在形状适当的箱子里,以利运输。
另外,目前所追求的极其快速面对的生活方式大大地扰乱了传统的饮食习惯,传统上人们准备自己的食物并且以家庭或团体的形式坐下来。相反,现在人们是临时抓取食物,因此眼下使用、随后丢弃的食物包装材料的量不断增加。考虑到一次性包装材料增加的趋势,一些国家,特别是一些欧洲国家,开始强令要么反复使用快餐产生的废物,要么使用“可生物降解”或“可做成肥料”的包装材料。环境积极分子也加入了对产生固体废物的公司施加压力的争论。因此,大的快餐连锁店如麦当劳(McDonald′s)都基本上被政府法令或环境团体的压力所迫而停止了不可生物降解的包装材料如泡沫聚苯乙烯的使用。因此总是存在开发不可生物降解的纸、塑料和金属的可生物降解替代物的需求。
应人们对生物聚合物的要求,已开发了大量生物聚合物,当被丢弃而进入环境中时,它们可生物降解。生物降解塑料市场中一些大的经营者包括知名的化学公司,如DuPont(杜邦)、BASF(巴斯夫)、Cargill-Dow Polymers(嘉吉-陶氏聚合物)、Union Carbide(联合碳化物公司)、Bayer(拜耳)、Monsanto(孟山都)、Mitsui(三井)和EastmanChemical(伊士曼化学)。各公司都开发了一种或多种类型的生物聚合物。例如,BASF和Eastman Chemical开发的生物聚合物称为“脂肪族-芳香族”共聚物,分别以ECOFLEX和EASTAR BIO的商品名销售。Bayer开发了聚酰胺酯,商品名为BAK。Du Pont开发的BIOMAX是改性的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。Cargill-Dow销售多种基于聚乳酸(PLA)的生物聚合物。Monsanto开发了一类称为聚羟基烷羧酸酯(PHA)的聚合物,但后来停止了生产,这类聚合物包括聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)和聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)。Union Carbide生产商品名为TONE的聚己内酯(PCL)。
上述的每种生物聚合物都具有独特的性能、优点和缺点。例如,BIOMAX、BAK、PHB和PLA等生物聚合物趋向于强度高但太硬或甚至易碎。当希望例如用于制造包裹物、袋和其它需要良好弯曲和折叠能力的包装材料的柔性片或薄膜时,这种缺点使其成为差的候选材料。对于BIOMAX来说,DuPont近期不能提供适于由其吹制薄膜的规范或条件,这说明不能认为近期内可以从BIOMAX吹制薄膜。
另一方面,PCL、ECOFLEX和EASTAR BIO等生物聚合物的柔性是前述的刚性更强的生物聚合物的许多倍。但是,它们的熔点较低,这使得在被新鲜加工和/或受热时倾向于自粘结。尽管容易被吹制成薄膜,但这样的膜难以大规模加工,因为当被卷绕到卷轴上时,它们将倾向于自粘结,将其卷绕到卷轴上是为出售和运输至其它地点和公司通常所需要的。为防止这样的膜自粘结(或“成块”),通常需要加入氧化硅或其它填料。
用于包装的片和薄膜的另一个重要标准是温度稳定性。“温度稳定性”是在成形或贮存期间即使处于高温或低温下,或温度变化范围很大时,也可保持所需性能的能力。例如,许多柔性更强的生物聚合物如果受热至显著高于室温的温度时倾向于变软和变粘,因此损害其保持所需的包装性能的能力。其它的聚合物当冷至明显低于冰点(即,0℃)时可变得硬且脆。因此,单一的均聚物或共聚物自身在大温度范围内可能不具有足够的稳定性。
在包装食物如冻肉或快餐的情况下,包装材料可能会遇到波动范围很大的温度,通常会遇到快速的温度变化。室温下极为适用的生物聚合物,例如,当用于包装热食品,特别是放出大量的热水蒸汽的食品时,可能变得完全不适用。在包装肉时,在室温或室温以下如冷藏或冷冻温度下可能适合的包装材料,在微波融化肉时可能会变软和变粘。当然,人们通常不能接受生物聚合物熔化或与食用的肉或快餐食品粘在一起,除非出于某些原因,实际消费这些生物聚合物的人们希望如此。
鉴于此,提供可容易地成形为强度和柔性适于用作包装材料的片和薄的可生物降解的聚合物将是本领域的进步。
特别地,提供可容易地成形为可被折叠、密封或操作,以可靠地将基质包装和密封的片和膜的可生物降解的聚合物将是包装领域的进步。
另外,提供可容易地成形为不仅避免或最小化不希望的自粘结这样的问题,而且具有足够柔性的片和膜的改进的可生物降解的聚合物也将是本领域的进步。
提供与现有生物聚合物相比,可容易地成形为在宽温度范围内的温度稳定性增加的片和膜的改进的可生物降解的聚合物还将是本领域的进步。
这种改进的生物聚合物在本发明中公开并被要求保护。
发明概述
本发明涉及强度、柔性、伸长率和温度稳定性改进的可生物降解的聚合物共混物。这样的聚合物共混物可被挤出、吹塑或以其它方式成形为用于多种类的包装材料如包裹物、包、袋和层制品覆盖层的片和膜。
本发明通过将至少一种具有较高刚性(stiffness)的生物聚合物和至少一种具有较高柔性的生物聚合物共混而实现了上述改进。例如,发现将一种含有较刚性的BIOMAX聚合物(DuPont出售的改性PET)与较软或柔性的ECOFLEX聚合物(BASF出售的脂肪族-芳香族共聚物)共混后产生的共混物显示出比单独使用任一种生物聚合物优越的强度和伸长率特性。因此,本发明取得了共混这两种生物聚合物的惊人协同效果。
BIOMAX的特征是具有较高的玻璃转化温度,并且在室温下具有高度的结晶性。因此,BIOMAX成形为膜或片时,倾向于太刚性或易脆。其伸长率或弹性也很差。另一方面,ECOFLEX的特征是具有较低的玻璃转化温度,并且在室温下具有较高的无定形性或非结晶性,这都促成了ECOFLEX的卓越的柔软性、弹性和高伸长率。虽然如此,本发明人还是发现了下面的惊人效果:BIOMAX和ECOFLEX的各种共混物实际上具有比ECOFLEX本身更高的伸长率,以及比BIOMAX或ECOFLEX本身更高的断裂应力。
也考虑了其它聚合物共混物,如ECOFLEX、PLA与可热塑加工的淀粉(TPS)的共混物,以及BAK和TPX的共混物。每种情况下,将一种具有较低玻璃化转变温度的生物聚合物与一种具有较高玻璃化转变温度的生物聚合物共混所得到的聚合物共混物,大多数情况下都具有每种聚合物本身的特性,在某些情况下是将每种生物聚合物本身的负面性质消除或减至最小,从而表现出更好的特性。
一般地,那些可表征为一般为“刚性”或柔性低的生物聚合物包括那些具于高于约10℃的玻璃化转变温度的聚合物,而可表征为一般为“柔性的”生物聚合物包括那些具有低于约0℃的玻璃化转变温度的聚合物。刚性的生物聚合物优选具有高于约20℃的玻璃化转变温度,更优选高于约30℃,最优选高于约40℃。柔性的生物聚合物优选具有低于约-10℃的玻璃化转变温度,更优选低于约-20℃,最优选低于约-30℃。
另外,“刚性”聚合物一般结晶性更强,而“柔性的”聚合物一般结晶性更弱及更无定形。
表征为一般具有高于约10℃的玻璃转变的那些比较刚性的聚合物的浓度优选在可生物降解的聚合物共混物的约20重量%至约99重量%范围内,更优选在聚合物共混物的约50重量%至约98重量%范围内,最优选在约80重量%至约95重量%范围内。
表征为一般具有低于约0℃的玻璃化转变温度的那些较软的聚合物的浓度优选在可生物降解的聚合物共混物的约1重量%至约80重量%范围内,更优选在聚合物共混物的约2重量%至约50重量%范围内,最优选在约5重量%至约20重量%范围内。
在本发明范围内的生物聚合物通常为合成聚酯或聚酰胺酯。但是,多种天然聚合物及其衍生物也在本发明范围内,如衍生自淀粉、纤维素、其它多糖和蛋白质的聚合物和它们的衍生物。加入无机填料以减少自粘结、降低成本和增大聚合物共混物的弹性模量(杨氏模量)也在本发明范围内。此外,为赋予理想的软化和伸长特性,可以使用多种增塑剂。
