聚乙烯醇-玉米淀粉复合薄膜的制备及性能分析

■文/ 刘娜 孙彬青 刘光发 张拯 刘志茹 天津科技大学包装与印刷工程学院

本研究以聚乙烯醇和玉米淀粉为主要成膜原料，丙三醇、吐温80、二甲基硅油为助剂，通过溶液流延法制备 出 25μm、40μm、55μm、70μm四种厚度的水溶性薄膜，对不同厚度薄膜的溶解性、拉伸强度、热封性能、透光率等进行包装性能分析。研究结果显示：随厚度增加，薄膜溶解时间明显增长，热封性能有所下降；在相同条件下，厚度为40μm的薄膜优于其余三种厚度薄膜的拉伸强度，达到21.61MPa；四种厚度对薄膜的透光率没有显著影响，均在90%左右。

聚乙烯醇(PVA)是工业产量最大的合成水溶性高分子化合物，无色无毒，PVA最大价值在于其溶解性和可降解性，因而在食品、医药、农业等行业具有广泛的应用。水溶性薄膜是一种新型的绿色环保包装材料，典型的水溶性薄膜有甲基纤维素薄膜、聚氧化乙烯薄膜和聚乙烯醇薄膜，在欧美和日本等国家已被广泛用于各种产品的包装。

纯PVA 薄膜水溶性不能满足20℃水中溶解时间≤300分钟的要求。赵琳琳等采用氧化淀粉改性的方法制备流延改性PVA水溶性薄膜，研究了氧化淀粉含量对水溶性的影响，发现氧化淀粉与PVA共混可显著提高亲水性。吴璐烨等采用氧化淀粉改性的方法制备流延改性PVA 水溶性薄膜，研究了各组分不同浓度对氧化淀粉改性PVA水溶性薄膜水溶性的影响，采用氧化淀粉和明胶用量的最优配比后，薄膜的水溶性时间只有133分钟。闻荻江等以PVA和丙烯酰胺进行迈克尔加成反应，并在碱催化的条件下进行水解合成改性PVA，但成本过高。陈志周等以玉米淀粉和聚乙烯醇为基材，通过正交实验确定了玉米淀粉-聚乙烯醇复合薄膜的最佳工艺参数。谭英杰等以淀粉和聚乙烯醇为主要原料，通过流延成膜法制备淀粉基-聚乙烯醇生物薄膜。当淀粉、聚乙烯醇与增塑剂的质量比为6:6:4 时，制备的薄膜的力学性能最好，其拉伸强度和断裂伸长率分别达到13. 3 MPa 和160%。

本文研究在PVA中加入玉米淀粉等，利用溶液流延法制作薄膜，探究薄膜制备过程中刮膜厚度对其性能的影响，对其抗拉伸、热封性、可溶性、透光性等性能进行测试，希望研究结论对可溶性薄膜的生产和在包装中的应用提供一定的参考价值。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

实验材料：聚乙烯醇（PVA1788）聚 合 度1700±50， 分 子 量72600-81400，天津市江天化工技术有限公司；玉米淀粉；丙三醇，分析纯，天津市江天化工技术有限公司；吐温80，分析纯，天津市江天化工技术有限公司，二甲基硅油，分析纯，天津市江天化工技术有限公司。

实验设备：磁力搅拌器，S361，本溪市微电机厂；恒温水浴锅，HWS12，上海恒科仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，DGG，天津天宇机电有限公司；电子数显测厚仪，DKT-G型，长信衡器仪表电子工具行；温度计，天津市江天化工技术有限公司；电子万能材料试验机，3369），上海伦捷机电仪表有限公司；双5点热封梯度仪，RTD-R2，东莞市塘厦精工仪器厂；WGT-S透光率-雾度测定仪，WGT-S，杭州康纳科技有限公司。

