改性木質(zhì)素/PBAT復(fù)合包裝膜的研究

趙曼，陳蘊(yùn)智，張楠，張正健，劉光發(fā)，郭浩然

改性木質(zhì)素/PBAT復(fù)合包裝膜的研究

趙曼，陳蘊(yùn)智，張楠，張正健，劉光發(fā)，郭浩然

（天津科技大學(xué)，天津 300457）

將硅烷化木質(zhì)素（SAL）與聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）共混制備包裝性能更為優(yōu)良的SAL/PBAT復(fù)合包裝膜，使其在包裝領(lǐng)域應(yīng)用更廣。通過對木質(zhì)素進(jìn)行硅烷化改性，以咪唑作為中間體，將叔丁基二甲基氯硅烷（TBDMSCl）接枝到木質(zhì)素的羥基上制備SAL，并將SAL與PBAT進(jìn)行熔融共混吹塑成膜，探討其對包裝膜的力學(xué)和阻隔等性能的影響。與純PBAT膜相比，SAL/PBAT復(fù)合包裝膜拉伸強(qiáng)度提高了31.0%，斷裂伸長率降低了37.4%，彈性模量提高了529.7%，氧氣透過率降低了39.4%，水蒸氣透過率降低了42.4%。改性木質(zhì)素與PBAT復(fù)合能夠產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，可以有效改善SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的力學(xué)和阻隔性能。

聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯；木質(zhì)素；硅烷化；復(fù)合包裝膜

在商用可生物降解聚合物中，聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）具有良好的加工性能和生物相容性，已成為包裝應(yīng)用中的一種很有前景的包裝材料原料。PBAT結(jié)構(gòu)中含酯鍵，是一種可生物降解的生物材料，成為聚烯烴基包裝材料的潛在代替品[1-2]。這種材料之所以能加工成薄膜，因?yàn)樗哂泻芨叩捻g性和耐熱性，特別是在農(nóng)用塑料薄膜和環(huán)保垃圾袋的使用中。然而PBAT的成本較高[3]，限制了它在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用，且PBAT相對高的水蒸氣滲透性也限制了其在商業(yè)上的使用。相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道了為提高PBAT的適用性，將PBAT與其他聚合物[4]以及納米填料[5]共混，從而滿足可持續(xù)和可再生資源日益增長的需求。

木質(zhì)素是一種可再生、豐富的無毒多酚類復(fù)合生物質(zhì)植物纖維，具有較高的抗沖擊強(qiáng)度和耐熱性。此外，木質(zhì)素具有重量小，成本低、抗氧化、抗菌[6]等特性，可用于食品包裝。目前木質(zhì)素已作增強(qiáng)填料加入聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸和PLA/PBAT等聚合物中。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)分子中存在著很多活性基團(tuán)，如羥基，可以進(jìn)行許多的化學(xué)反應(yīng)，其衍生化有助于降低親水性，從而增強(qiáng)木質(zhì)素與非極性聚合物相容性，利于其在基質(zhì)中的分散，用于此目的最常見的反應(yīng)是烷基化和乙?；痆7]。Spiridon等[8]通過將松子殼中的木質(zhì)素提取出來，進(jìn)行乙?；笥米鱌LA的填料，由于乙?；举|(zhì)素比純木質(zhì)素具有更低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和更高的熱穩(wěn)性，木質(zhì)素的加入大大改善了PLA的熱穩(wěn)性。Bhattacharyya等[9]將天然木質(zhì)素與2種不同的烷基碘烷基化，以生成醚官能化的木質(zhì)素。醚化木質(zhì)素樣品的熱穩(wěn)定性得到了顯著改善，且烷基鏈的長度影響熱穩(wěn)定性以及其他熱性能。鐘生緣等[10]以聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）為基體，木質(zhì)素磺酸（LS）及其接枝物馬來酸酐（MA）為填料，再熔融共混制LS和MLS與PBAT的復(fù)合材料。結(jié)果表明，與未改性的LS相比，馬來酸酐改性后的木質(zhì)素在基質(zhì)中具有更好的分散性、相容性和力學(xué)性能。