在拟用作“包裹物”,如用于包装肉、其它易坏食物类,特别是快餐食品类(如三明治、汉堡包和甜食类)的包裹物的片或膜的情况下,优选提供具有良好的“死褶”性质的片和膜,从而一旦折叠、包裹或另外被处理为所需的方向时,这样的包裹物将倾向于保持它们的方向,从而不会自动地打开或开包,正如大量的塑料片和膜(如聚乙烯)一样。为改进由其制成的片或膜的死褶性质,可设计生物聚合物共混物(任选地包括填料),使其制成的膜具有较高杨氏模量,优选高于约100Mpa,更优选高于约150Mpa,最优选高于约200MPa。一般来讲,增加刚性生物聚合物的浓度将倾向于增大杨氏模量。
如上所述,加入无机填料是另一种增大杨氏模量的方法。因此,发现添加大量,如大于约5重量%,优选大于约10重量%的无机填料可改进由这些聚合物共混物制成的片和膜的死褶性质。
增强死褶性的另一种方法是增强片的“丰厚手感(bulk handfeel)”,这通过破坏片或膜的一般为平面的特性实现。例如可通过压花、打褶、衲缝或纹饰片从而具有一系列的凸凹而不仅仅是平面的片来实现。这可以例如通过使片或膜通过一对有凸边的或其它凸出型的辊来实现。这样的纹饰增强了片具有并保持褶皱的能力,从而改进了片的死褶性。
最后,利用生物聚合物制造包裹物的另一个重要优点是生物聚合物通常能够比常规的塑料或蜡纸更容易地接受和保持印迹。许多塑料和蜡疏水性强,并且为提供墨水可附着的化学上可接受的表面,必须氧化表面。另一方面,生物聚合物通常具有墨水容易附着的含氧部分,如酯或酰胺基团。
根据下面的说明和附后的权利要求书,本发明的这些和其它特征将更明显,或可以通过后面给出的本发明的实践来理解。
附图的简要说明
为如此得到本发明的上述和其它优点,将参照在附图中说明的本发明的具体实施方案,对如上简述的本发明进行更为具体的说明。应理解这些附图仅仅画出了本发明的典型实施方案,因此不应视为是对其范围的限制,通过附图将更具体和详细地说明和例示本发明,其中:
图1是各种纯的和共混聚合物膜断裂时的百分伸长率对施加的应变速率的图。
图2是在500mm/分的固定应变速率下,各种纯的和共混的聚合物膜的百分伸长率对膜中的ECOFLEX浓度的图。
图3是在1000mm/分的固定应变速率下,各种纯的和共混的聚合物膜的百分伸长率对膜中的ECOFLEX浓度的图。
图4是各种纯的和共混聚合物膜的断裂应力对施加的应变速率的图。
图5是在500mm/分的固定应变速率下,各种纯的和共混的聚合物膜的断裂应力对膜中ECOFLEX浓度的图。
图6是在1000mm/分的固定应变速率下,各种纯的和共混的聚合物膜的断裂应力对膜中ECOFLEX浓度的图。
图7是作为膜中ECOFLEX浓度函数的各种纯的和共混聚合物膜的水蒸汽透过性系数(WVPC)的图,以及基于对纯的ECOFLEX膜(7.79×10-3g·cm/m2/d/mmHg)的最低实测WVPC的估计趋势线。
图8是作为膜中ECOFLEX浓度函数的各种纯的和共混聚合物膜的水蒸汽透过性系数(WVPC)的图,以及基于对纯的ECOFLEX膜(42×10-3g·cm/m2/d/mmHg)的最低实测WVPC的估计趋势线。
图9是各种纯的和共混聚合物膜的模量对膜中ECOFLEX浓度的图。
优选实施方案详述
I.前言
本发明涉及比未共混的可生物降解的均聚物和共聚物相比具有大大改进的性质的可生物降解的聚合物共混物。这些性质包括改进的强度、柔性、伸长率和温度稳定性。另外,这样的共混物比丢弃在环境中时不能降解、无特殊处理时不容易印刷并且通常死褶性差的常规塑料优越。
本发明的聚合物共混物含有至少一种具有较高刚性的生物聚合物和至少一种具有较高柔性的生物聚合物。当以合适的比例共混时,可以从各聚合物获得有益性质,而抵消或消除各聚合物单独用来制造膜和片时的负面性质。本发明的聚合物共混物可通过挤出、吹塑或其它方式形成用于种种包装材料,如包裹物、包、袋和层制品覆盖层的片和膜。通过共混较刚性的聚合物和较柔性的聚合物,本发明人发现,在某些情况下,共混物的有益性质实际上超过各聚合物单独使用时的所需性质。因此,证实了出乎意料的协同效果的惊人结果。
本发明范围内的生物聚合物通常包括合成聚酯或聚酰胺酯,但也可以包括多种天然聚合物和其衍生物,如淀粉、纤维素、其它多糖和蛋白质的聚合物和衍生物。可加入无机填料以改进死褶性,降低成本和减少自粘结。可以加入增塑剂以赋予所需的软化和伸长特性。可以对片和膜进行压花、打褶、衲缝或其它纹饰,以改进丰厚手感和死褶。它们容易地接受和保留印迹,比常规的塑料或蜡纸容易得多,因为它们通常具有墨水容易附着的含氧部分,如酯或酰胺基团。
II.可生物降解的聚合物
本发明范围内的生物聚合物包括通过活的生物作用降解的聚合物。这样的聚合物包括合成聚合物范围内的聚合物,如聚酯、聚酰胺酯、聚碳酸酯等。生物降解反应通常是酶促反应,一般在水性介质中进行。具有可水解的键的天然大分子,如蛋白质、纤维素和淀粉,一般也易于通过生物体的水解酶发生生物降解。但是,少数人工合成的聚合物也可生物降解。聚合物的亲水性/疏水性对其生物降解性影响很大,一般规律是聚合物的极性越强,越容易生物降解。影响生物降解性的其它重要的聚合物性质包括结晶性和链的柔性。
除能够生物降解外,聚合物或聚合物共混物具有特定的物理性质也是重要的,这些物理性质如刚性、柔性、耐水性、强度、伸长率、温度稳定性或气体透过性。特定聚合物共混物的目标应用通常将决定,为使特定的聚合物共混物或由此制成的制品满足希望的性能指标,哪些性质是必要的。对于适于用作包装材料的片和膜,希望的性能指标包括伸长率、死褶性、强度、可印刷性、液体不渗透性、透气性温度稳定性等。
由于可生物降解聚合物的数目有限,因此通常难以或甚至不可能确认能满足规定用途的全部或大部分希望的性能指标的单一的聚合物或共聚物。在包装材料领域尤其如此。玻璃化转变温度高的聚合物或者难于大规模吹制成膜,或者至少是倾向于太脆而不适合作为包装材料如包裹物。另一方面,玻璃化转变温度很低的聚合物的软化点和/或熔点通常也较低,这使得它们难以大量生产无成块或自粘结倾向的片和膜。另外,这样的片和膜可能缺乏适当的强度、防水汽性和/或模量,从而不适于特定的应用,如包裹物或层制品覆盖层的制造。
由于这些及其它原因,发现可生物降解的聚合物在包装材料领域用途很少,特别是在包裹物领域。然而,本发明人发现,可以通过将一种或多种“刚性的”或高玻璃化转变温度的聚合物与一种或多种“软的”或低玻璃化转变温度的聚合物共混,可获得适于制造包裹物或其它包装材料的片和膜。
A.刚性聚合物
尽管“刚性”和“软”聚合物的区分可能有些武断,但当为得到具有所需性能指标的聚合物共混物而确定共混哪些聚合物时,特别是在以制造适用于作为淀粉或其它湿敏材料制成的模制品的层制品覆盖层,或用作包裹物或其它包装材料为目的时,这样的分类是有用的。
一般来说,可被表征为“刚性”或柔性低的那些聚合物通常包括玻璃化转变温度高于约10℃的聚合物。本发明范围内的刚性生物聚合物优选具有高于约20℃、更优选高于约30℃、最优选高于约40℃的玻璃化转变温度。上面的范围是试图考虑到这样一个事实:“玻璃化转变温度”通常不是一个准确的温度,而是一个温度范围,在该范围中,聚合物从玻璃质且更易碎的材料转变为更软和更柔韧的材料。
玻璃化转变温度不同于聚合物的熔点,在该温度或该温度以上时,热塑性聚合物变得有塑性和可变形而没有明显的断裂。尽管在聚合物的玻璃化转变温度(Tg)与其熔点(Tm)间存在正相关性,但对于所有聚合物这并不是严格的情况。在某些情形下,Tg与Tm的差可能很大,在其它情形下,该差值可能较小。但是,一般的情况是,更刚性的聚合物的熔点通常比更软的聚合物的熔点高。
本发明范围内的优选的“刚性”生物聚合物包括但不限于,改性的聚对苯二甲酸乙二酯(如Du Pont制造的产品)、聚酰胺酯(如Bayer制造的产品)、聚乳酸基聚合物(如Cargill-Dow Polymers和DianipponInk制造的产品)、基于聚乳酸、聚乙醇酸和聚己内酯的三元共聚物(如Mitsui Chemicals制造的产品)、聚碳酸亚烃酯(如PAC Polymers制造的聚碳酸亚乙酯)和聚羟基丁酸酯。
