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PBAT、PLA、PBSA吹膜工艺大全,及疑难问题解决
本文以生物降解材料PLA、PBAT、PBSA、CMC、TPS为基础,介绍了几种原料对应的不同的吹膜工艺,并在最后对各个工艺中有可能出现的问题进行了总结与归纳。


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小编之前收到网友反馈,想要了解更多生物降解吹膜工艺。从这个方向着手,小编查阅各种资料将内容整理如下,期望在帮助网友解答疑惑的同时也能为大家提供不的吹膜工艺进行参考。

01

PLA(聚乳酸)吹膜工艺

PLA薄膜不仅具有全生物降解性、无毒性和良好的生物相容性,而且具有普通塑料薄膜所达不到的高强度、高模量、高透明度和良好的透气性能,所以聚乳酸薄膜越发受到社会的重视。
但是由于PLA熔体强度低,不能吹塑成膜或成膜困难;韧性差、常温下呈脆性;结晶度低耐热性差等这些缺陷,导致其无法满足薄膜的使用要求
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针对PLA这三大缺陷,通过扩链改性来提高熔体强度,进而提高其成膜性;通过增韧改性来提高其柔韧性,进而成功制备柔韧性较好吹塑薄膜;通过滑石粉(Talc)共混改性来提高其结晶度及耐热性


吹塑薄膜成膜需要较大的烙体强度,应选择流动性差即熔体流动速率低的PLA
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PBSA也是全生物降解型热塑性脂肪族聚醋,其具有良好的柔韧性、髙的耐冲击性和可加工性。


PLA和PBSA共混,理论上两种聚合物可在力学性能上互补得到综合性能优异的生物降解高分子材料。利用PEG做为増塑剂提高PLA薄膜的柔韧性

工艺一:一步法挤出吹膜成型工艺


先将PLA干燥,然后将PLA树脂、扩链剂和増韧剂混合均匀,直接加入单螺杆挤出机中完成熔融和混合,并由机头口模挤出吹塑成膜。这样缩短了生产周期,节约了生产成本。
一步法成型工艺流程
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由下图可知,吹膜膜泡有明显未熔融的树脂颗粒,且极易发生破裂,使得膜泡无法成功吹胀。这是因为单螺杆剪切混合作用弱,会造成共混物爆融混合不均。
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所以,制品表面有未炼融的树脂颗粒,因而无法成功挤出吹塑成膜,故一步法成型工艺不合理,需要用两步法挤出工艺的吹塑薄膜。

工艺二:两步法挤出吹膜成型工艺



两步法成型工艺流程图

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02

TPS淀粉基降解材料吹膜工艺


淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成,亲水性极强,直接加热时没有塑化熔融的过程。

因此,常向热塑性淀粉中添加小分子塑化剂,通过塑化剂使淀粉能够在挤出、注塑等高温剪切作用下表现出热塑性。这个过程称为淀粉改性或者淀粉热塑性处理,改性后的原料一般成为热塑性淀粉(TPS)。

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A:TPS的制备



将粒度d50为4.95μm的玉米淀粉放入115℃的KFP-1000L干燥箱内,烘干8小时,使水分含量在900ppm以内,将甘油和淀粉按照100:30比例在高混机中混合均匀,之后投料入长径比36:1、直径40mm的同向双螺杆挤出机中,经过水槽冷切、拉条、造粒。


挤出机各段温度设定为120~210℃,挤出机电机转速为150rpm。切粒后制得热塑性淀粉粒料(TPS),在90℃干燥箱内烘干至水分含量低于800ppm后密闭包装后待用。
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为了弥补单一淀粉材料性能的不足,通过将热塑性淀粉TPS与生物降解类的脂肪族共聚酯PBSA进行共混改性,以提高淀粉基降解塑料的拉伸强度和耐撕裂性等物理力学性能。

B:制备PBAT/PBSA/TPS共混改性材料



制得并烘干的TPS粒料与PBAT-A和PBSA-A相应树脂粒料分别按照下表中用量比例计量投入同向双螺杆挤出机中,经过水槽冷切、拉条、造粒。


挤出机各段温度设定为110~200℃,挤出机电机转速为150rpm。切粒后制得相应的PBAT/PBSA/TPS复合材料样品。


PBAT/PBSA/TPS 共混材料配方表

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C:吹膜样品的制备



将flex162原料于85℃温度下烘干4小时,投入吹膜机吹膜。螺杆直径55mm,长径比30:1,挤出设定螺杆转速30r/min,熔体温度为125℃,薄膜厚度15μm。


