一种全生物降解高阻隔PLA/PBAT复合包装膜

摘要

本发明涉及包装材料技术领域，尤其涉及一种高阻隔PLA/PBAT复合包装膜。生物可降解的PLA/PBAT复合材料对氧气和水蒸气的阻隔性不佳。针对上述问题，本发明提供一种高阻隔PLA/PBAT复合包装膜，本发明的改性纳米二氧化硅分子结构中含有C＝C双键，在挤出造粒过程中可以与改性石墨烯发生聚合，形成紧密交织的网络结构，在一定程度上填补了PLA/PBAT复合材料体系中的内部自由体积，大大提高了PLA/PBAT复合材料阻隔氧气的性能；改性纳米二氧化硅与改性石墨烯形成的紧密交织的网络结构与聚乳酸的分子链通过氢键作用，相互渗透、缠绕在一起，进一步提高了PLA/PBAT复合材料阻隔水蒸气的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及包装材料技术领域，尤其涉及一种全生物降解高阻隔PLA/PBAT复合包装膜。

背景技术

随着日益严重的白色污染以及石油等不可再生资源的巨大消耗，制备新型的可生物降解材料成为包装领域研究的热点。PLA具有优良的气体阻隔能力，对于大多数油脂都具有阻隔作用。但是PLA性脆，加工性能不佳。PBAT是由对苯二甲酸丁二醇酯与己二酸丁二醇酯共聚而成，也是一种生物可降解材料，PBAT中含有PBA和PBT链段，力学性能优异，韧性强，加工性能良好，可吹塑成膜。

目前，有报道将PBAT与PLA熔融共混得到一种PLA/PBAT复合材料(张明.PLA/PBAT复合包装薄膜的制备与性能及其中助剂向食品模拟物的迁移[D].)，研究发现，虽然PBAT对PLA材料改性后，提高了PLA材料的力学性能和加工性能，但是，PLA/PBAT复合材料(PLA含量为20％，PBAT的含量为80％)对氧气和水蒸气的阻隔性不佳，PLA/PBAT复合膜的氧气透过率为920cc/m

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是：PLA/PBAT复合材料对氧气和水蒸气的阻隔性不佳。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种全生物降解高阻隔PLA/PBAT复合包装膜，以质量份数计，包括以下成分：

具体地，所述改性石墨烯按照以下方法制备：

在三口瓶中加入100mg氧化石墨烯和80mL N，N-二甲基甲酰胺，超声分散后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)，在氮气保护下搅拌30min，然后加热到65℃，反应48h，经离心，洗涤，干燥，得到改性石墨烯，其分子结构式如下：

具体地，所述改性纳米二氧化硅按照以下方法制备：

(1)用100mL无水乙醇溶解1g纳米二氧化硅，磁力搅拌30min，配制成质量浓度为1％的SiO

(2)将10g乙烯基三甲氧基硅烷溶解于50mL无水乙醇中，磁力搅拌30min，得到乙烯基三甲氧基硅烷的醇解溶液，

(3)将步骤(1)获得的SiO

具体地，所述纳米二氧化硅由粒径为10nm、15nm、20nm的纳米二氧化硅按照质量比为3:2:1混合而成。

具体地，所述PLA的数均分子量为80000-100000，分子量分布为2.0-3.5。

具体地，所述PBAT的数均分子量为40000-60000，分子量分布为2.5-4.5。

具体地，所述扩链剂为环氧类扩链剂。

具体地，所述纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜的制备方法，按照以下方法制备：

(1)将PLA、PBAT置于80℃下干燥4h；

(2)按照配方量，将环氧类扩链剂、增塑剂与PLA混合均匀，通过双螺杆挤出造粒机，重复造粒两次后得到PLA母粒；

(3)按照配方量，将PBAT与PLA母粒、改性纳米二氧化硅、改性石墨烯混合均匀，通过双螺杆挤出机造粒机重复造粒3次后，得到PLA/PBAT复合母粒，经吹膜机制得纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜。

具体地，所述双螺杆挤出机造粒机的工作参数为：料筒1区-9区的温度为150℃、155℃、155℃、160℃、160℃、160℃、160℃、160℃、155℃，螺杆转速为120-150rpm。

具体地，所述吹膜机的工作参数为：1区-4区温度分别为145℃、150℃、150℃、150℃，螺杆转速为20-30rpm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在PLA/PBAT复合材料体系中添加了改性纳米二氧化硅和三官能度的改性石墨烯，首先，乙烯基三甲氧基硅烷改性后的纳米二氧化硅在高分子基体中具有良好的分散性，改性纳米二氧化硅分子结构中含有C＝C双键，在高温挤出造粒过程中可以与改性石墨烯发生聚合反应，形成紧密交织的网络结构，PLA/PBAT复合材料体系中含有一定的内部自由体积，自由体积是气体通过材料的通道，而本发明中改性纳米二氧化硅与改性石墨烯形成的紧密交织的网络结构在一定程度上填补了PLA/PBAT复合材料体系中的内部自由体积，从而阻碍了气体在PLA/PBAT复合材料体系中的运动，大大提高了PLA/PBAT复合材料阻隔氧气的性能；