特别优选的本发明范围内的刚性生物聚合物包括DuPont制造的一系列改性的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)聚合物,商品名为BIOMAX。DuPont的改性的PET聚合物在Tietz的美国专利5,053,482、Gallagher等的美国专利5,097,004、Tietz的美国专利5,097,005、Gallagher等的美国专利5,171,308、Gallagher等的美国专利5,219,646和Romesser等的美国专利5,295,985中有详细说明。为公开可以用于制造本发明的聚合物共混物的合适的“刚性”聚合物的需要,上述的专利文献通过特别引用在本文中公开。
DuPont的改性的PET聚合物一般可表征为含有对苯二甲酸酯和脂肪族成分的交替单元,脂肪族成分包括统计学分布的两种或多种不同的脂肪族单元,这些脂肪族单元衍生自两种或多种不同的二醇类,如乙二醇、二甘醇、三环氧乙烷(triethylene oxide)、聚乙二醇、低级烷烃二醇,有支链和无支链的,以及上述这些物质的衍生物。脂肪族单元部分也可以衍生自脂肪族二酸,如己二酸。另外,对苯二甲酸酯重复单元中的少量亚苯基可被磺化及用碱金属或碱土金属的碱中和。改性的PET聚合物的脂肪族部分以及统计学显著量的磺化对苯二甲酸酯单元显然共同促成了BIOMAX聚合物的生物降解性。
某些BIOMAX品级聚合物的熔点为200-208℃,玻璃化转变温度为40-60℃。BIOMAX 6926就是这样的一种品级。它是一种强度较高且较刚性的聚合物,并且当与更软的聚合物共混时,产生适合用于包裹物和其它包装材料的优良的片和膜。
可用于制造本发明的聚合物共混物的另一种刚性聚合物包括聚乳酸(PLA)。PLA是可注塑、挤出、热成型的高强度热塑性材料,或用作短纤维(spun fiber)或熔喷纤维,制造无纺制品。这些聚合物在1970年首先发现其作为医用缝线的商业应用。乳酸的高聚物(Mn=50,000-110,000)是高强度的热塑性塑料,可以制作成可被常见的土壤细菌破坏的有用产品。PLA的潜在用途包括包装纸(食品和饮料包装盒)覆盖层,快餐用塑料泡沫、可用微波炉加热的容器及其它消费品如一次性尿布或工厂废料包。PLA可以是均聚物,或可与乙交酯、内酯或其它单体共聚。PLA基聚合物的一个特别吸引人的特征是它们源自可再生的农用品。
由于乳酸难以大规模地直接一步聚合成高聚物,因此大多数公司采用两步法。通过除去水,将乳酸首先低聚成分子量低于3000的直链。然后低聚物解聚成由两个缩合的乳酸分子构成的环状二聚物丙交酯。纯化该六员环,然后使其进行开环聚合,生成分子量50,000-110,000的聚乳酸。
由于乳酸有一个不对称碳原子,因此其存在若干异构形式。商业上出售最多的乳酸包括同等量的L-(+)-乳酸和D-(-)-乳酸,因此无光学活性,无旋光能力。该外消旋共混物称为DL-乳酸。
聚乳酸通常具有约59℃的玻璃化转变温度和约178℃的熔点。其伸长率低,很硬。
可用在本发明的聚合物共混物中的另一种刚性聚合物是称为CPLA的物质,它是PLA的衍生物,由Dianippon Ink出售。有两类CPLA出售,称为“CPLA hard”和“CPLA soft”,均属于本文定义的“刚性”聚合物之列。CPLA hard的玻璃化转变温度为60℃,而CPLA soft的玻璃化转变温度为51℃。
Bayer公司制造的聚酰胺酯以BAK的商品名出售。一种形式的BAK由己二酸、1,4-丁二醇和6-氨基己酸制备。BAK 1095是Mn为22,700和Mw为69,700并含有芳香族成分的聚酰胺酯,熔点为125℃。BAK 2195的熔点是175℃。尽管BAK 1095和BAK 2195的玻璃化转变温度难以测定(因为在通过将BAK与软聚合物共混可得到改进的性质的意义上来说,BAK看起来具有类似刚性聚合物的行为),但本发明人认为BAK聚合物的玻璃化转变温度基本上最少约10℃。
Mitsui Chemicals,Inc.制造包括已经缩合在一起的衍生自聚丙交酯、聚乙交酯和聚己内酯的单元的三元共聚物。因此,该聚合物是脂族聚合物,可被表征为PLA/PGA/PCL三元共聚物。这种聚合物有三种品级可供利用,H100J、S100和T100。分析得知:H100J级PLA/PGA/PCL三元共聚物的玻璃化转变温度为74℃,熔点为173℃。
PAC Polymers Inc.制造了玻璃化转变温度范围为10-28℃的聚碳酸亚乙酯(PEC)。PEC是可用于制造本发明的聚合物共混物的刚性聚合物。
B.软聚合物
一般来说,可表征为“软”或刚性不强的那些生物聚合物通常包括玻璃化转变温度低于约0℃的聚合物。本发明范围内的软生物聚合物优选具有低于约-10℃、更优选低于约-20℃、最优选低于约-30℃的玻璃化转变温度。前述的范围试图考虑到这样一个事实:“玻璃化转变温度”通常不是一个准确的温度,而是一个温度范围。
本发明范围内的优选的“软”生物聚合物包括但不限于,脂肪族-芳香族共聚聚酯(如BASF和Eastman Chemical制造的那些)、包括含至少5个碳原子的重复单元的脂肪族聚酯,例如聚羟基戊酸酯、聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯共聚物和聚己内酯(如Daicel Chemical、Monsanto、Solvay和Union Carbide制造的那些),和基于丁二酸酯的脂肪族聚合物,例如聚丁二酸丁二酯(PBS)、聚丁二酸己二酸丁二酯(PBSA)和聚丁二酸乙二酯(PES)(如Showa High Polymer制造的那些)。
授予Warzelhan等并转让给BASF的美国专利5,817,721号公开了一系列本发明范围内的脂肪族-芳香族共聚聚酯。同样地,授予Buchanan等并转让给Eastman Chemical的美国专利5,292,783号、5,446,079号、5,559,171号、5,580,911号、5,599,858号和5,900,322号各自都公开了本发明范围内的脂肪族-芳香族共聚聚酯。为公开本发明范围内的“软”聚合物,上述专利文献通过特别引用并入本文。
可用于制造本发明的聚合物共混物的优选的“软”聚合物包括BASF制造并以ECOFLEX的商品名销售的脂肪族-芳香族共聚聚酯。BASF制造的脂肪族-芳香族共聚聚酯包括衍生自1,4-丁二醇、己二酸和对苯二甲酸二甲酯(DMT)的统计共聚聚酯。在某些情况下,二异氰酸酯用作增链剂。
脂肪族单体与对苯二甲酸(或二酯衍生物如DMT)等的芳香族单体的共聚是提高脂肪族聚酯的性能特性的方法。但是,关于在脂肪族-芳香族共聚聚酯的完全生物降解性,在工业中存在问题,因为象PET这样的芳香族共聚聚酯抗生物攻击。但是,研究人员发现,脂肪族-芳香族共聚聚酯确实可生物降解,这些共聚聚酯的生物降解性与芳香族片段的长度有关。芳香族片段较长的嵌段共聚聚酯不能被微生物快速降解。膜的厚度也是一个因素,膜越厚降解越慢,原因是厚膜减小了表面与体积之比。BASF目前以ECOFLEX的商品名销售的聚合物的玻璃化转变温度为-33℃,熔程为105-115℃。
另一种“软”脂肪族-芳香族共聚聚酯是Eastman Chemical Company制造的以商品名EASTAR BIO销售的产品。Eastman制造的脂肪族-芳香族共聚聚酯是无规共聚物,衍生自1,4-丁二醇、己二酸和对苯二甲酸二甲酯(DMT)。EASTAR BIO 14766是一种特殊品级的EASTARBIO,玻璃化转变温度是-33℃,熔点112℃。其纵向断裂拉伸强度是19Mpa,断裂伸长率是600%,拉伸弹性模量为97Mpa(正切)。Elmendorf撕裂强度是282g。
