一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜软包装技术领域，特别涉及一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜及其制备方法。

背景技术

生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜是一种生物可降解的环保材料。这种材料由生物基聚酯通过双向拉伸技术制成，其特点在于具有较高的气体和湿气阻隔性能，能够有效阻止气体和水分的穿透。该薄膜对环保友好，因为它们是由生物基资源制成的，可以在自然环境中生物降解。相比于传统的石油基塑料具有很大的环保优势。此外，生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜还具有很好的机械性能和尺寸稳定性，可以广泛应用在食品包装、医药包装、印刷和层压电子等领域。然而，这种新型材料的研发和生产目前还面临一些技术挑战，比如如何提高薄膜的阻隔性能，如何提高生产效率和降低成本，如何进一步提高薄膜的降解性能等。

聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯是一种生物基聚酯，与石油基聚酯PET相比，聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯具有更高的玻璃化转变温度(Tg≈90℃)，由于呋喃环的存在，其对氧气和二氧化碳的气体渗透系数更小，气体阻隔性能显著优于PET。在水蒸气阻隔性方面，其水蒸汽透过率也是PET的1/3左右。此外，聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯具有较高的拉伸强度和弹性模量，其力学性能也优于PET，是一种具有很好应用前景的包装材料。

然而，对于这样一种新型的材料，如何进行材料的选择和加工，制备出性能优异的薄膜，成为当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜及其制备方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜，由三层结构组成，自上而下依次包括上表层、中间层和下表层；所述上表层的组成按质量份数计包括90～99份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、1～10份功能母粒；所述中间层的组成按质量份数计包括100份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；所述下表层的组成按质量份数计包括90～99份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、1～10份功能母粒。

在本发明一优选实施方案中，所述聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的数均分子量范围在20000～80000。

在本发明一优选实施方案中，所述聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的特性粘度为0.2～3.0dL/g。

在本发明一优选实施方案中，所述功能母粒的组成按质量份数计包括0.5～5份润滑剂、3～10份开口剂、0.5～3份抗氧剂和82～96份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯。

进一步优选的，所述润滑剂选自芥酸酰胺、油酸酰胺、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钡、PE蜡、改性乙撑双硬脂酰胺中的一种或多种。

进一步优选的，所述抗氧剂选自亚磷酸酯类、酚类中的一种或多种的混合物。

进一步优选的，所述开口剂选自二氧化硅、碳酸钙、硅藻土、滑石粉中的一种或多种。

在本发明一优选实施方案中，所述功能母粒通过将其各组分经双螺杆挤出机在200～240℃的温度下熔融挤出、拉条、冷却、抽粒和干燥后得到。

在本发明一优选实施方案中，所述生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的厚度为10～100μm；其中，上表层和下表层的厚度为1～3μm；中间层的厚度为4～98μm。

为了实现以上目的，本发明的技术方案之二为：一种具有生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的制备方法，其中包括以下制备步骤：

Step1：将所有的原料进行干燥，控制原料的水分含量在120ppm以下；

Step2：将上表层、中间层和下表层的原料分别按其组成配比混合，并通过高速搅拌机分散均匀，然后通过各自的挤出机在200～240℃的温度下熔融塑化挤出，经过T型模头流出；

Step3：采用低压气刀将熔体贴附在冷鼓上形成厚片，其中厚片的厚度为120～1000μm，冷鼓的温度为8～30℃；

Step4：将厚片加热后采用同步双向拉伸设备进行聚酯薄膜的同步双向拉伸，其中拉伸温度为90～185℃，拉伸倍率为2.5*2.5～4.5*4.5；

Step5：将拉伸后的薄膜进行热定型处理，其中定型温度为140～195℃，定型时间为5～40s，然后薄膜进行冷却和电晕后处理，电晕处理功率为6～12Wmin/m

Step6：将收卷后的双向拉伸聚酯薄膜按要求进行分切，最后得到所述的生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜，薄膜厚度为10～100μm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜用途广泛、产品外观好，性能良好，且容易加工，生产工艺简单、生产效率高、容易实现工业化；

2、本发明制备生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的材料为生物基材料，可减少碳排放，是一种绿色环保的包装材料，符合环保潮流与趋势；

3、本发明制备的生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜具有优异的阻隔性能。

附图说明

图1为本发明提供的一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜结构图，

其中：10-下表层、20-中间层、30-上表层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。文中相同的附图标记始终代表相同的元件，相似的附图标记代表相似的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横”、“竖”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图中的立体图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜，由三层结构组成，自上而下依次包括上表层、中间层和下表层；所述上表层的组成按质量份数计包括90～99份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、1～10份功能母粒；所述中间层的组成按质量份数计包括100份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；所述下表层的组成按质量份数计包括90～99份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、1～10份功能母粒。

所述聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的数均分子量范围在20000～80000。

所述聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的特性粘度为0.2～3.0dL/g。

所述功能母粒的组成按质量份数计包括0.5～5份润滑剂、3～10份开口剂、0.5～3份抗氧剂和82～96份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯。