將木質(zhì)素與PBAT通過熔融共混等方式制備成復(fù)合包裝膜，一方面保持了PBAT的柔韌性，另一方面可以與木質(zhì)素穩(wěn)定的剛性相結(jié)合，使之更適用于包裝領(lǐng)域。該復(fù)合包裝膜不僅能夠保持優(yōu)異的力學(xué)性能，而且具有生物降解性，但PBAT與木質(zhì)素界面相容性相對來說較差，因此需要對木質(zhì)素進(jìn)行改性。文中就這一問題，利用叔丁基二甲基氯硅烷（TBDMSCl）對堿性木質(zhì)素（AL）進(jìn)行硅烷化改性（SAL）[11]，將氯硅烷分別取代親水性的羥基，以提高堿性木質(zhì)素與PBAT的相容性。探討SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的包裝性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

材料：聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT），新疆藍(lán)山屯河聚酯有限公司，密度為1.25 g/cm3；木質(zhì)素，梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司；叔丁基二甲基氯硅烷（TBDMSCl），天津索羅門生物科技有限公司；咪唑，N'N–二甲基甲酰胺（DMF），分析純，天津一方科技有限公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 SAL的制備

將1 g預(yù)先干燥的堿木質(zhì)素（AL）在干燥的圓底燒瓶中稱重并用氮?dú)鉀_洗，以5 mL無水N'N–二甲基甲酰胺（DMF）為溶劑，攪拌混合物直至木質(zhì)素完全溶解。然后加入咪唑（相當(dāng)于木質(zhì)素OH質(zhì)量摩爾濃度的2.5當(dāng)量，文中木質(zhì)素的OH質(zhì)量摩爾濃度為5 mmol/g）和叔丁基二甲基氯硅烷（OH質(zhì)量摩爾濃度的2.5當(dāng)量），并將反應(yīng)混合物在室溫下攪拌12 h，其反應(yīng)機(jī)理見圖1[11]。對于甲基硅烷化的產(chǎn)物，首先在真空下除去DMF，之后加入去離子水以沉淀產(chǎn)物，然后將其濾出并用甲醇離心洗滌3次（離心機(jī)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，50 mL離心管）。最后，將甲基硅烷化的木質(zhì)素在40 ℃下干燥48 h，回收甲基硅烷化產(chǎn)物（SAL），產(chǎn)率約為80%。

圖1 木質(zhì)素硅烷化改性示意圖

1.2.2 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的制備

首先，將SAL和PBAT顆粒在溫度60 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h，以防止顆粒內(nèi)部和表面的水分促進(jìn)聚合物的水解和降解，從而避免產(chǎn)品指標(biāo)出現(xiàn)明顯下降。處理后的PBAT顆粒與木質(zhì)素粉按一定比例混合，每組樣品200 g，配方見表1。然后，將混合好的物料加入雙螺桿擠出機(jī)（STSZ系列錐形雙螺桿擠出機(jī)，武漢怡揚(yáng)塑料機(jī)械有限公司，擠出機(jī)中每個區(qū)域的溫度分別為120、135、140、130 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為25 r/min），經(jīng)熔融、拉伸、冷卻、干燥后，送入造粒機(jī)進(jìn)行造粒。所得材料放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，在60 ℃條件下干燥12 h。最后，將處理好的木質(zhì)素和PBAT復(fù)合顆粒倒入擠出吹塑機(jī)（BL–6178小型吹膜機(jī)，東莞寶輪精密檢測儀器有限公司，小型吹膜機(jī)的各個溫區(qū)的溫度分別設(shè)置為120、135、140、139 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為15 r/min，牽引速度為3.5 m/min）進(jìn)行擠出吹塑。

表1 木質(zhì)素/PBAT共混擠出吹膜配料比

Tab.1 Ingredient ratio of lignin/PBAT blending extrusion blown film

1.3 復(fù)合包裝膜性能測試及表征方法

1.3.1 復(fù)合膜斷面形貌測試

將復(fù)合包裝膜〔膜厚約為（50±1）μm〕切割成適當(dāng)大小的樣條，放入盛有液氮的容器中進(jìn)行淬斷，后將斷面垂直于樣品臺，進(jìn)行噴金處理，然后在加速電壓為5 kV的掃描電子顯微鏡SU–1510（日本日立公司）下進(jìn)行分析。