聚己内酯(PCL)是具有较低熔点和很低玻璃化转变温度的可生物降解的脂肪族聚酯。之所以称为聚己内酯是因为其通过ε-己内酯聚合而形成。PCL的玻璃化转变温度是-60℃,熔点仅60℃。因此,PCL与其它类似的低熔点脂肪族聚酯难以通过薄膜吹塑和吹塑等常规技术加工。PCL制的膜在挤出时发粘,并且在高于130℃时熔融强度低。另外,该聚合物的结晶慢,使其性质随时间变化。将PCL与其它聚合物共混能够改善PCL的加工性能。一种常用的PCL是Union Carbide制造的TONE。PCL的其它制造商包括Daicel Chemical,Ltd和Solvay。
ε-己内酯是一种七员环化合物,特征是其反应性。断裂通常发生在羰基上。ε-己内酯通常是通过过氧化法由环己酮制备。PCL是通过ε-己内酯聚合制备的聚酯。高分子量的PCL可以通过多种催化剂的作用来制备,所述的催化剂如烷基铝,有机金属化合物,如Ia、IIa、IIb或IIIa族金属烷基化物,格氏试剂,II族金属二烷基化物,钙或其它金属酰胺或烷基酰胺,碱土金属六氨合物,碱金属氧化物和乙腈的反应产物,三醇铝,碱土金属铝或硼的氢化物,碱金属或碱土金属的氢化物或单纯的碱金属。PCL通常通过用形成端基的脂肪族二醇(HO-R-OH)的引发来制备。
可以用于制备本发明的聚合物共混物的另一种“软”脂肪族聚酯是聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯共聚物(PHBV),其使用微生物引发的发酵来制备。这样的一种PHBV共聚聚酯是Monsanto Company制造的,其玻璃化转变温度为约0℃,熔点约170℃。
在制造PHBV的发酵过程中,单一的细菌种将玉米和马铃薯原料转化为聚羟基丁酸酯和羟基戊酸酯成分的共聚物。通过控制进料,可以改变两种聚合物片段的比例,制备不同品级的材料。所有的品级都耐水,同时仍具有充分的生物降解性。PHBV的全球制造商有Monsanto,其产品是BIOPOL;还有METABOLIX,其生产不同品级的聚羟基-烷羧酸酯(PHAs)。
另一类“软”脂肪族聚酯基于丁二酸酯的重复单元,如聚丁二酸丁二酯(PBS)、聚丁二酸己二酸丁二酯(PBSA)和聚丁二酸乙二酯(PES)。这些基于丁二酸酯的脂肪族聚酯的每一种都是Showa HighPolymer,Ltd.制造的,以BIONELLE的商品名销售。PBS(Bionolle1001)的玻璃化转变温度为-30℃,熔点为114℃。PBSA(Bionolle 3001)的玻璃化转变温度为-35℃,熔点为95℃。PES(Bionolle 6000)的玻璃化转变温度为-4℃,熔点102℃。
BIONOLLE的目标应用包括膜、片、细丝、泡沫成型品和泡沫膨胀品。BIONOLLE在混合肥料、湿地、含有活性污泥的水和海水中可生物降解。PBSA在混合肥料环境中快速降解,因此与纤维素类似,而PBS降解不太快,在生物降解方面与新闻纸类似。
BIONOLLE根据一种制备具备高分子量和有用的物理性能的丁二酸酯脂肪族聚酯的专利的两步法制造的。第一步,由二醇与脂肪族二羧酸制备低分子量的羟基末端的脂肪族聚酯预聚物。该聚合反应由钛催化剂催化,所述的钛催化剂如钛酸四异丙酯、四异丙氧基钛、二丁氧基二乙酰乙酰氧基钛或钛酸四丁酯。第二步,通过二异氰酸酯如1,6-己二异氰酸酯(HMDI)与聚酯预聚物反应制备高分子量聚酯。Showa通过首先让1,4-丁二醇与丁二酸发生缩合反应,形成预聚物,然后让预聚物与作为链增长剂的HMDI反应。
PBSA共聚物通过首先缩合1,4-丁二醇、丁二酸和己二酸形成预聚物,然后让预聚物与作为链增长剂的HMDI反应来制备。
PES均聚物通过让乙二醇与丁二酸反应并使用HMDI或二苯甲烷二异氰酸酯作为链增长剂来制备。
Mitsui Toatsu、Nippon Shokubai、Cheil Synthetics、EastmanChemical和Sunkyon Industries也制造基于丁二酸酯的脂肪族聚酯。
最后,尽管已知淀粉,如改性淀粉也具有高玻璃化转变温度(即,70-85℃),并且在室温下结晶性很高,但结晶性大大降低或被破坏的特定形式的淀粉完全具有很低的玻璃化转变温度,并且事实上构成本发明范围内的可生物降解的“软”聚合物。例如,Tomka的美国专利5,362,777是一项划时代的专利,首次试图制造称为热塑性可加工淀粉(TPS)的物质。TPS的特征是热塑性淀粉聚合物,其通过下面的方法制备:在合适的高沸点增塑剂(如甘油和山梨糖醇)的存在下混合并加热天然或改性的淀粉,从而使淀粉的结晶性很低或没有结晶性,玻璃化转变温度低,以及水含量极低(处于通风后、处理前的熔化状态时,低于5重量%,优选低于约重量1%)。当与合适的疏水聚合物如本文公开的刚性聚合物,如BAK等聚酰胺酯共混时,TPS可能具有低至-60℃,并且通常低于约-20℃的玻璃化转变温度。
III.可选择成分
在本发明的可生物降解的聚合物共混物中可以包含多种可选成分,以赋予希望的性能。这些成分包括但不限于增塑剂、填料、天然聚合物和不可生物降解的聚合物。
A.增塑剂
可加入增塑剂以改进特别是较刚性的聚合物共混物的加工,如挤出和/或薄膜吹塑,或改进最终的机械性能。刚性聚合物共混物可以由其它性能标准规定,如高温稳定性、强度、更低的伸长率、更高的死褶性、加工时和加工后抗“成块”性等。这时,为使聚合物共混物满足特定的加工和/或性能标准,增塑剂可能是必要的。
本发明范围内的合适的增塑剂,特别是在加到拟用于制造与食品接触的包裹物和其它包装材料的聚合物共混物中时,如果至少以更少的量消费,优选是安全的。
可用于本发明的可选增塑剂包括但不限于大豆油、蓖麻油、TWEEN 20、TWEEN 40、TWEEN 60、TWEEN 80、TWEEN 85、脱水山梨糖醇单月桂酸酯、脱水山梨糖醇单油酸酯、脱水山梨糖醇单棕榈酸酯、脱水山梨糖醇三油酸酯、脱水山梨糖醇单硬脂酸酯、PEG、PEG衍生物、N,N-亚乙基双硬脂酰胺、N,N-亚乙基双油酰胺、聚合增塑剂如聚(己二酸1,6-己二酯)和其它相容的低分子量聚合物。
B.固体填料
可以选择性地加入填料的原因包括但不限于增加杨氏模量、死褶性能和刚性,降低成本和减小加工过程中聚合物共混物“成块”或自粘结的倾向。特定的填料,象具有高纵横比的纤维,可以增加本发明的片的强度、断裂能和死褶性能。本发明范围内的填料一般分为三类:(1)无机粒状填料,(2)纤维,和(3)有机填料。
1.无机粒状填料
术语“颗粒”或“粒状填料”应广义地理解为包括具有多种不同形状和纵横比的填料颗粒。一般地,“颗粒”是纵横比(即,长厚比)低于约10∶1的那些固体。纵横比大于约10∶1的固体可以更好地理解为“纤维”,以下将定义和讨论该术语。
实际上任何已知的填料,不论惰性的还是活性的,都可以加到可生物降解的聚合物共混物中。一般地,加入无机填料倾向于大大降低所得聚合物共混物的成本。如果使用较少量的无机填料,对最终组合物强度的影响最小,而加入较大量的无机填料将倾向于使那些效果最大化。当加入无机填料将倾向于有损重要的物理参数如拉伸强度或柔性时,加入的填料只应是既可降低所得聚合物的成本,同时又能保持目标用途所需的合适的机械强度。但是,如果加入无机填料将改进给定应用所需的一种或多种物理性能如刚性、压缩强度和死褶性时,可优选将填料的添加量最大化,以在提高所需性能的同时也大大降低成本。
可以理解的是,本领域的普通技术人员使用显微结构的工程方法,可以选择可包含在聚合物共混物中的多种无机填料的类型和量,以设计具有所需的强度性能,同时利用添加无机填料降低了成本的最终材料。
一般地,为尽可能地使加入填料的有害机械效应最小化的同时使无机填料的量最大,一般优选以减小颗粒的比表面积的方式选择填料颗粒。比表面积定义为颗粒的总表面积与颗粒总体积的比。减少比表面积的一种方法是选择表面几何形状更加均一的颗粒。颗粒的表面几何形状越参差不齐和不规则,颗粒的表面积与体积的比越大。另一种减小比表面积的方法是增加颗粒尺寸。考虑到减小无机填料颗粒的比表面积的有利性,优选包含比表面积范围为约0.1m2/g至约400m2/g,更优选约0.15m2/g至约50m2/g,最优选约0.2m2/g至约2m2/g的无机填料颗粒。
