绿色包装材料水溶性塑料薄膜的特点及生产要领介绍

【资料简介】

   在水溶性塑料薄膜作为一种环保的包装材料，发达国家被广泛用于各种产品的包装，例如农药、化肥、颜料" target="_blank">颜料、染料、清洁剂、水处理剂、矿物添加剂、洗涤剂、混凝土添加剂、混凝土增强材料、摄影用化学试剂及园艺护理的化学试剂等。它的主要特点是： 

    1.环保安全、降解*（达10%），降解的zui终产物是CO2 和H2O，可*解决包装废弃物的处理问题； 

    2.使用安全方便，避免使用者直接接触被包装物，可用于对人体有害物品的包装； 

    3.力学性能好，且可热封，热封强度较高； 

    4.能准确计量、防止浪费； 

    5.具有防伪功能，可作为产品的防伪，延长产品的寿命周期。 

    许多水溶性薄膜由于具有环保特性，因此已受到世界发达国家广泛重视。国外主要是日本、美国、法国等生产销售此类产品，如美国的W.T.P 公司、C.C.L.P 公司，法国的GRENSOL 公司和日本的合成化学公司等等，其用户也是一些的大公司，例如Bayet（拜耳）、Henkel（汉高）、Shell（壳牌）等。 

    国内湖南工业大学与广东肇庆方兴包装材料公司在中国包装总公司科技部的支持下，联合研制开发了水溶性薄膜及其生产设备，目前已投入生产，走向市场。 

    在国内，水溶性薄膜市场正在兴起。据有关资料统计，我国每年所需的包装薄膜占塑料制品的20%，约达30.9 万吨。即便按占有市场5%计，则每年需求量也达1.5 万吨。目前市场售价：美国产品为13 万元／吨～17 万元／吨，日本产品为20 万元／吨～25 万元／吨。国内产品销售价仅为美国的40%，平均售价为6 万元／吨，因而在价格上具有很强的竞争力。随着社会的发展和进步，人们越来越注意保护我们赖以生存的环境，尤其是我国加入了WTO，与世界发达国家接轨，对包装的环保要求日益提高，因而水溶性包装薄膜在我国的应用前景一定十分广阔。 

    水溶性塑料薄膜的主要化学成分及其水溶性原理 

    水溶性塑料薄膜的主要组分 

    水溶性薄膜的主要原料是成膜物质和各种辅助物质。 

    可作成膜剂的材料有： 

    蛋白质材料──动物蛋白物质、植物蛋白物质； 

    植物多糖类物质（如淀粉）； 

    合成聚合物（如*）等。 

    目前用得zui多的是植物多糖类物质（如淀粉）和合成聚合物（如*）。 

    也可以用合成成膜剂与天然的动物、植物成膜剂共同使用。合成成膜剂有时也采用与部分不溶性聚合物作为成膜剂的组成部分，如低分子量的乙烯基接枝反应物。 

    所添加的辅助剂大多为C、 H、O 化合物，通常辅助剂与成膜物质溶液相容。 

    利用这些物质的成膜性、水溶性及降解性，添加各种助剂，如表而活性剂、增塑剂、防粘剂等得到水溶性膜。 

    成膜剂 

    蛋白成膜剂 

    蛋白成膜剂是以天然蛋白质及其改性产品为主要成分的成膜剂，包括动物蛋白和植物蛋白两大类。蛋白质旧称肽。由20 多种L 型α－氨基酸经共价肽键（－CONH－）连接而成的生物大分子。动物蛋白质和植物蛋白质结构通常是多种氨基酸类物质，通过肽共价键聚合后也称为多肽。蛋白质也是许多食物的一种营养成分，广泛存在于肉类、乳类、蛋类、豆类、谷类中。按照溶解度可分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和不溶的硬蛋白等。按照组成可分为简单蛋白，这是指除氨基酸外不含其他物质，如胰岛素；结合蛋白，这是指除氨基酸外还含有其他物质如脂蛋白、色素蛋白、磷蛋白、核蛋白、糖蛋白等。按照营养成分可分为*蛋白：含有全部必需氨基酸，如酪蛋白、卵清蛋白、大豆球蛋白；不*蛋白：缺少一种或几种必需氨基酸，如食用明胶。 

    由蛋白质为基料可以得到的天然蛋白质胶。具有水溶性，无毒，价格较低，使用方便，耐水性、耐久性、粘接强度一般比淀粉胶好。按来源可分为五类：（1）骨胶（包括皮胶）及明胶；（2）血液蛋白质胶；（3）酪蛋白胶；（4）鱼皮胶；（5）植物蛋白胶。医药、食品加工中也大量应用。动物品种有酪蛋白、丝蛋白、毛蛋白、胶原蛋白及其改性物为基本组成的成膜剂。 

    植物蛋白质主要有花生蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白等。 

    淀粉 

    淀粉是一种多糖类物质。未改性的淀粉结构通常有两种：直链淀粉和支链淀粉，是聚合的多糖类物质。通常因为水溶性差，故往往是采用改性淀粉，即水溶性淀粉。 

    可溶性淀粉是经不同方法处理得到的一类改性淀粉衍生物，不溶于冷水、乙醇和乙醚，溶于或分散于沸水中，形成胶体溶液或乳状液体。 

    在改性淀粉中用于水溶性薄膜的淀粉也是非常讲究的，要使形成的薄膜更为均匀，收缩及爆裂的可能性更小，而且对薄膜的透明性影响较小。 

    合成材料──PVA 

    有许多合成材料都具有不同的水溶特性，包括聚丙烯酸类、聚环氧乙烷、*和它们的衍生物。它们具有不同的水溶特性，根据不同的要求采用不同的方法制备水溶性合成材料。目前制备水溶性薄膜用得zui多的是PVA 及PVA 的改性聚合物。 

