CN109577100B - 一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸及其制备方法与应用 - Google Patents

一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸及其制备方法与应用。所述的聚乙烯淋膜纸，包含底纸和淋膜材料，其特征在于，所述的淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯75～85％、光氧降解母粒0.5～1.5％、水溶性胶10～20％、降解促进剂0.2～1％和纳米有机蒙脱土1～3％。本发明的聚乙烯淋膜纸的纸塑分离效果佳，降解充分迅速，降解之后的残余物不会对动物、植物及土壤有任何影响；并且力学性能较佳，便于加工使用，无毒，绿色环保，使用安全性高，可应用于制备食品包装材料或餐饮具。

Description

一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及高分子新材料技术领域，具体涉及一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸及其制备方法与应用。
背景技术
随着人们的环保意识越来越强烈，在包装方面对再生或者可降解的产品也越来越被人们青睐。比如在餐具方面，纸质餐具由于其本身具有可回收再利用的价值，能进行再资源化；易降解回归自然，若废弃在大自然中，可完全降解为无害腐质物质，而且在降解过程中没有任何有毒有害物质残留在大自然中；外观精美以及价格相对合理等诸多优点，是世界上公认的“绿色包装”，其性能是其它材料所难以比拟的。国外目前普遍使用的纸质餐具是纸浆模塑餐具和纸板淋膜餐盒。
纸板淋膜餐具是在纸板的表面淋膜一层无毒无害的PE(聚乙烯)材料后压制成型。覆盖在纸面的PE材料具有良好拉伸韧性，因此膜面具有保护产品不受划伤的功能；膜面经水测试，不透气，不透水，具有很好的防潮作用；膜面可经高周波或者130～200℃的高温后热封，适宜于制造成袋装包装材料或餐饮具。
现有的PE淋膜纸一般不够环保，单纯喷淋PE材料制得的淋膜纸的纸塑分离效果较差，降解过程中塑料不能完全脆化，从纸制品上脱落，达到纸塑分离，导致其难以降解或降解期限延长；另外，淋膜纸制造过程中使用的胶具有一定的化学毒性，当消费者采用这种纸张来包装食品，尤其是高温食品时，可能会伤害人体的健康，此外，现有的淋膜纸一般比较脆，力学性能差，同时膜层和基材层之间的结合能力较差，无法满足使用要求。因此，有必要提供一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸及其制备方法，通过调整淋膜材料的配方，使制得淋膜纸具有优异的降解性，较佳的力学性能，便于加工使用，并且无毒，使用安全性高，以满足市场的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸及其制备方法与应用，所述的聚乙烯淋膜纸光氧降解效果好，力学性能较佳，便于加工使用，无毒，绿色环保，可应用于制备食品包装材料或餐饮具。
本发明通过以下的技术方案实现上述的目的：
一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸，包含底纸和淋膜材料，所述的淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯75～85％、光氧降解母粒0.5～1.5％、水溶性胶10～20％、降解促进剂0.2～1％和纳米有机蒙脱土1～3％。
优选，所述的淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯81.5％、光氧降解母粒1％、水溶性胶15％、降解促进剂0.5％和纳米有机蒙脱土2％。
所述的光氧降解母粒为英国Wells Plastics Ltd公司生产的BD 92771。BD 92771是以聚乙烯(PE)为基材的氧化生物降解母粒，主要应用于包装薄膜行业中，被广泛使用于需氧化生物解特性的聚合物产品中。其对成品的物理性能影响极小，拥有高度清晰的使用特性，主要成分包含：聚羟基烷酸酯类PHA/PHBV；压抑剂；硬脂酸铁；膨胀剂；柠檬酸盐；酶；有机填料；无机填料等。
所述的降解促进剂为含富勒烯复合物。所述的含富勒烯复合物为富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁以0.1～1:100的质量比组成。