在改变本发明的聚合物共混物的流变性和最终强度特性时与减小比表面积有关的是颗粒填充的概念。颗粒填充技术是在熔融的聚合物共混物中使颗粒保持适当的润滑性和共混物的流变性以减少颗粒间无用的孔隙空间,同时也能够更有效地使用热塑性相作为本发明最终硬化的聚合物共混物中的粘合剂。简单地说,颗粒压实是选择两种或多种范围粒径颗粒的方法,从而使一组大粒径颗粒间的空间实质性地由所选择的一组小粒径颗粒占据。
为使无机填料颗粒的堆积密度最佳化,可以使用粒径范围从小至约0.01微米到大至约2mm的不同粒径的颗粒。当然,由任何给定的聚合物共混物制造的所需制品的厚度和其它物理参数也经常决定粒径上限。一般地,当任何一组给定的颗粒与另一组粒径(即,宽度和/或长度)最少比第一组颗粒的粒径大2倍或小2倍的颗粒共混时,可以提高颗粒堆积密度。当一组给定的颗粒尺寸为另一组颗粒的约3-10倍时双颗粒体系的颗粒堆积密度将最大化。同样地,可以使用三组或更多组颗粒以进一步提高颗粒堆积密度。
“最佳”填充密度的程度取决于许多因素,包括但不限于,热塑性相和固体填料相中的各成分的类型和浓度、将使用的成形方法、由给定的聚合物共混物制造的最终制品的所需机械和其它性能特性。本领域的普通技术人员通过例行试验,能够确定颗粒填充的最佳水平,可使堆积密度最佳化。在Anderson等的美国专利5,527,387中可得到颗粒填充技术的更详细说明。为公开在本发明的实践中使用的颗粒填充技术,上述专利通过特别引用并入本文。
在希望利用颗粒填充技术改进流变学性能和粘合效率时,优选包含颗粒填充密度范围为约0.5至约0.95,更优选为约0.6至约0.9,最优选为约0.7至约0.8的无机填料颗粒。
在可生物降解的聚合物共混物中可包含的有用的无机填料的例子包括沙子、砂砾、碎石、矾土、花岗岩、砂岩、玻璃珠、气凝胶、干凝胶、云母、粘土、氧化铝、氧化硅、高岭土、微球体、中空玻璃球、多孔陶瓷球、石膏二水合物、不溶性盐、碳酸钙、碳酸镁、氢氧化钙、铝酸钙、碳酸镁、二氧化钛、滑石、陶瓷材料、火山灰质材料、盐类、锆化合物、硬硅钙石(一种结晶硅酸钙凝胶)、轻质膨胀粘土、珍珠岩、蛭石、水合或非水合水硬水泥颗粒、浮石、分子筛、页岩(exfoliatedrock)、矿石、矿物及其它地质材料。在聚合物共混物中可以加入多种其它无机填料,包括诸如金属和金属合金(例如,不锈钢、铁和铜)、球状物或中空球状材料(如玻璃、聚合物和金属)、金属屑、小球、薄片和粉末(如微粉氧化硅)。
无机填料的粒径或粒径范围取决于将要由该聚合物共混物制造的膜、片或其它制品的壁厚。一般地,壁厚越大,可接受的粒径越大。在大多数情况下,将优选在给定应用的可接受粒径范围内使粒径最大化,以降低成本和无机填料的比表面积。对于拟具有实质量的柔性、拉伸强度和耐弯曲性的膜(例如,塑料包),无机填料的粒径将优选低于膜壁厚的约10%。例如,对于厚度40微米的吹塑膜,优选无机填料颗粒具有约4微米或更小的粒径。
加到聚合物共混物中的粒状填料的量取决于多种因素,包括其它添加成分的量和特性,以及填料颗粒本身的比表面积和/或填充密度。因此,本发明的聚合物共混物中的粒状填料的浓度可以在低至聚合物共混物的约5体积%至高达约聚合物共混物的90体积%范围内。由于可以使用的不同无机材料的密度变化,在某些情况下用重量百分比,而不是用体积百分比表达无机填料的浓度可能更准确。鉴于此,无机填料成分的浓度可以在聚合物共混物的约5重量%至约聚合物共混物的95重量%范围内。
鉴于被制造制品的所需性能标准而希望热塑性相的性能为主时,无机填料的包含量优选在聚合物共混物的约5-约50体积%范围内。另一方面,希望产生高无机填充的体系时,无机填料的包含量优选在约50-约90体积%范围内。
考虑到这些竞争结果,无机填料的实际优选量可变化很大。但是,一般地说,为适当降低所得聚合物共混物的成本,无机填料成分在占聚合物共混物的量优选为大于15重量%,更优选大于约25重量%,更特别优选大于35重量%,最优选大于约50重量%。
当仅仅为增加死褶性而包含无机填料时,无机填料的包含量可以是任意量,如大于聚合物共混物的约3重量%,优选大于约5重量%,更优选大于约10重量%。
2.纤维
为改进聚合物共混物的物理性能,可以选择性地加入各种各样的纤维。与前述的填料一样,纤维通常构成与热塑性相分离且不同的固相。但是,由于纤维的形状,即具有至少大于约10∶1的纵横比,它们能够比粒状填料更好地赋予强度和韧性。用在本说明书和附后的权利要求书中的术语“纤维”和“纤维状材料”包括无机纤维和有机纤维。纤维可加到可模制的共混物中以增强柔性、展延性、弯曲性、粘着力、伸长性、挠曲性、韧性、死褶和断裂能,以及所得片和制品的抗挠强度和拉伸强度。
可以加入聚合物共混物中的纤维包括天然有机纤维,如从木材、植物叶和植物茎制得的纤维素纤维。另外,也可以使用由玻璃、石墨、氧化硅、陶瓷、石棉或金属材料制成的无机纤维。优选的纤维包括棉纤维、木纤维(硬木或软木纤维,其实例包括南方阔叶树和美国长叶松)、亚麻、马尼拉麻、剑麻、苎麻、大麻和甘蔗渣,因此它们在正常条件下能够容易地分解。甚至回收的纸纤维在许多情况下也可以使用,并且价格极低和丰富。纤维可以包括一种或多种细丝、织物、网状织物或席状物,它们可以是共挤出的或与本发明的聚合物共混物共混或加到其中。
用于制造本发明的片和其它制品的纤维优选具有大的长宽比(或“纵横比”),因为更长、更细的纤维能够赋予聚合物共混物更大的强度,在加入基质时比粗纤维有明显更少的体积和质量。纤维将具有至少约10∶1的纵横比,优选大于约25∶1,更优选大于约100∶1,最优选大于约250∶1。
聚合物共混物中纤维的添加量将随最终成型制品的所需性能而变化,拉伸强度、韧性、柔性和成本是确定以任何配合比添加的纤维量的基本指标。因此,本发明的聚合物共混物中纤维的浓度可以落在聚合物共混物的0-约90重量%的宽范围内。优选纤维量范围为聚合物共混物的约3-约80重量%,更优选为聚合物共混物的约5-约60重量%,最优选为聚合物共混物的约10-至30重量%。
3.有机填料
本发明的聚合物共混物还可以含有各种各样的有机填料。根据聚合物共混物的熔点和要添加的有机填料,有机填料可以保持为分离的颗粒,构成与热塑性相分离的固相,或其可部分或全部熔融并与热塑性相部分或全部结合。
有机填料可以包括各种各样的天然有机填料,例如有希格尔(seagel)、软木、种子、明胶、木粉、锯屑、磨碎的聚合物材料、琼脂基材料等。有机填料也可以包括一种或多种实际上有无数品种的合成聚合物。由于有机填料的性质不同,因此对于可选的有机填料成分一般没有优选的浓度范围。
C.天然聚合物
除TPS外,可用在本发明的聚合物共混物中的其它天然聚合物包括淀粉和纤维素的衍生物、蛋白质及其衍生物,以及其它多糖类如多糖树胶及其衍生物。
淀粉衍生物的实例包括,但不限于改性淀粉、阳离子淀粉和阴离子淀粉,以及淀粉酯如淀粉乙酸酯、淀粉羟乙基醚、烷基淀粉、糊精、氨基淀粉、磷酸酯淀粉和双醛淀粉。
纤维素衍生物的实例包括但不限于纤维素酯(例如,甲酸纤维素、乙酸纤维素、二乙酸纤维素、丙酸纤维素、丁酸纤维素、戊酸纤维素、混合酯及它们的混合物)和纤维素醚(例如,甲基羟乙基纤维素、羟甲基乙基纤维素、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟乙基丙基纤维素及它们的混合物)。
其它可以加到本发明的聚合物共混物中的多糖基聚合物包括褐藻酸、褐藻酸盐、藻胶、琼脂、阿拉伯树胶、瓜尔胶、金合欢胶、角叉菜胶、丹麦琼脂(Furcellaran)、印度胶(ghatti)、车前子胶、温柏树胶、罗望子胶、刺槐豆胶、刺梧桐树胶、黄原胶和黄蓍胶,以及它们的混合物或衍生物。
