CN105061852A - 高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料及其制备方法。本发明通过调控基体相粘度和相界面性质来获得层片状分散相形态，提高材料及制品的阻隔性能。并且本发明的制备方法不受制品成型工艺影响，普适性强，应用范围广，工艺简单易操作，非常适宜工业化生产。本发明简单易行、材料来源广泛、成本低廉，使用效果好。

Description

高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其是一种高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
氧阻隔包装材料对延长食品、药品的保质期和货架寿命至关重要。聚乙烯（PE）作为一种广泛应用于食品药品的聚合物包装材料，对水等有良好的阻隔性能，但对氧气、二氧化碳等气体的阻隔性较差，无法用于包装一些氧敏性食品或药品，从而限制了其应用范围。
为提高聚乙烯的氧阻隔性能，工业界广泛关注的方法是将氧阻隔性能较高的聚合物与聚乙烯共混或添加少量层片状纳米填料。中国专利CN200810208099.9公布了高阻隔性聚乙烯/尼龙6原位纳米复合材料的制备方法，该方法运用螺杆挤出机，将聚乙烯、己内酰胺、经插层处理的蒙脱土、相容剂、阴离子引发剂和助催化剂一起反应挤出，制备高阻隔性聚乙烯/尼龙6原位纳米复合材料。采用该方法制备的聚乙烯/尼龙6纳米复合薄膜，虽然氧阻隔性能下降了30倍，但反应过程较为复杂，难以控制，且反应过程中残留的引发剂、己内酰胺对挤出设备及材料的性能都有影响。专利CN201210273653.8公布了高密度聚乙烯/聚酰胺6积层阻隔纳米复合材料及其制备方法，该方法采用干燥混合的方法将高密度聚乙烯与改性聚酰胺6进行简单混合，得到干混物，直接吹塑成所需制品。该方法首先使聚酰胺6呈微粒分布于高密度聚乙烯的连续相中，然后借助成型时的剪切应力，使聚酰胺6在高密度聚乙烯基体连续相中形成平行于容器壁的积层结构(多层片状结构)，溶剂要透过容器壁，必须绕过多层重叠的阻隔层，从而大大降低溶剂渗透速率，采用该方法制备的高密度聚乙烯/聚酰胺6纳米复合试样瓶，二甲苯的渗透速率下降了99%。虽然该方法制备的试样瓶二甲苯的阻隔性能得到显著的提高，但积层结构的形成主要取决于后续制品的成型工艺，普适性较差。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料及其制备方法，它具有高氧阻隔性能，该方法不受制品成型工艺影响，普适性强，应用范围广，工艺简单易操作，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为1-5份，相容剂为1-10份及抗氧剂0.005-0.01份。
所述的相容剂为乙烯-丙烯酸共聚物或乙烯-丙烯酸共聚物和马来酸酐接枝聚乙烯按任意比例进行混合的共混物。
所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）首先将双官能团有机改性蒙脱土在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为80-90℃，干燥8-12小时；然后将干燥后的双官能团有机改性蒙脱土、高密度聚乙烯及相容剂按照上述质量份数，在240-250℃的加工温度下，用平行双螺杆挤出机进行熔融共混造粒，制得聚乙烯/蒙脱土纳米复合粒料；
2）将步骤1）得到的复合粒料与尼龙6在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为80-90℃，干燥8-12小时；将干燥后的复合粒料、尼龙6以及抗氧剂按照上述质量份数进行混合，然后在250-260℃的加工温度下，经挤出机熔融挤出或流延制得聚乙烯/尼龙6纳米复合片材或薄膜，或用注塑机注塑制得聚乙烯/尼龙6纳米复合材料或片材。
所述的片材或薄膜的氧气渗透系数不大于5cc-mil/[m2-day]、水蒸气渗透系数不大于15gm-mil/[m2-day]。
相容剂在使用前，在45-55℃下干燥1.5-3小时。
聚合物共混体系中层片状分散相形态的形成与材料的制备工艺、熔体的粘度比以及相界面性质密切相关。当基体粘度大于分散相粘度时，有利于获得层片状分散相；当基体相与分散相界面相容性较好时，在剪切应力的作用下，有利于层片状分散相的形成；本发明中，双官能团有机改性蒙脱土与聚乙烯基体相预先共混挤出，一方面会显著增加聚乙烯基体相的粘度，对保证尼龙分散相形成层片状微观形态结构至关重要；另一方面，双官能团有机改性蒙脱土具有一定的增容作用，增加基体相与分散相的界面粘结，使得分散相在制备过程中不容易破裂，有利于形成层片状微观形态结构。而相容剂的加入，则可进一步促进层片状纳米有机蒙脱土在聚乙烯基体中的分散，也可提高纳米复合片材的阻隔性能。