将flex162薄膜样品于23℃、50%RH环境下放置,状态调节不少于4h,再进行薄膜样品的相关性能的检测。

D:不同条件下制备不同吹膜样品



将不同试验的材料分别投入MB-900吹膜机内,在不同温度、螺杆转速条件下熔融挤出吹膜收卷。薄膜厚度调整为15μm,样品在23℃和50%RH环境下状态调节4h。


分别投料进行吹膜试验的材料有:PBAT-A/B/C 、PBSA-A/B/C 。试验中不同的吹胀比DDR按照吹制不同的产品宽度调节,不同的牵引比通过更换不同间隙的口模吹制相同厚度和宽度的薄膜来实现。

E:结论


1)与传统吹膜的LDPE、HDPE相比,PBSA/TPS体系的熔体强度较低,通过将单风口风环更换为双风口风环进行吹膜生产,双风口风环的冷却风量和冷却效果提升较大,可以明显提高PBSA/TPS淀粉基降解塑料的膜泡稳定性


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2)在其他工艺条件不变的情况下,通过调整PBSA/TPS吹膜的吹胀比和牵引比,对淀粉基降解塑料薄膜的纵横向拉伸强度、断裂伸长率和耐撕裂力等性能有影响,在吹胀比3.5和牵引比38的条件下,各项力学性能达到最高

03

PBAT/PBSA吹膜工艺

PBAT和PBSA的生物降解聚酯材料制品很广泛的应用于包括袋制品在内的软包装产品。

A:样品的制备



本试验利用MB-900吹膜机分别吹制了不同分子量大小的样品PBAT-A/B/C和PBSA-A/B/C的15μm薄膜样品。


工艺温度从进料段到口模分别为150℃、170℃、170℃、170℃、170℃,挤出机电机转速400rpm吹胀比4.0牵引比33。分别测定各样品吹膜试验相应的DHI值,见下表。


不同Mw的PBAT及PBSA吹膜DHI值

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B:DHI值的测定


采用CMW型膜泡在线测径仪实时在线检测膜泡的直径,通过PLC记录不同试验10min的膜泡最大直径、最小直径和平均直径,并通过式下列公式计算不同的DHI值。
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其中Dr为检测的膜泡最大直径与最小直径之差;Dm是膜泡的平均直径;单位均为:mm。


DHI 值常用于在工业生产中判断吹膜过程膜泡的稳定程度,根据吹膜实际对比经验DHI<40%时是膜泡稳定状态;而DHI>40%的膜泡稳定性很差,摆动和直径变化较频繁


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而上表说明PBAT和PBSA的吹膜膜泡稳定性都和各材料的零剪切粘度直接相关,即和不同的相对分子量大小直接相关。


本试验中分子量最高的PBAT-A和PBSA-A具有各自同材料中最好的膜泡稳定性,因此作为吹膜级PBAT/PBSA/TPS复合材料的基体树脂最佳。

C:吹膜工艺



挤出吹膜的工艺流程:将塑料粒料投入进料斗,在挤出机机筒加热和螺杆剪切的双重作用下塑化熔融通过螺杆的旋转以一定的压力和速度将材料熔体挤出至口模并吹胀成一定尺寸的膜泡通过风环的冷却和牵引的拉伸将薄膜送入收卷机完连续制造的过程。


挤出吹膜法制造薄膜图示
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挤出吹膜包括了挤出熔融塑化吹胀冷却成型这两个关键的加工工序。这两个工序所体现的加工性要求是有区别的:

熔融塑化:材料要达到一定的热塑性,即在设定温度下加热可以熔融并流动,另外还要具备几种材料的相容性和保证各组分的均匀熔融;


吹胀冷却:最重要的是膜泡的稳定性(居中和摆动、大小变化、厚度变化等),而这与材料在该加工条件下的熔体强度直接相关,熔体强度越高则膜泡的稳定性越好。

04

纤维素(CMC)吹膜工艺

纤维素、植物蛋白等除了具有环保、保健的需求,还能以其为基料制作可食性包装膜。将部分废弃纤维变废为宝,对推动经济发展、解决全球“白色污染”问题和改善人民健康状况等方面有一定的实际意义。

A:CMC的制备


自制甜菜膳食纤维粉为原料乙醇溶液为溶剂采用二次加碱法制备成膜基材——高粘度甜菜羧甲基纤维素(CMC)。


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制备羧甲基纤维素的最佳条件:NaOH/AGU摩尔比为2.5,ClCH2COOH/AGU摩尔比为1.5,乙醇浓度为75%,碱化醚化温度为35℃醚化时间为3h,液料比8∶1(ml/g),可以制备粘度为894.33mPa·s的羧甲基纤维素产品。