合适的蛋白质基聚合物包括,例如Zein(一种来自玉米的醇溶谷蛋白)、胶原蛋白(从动物结缔组织和骨中提取的蛋白)及其衍生物如明胶和阿胶、酪蛋白(牛奶的主要蛋白)、向日葵蛋白、卵蛋白、大豆蛋白、植物明胶、谷蛋白以及它们的混合物或衍生物。
D.非生物降解的聚合物
尽管聚合物共混物的重要特征在于它们一般被视为可生物降解,但在本发明的范围内确实包括一种或多种非生物降解的聚合物。如果非生物降解的聚合物一般包括分散相而不是主要连续相,则含有非生物降解的聚合物的聚合物共混物仍然是可生物降解的,至少部分是可生物降解的。当降解时,聚合物共混物可以遗留非生物降解的残余物,而残余物仍胜过非生物降解的共混物的完整片和膜。
适于形成片和膜,且通常不可生物降解的聚合物的实例包括但不限于,聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、PET、PETG、聚氯乙烯、PVDC、聚苯乙烯、聚酰胺、尼龙、聚碳酸酯、聚硫化物、聚砜、包含前述一种或多种的共聚物等。
IV.聚合物共混物
A.浓度范围
聚合物共混物中各种成分的浓度取决于多种因素,包括最终共混物所希望的物理和机械性能、由特定的共混物制造的制品指标、用于制造并将共混物转变成希望的制品的加工设备以及共混物中的特定成分。根据本文公开的具体实施例和其它教导,本领域的普通技术人员能够通过例行试验选择并最优化各种成分的浓度。
鉴于本发明范围内的各种各样的聚合物共混物,以及可以在共混物中设计的各种各样的性能,硬聚合物和软聚合物的含量可以在很大范围变化。本发明共混物中的一种或多种刚性聚合物的浓度范围优选为可生物降解的聚合物共混物的约20重量%至约99重量%,更优选约50重量%至约98重量%,最优选为聚合物共混物的约80重量%至约95重量%。
同样地,软聚合物的浓度范围将优选为可生物降解的聚合物共混物的约1重量%至约80重量%,更优选约2重量%至约50重量%,最优选为聚合物共混物的约5重量%至约20重量%。
前述的范围是按照不含可以添加的可选成分的硬聚合物和软聚合物的共混物测定的,如上所说明和确定。
B.聚合物共混物的性能
聚合物共混物可以设计成具有任何所需性能。在拟用作“包裹物”,如用于包装肉、其它易坏食品以及特别是快餐食品(例如,三明治、汉堡包和甜点)的片或膜的情况下,下面情形一般是理想的:提供具有好的“死褶”性能,从而一旦折叠、包裹或另外被处理为所需的方向时,这样的包裹物将倾向于保持其方向,从而不会自发打开或解开,而自发打开或解开这种情况是大量的塑料片和膜(例如聚乙烯)所发生的。
为改善由其制造的片或膜的死褶性能,可以选择产生较高杨氏模量,优选高于约100MPa,更优选高于约150MPa,最优选高于约200MPa的生物聚合物制备共混物。一般地,增加刚性生物聚合物的浓度将倾向于增大杨氏模量。如上所述,也可以通过在聚合物共混物中加入一种或多种填料,如粒状或纤维状填料来增大杨氏模量。
另外,或代替增大杨氏模量以改善死褶,本发明的片或膜可以选择性地加工,以增强片的“丰厚手感”,这通过改变片或膜的一般的平面性实现。例如,这可以通过对片进行压花、打褶、衲缝或其它纹饰从而形成一系列凹凸部而不是仅仅平面来实现。例如,这可以通过使片或膜通过一对有凸边的或其它凸出型辊来实现。这样的纹饰增加了片所具有并保持的折叠能力,从而提高了片的死褶性能。
本发明的可生物降解的共混物的另一个重要的性能是当吹塑、挤出共混物或将其成型为片和膜时,这些片和膜不用进一步加工便可容易地进行印刷。因此,在包裹物的制造中使用本发明的聚合物共混物的另一个优点是这些共混物通常比常规的塑料或蜡纸更容易地接受和保留印迹。许多塑料和蜡具有高度疏水性,因此必须进行表面氧化以提供墨水可附着的化学上可接受的表面。另一方面,生物聚合物通常具有含氧部分,如酯或酰胺基,墨水能够容易地附着到这些基团上。
C.聚合物共混物、片和膜的制造方法
在本发明的范围内,为形成本发明的聚合物共混物,使用制造热塑性组合物领域中已知的任何混合设备。可用于形成本发明的共混物的合适的混合设备的例子包括Buss Company出售的具备混炼区的啮合螺杆的双轴混炼机、Brabender混合机、Theysohn TSK 045混配机(这是一种双轴挤出机,具有以同样方向旋转的轴,并具有多个加热和加工区)、具有可加热的螺旋钻的Buss Ko-Kneader连续混炼机、Baker-Perkins MPC/V-30双螺杆和单螺杆挤出机、单螺杆或双螺杆OMC挤出机、EPV 60/36D型挤出机、BATTAGGION ME100直流慢速混合机和HAAKE Reomex挤出机。
前述的一些混合机也是挤出机,使它们适于由本发明的共混物挤出膜或片。或者,可以使用传动杆注射(transfer-line-injection)技术,其中树脂制造商在制造过程中可以将这些共混物的各种次要成分注射到主要聚合成分中。本领域的普通技术人员可以根据需要制造的制品选择和最优化合适的制造装置。
在制造片和膜的优选实施方案中,片和膜可以使用用于混料的双螺杆挤出机,和用于制造膜的吹塑膜或浇注膜生产线来制造。
V.优选实施方案的实施例
举出下面的实施例目的在于更具体教导用于形成本发明的可生物降解的共混物的组合物和工艺条件,以及由其制成的制品。实施例包括本发明的可生物降解的共混物的多种混合方案,以及用于制造共混物以及由其制成的片和膜的各种工艺。
实施例1-3
由具有下面设计方案的可生物降解的聚合物共混物制造膜,浓度表达为占聚合物共混物总量的重量百分比:
实施例 | Biomax 6926 | Ecoflex-F | SiO2 |
1 | 94.84% | 5% | 0.16% |
2 | 89.84% | 10% | 0.16% |
3 | 79.84% | 20% | 0.16% |
使用DuPont提供的BIOMAX 6926(新批号和旧批号)、DuPont提供的BIOMAX 6926基树脂中的氧化硅母炼胶和从BASF获得的ECOFLEX-F树脂,将上面的聚合物共混物在位于加利福尼亚的Maywood的Gemini Plastics中共混并吹制成膜。使用Gemini膜吹塑挤出机(L/D 24/1)吹制膜,该设备配有具有Maddock剪切混合头的2英寸屏障型混合螺杆,和4英寸直径的环状模(模口间隙为0.032-0.035”)。
虽然使用了常用量的氧化硅防成块剂(antiblock)(即,0.16%),但使用实施例3混合方案(即,20%ECOFLEX)制成的膜也观察到明显的膜成块;但是,实施例1和2使用5%和10%ECOFLEX没有观察到结块。为便于比较,制造了纯ECOFLEX和BIOMAX的膜。纯ECOFLEX膜是在相同的树脂中使用BASF ECOFLEX-F树脂和30%滑石粉母炼胶制造的。纯BIOMAX膜(新和旧)含有0.16%SiO2,而纯ECOFLEX膜含有4.5%滑石粉。在环境条件下测定了BIOMAX/ECOFLEX共混膜和BIOMAX和纯ECOFLEX-F对照膜的机械性能。得到的数据以图形的形式分别表示在图1-8的图线1-8中。
图1中绘制的图线1是各种试验膜的应变速率对百分比断裂伸长率的图。应变速率为500mm/分钟时,新的和旧的BIOMAX膜的伸长率差。纯ECOFLEX膜及由BIOMAX-ECOFLEX共混物制成的所有膜在所有研究的应变速率下都表现出比纯BIOMAX膜显著好的伸长率。另一方面,在较低的应变速率下,实施例3的20%ECOFLEX共混物与纯ECOFLEX膜的伸长率等同或更好,即使这些膜含有接近80%伸长率极差的BIOMAX。
图2中绘制的图线2是在500mm/分钟的固定应变速率下测定的百分比伸长率对BIOMAX/ECOFLEX共混物中的ECOFLEX的百分比的图。如图线2所示,当ECOFLEX的浓度增加时,百分比伸长率几乎线性增加。而且,实施例3的20%ECOFLEX共混物具有与纯ECOFLEX膜一样好的伸长率。