本发明中所述的双官能团有机改性蒙脱土为申请人在先申请的发明专利ZL201210518920.3中的产品。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明通过调控基体相粘度和相界面性质来获得层片状分散相形态，提高材料及制品的阻隔性能。并且本发明的制备方法不受制品成型工艺影响，普适性强，应用范围广，工艺简单易操作，非常适宜工业化生产。本发明简单易行、材料来源广泛、成本低廉，使用效果好。
附图说明，
附图1为本发明所制备的纳米复合片材的扫描电镜照片;
附图2为本发明所制备的纳米复合片材的透射电镜照片；
附图3为本发明的工作流程框图。
具体实施方式，
本发明的实施例1：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为3份，相容剂1份及抗氧剂0.005份；所述的相容剂为乙烯-丙烯酸共聚物；所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
高阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）首先将双官能团有机改性蒙脱土在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为90℃，干燥12小时，将相容剂在50℃烘箱中干燥2小时；然后将干燥后的双官能团有机改性蒙脱土、高密度聚乙烯及相容剂按照上述质量份数，用平行双螺杆挤出机进行熔融共混造粒，平行双螺杆挤出机螺杆转速350r/min，一区温度180℃，二区温度200℃，三区温度205℃，四区温度210℃，五区温度215℃，模头温度210℃；制得聚乙烯/蒙脱土纳米复合粒料；
2）将步骤1）得到的复合粒料与尼龙6在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为80℃，干燥12小时；将干燥后的复合粒料、尼龙6以及抗氧剂按照上述质量份数进行混合，然后在250-260℃的加工温度下，注塑机注塑制得厚度约为1mm的聚乙烯/尼龙6纳米复合片材。
本发明的实施例2：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为3份，相容剂3份及抗氧剂0.005份；所述的相容剂为乙烯-丙烯酸共聚物；所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
制备方法同实施例1。
本发明的实施例3：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为3份，相容剂5份及抗氧剂0.005份；所述的相容剂为乙烯-丙烯酸共聚物；所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
制备方法同实施例1。
本发明的实施例4：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为3份，相容剂8份及抗氧剂0.005份；所述的相容剂为乙烯-丙烯酸共聚物；所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
制备方法同实施例1。
本发明的实施例5：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为3份，相容剂8份及抗氧剂0.005份；所述的相容剂为聚乙烯接枝马来酸酐共聚物；所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
制备方法同实施例1。
本发明的实施例6：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为3份，相容剂8份及抗氧剂0.005份；所述的相容剂由等量的聚乙烯接枝马来酸酐共聚物和乙烯-丙烯酸共聚物组成；所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
制备方法同实施例1。
本发明的实施例7：高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为3份，相容剂8份及抗氧剂0.005份；所述的相容剂为乙烯-丙烯酸共聚物组成；所述的高密度聚乙烯的熔融指数在0.3-0.5之间。
高阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）首先将双官能团有机改性蒙脱土在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为90℃，干燥12小时，将相容剂在50℃烘箱中干燥2小时；然后将干燥后的双官能团有机改性蒙脱土、高密度聚乙烯及相容剂按照上述质量份数，用单螺杆挤出机进行熔融共混造粒，单螺杆挤出机螺杆转速250r/min，一区温度180℃，二区温度200℃，三区温度205℃，四区温度210℃，五区温度220℃，六区温度235℃，七区温度245℃，模头温度220℃，牵引速度：1.2m/min；
