高透明聚乳酸油瓶的制備及性能

王文玲，李義，王志剛，唐明勛，佟毅

(吉林中糧生化有限公司 玉米深加工國(guó)家工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033）

聚乳酸是一種來(lái)源于以可再生植物資源為原料人工合成制備的脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和生物降解性[1,2]，對(duì)環(huán)境友好[3]，在環(huán)境中最終分解為水和二氧化碳，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。因此，近年來(lái)聚乳酸被廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)療、包裝、纖維、電子產(chǎn)品和汽車等領(lǐng)域。

聚乳酸是一種可完全生物降解的無(wú)毒、無(wú)刺激性的綠色塑料，并且與聚對(duì)苯二甲酸類塑料（PET）有相類似的物理及力學(xué)性能，具有良好的光澤度和透明性，可代替現(xiàn)有的PET包裝材料，用于食品包裝[3]。但是聚乳酸的韌性差[4]、不易拉伸是其不可忽視的缺點(diǎn)，目前用于聚乳酸增韌改性的增韌劑主要有聚已二酸對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚丁二酸丁二酯(PBS)、聚碳酸亞丙酯（PPC）、聚己內(nèi)酯（PCL）、馬來(lái)酸酐接枝乙烯類彈性體（POE）中的一種或兩種[5]，但是在達(dá)到增韌效果的同時(shí)，材料卻失去了良好的透明度。本文選用丙烯酸樹(shù)脂作為增韌劑，在保證聚乳酸產(chǎn)品高透明度和食品接觸安全性的前提下，達(dá)到增韌改性效果，使其更易拉伸成型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚乳酸：4032D，Mw=207 000 g/mol，密度1.25 g/cm3，D型乳酸單元含量約為2%，美國(guó)Nature works公司；

丙烯酸樹(shù)脂：杜邦A(yù)C2116，廠家：美國(guó)杜邦公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-36，南京杰亞擠出裝備有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：GZX-9240MBE，上海博訊儀器廠；

注塑機(jī)：YH-98型，寧波通用塑料機(jī)械制造有限公司；

加長(zhǎng)型紅外線烘箱、半自動(dòng)吹瓶機(jī)：ZQ22-IV型，浙江東方州強(qiáng)塑模實(shí)業(yè)有限公司；

偏光顯微鏡（POM）：Leica DM2500 P，德國(guó)徠卡微系統(tǒng)有限公司；

熱臺(tái)：Linklam LTS 350，英國(guó)Linkam科學(xué)儀器公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：JOEL-5800，日本日立公司；

電子拉力機(jī)：Instron 1211，美國(guó)Instron公司；

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：5900，美國(guó)Instron公司；

測(cè)厚儀：CHY - CA，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；

水蒸氣透過(guò)率測(cè)試系統(tǒng)：PERME?W3/330，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；

壓差法容器氣體透過(guò)率測(cè)試儀：G2/130，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；

透光率/霧度測(cè)定儀：SGW?-810，廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司；

彩晶顯示熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀：SRZ-400E，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司；

智能垂直載壓測(cè)試儀：濟(jì)南三泉中石實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將80℃干燥4h后的PLA與丙烯酸樹(shù)脂按照表1配比（總質(zhì)量為1kg）配料，由雙螺桿擠出機(jī)擠出、造粒，得到聚乳酸改性料。將聚乳酸改性料料粒置于鼓風(fēng)干燥箱中，在60℃的條件下干燥5h，得到PLA/AC2116油瓶材料。之后注塑機(jī)注塑，加長(zhǎng)型紅外線烘箱、半自動(dòng)吹瓶機(jī)吹塑得到容量為900ml的油瓶產(chǎn)品。雙螺桿擠出機(jī)各段溫度從進(jìn)料口到?？诜謩e設(shè)置為150、160、170、175、180、185、175、170℃，螺桿轉(zhuǎn)速：120～300 r/min，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速為300～370 r/min。注塑機(jī)各段溫度設(shè)置為：180、185、190、195、190℃，螺桿轉(zhuǎn)速：80～120 r/min，注塑壓力：100～120 MPa。加長(zhǎng)型紅外線烘箱各段溫度設(shè)置為：71、65、60、57、55、50、45℃，轉(zhuǎn)速45r/min。半自動(dòng)吹瓶機(jī)各段溫度設(shè)置為：左延遲拉伸45s、右延遲拉伸42s、左延遲吹氣45s、右延遲吹氣40s，高壓26Mpa。

表1 PLA/AC2116復(fù)合材料的配比

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 拉伸性能測(cè)試

按照GB/T 1040.1-2006標(biāo)準(zhǔn)，制備啞鈴型試樣，每組測(cè)試5個(gè)樣條，結(jié)果取平均值，拉伸速率為50mm/min。

1.4.2 透光率/霧度測(cè)試

按照GB/T 2410-2008標(biāo)準(zhǔn)，制備50mm＊50mm試樣，每組測(cè)試5個(gè)試樣，結(jié)果取平均值。

1.4.3 垂直載壓測(cè)試

按照GB/T 17200-2008 標(biāo)準(zhǔn)，每組取10個(gè)樣瓶，在常溫下放置24h后，進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)?zāi)Ｊ綖椤捌胀ɡ瓑骸?，運(yùn)行速度為100mm/min，破形判斷為下降峰值的20%。

