高透明聚乳酸油瓶的制備及性能

王文玲，李義，王志剛，唐明勛，佟毅

(吉林中糧生化有限公司 玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130033）

聚乳酸是一種來源于以可再生植物資源為原料人工合成制備的脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和生物降解性[1,2]，對環境友好[3]，在環境中最終分解為水和二氧化碳，對環境沒有污染。因此，近年來聚乳酸被廣泛應用到生物醫療、包裝、纖維、電子產品和汽車等領域。

聚乳酸是一種可完全生物降解的無毒、無刺激性的綠色塑料，并且與聚對苯二甲酸類塑料（PET）有相類似的物理及力學性能，具有良好的光澤度和透明性，可代替現有的PET包裝材料，用于食品包裝[3]。但是聚乳酸的韌性差[4]、不易拉伸是其不可忽視的缺點，目前用于聚乳酸增韌改性的增韌劑主要有聚已二酸對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚丁二酸丁二酯(PBS)、聚碳酸亞丙酯（PPC）、聚己內酯（PCL）、馬來酸酐接枝乙烯類彈性體（POE）中的一種或兩種[5]，但是在達到增韌效果的同時，材料卻失去了良好的透明度。本文選用丙烯酸樹脂作為增韌劑，在保證聚乳酸產品高透明度和食品接觸安全性的前提下，達到增韌改性效果，使其更易拉伸成型。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乳酸：4032D，Mw=207 000 g/mol，密度1.25 g/cm3，D型乳酸單元含量約為2%，美國Nature works公司；

丙烯酸樹脂：杜邦AC2116，廠家：美國杜邦公司。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠出機：SHJ-36，南京杰亞擠出裝備有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：GZX-9240MBE，上海博訊儀器廠；

注塑機：YH-98型，寧波通用塑料機械制造有限公司；

加長型紅外線烘箱、半自動吹瓶機：ZQ22-IV型，浙江東方州強塑模實業有限公司；

偏光顯微鏡（POM）：Leica DM2500 P，德國徠卡微系統有限公司；

熱臺：Linklam LTS 350，英國Linkam科學儀器公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：JOEL-5800，日本日立公司；

電子拉力機：Instron 1211，美國Instron公司；

萬能材料試驗機：5900，美國Instron公司；

測厚儀：CHY - CA，濟南蘭光機電技術有限公司；

水蒸氣透過率測試系統：PERME?W3/330，濟南蘭光機電技術有限公司；

壓差法容器氣體透過率測試儀：G2/130，濟南蘭光機電技術有限公司；

透光率/霧度測定儀：SGW?-810，廣州標際包裝設備有限公司；

彩晶顯示熔體流動速率測定儀：SRZ-400E，長春市智能儀器設備有限公司；

智能垂直載壓測試儀：濟南三泉中石實驗儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將80℃干燥4h后的PLA與丙烯酸樹脂按照表1配比（總質量為1kg）配料，由雙螺桿擠出機擠出、造粒，得到聚乳酸改性料。將聚乳酸改性料料粒置于鼓風干燥箱中，在60℃的條件下干燥5h，得到PLA/AC2116油瓶材料。之后注塑機注塑，加長型紅外線烘箱、半自動吹瓶機吹塑得到容量為900ml的油瓶產品。雙螺桿擠出機各段溫度從進料口到模口分別設置為150、160、170、175、180、185、175、170℃，螺桿轉速：120～300 r/min，切粒機轉速為300～370 r/min。注塑機各段溫度設置為：180、185、190、195、190℃，螺桿轉速：80～120 r/min，注塑壓力：100～120 MPa。加長型紅外線烘箱各段溫度設置為：71、65、60、57、55、50、45℃，轉速45r/min。半自動吹瓶機各段溫度設置為：左延遲拉伸45s、右延遲拉伸42s、左延遲吹氣45s、右延遲吹氣40s，高壓26Mpa。

表1 PLA/AC2116復合材料的配比

1.4 測試與表征

1.4.1 拉伸性能測試

按照GB/T 1040.1-2006標準，制備啞鈴型試樣，每組測試5個樣條，結果取平均值，拉伸速率為50mm/min。

1.4.2 透光率/霧度測試

按照GB/T 2410-2008標準，制備50mm＊50mm試樣，每組測試5個試樣，結果取平均值。

1.4.3 垂直載壓測試

按照GB/T 17200-2008 標準，每組取10個樣瓶，在常溫下放置24h后，進行測試，試驗模式為“普通拉壓”，運行速度為100mm/min，破形判斷為下降峰值的20%。