在最佳工艺条件的验证试验中进一步证实了最佳工艺条件的实用性和可靠性。用自制的成膜基材进行复合膜的试验

B:膜的制备方法


用自制的成膜基材CMC和小麦面筋蛋白WG按一定配比配成混合粉,再配制一定浓度的有机溶剂,在不断搅拌的情况下把一定质量的混合粉加入到配制好的有机溶剂中,再加入一定量的增塑剂并搅拌。
然后用1mol/LHCl和1mol/LNa2CO3溶液调节成膜溶液到指定的pH,再在指定温度下搅拌使其反应一定时间后过筛、离心脱气,然后取一定量的成膜液倒在成膜板上,60℃下干燥10h后揭膜,放入干燥器中待测。

C:成膜工艺路线


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D:结论



成膜材料CMC和WG均是食品添加剂,在食品中的使用量没有限制,因此其作为可食性包装材料是安全的;甘油作为增塑剂,也是我国允许使用的食品添加剂,食用后对人体无毒害作用。

Na2CO3和HCl作为调节pH值的化学试剂,也是允许使用的添加剂加入的量在允许使用的范围内


在整个成膜过程中无激烈的化学反应,只需在成膜后使用前进行适当的消毒处理即可。因此,这种方法所制成的CMC-WG复合可食性包装膜是可食和安全的。

05

吹膜工艺的常见问题



问题1薄膜出现褶皱

原因薄膜横向厚度不均匀,哪怕是很微小,经过积累后也可造成比较明显的褶皱,影响落膘实验、薄膜撕裂实验、薄膜摩擦系数等的测定数据。

解决方法

(1)降低熔体温度,可以有效降低熔体流动性,在模头挤出时比较结实,不因冷却风波动使膜泡歪斜而造成薄膜冷却不均。

(2)减少冷却风量或调解冷却风不匀的情况。

(3)人字板的夹角过大,使得薄膜在短时间内被压扁,因而出现褶皱的问题,应适当减小人字板的夹角。

(4)膜口挤料不均匀,应调解口模,使之处于竖直状态。

(5)收卷辊张力过大把膜拉褶。应适当减小收卷辊张力。



问题2薄膜透明度差

原因主要影响因素是树脂原料,降低结晶度及使球晶细小,特别是添加剂的影响。

解决方法

(1)挤出温度偏低,熔体塑化不良,透明度较大,应适当提高熔体温度。

(2)冷却效果不佳,影响了透明度,应适当增大冷却风量。

(3)树脂粒子中含有大量水分,应充分干燥粒子。



问题3薄膜鱼眼多

原因树脂中的析出物造成的,不能从根本上消除。

主要方法 :

(1)一定时间后,加大螺杆速度,提高熔体挤出压力,带走析出物。

(2)定期清洁模具头。

(3)适当提高熔体温度,充分塑化。



问题4薄膜横向厚度不均匀.

原因在模口的出料量不均匀。

解决方法

(1)模具唇间隙调节不当,需局部调整或全部重新调整。

(2)模腔中有杂物,从而引起物流紊乱,出料不均,应当定期清洗口模。

(3)熔体压力或温度过高或波动太大,这样造成挤出熔流不稳,影响厚度不均,可调解温度,挤出速度改善。



问题5膜泡扭动不稳

原因

外部原因:如吹膜机没有在封闭区域内,室内对流严重,造成膜泡扭动

解决方法:关闭门窗即可。

内部原因

(1)模具唇间隙调节不当,出料不均匀。

       解决方法需局部调整或全部重新调整。

(2)冷却风不匀。          

        解决方法:调节冷却风使其均匀。

(3)人字板的夹角过大。  

        解决方法:应适当减小人字板角度。



结论

要想使试验数据准确,就必须吹制出优质的膜片试样,而吹制出优质的膜片,就难免会遇到上述问题,那么就可以参照上面论述的方法加以解决。


参考资料 | 


[1]颜克福. 聚乳酸(PLA)吹塑薄膜成型的研究[D].北京化工大学,2015.

[2]杨晖. 生物降解聚酯材料的流变特性及其薄膜的加工与性能研究[D].华南理工大学,2015.

[3]贺昱. 改性甜菜纤维素—植物蛋白可食性复合膜成膜工艺及性质研究[D].新疆农业大学,2005.

[4]周飞贤. 吹膜法制备全生物降解农膜的研究[D].华中农业大学,2005.


编辑整理 | 小

转载 | 生物降解材料研究院

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