1.4.4 熔融指數(shù)測(cè)試

按照 GB/T 3682-2000 標(biāo)準(zhǔn)，取PLA/AC2116共混物顆粒，60℃干燥5h后，采用質(zhì)量法測(cè)試聚乳酸改性料的熔體流動(dòng)速率，測(cè)試溫度為190℃，試驗(yàn)負(fù)荷為2.16Kg，切料時(shí)間為10s。

1.4.5 容器水蒸氣透過(guò)率測(cè)試

按照GB/T 31355-2014 標(biāo)準(zhǔn)，將樣瓶干燥器內(nèi)放置24h后，進(jìn)行測(cè)試，氣源為氮?dú)?，測(cè)試模式為連續(xù)模式，測(cè)試環(huán)境為23℃&50%RH。

1.4.6 壓差法容器氣體透過(guò)量測(cè)試

按照GB/T 1038-2000 標(biāo)準(zhǔn)，將樣瓶干燥器內(nèi)放置24h后，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試氣體為空氣、氧氣、二氧化碳。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能分析

拉伸性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，添加增韌劑AC2116后制備的油瓶與聚乳酸油瓶相比，拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量明顯下降，且隨著AC2116含量的增加，拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量呈下降趨勢(shì)；拉伸斷裂應(yīng)變隨著AC2116含量的增加而增大且成上升趨勢(shì)。表明添加AC2116后，聚乳酸油瓶表現(xiàn)出軟而韌的特性，且在AC2116添加量為10%時(shí)表現(xiàn)最明顯。

2.2 透光率/霧度分析

表3為聚乳酸油瓶的透明度/霧度測(cè)試結(jié)果，從結(jié)果可以看出，添加AC2116后透光率在90%±2%范圍內(nèi)變化，霧度在5-8%范圍內(nèi)變化。表明添加AC2116后，聚乳酸油瓶仍具有高透明度，并且AC2116添加量的變化并不影響聚乳酸油瓶的透明度。

表2 拉伸性能測(cè)試結(jié)果

表3 透光率/霧度測(cè)試結(jié)果

2.3 垂直載壓分析

表4為制備的油瓶垂直載壓測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明添加AC2116后，油瓶所能承受的最大力值有所增加，但是隨著AC2116添加量的增多，最大力值呈降低趨勢(shì)，并在添加量為10%時(shí)達(dá)到最小值。

表4 垂直載壓測(cè)試結(jié)果

2.4 熔融指數(shù)分析

表5為共混物熔融指數(shù)測(cè)試結(jié)果，添加AC2116后，熔融指數(shù)增大。且隨著添加量的增多，熔融指數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在添加量為10%時(shí)達(dá)到最大值。表明隨著AC2116添加量的增加，共混物的加工流動(dòng)性更佳，更易于加工。

表5 熔融指數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.5 容器水蒸氣透過(guò)率分析

表6為制備的樣瓶在溫度為23℃、濕度為50%RH條件下測(cè)試的水蒸氣透過(guò)率結(jié)果，結(jié)果表明AC2116的添加，對(duì)容器水蒸氣透過(guò)率不產(chǎn)生影響。

表6 水蒸氣透過(guò)率測(cè)試結(jié)果

2.6 壓差法容器氣體透過(guò)量分析

表7為制備的樣瓶容器氣體透過(guò)量結(jié)果，結(jié)果表明AC2116的添加，對(duì)容器氣體透過(guò)量不產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

（1）AC2116作為增韌劑添加到聚乳酸中，能有效改善聚乳酸油瓶的韌性，但改善韌性的同時(shí)降低聚乳酸油瓶的拉伸強(qiáng)度及垂直載壓所能承受的最大力值。本文認(rèn)為，從韌性、拉伸強(qiáng)度和垂直載壓方面考慮，AC2116的添加量應(yīng)控制在4%-8%。

（2）PLA/AC2116共混物的熔融指數(shù)隨著AC2116添加量的增多而增大，從加工工藝方面考慮，AC2116的添加使聚乳酸油瓶更易于加工成型。

（3） AC2116的添加不會(huì)降低聚乳酸油瓶的透明度。

（4）添加AC2116后制備的聚乳酸油瓶，水蒸氣透過(guò)率、氣體（空氣、氧氣、二氧化碳）透過(guò)量并沒(méi)有發(fā)生變化，表明不影響聚乳酸油瓶的使用性能。

綜上所述，選用AC2116作為聚乳酸油瓶的增韌劑，能夠在保證油瓶高透明度和油瓶使用性能的基礎(chǔ)

表7 氣體透過(guò)量測(cè)試結(jié)果

上，有效增加聚乳酸的韌性，且根據(jù)加工工藝不同選擇AC2116添加量在4%-8%為宜。

[1]張向南, 何文滾． 聚乳酸增韌改性研究[J]． 塑料科技,2013, (6)： 63-66．

[2] 鄒俊等． 苯乙烯-丙烯酸縮水甘油酯共聚物支化改性聚乳酸的結(jié)構(gòu)與性能[J]． 高分子 材料科學(xué)與工程, 2016,(6)： 80-84．

[3] 張玉霞 , 劉偉 譯 ． 聚乳酸的性能及其加工技術(shù) [J]． 塑料包裝 , 2010, 20(1)： 53-42．

[4] 蘇思玲． 綠色塑料聚乳酸的增韌改性研究[D]． 上海：上海交通大學(xué), 2008． 19-33．

[5] 吉林中糧生化有限公司． 一種高含量聚乳酸透明油瓶及其制備方法 [P]． 中國(guó)專利 ： 201710488051．7, 2017-6-23．