所述的含富勒烯复合物的制备包括以下步骤：将富勒烯羧酸衍生物加入到体积比为35:65的甲醇/水混合溶液中，超声分散10～20min，制成质量浓度为5～10％的溶液，在搅拌作用下加入质量浓度为1～2％的羟基氧化铁乙醇悬浮液，混匀后于水热釜中180～200℃反应6～10h，将反应产物真空干燥，即得含富勒烯复合物。
所述的富勒烯羧酸衍生物可以为市售产品，也可参考文献Liu YH,Liu P X,LuC.Tunable tribological properties in water-based lubrication ofwater-solublefullerene derivatives via varying terminal groups[J].Chinese ScienceBulletin,2012,57(35):4641-4645中的方法进行的，具体步骤为：
S1：将富勒烯C60加入甲苯中，制成10-3mol/L的溶液，然后将1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)、溴代丙二酸二乙酯逐滴加入C60的甲苯溶液，所述的C60：DBU：溴代丙二酸二乙酯的摩尔比为1:3:3，室温搅拌1h进行加成反应，反应结束后在硅胶柱上进行分离提纯得到富勒烯C60的三加成羧酸酯；
S2：将S1得到的富勒烯C60的三加成羧酸酯加入到NaH中，所述的富勒烯C60的三加成羧酸酯：NaH的质量比为1:100，于70℃下水解8h，最后加入水萃取，取下层水溶液得到C60的羧酸钠，最后加入HCl和甲醇酸化后，过滤，将滤液真空干燥，得到富勒烯C60羧酸衍生物C60(C(COOH)2)3。
所述的羟基氧化铁可以为市售产品，也可以通过以下方法进行制备，具体地，羟基氧化铁的制备方法包括以下步骤：将氯化铁、尿素和PEG-2000置于反应釜中，加入水，在105～125℃反应24～36h，冷却至室温，过滤，得到黄褐色固体，将固体分别用无水乙醇、去离子水清洗，真空干燥，即得羟基氧化铁；其中，所述氯化铁与尿素的摩尔比为1:0.2～0.3；所述PEG-2000的加入量为氯化铁质量的0.3～0.4倍。
所述的水溶性胶选自淀粉、糊精、羧甲基纤维素或聚乙烯醇中的一种以上。
本发明的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸是通过以下方法制备得到，该方法包括以下步骤：将聚乙烯、光氧降解母粒、水溶性胶混合，加热熔化，加入降解促进剂和纳米有机蒙脱土，分散混匀，得到淋膜材料，将淋膜材料加入到淋膜机的料斗中，将底纸装入淋膜机，将淋膜材料喷淋到底纸的单面或双面上，经干燥后，获得可光氧降解的聚乙烯淋膜纸。
本发明的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸可应用于制备食品包装材料或餐饮具。
本发明通过大量的试验发现，添加由富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁反应制得的含富勒烯复合物作为降解促进剂，与光氧降解母粒BD 92771复配性佳，可加快聚乙烯膜的降解进程，促进纸塑分离，达到充分、快速降解的目的，并且对产品的性能影响小。加入的纳米有机蒙脱土可调节聚乙烯膜力学性能，防止聚乙烯膜过早老化，其与光氧降解母粒BD92771中的压抑剂成分相互协调，使膜材不会在使用时提前降解。在淋膜纸光氧降解的后期阶段，纳米有机蒙脱土为微生物生长提供有利的环境，促进微生物繁殖，促进淋膜纸的生物降解。本发明以水溶性胶替代传统使用的热熔胶，使淋膜纸具有适中的剥离强度，并且安全无毒，水溶性胶可随淋膜纸一并被微生物迅速分解掉，绿色环保、无污染。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸的纸塑分离效果佳，降解充分迅速，降解之后的残余物不会对动物、植物及土壤有任何影响；并且力学性能较佳，便于加工使用，无毒，绿色环保，使用安全性高，可应用于制备食品包装材料或餐饮具。
(2))本发明的聚乙烯淋膜纸制备工艺简单，质量可控，可规模化生产。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
下述实施例中配方的组分，若无特别说明，均为常规市售产品，其中，聚乙烯购自湖北巨胜科技有限公司；纳米有机蒙脱土购自广州拓亿贸易有限公司。
实施例1降解促进剂制备
(1)富勒烯羧酸衍生物制备：
S1：将富勒烯C60加入甲苯中，制成10-3mol/L的溶液，然后将1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)、溴代丙二酸二乙酯逐滴加入C60的甲苯溶液，所述的C60：DBU：溴代丙二酸二乙酯的摩尔比为1:3:3，室温搅拌1h进行加成反应，反应结束后在硅胶柱上进行分离提纯得到富勒烯C60的三加成羧酸酯；