1.4.4 熔融指數測試

按照 GB/T 3682-2000 標準，取PLA/AC2116共混物顆粒，60℃干燥5h后，采用質量法測試聚乳酸改性料的熔體流動速率，測試溫度為190℃，試驗負荷為2.16Kg，切料時間為10s。

1.4.5 容器水蒸氣透過率測試

按照GB/T 31355-2014 標準，將樣瓶干燥器內放置24h后，進行測試，氣源為氮氣，測試模式為連續模式，測試環境為23℃&50%RH。

1.4.6 壓差法容器氣體透過量測試

按照GB/T 1038-2000 標準，將樣瓶干燥器內放置24h后，進行測試，測試氣體為空氣、氧氣、二氧化碳。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能分析

拉伸性能試驗測試結果見表2。從表2可以看出，添加增韌劑AC2116后制備的油瓶與聚乳酸油瓶相比，拉伸強度和拉伸彈性模量明顯下降，且隨著AC2116含量的增加，拉伸強度和拉伸彈性模量呈下降趨勢；拉伸斷裂應變隨著AC2116含量的增加而增大且成上升趨勢。表明添加AC2116后，聚乳酸油瓶表現出軟而韌的特性，且在AC2116添加量為10%時表現最明顯。

2.2 透光率/霧度分析

表3為聚乳酸油瓶的透明度/霧度測試結果，從結果可以看出，添加AC2116后透光率在90%±2%范圍內變化，霧度在5-8%范圍內變化。表明添加AC2116后，聚乳酸油瓶仍具有高透明度，并且AC2116添加量的變化并不影響聚乳酸油瓶的透明度。

表2 拉伸性能測試結果

表3 透光率/霧度測試結果

2.3 垂直載壓分析

表4為制備的油瓶垂直載壓測試結果，結果表明添加AC2116后，油瓶所能承受的最大力值有所增加，但是隨著AC2116添加量的增多，最大力值呈降低趨勢，并在添加量為10%時達到最小值。

表4 垂直載壓測試結果

2.4 熔融指數分析

表5為共混物熔融指數測試結果，添加AC2116后，熔融指數增大。且隨著添加量的增多，熔融指數呈現增加的趨勢，在添加量為10%時達到最大值。表明隨著AC2116添加量的增加，共混物的加工流動性更佳，更易于加工。

表5 熔融指數測試結果

2.5 容器水蒸氣透過率分析

表6為制備的樣瓶在溫度為23℃、濕度為50%RH條件下測試的水蒸氣透過率結果，結果表明AC2116的添加，對容器水蒸氣透過率不產生影響。

表6 水蒸氣透過率測試結果

2.6 壓差法容器氣體透過量分析

表7為制備的樣瓶容器氣體透過量結果，結果表明AC2116的添加，對容器氣體透過量不產生影響。

3 結論

（1）AC2116作為增韌劑添加到聚乳酸中，能有效改善聚乳酸油瓶的韌性，但改善韌性的同時降低聚乳酸油瓶的拉伸強度及垂直載壓所能承受的最大力值。本文認為，從韌性、拉伸強度和垂直載壓方面考慮，AC2116的添加量應控制在4%-8%。

（2）PLA/AC2116共混物的熔融指數隨著AC2116添加量的增多而增大，從加工工藝方面考慮，AC2116的添加使聚乳酸油瓶更易于加工成型。

（3） AC2116的添加不會降低聚乳酸油瓶的透明度。

（4）添加AC2116后制備的聚乳酸油瓶，水蒸氣透過率、氣體（空氣、氧氣、二氧化碳）透過量并沒有發生變化，表明不影響聚乳酸油瓶的使用性能。

綜上所述，選用AC2116作為聚乳酸油瓶的增韌劑，能夠在保證油瓶高透明度和油瓶使用性能的基礎

表7 氣體透過量測試結果

上，有效增加聚乳酸的韌性，且根據加工工藝不同選擇AC2116添加量在4%-8%為宜。

[1]張向南, 何文滾． 聚乳酸增韌改性研究[J]． 塑料科技,2013, (6)： 63-66．

[2] 鄒俊等． 苯乙烯-丙烯酸縮水甘油酯共聚物支化改性聚乳酸的結構與性能[J]． 高分子 材料科學與工程, 2016,(6)： 80-84．

[3] 張玉霞 , 劉偉 譯 ． 聚乳酸的性能及其加工技術 [J]． 塑料包裝 , 2010, 20(1)： 53-42．

[4] 蘇思玲． 綠色塑料聚乳酸的增韌改性研究[D]． 上海：上海交通大學, 2008． 19-33．

[5] 吉林中糧生化有限公司． 一種高含量聚乳酸透明油瓶及其制備方法 [P]． 中國專利 ： 201710488051．7, 2017-6-23．