1.3.2 熱學(xué)性能測試

采用差示掃描量熱儀（DSC 8000美國鉑金埃爾默公司）進(jìn)行了測試。稱取材料樣品5～7 mg，保持氮?dú)鈿夥?，?0 ℃/min的速度第1次升溫至200 ℃，保溫3 min，消除熱歷史。然后以10 ℃/min 的速率將溫度從200 ℃降低到?20 ℃。第2次加熱：以10 ℃/min的速率從?20 ℃加溫到200 ℃，記錄冷卻過程和第2次加熱過程。

材料結(jié)晶度計(jì)算見式（1）[12]。

式中：c為材料結(jié)晶度；m為材料的熔融焓值，J/g；為復(fù)合材料中所檢測材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；0為所檢測材料完全結(jié)晶時的熔融焓，J/g，PBAT的熔融焓為114 J/g。

采用TGA–Q50熱重（TG）對復(fù)合包裝膜的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。該測試是在加熱速率為20 ℃/min的氮?dú)獗Ｗo(hù)下，使用熱分析系統(tǒng)將溫度從25 ℃升高到800 ℃進(jìn)行的。在測量過程中，將干燥的氮?dú)庖?0 mL/min的速率恒定流量排入爐中。

1.3.3 XRD測試

使用日本理學(xué)的Rigaku Ultima Ⅳ型XRD測試儀測試復(fù)合包裝膜的晶型結(jié)構(gòu)，設(shè)定波長為1.541 8，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描速度為10（°）/min，掃描范圍為5°～90 °。其結(jié)晶度計(jì)算式見式（2）[13]。

式中：c為材料結(jié)晶度；002為結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度；Amorph為非結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度。

1.3.4 力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 1040.3—2006和GB/T 6672—2001使用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)（美國Instron公司，3369）對樣品進(jìn)行了測試。樣品的長度為30 mm、寬度為10 mm，拉伸速率為500 mm/min，對每個樣品進(jìn)行5次測試，并取平均值。

1.3.5 阻隔性能測試

根據(jù)GB/T 1038—2000《塑料材料和板材透氣性試驗(yàn)方法壓差法》的方法，將樣品裁剪成直徑120 mm的圓片，使用GDP–C（德國 BRUGGER 公司）作為透氧測試的儀器對樣品進(jìn)行氧氣透過率的測試，對每個樣品進(jìn)行5次測試，并取平均值。

依據(jù)GB/T 1037—88《塑料材料和片材透濕性試驗(yàn)方法，杯式法》的方法，采用透濕杯（承德市科承實(shí)驗(yàn)機(jī)有限公司）對樣品材料進(jìn)行透濕性測試，對每個樣品進(jìn)行5次測試，并取平均值。

水蒸氣透過量的計(jì)算式見式（3）。

式中：WVP為水蒸氣透過量，g/(m2·24 h)；為時間內(nèi)質(zhì)量增量，g；為試樣透水蒸氣面積，m2；為相鄰2次實(shí)驗(yàn)間隔時間，h。

水蒸氣透過系數(shù)計(jì)算式見式（4）。

式中：v為水蒸氣透過系數(shù)，g·cm/(cm2·s·Pa)；WVP為水蒸氣透過量，g/(m2·24 h)；為時間內(nèi)氣壓增量，Pa；為試樣厚度，cm。

1.3.6 傅里葉紅外測試

采用傅里葉紅外光譜儀（Nicolet Is5，布魯克儀器公司）對AL和SAL顆粒進(jìn)行了測試。取1～2 mg樣品與150～170 mg溴化鉀進(jìn)行研磨，壓制成片測試，測試范圍為500～4 000 cm?1。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAL顆粒的紅外分析

為了分析硅烷化改性木質(zhì)素的是否接枝成功，文中對SAL和AL進(jìn)行了傅里葉紅外測試，見圖2。

圖2 AL、SAL顆粒FTIR圖

從圖2可以看出，與AL的紅外光譜相比，SAL在3 400～3 500 cm?1的吸收峰明顯減弱，在這一區(qū)域的寬峰是由于堿木質(zhì)素顆粒中的酚羥基和脂肪族羥基引起的。羥基的拉伸振動表明改性木質(zhì)素顆粒中的羥基含量降低。同時，叔丁基二甲基氯硅烷的C?H伸縮峰出現(xiàn)在2 880 cm?1附近，證明了硅烷化反應(yīng)的成功。Si?C在771 cm?1和843 cm?1的拉伸振動進(jìn)一步表明SAL成功制備。