图3中绘制的图线3同样地绘制了在1000mm/分钟的固定应变速率下,百分比伸长率对BIOMAX/ECOFLEX共混物中ECOFLEX百分比的图。另外,当ECOFLEX的浓度分别达到10%和20%时,观察到BIOMAX/ECOFLEX共混物的伸长率剧烈上升,但是其趋势不象图线2的在500mm/分钟的固定应变速率下测定的数据那样清晰。
图4中绘制的图线4是应变速率对各种膜的断裂应力的图。另外,在研究的所有应变速率下,纯ECOFLEX和所有BIOMAX/ECOFLEX共混物都具有比纯BIOMAX膜的断裂应力好得多。而且,在所有的应变速率下,BIOMAX/ECOFLEX共混物具有比ECOFLEX膜显著好的断裂应力,由此说明BIOMAX/ECOFLEX共混物的拉伸强度都要比纯BIOMAX或ECOFLEX好。
图5中绘制的图线5是在500mm/分钟的固定应变速率下测定的断裂应力对实施例1-3的BIOMAX/ECOFLEX共混物中ECOFLEX的百分比的图。随着ECOFLEX的浓度增加,观察到断裂应力几乎呈线性增加。而且,实施例3的20%共混物表现出令人惊异和意外的结果:断裂应力几乎为纯ECOFLEX膜的两倍,纯BIOMAX膜的几乎三倍。
图6中绘制的图线6是在1000mm/分钟的应变速率下测定的断裂应力对实施例1-3的BIOMAX/ECOFLEX共混物中ECOFLEX的百分比的图。在此应变速率下,实施例2的10%ECOFLEX共混物具有最高断裂应力,最大峰值应力为72MPa。
在图7和图8中分别绘制的图线7和8是作为膜中ECOFLEX浓度函数的各种膜的水蒸汽透过系数(WVPC)的图。在图7中,估计的趋势线是基于WVPC为7.79×10-3g.cm/m2/d/mmHg,这是对纯ECOFLEX膜测得的最低WVPC。在图8中,估计的趋势线基于42×10-3g.cm/m2/d/mmHg,这是对纯ECOFLEX膜测得的最高WVPC。图7和图8的数据说明实施例1和2的5和10%ECOFLEX共混物的水蒸汽阻透性能基本上与纯BIOMAX膜相同。使用ASTM F 1249-90试验方法中记载的标准程序测定了所有试样的WVPC数据。
图9中绘制的图线9是作为膜中ECOFLEX浓度函数的各种膜的模量的图。令人惊讶的是,含有BIOMAX和ECOFLEX的共混物的模量比纯BIOMAX和纯ECOFLEX的模量都显著高。由于按照本发明制造的膜的用途之一是具有好的死褶性能的包裹物,并且确信死褶的程度与膜的模量有关,因此BIOMAX和ECOFLEX共混物看来具有比纯BIOMAX和ECOFLEX膜优越的死褶性能,并且5%和10%共混物具有最高模量。
实施例4-5
由具有以下配合比设计方案的可降解的聚合物共混物制造膜,浓度表达为聚合物共混物总量的重量百分比:
实施例 | Biomax 6926 | Ecoflex-F | 滑石 |
4 | 79.7% | 16.7% | 3.6% |
5 | 76.7% | 16.7% | 6.6% |
使用配有Maddock剪切混合头的2英寸屏障型混合螺杆,和4英寸直径的环状模(模口间隙为0.032-0.035”)的Gemini膜吹塑挤出机(L/D 24/1)吹制膜。实施例5的膜的死褶性能比实施例4好,这可归功于实施例5中使用的共混物中滑石的高浓度。
实施例6
由具有以下配合比设计方案的可降解的聚合物共混物制造膜,浓度表达为聚合物共混物总量的重量百分比:
ECOFLEX-F 20%
可热塑加工的淀粉 50%
聚乳酸 15%
无机填料 15%
可热塑加工的淀粉从位于德国Emmerich的Biotec BiologischeNatuverpackungen GmbH & Co.,KG(“Biotec”)获得。聚乳酸从位于美国Michigan的Midland的Cargill-Dow Polymers,LLC获得。无机填料是从位于瑞士Oftringen的Pluess-Staufer分部OMYA获得的碳酸钙。
使用专门为Biotec制造和组装的专用挤出生产线的热塑性淀粉挤出/膜吹塑装置,制造前述的共混物并将其吹制成片。特别地,挤出/膜吹塑装置由位于德国Ebersberg的Dr.Collin GmbH制造。与Biotec使用的类似的挤出/膜吹塑装置的详细说明见美国专利5,525,281。为公开的需要,将上述专利通过特别引用并入本文。
该膜的模量为215.65MPa。因此,其优良的死褶性能来源于加入了无机填料和聚乳酸,聚乳酸在室温下一般是刚性的、结晶聚合物。如上所述,PLA的玻璃化转变温度为50-60℃。ECOFLEX和可热塑加工的淀粉(TPS)均充当软的、低玻璃化转变温度聚合物。当含水量极低且与另外的聚合物共混时,TPS具有约-60℃的玻璃化转变温度。因此ECOFLEX和TPS有助于共混物的吹塑性和柔性。TPS还增加了天然聚合物含量,从而使膜的生物降解性更强。
实施例7
由具有以下配合比设计方案的可降解的聚合物共混物制造膜,浓度表达为聚合物共混物总量的重量百分比:
可热塑加工的淀粉 30%
BAK 1095 60%
无机填料 10%
可热塑加工的淀粉由Biotec获得。BAK 1095由位于德国Kln的Bayer AG获得,为脂肪族-芳香族聚酰胺酯。无机填料为由位于瑞士Oftringen的Pluess-Staufer分部OMYA获得的碳酸钙。
使用实施例6中说明的专用热塑性淀粉挤出/膜吹塑装置制造前述的共混物并将其吹制成片。该膜具有的优良死褶性能来源于含有无机填料和BAK 1095,BAK 1095在室温下是一种有些刚性的结晶聚合物,虽然其被分类为“膜级”。如上所述,BAK 1095表现出好象具有至少10℃的玻璃化转变温度。由于BAK 1095的玻璃化转变温度与PLA相比较低,因此可以含有更多的BAK 1095而不会破坏所得膜的膜吹塑特性和柔性。TPS的作用是软的低玻璃化转变温度聚合物,并且进一步促进共混物的吹塑性和柔性。它还增加了天然聚合物的含量,由此使膜的生物降解性更强。
实施例8-12
由具有以下的混合配合比设计方案的可降解聚合物共混物制造膜,浓度表达为聚合物共混物总量的重量百分比:
实施例 | Biomax 6926 | Ecoflex F | 滑石 | TiO2 | CaCO3 |
8 | 76% | 15% | 4.5% | 4.5% | -- |
9 | 85.5% | 9.5% | -- | 5% | -- |
10 | 70% | 17.5% | -- | 2.5% | 10% |
11 | 66% | 16.5% | -- | 2.5% | 15% |
12 | 58% | 24% | -- | 3% | 15% |
滑石由位于科罗拉多Englewood的Luzenac提供,其粒径为3.8微米。二氧化钛由位于俄克拉荷马的俄克拉荷马城的Kerr-McGeeChemical,LLC提供,品级为TRONOX 470,粒径为0.17微米。碳酸钙由位于加利福尼亚Lucerne Valley的Omnia提供,粒径为2微米。使用配有Maddock剪切混合头的2英寸屏障型混合螺杆,和4英寸直径的环状模(模口间隙为0.032-0.035”)的Gemini膜吹塑挤出机(L/D24/1)制造前述的共混物,并将其吹制为片。所有的膜均具有良好的死褶性能。实施例10-12的聚合物共混物也使用单螺杆挤出机和14英寸扁平型浇注模和与这样的系统垂直的普通包胶夹辊和卷绕机组挤出为片。所有的这些膜均具有优良的死褶性能。
VI.总结
总之,本发明提供了可生物降解的聚合物,其可容易地成型为具有适用作包装材料的强度和柔性的片和膜。
本发明还提供可生物降解的聚合物,其可容易地成型为能够被折叠、衲缝或另外处理以可靠包装和密封其中的基材的片和膜。
本发明进一步提供可生物的聚合物,其可容易地成型为具有足够的柔性,同时避免或最小化诸如不希望的自粘结的问题的片和膜。
本发明另外提供可生物降解的聚合物,其可容易地成型为比现有的生物聚合物在宽温度范围内提高温度稳定性。