(2)本发明的改性纳米二氧化硅具有较强的疏水效果，与改性石墨烯聚合反应连接在一起，使得改性纳米二氧化硅的分子结构在PLA/PBAT复合材料的横向和纵向得到充分的伸展和均布，进一步促进了PLA/PBAT复合材料阻隔水蒸气的性能；

(3)本发明的改性石墨烯的层状结构对小分子气体和水蒸气起到“曲折路径”和“渗透面积减小”的效应，使得气体小分子和水蒸气在PLA/PBAT复合材料中的扩散过程受到阻碍，十分有利于提高PLA/PBAT复合材料对氧气和水蒸气的阻隔性能；

(3)本发明所制备的改性纳米二氧化硅分子的羟基以及改性石墨烯分解结构上的含氧官能团与聚乳酸分子结构两端的羟基或羧基形成较强的氢键，改性石墨烯改性纳米二氧化硅与改性石墨烯形成的紧密交织的网络结构与聚乳酸的分子链可以相互渗透，相互缠绕，紧密结合在一起，可以进一步提高PLA/PBAT复合材料阻隔水蒸气的性能。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明以下实施例和对比例所采用的所述改性石墨烯按照以下方法制备：

在三口瓶中加入100mg氧化石墨烯和80mL N，N-二甲基甲酰胺，超声分散后加入GMA，在氮气保护下搅拌30min，然后加热到65℃，反应48h，经离心，洗涤，干燥，得到改性石墨烯。

本发明以下实施例和对比例所采用的改性纳米二氧化硅按照以下方法制备：

(1)用100mL无水乙醇溶解1g纳米二氧化硅，磁力搅拌30min，配制成质量浓度为1％的SiO

(2)将10g乙烯基三甲氧基硅烷溶解于50mL无水乙醇中，磁力搅拌30min，得到乙烯基三甲氧基硅烷的醇解溶液；

(3)将步骤(1)获得的SiO

本发明以下实施例和对比例所采用的纳米二氧化硅由粒径为10nm、15nm、20nm的纳米二氧化硅按照质量比为3:2:1混合而成。

本发明以下实施例和对比例所采用的PLA的数均分子量为80000-100000，分子量分布为2.0-3.5。

本发明以下实施例和对比例所采用的PBAT的数均分子量为40000-60000，分子量分布为2.5-4.5。

本发明以下实施例和对比例所采用的扩链剂为KLE-4370。

本发明以下实施例和对比例所采用的增塑剂为乙酰柠檬酸三丁酯。

本发明以下实施例和对比例所采用的吹膜机是FYC-25。

本发明以下实施例和对比例所采用的吹膜机的工作参数为：1区-4区温度分别为145℃、150℃、150℃、150℃，螺杆转速为20-30rpm。

本发明以下实施例和对比例所采用的双螺杆挤出机造粒机的工作参数为：料筒1区-9区的温度为150℃、155℃、155℃、160℃、160℃、160℃、160℃、160℃、155℃，螺杆转速为120-150rpm。

实施例1

纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜，以质量份数计，包括以下成分：

PLA 20份

PBAT 80份

扩链剂 0.2份

增塑剂 0.5份

改性纳米二氧化硅 3份

改性石墨烯 1份

实施例2

纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜，以质量份数计，包括以下成分：

PLA 30份

PBAT 70份

扩链剂 0.5份

增塑剂 1份

改性纳米二氧化硅 5份

改性石墨烯 3份

实施例3

纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜，以质量份数计，包括以下成分：

PLA 25份

PBAT 75份

扩链剂 0.3份

增塑剂 1份

改性纳米二氧化硅 4份

改性石墨烯 2份

对比例1同实施例3，不同之处在于：改性纳米二氧化硅所使用的纳米化硅的粒径为20nm。

对比例2同实施例3，不同之处在于：未添加改性石墨烯。

对比例3同实施例3，不同之处在于：将改性石墨烯替换为是氧化石墨烯。

对比例4同实施例3，不同之处在于：采用的纳米二氧化硅由粒径为10nm、15nm、20nm的纳米二氧化硅按照质量比为1:2:3混合而成。

实施例1-3和对比例1-2按照以下步骤制备纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜：

(1)将PLA、PBAT置于80℃下干燥4h；

(2)按照配方量，将环氧类扩链剂、增塑剂与PLA混合均匀，通过双螺杆挤出造粒机，重复造粒两次后得到PLA母粒；

(3)按照配方量，将PBAT与PLA母粒、改性纳米二氧化硅、改性石墨烯混合均匀，通过双螺杆挤出机造粒机重复造粒3次后，得到PLA/PBAT复合母粒，经吹膜机制得厚底为45μm的纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜。

性能测试：

纳米粒子改性高阻隔PLA/PBAT复合包装膜的氧气透过率按照GB/T1038-2000进行测试，水蒸气透过率按照GB/T1037-1988进行测试，测试结果如表1所示：

表1

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。