2.2 復(fù)合包裝膜斷面形貌分析

為了更直觀形象表明不同添加量的SAL與PBAT的相容性，對復(fù)合包裝膜斷面進(jìn)行了掃描電鏡分析，見圖3。

圖3a顯示了純PBAT膜在5 000倍掃描電鏡下的淬斷面。從SEM圖能看出，純PBAT經(jīng)過液氮淬斷后表面光滑無缺陷。圖3b是SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合包裝膜在5 000倍觀察下的SEM圖。從圖3b可以看出，樣品的橫截面干凈整潔，有小突起。SAL顆粒均勻分散在基體中，且被完全包覆，無顆粒脫落，說明加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的SAL能夠均勻分散在PBAT中。圖3c顯示SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合包裝膜在5 000倍掃描電子顯微鏡下的SEM圖。結(jié)果表明，淬斷面存在明顯的缺陷，SAL與PBAT共混產(chǎn)生團(tuán)聚結(jié)塊。隨著SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到1.5%（如圖3d所示）時，5 000倍掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)斷面明顯缺陷。圖3e是SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合包裝膜的SEM圖像，通過5 000倍觀測，發(fā)現(xiàn)SAL結(jié)塊面積大，相容性差，與PBAT基體分離明顯。圖3e中的絮狀物是依附于SAL上的PBAT，團(tuán)塊則是SAL的團(tuán)聚。這是由于混合過程中填充過多，分散性差引起的聚集現(xiàn)象。圖3f表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的AL復(fù)合包裝膜的團(tuán)聚現(xiàn)象比同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)SAL的復(fù)合包裝膜嚴(yán)重，說明改性木質(zhì)素與PBAT基體的相容性優(yōu)于AL和PBAT基體。結(jié)果表明，叔丁基二甲基氯硅烷對堿性木質(zhì)素的改性是有效的，使SAL與PBAT的相容性更好。

圖3 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的淬斷面SEM圖

2.3 熱學(xué)性能分析

定性研究了SAL/PBAT 復(fù)合包裝膜的熱學(xué)性能，圖4與圖5分別為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SAL的復(fù)合包裝膜的熱重曲線與DSC曲線。

圖4 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的TG曲線和DTG曲線

由圖4a闡明了復(fù)合包裝膜在熱分解過程中的質(zhì)量損失規(guī)律。圖4b復(fù)合包裝膜的DTG主要有一個最明顯的峰存在，此處代表著復(fù)合包裝膜質(zhì)量損失最快的一段時間。從TG曲線能看出，純PBAT和SAL/PBAT復(fù)合包裝膜在分解過程中的熱分解位置是一樣的。結(jié)果表明，SAL與PBAT形成復(fù)合膜后，PBAT膜的熱穩(wěn)定性發(fā)生改變。添加SAL后復(fù)合包裝膜的初始分解溫度有了變化，略低于純PBAT的最大降解溫度，這是由于木質(zhì)素初始降解溫度較低。SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的最快降解溫度（max）為435 ℃左右，遠(yuǎn)高于加工溫度（140 ℃），因此，添加SAL不影響SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的加工性能[14]。

圖5 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的DSC降溫曲線和升溫曲線

不同SAL含量的SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的DSC曲線見圖5，DSC測試的具體數(shù)據(jù)見表2。通過對SAL/PBAT復(fù)合包裝膜進(jìn)行DSC測試，發(fā)現(xiàn)SAL能改善包裝膜的熱性能。從圖5a降溫曲線中可以看出，當(dāng)SAL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，冷結(jié)晶溫度（c）最小。這可能是由于SAL的作用，當(dāng)SAL的填充量較低時，不會對分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特別大的影響，能夠保證PBAT在較低的溫度下有規(guī)律地排列形成晶體，使復(fù)合材料的結(jié)晶能力增強(qiáng)。隨著SAL的填充量增加，SAL不能夠均勻地分散在PBAT基體中，產(chǎn)生了SAL團(tuán)聚現(xiàn)象。從總體上看，復(fù)合材料的結(jié)晶溫度低于PBAT的結(jié)晶溫度，這說明SAL的添加有利于復(fù)合材料的制備和PBAT在較低溫度下結(jié)晶[15]。從圖5b二次升溫曲線可以看出，隨著AL填充量的增加，復(fù)合材料的熔融溫度（m）減小，這表明SAL雖然有利于PBAT結(jié)晶，但晶片的厚度變小，導(dǎo)致m減小[16]。從表2可得出，復(fù)合材料的結(jié)晶度（cDSC）先增大后減小，符合c的變化規(guī)律。