2）将步骤1）得到的复合粒料与尼龙6在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为80℃，干燥12小时；将干燥后的复合粒料、尼龙6以及抗氧剂按照上述质量份数进行混合，然后在250-260℃的加工温度下，直接熔融挤出压延成厚度约1mm的聚乙烯/尼龙6纳米复合片材。
比较例1：将聚乙烯直接注塑成厚度约为1mm左右的片材待测试用。
比较例2：将尼龙6在烘箱中80℃干燥12小时后，与聚乙烯按重量份为70:30混合均匀后，直接注塑成厚度约为1mm左右的片材待测试用。
比较例3：将双官能团有机改性蒙脱土在烘箱中90℃干燥12小时后，按聚乙烯/纳米有机蒙脱土重量份为70:3混合均匀后，按照实施例1的方法制备聚乙烯/蒙脱土纳米复合粒料。然后将纳米复合粒料与尼龙6在烘箱中80℃干燥12小时后，按聚乙烯/尼龙6/纳米有机蒙脱土重量份为70:30:3混合均匀后，直接注塑成厚度约为1mm左右的片材待测试用。
将上述各实施例与对比例制备的样品按照ASTMD3985-2005和ASTMF1249-2006标准，采用Mocon透氧测试仪和Mocon透湿测试仪测试样品的氧阻隔性能和水蒸气阻隔性能。将制备的片材，用哑铃型制样机制备成标准哑铃型试样，然后按照GB/T1040.3-2006标准测试拉伸性能，拉伸速度50mm/min。相关测试结果见表1。
本发明比较例3、实施例7制备的片材沿挤出方向脆断断面经甲酸刻蚀后的扫描电镜照片见图1；实施例7的透射电镜照片见图2；本发明的实施例流程见图3。
根据表1的结果可知，尼龙6和双官能团有机改性蒙脱土的引入可以明显改善聚乙烯的氧阻隔性能，添加相容剂后，纳米复合片材的氧阻隔性能进一步提高，氧气渗透系数相对于纯聚乙烯片材降低了99.9%。结合图1和图2可知，氧阻隔性能的显著改善是因为纳米复合片材中形成了层片状分散相结构，且双官能团有机改性蒙脱土剥离分散于聚乙烯和尼龙6中，使片材形成大量的迂回通道，延长气体的通过路径，提高材料的阻隔性能。
本发明提供一种高氧阻隔性能聚乙烯/尼龙6纳米复合片材的简单制备方法，与现有技术相比，本发明主要通过调控基体相粘度和相界面性质来获得层片状分散相形态，提高材料及制品的阻隔性能，制备方法更为简单，不受制品成型工艺影响，普适性强，应用范围广，工艺简单易操作，非常适宜工业化生产。
以上实施例中，
聚酰胺6（PA6）购自日本宇部公司，牌号1013B；
乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）购自美国杜邦公司，牌号NUCRELAE；
马来酸酐接枝聚乙烯（PE-MAH）购自上海日之升；
高密度聚乙烯（HDPE）购自中国石化北京燕山石化公司，牌号5200B；
双官能团有机改性蒙脱土（OMMT）为本实验室根据发明专利ZL201210518920.3的方案自行制备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，其特征在于：按重量份数计算，包括高密度聚乙烯70份，尼龙630份，双官能团有机改性蒙脱土为1-5份，相容剂为1-10份及抗氧剂0.005-0.01份。
2.根据权利要求1所述的高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，其特征在于：所述的相容剂为乙烯-丙烯酸共聚物或乙烯-丙烯酸共聚物和马来酸酐接枝聚乙烯按任意比例进行混合的共混物。
3.根据权利要求1所述的高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料，其特征在于：所述的高密度聚乙烯的熔融指数为0.3-0.5。
4.一种如权利要求1所述的高氧阻隔聚乙烯尼龙6纳米复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）首先将双官能团有机改性蒙脱土在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为80-90℃，干燥8-12小时；然后将干燥后的双官能团有机改性蒙脱土、高密度聚乙烯及相容剂按照上述质量份数，在240-250℃的加工温度下，用平行双螺杆挤出机进行熔融共混造粒，制得聚乙烯/蒙脱土纳米复合粒料；
2）将步骤1）得到的复合粒料与尼龙6在烘箱中进行干燥处理，烘箱温度为80-90℃，干燥8-12小时；将干燥后的复合粒料、尼龙6以及抗氧剂按照上述质量份数进行混合，然后在250-260℃的加工温度下，经挤出机熔融挤出或流延制得聚乙烯/尼龙6纳米复合片材或薄膜，或用注塑机注塑制得聚乙烯/尼龙6纳米复合材料或片材。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的片材或薄膜的氧气渗透系数不大于5cc-mil/[m2-day]、水蒸气渗透系数不大于15gm-mil/[m2-day]。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：相容剂在使用前，在45-55℃下干燥1.5-3小时。
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