所述润滑剂选自芥酸酰胺、油酸酰胺、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钡、PE蜡、改性乙撑双硬脂酰胺中的一种或多种。

所述抗氧剂选自亚磷酸酯类、酚类中的一种或多种的混合物。

所述开口剂选自二氧化硅、碳酸钙、硅藻土、滑石粉中的一种或多种。

所述功能母粒通过将其各组分经双螺杆挤出机在200～240℃的温度下熔融挤出、拉条、冷却、抽粒和干燥后得到。

所述生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的厚度为10～100μm；其中，上表层和下表层的厚度为1～3μm；中间层的厚度为4～98μm。

一种具有生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的制备方法，其中包括以下制备步骤：

(1)将所有的原料进行干燥，控制原料的水分含量在120ppm以下；

(2)将上表层、中间层和下表层的原料分别按其组成配比混合，并通过高速搅拌机分散均匀，然后通过各自的挤出机在200～240℃的温度下熔融塑化挤出，经过T型模头流出；

(3)采用低压气刀将熔体贴附在冷鼓上形成厚片，其中厚片的厚度为120～1000μm，冷鼓的温度为8～30℃；

(4)将厚片加热后采用同步双向拉伸设备进行聚酯薄膜的同步双向拉伸，其中拉伸温度为90～185℃，拉伸倍率为2.5*2.5～4.5*4.5；

(5)将拉伸后的薄膜进行热定型处理，其中定型温度为140～195℃，定型时间为5～40s，然后薄膜进行冷却和电晕后处理，电晕处理功率为6～12Wmin/m

(6)将收卷后的双向拉伸聚酯薄膜按要求进行分切，最后得到所述的生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜，薄膜厚度为10～100μm。

实施例1

一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜由三层结构组成，自上而下依次为上表层、中间层和下表层；按质量份数计，上表层的组成包括95份的聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、5份的功能母粒；中间层的组成包括100份的聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；下表层的组成包括95份的聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、5份的功能母粒。聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的数均分子量为40000，聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的特性粘度为1.5dL/g；功能母粒成分按质量份数计包括2份的润滑剂、5份的开口剂、2份的抗氧剂和91份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；润滑剂选自芥酸酰胺；抗氧剂选自亚磷酸三异癸酯；开口剂选自二氧化硅；功能母粒通过将其各组分经双螺杆挤出机在225℃的温度下熔融挤出、拉条、冷却、抽粒和干燥后得到。生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的厚度为25μm；其中，上表层和下表层的厚度为2μm；中间层的厚度为21μm。

一种具有生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜通过以下制备方法制得：

Step1：将所有的原料进行干燥，控制原料的水分含量在120ppm以下；

Step2：将上表层、中间层和下表层各原料分别按组成配方比例混合，并通过高速搅拌机分散均匀，然后通过各自的挤出机在225℃的温度下熔融塑化挤出，经过T型模头流出；

Step3：采用低压气刀将熔体贴附在冷鼓上形成厚片，其中厚片的厚度为280μm，冷鼓的温度为15℃；

Step4：将厚片加热后采用同步双向拉伸设备进行聚酯薄膜的同步双向拉伸，其中拉伸温度为135℃，拉伸倍率为3.2*3.2；

Step5：将拉伸后的薄膜进行热定型处理，其中定型温度为175℃，定型时间为10s，然后薄膜进行冷却和电晕后处理，电晕处理功率为9Wmin/m

实施例2

一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜由三层结构组成，自上而下依次为上表层、中间层和下表层；按质量份数计，上表层的组成包括99份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、1份功能母粒；中间层的组成包括100份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；下表层的组成包括99份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、1份功能母粒。聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的数均分子量为25000，聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的特性粘度为0.5dL/g；功能母粒成分按质量份数计包括1份润滑剂、4份开口剂、1份抗氧剂和94份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；润滑剂选自改性乙撑双硬脂酰胺；抗氧剂选自亚磷酸三异癸酯；开口剂选自滑石粉；功能母粒通过将其各组分经双螺杆挤出机在220℃的温度下熔融挤出、拉条、冷却、抽粒和干燥后得到。生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的厚度为12μm；其中，上表层和下表层的厚度为1.5μm；中间层的厚度为9μm。