在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,可以另外具体的形式具体说明本发明。本发明所描述的实施方案仅应被视为是示例性而非限制性。因此,本发明范围由附后的权利要求书而非前面的说明书所限定。在要求保护的意义或等价范围内进行的所有变化包含在其范围内。
Claims (31)
1.一种可生物降解的聚合物共混物,含有:
至少一种具有高于约10℃的玻璃化转变温度的刚性可生物降解的合成聚合物;和
至少一种具有低于约0℃的玻璃化转变温度的软的可生物降解的聚合物,
其中该聚合物共混物适于成型为挤出片和吹塑膜的至少一种。
2.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性的可生物降解的聚合物包括以下物质的至少一种:改性聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺酯或含有由选自丙交酯或具有至多4个碳原子的羟基酸的至少一种形成的单元的脂肪族聚酯。
3.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性的可生物降解的聚合物包括以下物质的至少一种:聚乳酸、聚乳酸衍生物、改性聚对苯二甲酸乙二酯、三元共聚物或聚酰胺酯,其中改性聚对苯二甲酸乙二酯中的一部分对苯二甲酸酯基团被磺化并且其中一部分亚乙基基团被至少一种环氧烷或聚环氧烷基团置换,所述的三元共聚物含有由乙交酯、丙交酯和ε-己内酯形成的单元,所述的聚酰胺酯由至少一种二酸、至少一种二醇和至少一种氨基酸形成。
4.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中软的可生物降解的聚合物包括以下物质的至少一种:包括至少一种由丙交酯或具有至少5个碳原子的羟基酸形成的单元的脂肪族聚酯,包括由脂肪族二醇、脂肪族二酸和芳香族二酸形成的单元的聚酯,或包括由丁二酸和脂肪族二醇形成的单元的聚酯。
5.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中软的可生物降解的聚合物包括以下物质的至少一种:包括由己二酸、对苯二甲酸二烷基酯和至少一种脂肪族二醇形成的单元的脂肪族-芳香族共聚聚酯,聚己内酯,聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯共聚物,聚丁二酸丁二酯,聚丁二酸己二酸丁二酯或聚丁二酸乙二酯。
6.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中软的可生物降解的聚合物包括可热塑加工的淀粉。
7.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性可生物降解的聚合物的浓度范围为可生物降解的聚合物共混物的20重量%至约99重量%,软的可生物降解的聚合物的浓度范围为可生物降解的聚合物共混物的约1重量%至约80重量%。
8.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性可生物降解的聚合物的浓度范围为可生物降解的聚合物共混物的50重量%至约98重量%,软的可生物降解的聚合物的包含浓度范围为可生物降解的聚合物共混物的约2重量%至约50重量%。
9.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性可生物降解的聚合物的浓度范围为可生物降解的聚合物共混物的80重量%至约95重量%,软的可生物降解的聚合物的包含浓度范围为可生物降解的聚合物共混物的约5重量%至约20重量%。
10.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性可生物降解的聚合物具有高于约20℃的玻璃化转变温度。
11.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性可生物降解的聚合物具有高于约30℃的玻璃化转变温度。
12.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中刚性可生物降解的聚合物具有高于约40℃的玻璃化转变温度。
13.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中软的可生物降解的聚合物具有低于约-10℃的玻璃化转变温度。
14.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中软的可生物降解的聚合物具有低于约-20℃的玻璃化转变温度。
15.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中软的可生物降解的聚合物具有低于约-30℃的玻璃化转变温度。
16.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其进一步含有至少一种非生物降解聚合物。
17.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其进一步含有至少一种粒状填料。
18.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其进一步含有至少一种增塑剂。
19.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中至少一种刚性的和软的聚合物含有一种或多种二异氰酸酯链增长剂。
20.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中可生物降解的聚合物共混物是片或膜的形式。
21.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜具有适用作包裹物的死褶性能。
22.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜具有至少约100MPa的杨氏模量。
23.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜具有至少约150MPa的杨氏模量。
24.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜具有至少约200MPa的杨氏模量。
25.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜被纹饰,从而增强了其丰厚的手感。
26.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜在其至少一部分上被印刷。
27.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜与至少另一片或膜层叠。
28.如权利要求20所述的可生物降解的聚合物共混物,其中片或膜与模制品层叠。
29.如权利要求1所述的可生物降解的聚合物共混物,其中软的聚合物包括合成聚合物。
30.一种可生物降解的聚合物共混物,含有:
至少一种具有高于约10℃的玻璃化转变温度的可生物降解的合成聚合物;和
至少一种具有低于约0℃的玻璃化转变温度的可生物降解的合成聚合物,
其中该聚合物共混物适于成型为挤出片和吹塑膜的至少一种。
31.一种片或膜形式的可生物降解的聚合物共混物,含有:
至少一种具有高于约10℃的玻璃化转变温度的可生物降解聚合物;和
至少一种具有低于约0℃的玻璃化转变温度的可生物降解的合成聚合物,
其中该可生物降解的片或膜具有适用作包装物的死褶性能。
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