    PVA 的结构 

    *的聚合度可分为高聚合度、中聚合度、低聚合度。近来，还开发了一种超高聚合度的产品。 

    PVA 是由聚醋酸乙烯酯经醇解得到。 

    影响到PVA 膜制备和性能的主要是聚合度、醇解度两个指标。醇解度通常有三种，即78%、88%和98%。*醇解的*醇解度为98%～100%，部分醇解的醇解度通常为87%～89%。PVA 的性质 

    水溶性 

    一般说来，聚合度增大，水溶液的粘度增大，成膜后的强度和耐溶剂性增大，但在水中的溶解度下降，成膜后的伸长率下降。醇解度增大，在冷水中溶解度下降，而在热水和的溶解度提高。 

    *的溶解性随其醇解度的高低而有很大差别。醇解度小于66%，由于憎水的乙酰基含量增大，水溶性下降到醇解度在50%以下，*即不再溶于水。以上品种的产品，一旦制成水溶液，就不会在冷却时从溶液中再析出来。 

    温度对*溶解性能的影响也因醇解度的高低而不同。在醇解度为97%～98%时这种影响变得十分明显。 

    水溶液粘度 

    PVA 水溶液的粘度随品种、溶液浓度、溶液温度而变化。 

    PVA 薄膜的吸湿性 

    所有牌号的*都是吸湿性的。 

    增塑剂使用不当往往会增加吸湿性，除非在特殊情况下，*的膜甚至在高湿度下仍保持不粘和干燥。但是这种方法将增加薄膜成本和恶化薄膜性能。 

    水溶性薄膜的主要辅助材料 

    为了水溶性膜的改性和工艺需要，在水溶性膜制备时需要多种添加剂。主要有表面活性剂、增塑剂、防腐剂、增粘剂、着色剂、润滑剂、填充剂、渗透剂、pH 调节剂、崩解剂。 

    水速溶性膜的水溶性机理 

    水溶性薄膜的成膜材料宏观上都是亲水物质，在其分子结构中都有大量的亲水极性基团。如蛋白材料是氨基酸的衍生物和聚合物，分子中含有大量亲水的羧基（－COOH）、氨基（HnN－，n＝1 或2）、酰氨基（－CONH－）；淀粉是多糖类物质，也含有少量蛋白物质（应该说是含氮物质），分子中有大量经基（－OH）；PVA 是聚乙酸乙烯酯经不同程度醇解后的产物，分子中有大量羟基（－OH）和酰基（－OCCH3）。 

    这些基团的存在，使得这些物质的分子和分子链键间产生强烈的结合作用，形成很大的结合力，导致它们难在室温和低温下溶于水，破坏这些作用需要一定的能量。淀粉由于链的刚性，在这种结合下还可能形成胶凝，产生排列、缔合和结晶作用（退减作用）。如： 

    蛋白成膜剂的薄膜粘着力强、光泽自然，耐高温熨皮和打光，卫生性能好，透气及透水气性好，手感自然。缺点是成膜硬、延伸性小、易断裂、吸水性大、不耐湿擦。 

    绝大多数淀粉类薄膜的缺点，一是温度低时薄膜发硬，甚至发脆；二是薄膜的透明性差。PVA 膜有较好的强度和柔顺性，但有较强的吸湿性。 

    所以要得到质量满意的水溶性薄膜，在理论上要解决以下三个问题： 

    1、增加分子间的距离或调节阻隔物质，在保证这些水溶性键的完好存在条件下，破坏或降低分子间的作用，让水分子进入这些物质分子间顺利结合而易溶于水； 

    2、在形成薄膜后性能优良，不受环境影响和不影响环境。 

    3、能够控制和调节不同溶解温度要求。 

    对于这三个问题，往往采用对成膜剂的化学改性和添加物理改性剂的方法解决。对蛋白材料，需要解决低温或室温水溶解性，可采用改性办法来改善薄膜的柔韧性、光泽度、耐水性及防腐等性能。 

    经对淀粉的化学改性，有比较合适的淀粉，它能形成强韧、清晰、连续的薄膜，比酸解淀粉或原淀粉的薄膜更为均匀，收缩及爆裂的可能性更小，薄膜的水溶性，而且对薄膜的透明性影响较小。 

    对于PVA，一方面要考虑原料的醇解度问题，另一方面，要解决PVA 分子间的作用。例如，PVA 在一定条件下，与丙烯酰胺发生迈克尔加成反应来改性，实现PVA 分子间的分割，同时增强水溶性。 

    在解决这些问题后，还要解决分割后成膜剂分子中吸水基团（如羟基、羧基）可能导致的吸潮问题。部分辅助剂组分与成膜物质与添加剂之间可以发生化学反应，也可以只发生物理结合，得到水溶性膜，改善成膜物质的物理性能、力学性能、工艺性能及溶水性能。 

    PVA 系水溶性塑料薄膜的生产工艺过程 

    以PVA 系水溶性薄膜为例，常见的有以*及淀粉为主要原料，添加各种助剂，如表面活性性、增塑剂、防粘剂等等，其工艺与传统的塑料薄膜成型工艺有所不同。常见的工艺过程是：采用先将原料制成一定固含量为15wt%～20wt%的水溶性胶，再流延涂布到镜面不锈钢带上，进入干燥室干燥，至规定水分成膜后从钢带上剥离，切边收卷获得成品膜。 

    在原则上解决上述问题的基础上，还需要解决一系列工艺问题，这些问题常用辅助剂来解决。