表2 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜DSC及XRD數(shù)據(jù)

Tab.2 DSC and XRD data of SAL/PBAT composite packaging films

2.4 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜XRD分析

為了研究SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的結(jié)晶情況，對復(fù)合膜進(jìn)行XRD測試，SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、1.5%和2%時復(fù)合包裝膜的結(jié)晶情況見圖6。

從圖6可以看出，PBAT的5個特征衍射峰出現(xiàn)在16.1°、17.6°、20.44°，23.22°和24.42°處。SAL的加入并沒有改變衍射峰的位置，也沒有引起新的衍射峰，而是對衍射峰的強(qiáng)度產(chǎn)生了影響。這說明SAL的加入僅改變了PBAT的結(jié)晶度，沒有改變其晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果見表2。由于結(jié)晶度的計(jì)算所使用的公式不同，在計(jì)算方法上有差別，得到的結(jié)晶度也會有差異，但結(jié)晶度（cXRD）隨SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小，這與DSC的分析結(jié)果大體趨勢是一致的，在SAL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，結(jié)晶度最大。

圖6 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的XRD分析

2.5 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜力學(xué)性能分析

力學(xué)性能作為表征包裝材料質(zhì)量的重要依據(jù)，一般從斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度和彈性模量三方面進(jìn)行表征。

SAL填充對PBAT性質(zhì)的影響見圖7。由圖7a和圖7b可知，隨SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合包裝膜的拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長率先降低后升高?？梢钥吹疆?dāng)添加AL時，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度不會有太大的變化，而是在上下浮動，這是由于AL與PBAT本身存在著相分離，所以AL對PBAT不會產(chǎn)生很大影響；而添加SAL時，由于改性使之與PBAT相容性更好，也使復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度變化更大，當(dāng)SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，復(fù)合包裝膜的拉伸強(qiáng)度比純PBAT膜高出31.0%。研究中PBAT與木質(zhì)素共混能使復(fù)合材料的斷裂伸長率達(dá)到適當(dāng)?shù)乃?，但隨著SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，復(fù)合包裝膜中出現(xiàn)SAL顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，這是由于應(yīng)力集中，破壞了復(fù)合包裝膜的力學(xué)性能。從圖7c可以看出，隨著AL和SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合包裝膜的彈性模量先增加后減少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的SAL復(fù)合包裝膜的彈性模量增加了529.7%。這意味著復(fù)合包裝膜的剛度得到了提高，大量的苯環(huán)剛性結(jié)構(gòu)在復(fù)合包裝膜中起到了積極的作用，而由于SAL比AL在PBAT中分散更均勻，因此SAL/PBAT膜的力學(xué)性能更為優(yōu)良。綜上，當(dāng)SAL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，復(fù)合包裝膜的拉伸強(qiáng)度和彈性模量升高，而斷裂伸長率下降。

2.6 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜阻氧性能分析

為了研究SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的氣體阻隔性能，對復(fù)合包裝膜進(jìn)行透氧測試，SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、1.5%和2%時復(fù)合包裝膜的氧氣透過率情況見圖8。

根據(jù)圖8可以明顯看出，隨著AL和SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，復(fù)合包裝膜的氧氣透過率呈先降低后升高的趨勢，但總體添加SAL后的氧氣透過率遠(yuǎn)低于純PBAT膜和AL/PBAT復(fù)合包裝膜，且當(dāng)SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時復(fù)合包裝膜的氧氣透過率達(dá)到最低，與純PBAT膜相比降低了39.4%，與AL/PBAT復(fù)合包裝膜相比降低了26.5%。說明隨著SAL的添加，增大了復(fù)合包裝膜對氧氣的阻隔性。SAL為PBAT提供成核中心，從而提高復(fù)合膜的結(jié)晶密度，使復(fù)合包裝膜的氧氣阻隔性能增大[17]。隨著木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多，會在聚合物中產(chǎn)生團(tuán)聚，會加快氧氣透過的速度與透過量，導(dǎo)致阻隔性能的下降。綜上，復(fù)合包裝膜中具有無定形結(jié)構(gòu)的硅烷化堿木質(zhì)素分子會使得氧氣氣體分子在復(fù)合包裝膜中擴(kuò)散時需要經(jīng)過更長且曲折的路徑，因此添加硅烷化堿木質(zhì)素對提高復(fù)合包裝膜的氣體阻隔性起到了積極作用。

