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塑料包材阻隔性提高的共混填充改性技术三

2021-07-23 来源:台州机械信息网

塑料包材阻隔性提高的共混填充改性技术三

3 填充改性

填充改性可提高材料的阻隔性能和力学性能。纳米思维下的高分子复合材料,为塑料包装材料提供了新的发展空间。少量的纳米材料填充物(<5%),就可得到同时具有高强度、高模量、韧性、耐热性、高阻隔性和尺寸稳定性的材料。

填充物目前主要有颗粒尺度和纳米尺度的有机物、无机物(如CaCO3、TiO2、云母、蒙脱土、凸凹棒土等)以及分子级高分子。现阶段,聚合物/无机纳米复合材料研究得最多,进展也最快,并已成为国内外包装材料研究的主要方向和热门课题,应用范围也不断拓宽。

固体填充物与基体树脂的结合性和分散均匀性对阻隔性能和力学性能有重要影响。因此,用颗粒尺度和纳米尺度的无机材料填充改性的核心,都是为了提高界面结合强度。而如何提高填充材料的分散度,防止相分离,则是纳米复合材料研制的关键。

纳米尺度的无机填充物若不经表面改性处理,难于以个体的形式均匀分散在基体树脂中。改性的方法有偶联剂法、弹性体包覆填充法、等离子体法、原位多相聚合法等。通过改性,填充材料与基体树脂间的界面相容性、反应性、润湿性可大大增强,填料的分散性也可显著提高。从而界面结合力得以强化,分相程度减小。在包装材料领域,这方面研究较多的是无机纳米薄片材料。

3.1填充材料表面改性

宫晓颐用乙烯等离子体对云母进行处理后发现,处理后的云母表面覆盖了一层厚度为数纳米的等离子PE膜。这种改型云母是理想的PE类树脂的填充物,分散性也很好。其膜制品可具有很高的红外线阻隔性能,折光率极高。

漆宗能等对尼龙/蒙脱土体系进行了深入研究,利用聚合物单体插层原位聚合复合法,将蒙脱土层间阳离子交换、单体插层、单体原位聚合在同一稳定胶体分散体系中一步完成,制得了力学性能、热性能及阻隔性能和加工性能优良的PA6/蒙脱土纳米复合材料。这种材料可用于制造汽油箱等。

Liu、Cho等用熔融挤出法制备了PA/黏土纳米复合材料。在对其结构研究时发现,当黏土质量<10%时,复合材料呈剥离型结构,具有很强的增强效应;>10%时,则呈插层型,具有各向异性。

Tseng等通过溶液插层制备了黏土改性的sPS纳米复合材料,并用傅立叶变换红外光谱(FTIR)、x衍射等分析技术考察了其结构变化和结晶性能。发现,硅酸盐片层在sPS基体中剥离并以片状形态均匀分散。这种材料具有极高的阻隔性能和优良的力学性能。

Gilman发现,PA6加入5%的黏土后,材料可产生相当高的阻隔性,同时强度、弹性模量、韧性和阻燃性也大大提高。

李同年等在对一种原位插层PA/黏土纳米复合材料的阻隔性能研究中则发现,当黏土含量为5%时,材料的扩散系数可下降50%之多。

专利发明的一种聚酯/层状硅酸盐纳米复合材料,具有很高的CO2、O2阻隔性能。实验发现,该材料O2的渗透性低于10-6g/120d,CO2的损失率<5%/120d。非常适于用作包装容器(碳酸饮料、啤酒等)、热灌装瓶、重复灌装瓶材料。

3.2填充材料的分散性和取向态

高长/径比填充材料的分散状态不仅涉及分散均匀性,而且还涉及取向性。片状填充物的取向性与膜(片)状包装材料的阻隔性能有很强的关联性。在填充量相同时,取向度高的阻隔性能远远高于取向度低的。Pinnavaia等研究了PET/蒙脱土纳米复合薄膜材料对O2的阻隔性能。发现,阻隔能力随填充物的增加而提高。如3%时下降56%,5%时下降71%。

在拉伸、吹塑、挤出等加工条件下,插层型和剥离型2种结构形态的填充物均可不同程度地产生取向。Choi等在研究插层型聚氧化乙烯/蒙脱土纳米复合材料时发现,导致材料剪切变稀这—现象,主要是硅酸盐片易于剪切取向并和插层聚合物分子链团发生构像变化而沿流动方向排列引起的。多数高长/径比填充材料复合物均具有剪切变稀的流变行为也证明了这—点。

球形填料也可以定向。高翔等研究PET/TiO2纳米复合材料的流变特性时发现,在较高剪切速率下,颗粒高度定向,形成不同的颗粒层,层间是连续的PET熔体。

4 前景与展望

塑料改性技术有力地推动了包装材料的发展,使包装材料出现了空前繁荣局面。今后,包装材料将借助于塑料改性技术,进一步朝着高性能、多样化、易加工、低成本、环保的方向发展,并突出显示材料的功能化和高降解能力这一主题。传统复合改性技术将主要应用于普通包装材料领域,重点是提高和改善材料的阻隔性能、力学性能、加卫性能和环境保护功能;纳米复合改性技术除了上述应用之外,短期内则会更多地应用于功能包装材料、特殊包装材料的发展方面。需要重点解决的依然是填充材料的分散性问题。同时,提高材料的降解能力和降低生产成本等也是其面临的长期任务之一。

(作者/杨林 王经武)

来源: 《包装工程》

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