一种具有生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜通过以下制备方法制得：

Step1：将所有的原料进行干燥，控制原料的水分含量在120ppm以下；

Step2：将上表层、中间层和下表层各原料分别按组成配比混合，并通过高速搅拌机分散均匀，然后通过各自的挤出机在220℃的温度下熔融塑化挤出，经过T型模头流出；

Step3：采用低压气刀将熔体贴附在冷鼓上形成厚片，其中厚片的厚度为150μm，冷鼓的温度为10℃；

Step4：将厚片加热后采用同步双向拉伸设备进行聚酯薄膜的同步双向拉伸，其中拉伸温度为105℃，拉伸倍率为2.9*2.9；

Step5：将拉伸后的薄膜进行热定型处理，其中定型温度为145℃，定型时间为6s，然后薄膜进行冷却和电晕后处理，电晕处理功率为7Wmin/m

实施例3

一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜由三层结构组成，自上而下依次为上表层、中间层和下表层；按质量份数计，上表层的组成包括91份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、9份功能母粒；中间层的组成包括100份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；下表层的组成包括91份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯、9份功能母粒。聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的数均分子量为75000，聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯的特性粘度为2.5dL/g；功能母粒成分按质量份数计包括4.5份润滑剂、9份开口剂、2.5份抗氧剂和84份聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯；润滑剂选自改性乙撑双硬脂酰胺；抗氧剂选自亚磷酸三异癸酯；开口剂选自二氧化硅；功能母粒通过将其各组分经双螺杆挤出机在235℃的温度下熔融挤出、拉条、冷却、抽粒和干燥后得到。生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜的厚度为30μm；其中，上表层和下表层的厚度为2.5μm；中间层的厚度为25μm。

一种具有生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜通过以下制备方法制得：

Step1：将所有的原料进行干燥，控制原料的水分含量在120ppm以下；

Step2：将上表层、中间层和下表层各原料分别按组成配比混合，并通过高速搅拌机分散均匀，然后通过各自的挤出机在235℃的温度下熔融塑化挤出，经过T型模头流出；

Step3：采用低压气刀将熔体贴附在冷鼓上形成厚片，其中厚片的厚度为480μm，冷鼓的温度为25℃；

Step4：将厚片加热后采用同步双向拉伸设备进行聚酯薄膜的同步双向拉伸，其中拉伸温度为160℃，拉伸倍率为4.0*4.0；

Step5：将拉伸后的薄膜进行热定型处理，其中定型温度为185℃，定型时间为20s，然后薄膜进行冷却和电晕后处理，电晕处理功率为11Wmin/m

对比例1

一种双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜由三层结构组成，自上而下依次为上表层、中间层和下表层。按质量份数计上表层的组成包括95份的聚对苯二甲酸乙二醇酯、5份的功能母粒；中间层的组成包括100份的聚对苯二甲酸乙二醇酯；下表层的组成包括95份的聚对苯二甲酸乙二醇酯、5份的功能母粒；功能母粒成分按质量份数计包括2份的润滑剂、5份的开口剂、2份的抗氧剂和91份聚对苯二甲酸乙二醇酯；润滑剂选自芥酸酰胺；抗氧剂选自亚磷酸三异癸酯；开口剂选自二氧化硅；功能母粒通过将其各组分经双螺杆挤出机在280℃的温度下熔融挤出、拉条、冷却、抽粒和干燥后得到。双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的厚度为25μm；其中，上表层和下表层的厚度为2μm；中间层的厚度为21μm。

一种双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜通过如下制备方法制得：

Step1：将所有的原料进行干燥，控制原料的水分含量在120ppm以下；

Step2：将上表层、中间层和下表层的原料分别按配方比例混合，并通过高速搅拌机分散均匀，然后通过各自的挤出机在280℃的温度下熔融塑化挤出，经过T型模头流出；

Step3：采用低压气刀将熔体贴附在冷鼓上形成厚片，其中厚片的厚度为280μm，冷鼓的温度为15℃；

Step4：将厚片加热后采用同步双向拉伸设备进行薄膜的同步双向拉伸，其中拉伸温度为135℃，拉伸倍率为3.2*3.2；

Step5：将拉伸后的薄膜进行热定型处理，其中定型温度为175℃，定型时间为10s，然后薄膜进行冷却和电晕后处理，电晕处理功率为9Wmin/m

本发明对上述各实施例和比较例的相关性能进行测试，具体结果数据如下表1所示。

表1薄膜厚度及性能测试结果

通过如下标准和方法对实施例和对比例制得的薄膜厚度及性能进行测试：

(1)拉伸强度和断裂伸长率性能测试：按照GB/T 1040.3《塑料拉伸性能的测定(第3部分：薄膜和薄片的试验条件)》标准要求进行测试。

(2)阻隔性能测试：按照ASTM D3985《Standard Test Method for Oxygen GasTransmission Rate Through Plastic Film and Sheeting Using a CoulometricSensor》标准要求进行氧气阻隔性能测试。

(3)厚度测试：按照GB/T 6672《塑料薄膜和薄片厚度测定：机械测量法》标准要求进行测试。

(4)生物基含量：按照GB/T 29649《生物基材料中生物基含量测定：液闪计数器法》进行测试。

(5)表格里的符号“◎”表示优，符号“□”表示良，符号“△”表示中，符号“×”表示差。

从表1中可知，采用本发明实施例1所制备的一种生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜与对比例1制备的传统石油基的双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜相比，本发明所生产生物基高阻隔双向拉伸聚酯薄膜不仅力学性能好，且阻隔性能更优，且能实现材料来源由生物基制备，可有效减少碳排放，能满足不同领域包装市场的需求。

尽管本文中较多的使用了诸如上表层、下表层和中间层等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。