圖7 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的力學(xué)性能分析

2.7 SAL/PBAT復(fù)合包裝膜透濕性能分析

為了研究SAL/PBAT復(fù)合包裝膜的水蒸氣阻隔性能，對復(fù)合包裝膜進(jìn)行透濕測試，SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、1.5%和2%時復(fù)合包裝膜的水蒸氣透過情況見圖9。

圖8 木質(zhì)素含量對復(fù)合包裝膜透氧性能的影響

圖9 木質(zhì)素含量對復(fù)合包裝膜透濕性能的影響

從圖9可以得知，隨著SAL含量的增加，復(fù)合包裝膜的水蒸氣透過系數(shù)呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的趨勢，這種變化趨勢同AL/PBAT的變化趨勢相同。當(dāng)SAL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時復(fù)合包裝膜的水蒸氣透過率最低，與純PBAT膜相比降低了42.4%。復(fù)合包裝膜透濕系數(shù)增加的原因是2種材料的差異導(dǎo)致透濕系數(shù)部分增加，而硅烷改性改善了堿性木質(zhì)素與PBAT的相容性，且改性后的木質(zhì)素由于羥基的減少導(dǎo)致親水性下降；此外，由于SAL顆粒的加入，SAL/PBAT復(fù)合包裝膜共混物的結(jié)晶密度[17]在擴(kuò)大，增加了水蒸氣分子通過材料路徑的曲折性，增加了水蒸氣分子通過復(fù)合包裝膜的難度，降低了水蒸氣滲透系數(shù)，提高了復(fù)合包裝膜的水蒸氣阻隔能力。

3 結(jié)語

采用叔丁基二甲基氯硅烷和中間體咪唑?qū)L進(jìn)行硅烷化改性制備SAL，通過擠出吹塑的方法成功制備了SAL/PBAT復(fù)合包裝膜。與純PBAT包裝膜相比，當(dāng)SAL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，復(fù)合包裝膜的拉伸強(qiáng)度提高了31.0%、斷裂伸長率降低了37.4%、彈性模量提高了529.7%、阻氧性能提高了39.4%、阻濕性能提高了42.4%，且木質(zhì)素添加量很少，在一定程度上降低了成本，可擴(kuò)大PBAT包裝膜的應(yīng)用范圍。

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Modified Lignin/PBAT Composite Packaging Films

ZHAO Man, CHEN Yun-zhi, ZHANG Nan, ZHANG Zheng-jian, LIU Guang-fa, GUO Hao-ran

(Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China)

The purpose of this paper to enhance the packaging performance of poly (butylene adipateco terephthalate) (PBAT) packaging films by blending SAL with PBAT and broaden the application in packaging field. In this paper, alkali lignin was functionalized with tert-butyldimethylsilyl groups by the reaction with tert-butyldimethylsilyl chloride. Then SAL and PBAT were processed into blown films. The mechanical properties and barrier properties of the packaging films were discussed. Compared with the pure PBAT films, the tensile strength of SAL/PBAT composite packaging films increased by 31.0%, the elongation at break decreased by 37.4%, the elastic modulus increased by 529.7%, the oxygen transmittance decreased by 39.4%, and the water vapor transmittance decreased by 42.4%. Therefore, the composite of modified lignin and PBAT can produce synergistic effect, which can effectively improve the mechanical and barrier properties of SAL/PBAT composite packaging films.

poly (butylene adipateco terephthalate); lignin; silylation; composite packaging films

TB484.3；O636.2

A

1001-3563(2022)11-0054-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.11.008

2021–08–06

天津市科技計(jì)劃（20YDTPJC00830）

趙曼（1995—），女，天津科技大學(xué)碩士生，主攻功能包裝材料。

陳蘊(yùn)智（1968—），男，博士，天津科技大學(xué)教授、博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榭山到夤δ苄园b材料。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