S2：将S1得到的富勒烯C60的三加成羧酸酯加入到NaH中，所述的富勒烯C60的三加成羧酸酯：NaH的质量比为1:100，于70℃下水解8h，最后加入水萃取，取下层水溶液得到C60的羧酸钠，最后加入HCl和甲醇酸化后，过滤，将滤液真空干燥，得到富勒烯羧酸衍生物C60(C(COOH)2)3。
(2)羟基氧化铁制备：将氯化铁、尿素和PEG-2000置于反应釜中，加入水，在120℃反应24h，冷却至室温，过滤，得到黄褐色固体，将固体分别用无水乙醇、去离子水清洗，真空干燥，即得羟基氧化铁；其中，所述氯化铁与尿素的摩尔比为1:0.2；所述PEG-2000的加入量为氯化铁质量的0.3倍。
(3)含富勒烯复合物的制备：称取步骤(1)制得的C60(C(COOH)2)31g，将C60(C(COOH)2)3加入到体积比为35:65的甲醇/水混合溶液中，超声分散15min，制成质量浓度为5％的溶液，在搅拌作用下加入质量浓度为2％的羟基氧化铁乙醇悬浮液(将100g步骤(2)制得的羟基氧化铁分散于5000mL无水乙醇，制得)，混匀后于水热釜中180℃反应10h，将反应产物真空干燥，即得含富勒烯复合物。
同理，可参照上述步骤，制备富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁以0.1:100的质量比组成的含富勒烯复合物。
下述实施例2-4和对比例4的降解促进剂(含富勒烯复合物)为实施例1制备得到的。
实施例2聚乙烯淋膜纸的制备
淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯81.5％、光氧降解母粒1％、水溶性胶15％、降解促进剂0.5％和纳米有机蒙脱土2％。
制备步骤：将聚乙烯、光氧降解母粒、水溶性胶混合，加热熔化，加入降解促进剂和纳米有机蒙脱土，分散混匀，得到淋膜材料，将淋膜材料加入到淋膜机的料斗中，将底纸装入淋膜机，将淋膜材料喷淋到底纸的单面上，经干燥后，获得可光氧降解的聚乙烯淋膜纸，使得底纸每平方米上喷淋有120～150g的淋膜材料。
实施例3聚乙烯淋膜纸的制备
淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯85％、光氧降解母粒1.5％、水溶性胶10.3％、降解促进剂0.2％和纳米有机蒙脱土3％。
制备步骤参考实施例2。
实施例4聚乙烯淋膜纸的制备
淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯77％、光氧降解母粒0.5％、水溶性胶20％、降解促进剂1％和纳米有机蒙脱土1.5％。
制备步骤参考实施例2。
对比例1聚乙烯淋膜纸的制备
淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯81.5％、光氧降解母粒1％、水溶性胶15％、羟基氧化铁0.5％和纳米有机蒙脱土2％。
制备步骤参考实施例2。
对比例2聚乙烯淋膜纸的制备
淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯81.5％、光氧降解母粒1％、水溶性胶15％、C60(C(COOH)2)30.5％和纳米有机蒙脱土2％。
制备步骤参考实施例2。
对比例3聚乙烯淋膜纸的制备
淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯82％、光氧降解母粒1％、水溶性胶15％和纳米有机蒙脱土2％。
制备步骤参考实施例2。
对比例4聚乙烯淋膜纸的制备
淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯83.5％、光氧降解母粒1％、水溶性胶15％和降解促进剂0.5％。
制备步骤参考实施例2。
试验例一、根据塑料降解标准ASTMD6954-04对聚乙烯淋膜纸进行检测
塑料降解标准ASTMD6954-04是国际上对光氧降解的标准测试方法，主要评估塑料产品在配合氧化反应及生物降解的情况下能否在自然环境下被生物降解后达到无公害的情况，其测试内容主要分成三部分：
1、降解性
这是测试能否把分子量达十万的塑料降低其分子量，在这个部分的测试，塑料会破碎成小块，再变成碎粉，而合格指标是分子量需降至500/mol或以下。道具最多只容许10％或以下的塑胶化出现，凝胶的出现是因为塑料在模拟加速日照测试时用上过强的光源，例如疝气灯。会出现的塑料分子胶黏现象，凝胶化会使塑胶难以分解，扯断伸指长率的要求是5％以下。
2、生物降解
基于第一部分的降解物来测试材料能不能进行生物降解。这部分需要60％或以上有机碳转化为二氧化碳才达标。
3、毒性测试
在第二阶段留下来的泥土样本，会用于评估它会不会影响小虫及种子的生长，要完成通过以上测试方可符合ASTMD6954-04的规格标准。
根据上述的标准，分别对实施例2-4和对比例1-4制得的聚乙烯淋膜纸进行评价，结果显示本发明实施例2-4和对比例1-4制得的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸符合ASTMD6954-04的规格标准。
试验例二、根据GB4806.7-2016《食品安全国家标准：食品接触用塑料材料及制品》对聚乙烯淋膜纸进行检测
根据GB4806.7-2016对实施例2-4和对比例1-4制得的聚乙烯淋膜纸进行检测，结果显示，本发明实施例2-4和对比例1-4制得的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸的所有检验项目均达到标准要求，具体检测结果见表1。
表1聚乙烯淋膜纸性能检测结果
Figure GDA0003105177110000091
试验例三、降解效果试验
在专用的测试箱，温度分别设定为30℃、70℃，检测实施例2-4和对比例1-4制得的聚乙烯淋膜纸的降解效果，结果见表2。
表2聚乙烯淋膜纸降解效果检测结果
Figure GDA0003105177110000092
Figure GDA0003105177110000101
结果显示，淋膜材料分别不含富勒烯羧酸衍生物、羟基氧化铁、含富勒烯复合物、纳米有机蒙脱土，均会影响PE膜的降解效果，延缓PE膜降解。
试验例四、力学性能检测
分别对实施例2和对比例1-4的淋膜材料进行力学性能检测，结果见表3。
表3淋膜材料的力学性能检测结果
组别 抗拉强度/MPa 弯曲强度/MPa 断裂伸长率/％
实施例2 16.2 21.5 262.4
对比例1 15.8 21.0 259.8
对比例2 16.5 21.9 263.0
对比例3 17.0 22.3 264.9
对比例4 11.0 16.2 230.1
结果显示，富勒烯羧酸衍生物、羟基氧化铁对淋膜材料的力学性能影响较小，而纳米有机蒙脱土对淋膜材料的力学性能影响较大，配方中缺乏纳米有机蒙脱土，会降低淋膜材料的抗拉强度、弯曲强度和断裂伸长率。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可光氧降解的聚乙烯淋膜纸，包含底纸和淋膜材料，其特征在于，所述的淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯75～85％、光氧降解母粒0.5～1.5％、水溶性胶10～20％、降解促进剂0.2～1％和纳米有机蒙脱土1～3％；
所述的光氧降解母粒为英国Wells Plastics Ltd公司生产的BD 92771；
所述的降解促进剂为含富勒烯复合物，所述的含富勒烯复合物为富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁以0.1～1:100的质量比组成；
所述的含富勒烯复合物的制备包括以下步骤：将富勒烯羧酸衍生物加入到体积比为35:65的甲醇/水混合溶液中，超声分散10～20min，制成质量浓度为5～10％的溶液，在搅拌作用下加入质量浓度为1～2％的羟基氧化铁乙醇悬浮液，混匀后于水热釜中180～200℃反应6～10h，将反应产物真空干燥，即得含富勒烯复合物。
2.根据权利要求1所述的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸，其特征在于，所述的淋膜材料包括以下重量百分比计的组分：聚乙烯81.5％、光氧降解母粒1％、水溶性胶15％、降解促进剂0.5％和纳米有机蒙脱土2％。
3.根据权利要求1或2所述的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸，其特征在于，所述的水溶性胶选自淀粉、糊精、羧甲基纤维素或聚乙烯醇中的一种以上。
4.一种制备权利要求1所述的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸的方法，其特征在于，包括以下步骤：将聚乙烯、光氧降解母粒、水溶性胶混合，加热熔化，加入降解促进剂和纳米有机蒙脱土，分散混匀，得到淋膜材料，将淋膜材料加入到淋膜机的料斗中，将底纸装入淋膜机，将淋膜材料喷淋到底纸的单面或双面上，经干燥后，获得可光氧降解的聚乙烯淋膜纸。
5.权利要求1所述的可光氧降解的聚乙烯淋膜纸在制备食品包装材料或餐饮具中的应用。
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