1.2 薄膜制备工艺

根据目前我国聚乙烯醇工业生产状况，聚乙烯醇不适合生产30μm厚度以下薄膜，为了便于观察规律，本文选取25μm、40μm、55μm、70μm 厚 度进行实验。

称取2.5g玉米淀粉加入30ml蒸馏水配成淀粉悬浊液，再称取27.5g聚乙烯醇加入120ml水在90℃水浴条件下用玻璃棒搅拌溶解，将两种溶液分别倒入容量瓶中加水定容至250ml，混合振荡后倒入三口烧瓶在80℃水浴条件下用电动搅拌器搅拌20min，再搅拌过程中加入丙三醇10ml、吐温80 2.5ml、二甲基硅油2ml，搅拌均匀后倒入烧杯中静置1小时，取下部无气泡溶液在玻璃板上进行刮膜，分别刮出四种不同厚度薄膜，放入干燥箱中烘干50min，薄膜成型后取出揭膜，常温下储存备用。

1.3 薄膜性能测试与表征

1.3.1 溶解性测定

将制备的氧化淀粉-聚乙烯醇水溶性薄膜取样10 mm ×10 mm，中心标上“+”号，在1L的烧杯中加入500 mL的水，保持恒温。将薄膜放在静止的水面中央，测定“+”记号完全消失的时间。若薄膜成团粘在烧杯壁上，需重新测定，结果取3 次平均值，单位为s。

1.3.2 拉伸性能测定

实验根据国标《GB/T 13022-1991塑料 薄膜拉伸性能试验方法》，使用电子万能材料试验机进行测试。拉伸速率：50mm/min ，标距设为50mm，实验环境为温度22℃，RH值45%。

1.3.3 热封性能测定

实验标准参考《ZBY 28004 86塑料薄膜包装袋热合强度测定方法》和《GB/T 16578-1996塑料薄膜和薄片耐撕裂性能试验方法》，选用双5点热封梯度仪和电子万能材料试验机；先将薄膜热封（热封温度160℃，热封压力205KPa，热封时间1s），冷却后对封合处进行拉伸强度测试。

1.3.4 透光性测定

实验标准参考GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》，使用WGT-S透光率-雾度测定仪进行测试。

2 结果与讨论

2.1 PVA-玉米淀粉复合薄膜的溶解性

考虑水温随季节的差异性，选择20℃和30℃进行实验并对比。实验结果如图2-1所示，数据显示出：薄膜溶解时间随厚度增加而增长，在20℃时，从25μm到55μm，溶解时间增加的比较缓慢，而55μm到70μm溶解时间突然成倍增加；在30℃时25μm到40μm时，溶解时间增加缓慢，之后随后度增加，溶解时间增长速度较快。同时可以看出，薄膜溶解时间随温度升高而加快，温度升高10℃后，0.04mm薄膜溶解时间缩短将近1/3，0.055mm薄膜溶解时间缩短将近1/2。

由图2-1可以看出厚度为40μm薄膜和厚度为55μm的薄膜比较符合生产要求，且溶解时间较短，在不搅拌情况下可以在2分钟之内溶解。

2.2 拉伸性能

将制作好的薄膜放置在电子万能材料试验机进行测试，观察发现，试样在宽度上没有太大变形，断裂界面也比较平整。随着拉伸位移的增加，载荷逐渐增大。在5—15mm的初始阶段，薄膜处于刚刚被拉伸的状态，载荷急剧上升；在15—55mm阶段曲线逐渐趋于平缓，在55—168mm阶段曲线斜率有所增大，但总体趋势仍为平缓上升，直至拉伸为168mm时，达到薄膜最大形变，载荷达到7.5N，薄膜试样被拉断。

图2-3 薄膜厚度-拉伸强度关系

图2-4 薄膜厚度-断裂伸长率关系

图2-5 薄膜厚度-热封强度关系

图2-6 薄膜厚度-透光率关系

图2-7 薄膜厚度-雾度关系

对薄膜拉伸方向平行于刮膜方向和垂直于刮膜方向两个方向进行一定量试样的测试后发现，拉伸方向平行于刮膜方向的试样拉伸强度略微强于垂直刮膜方向，取平行于刮膜方向的试样测得的数据进行分析。

通过图2-3、2-4可以看出，厚度为40μm时表现出最大的拉伸强度21.61MPa和最大断裂伸长率365.60%。厚度在40μm—50μm之间的薄膜，内部的交联、分子间的作用力等微观因素造成了拉伸强度的升高，甚至优于70μm厚度的薄膜的拉伸强度。

2.3 热封性能

为测试该薄膜的包装性能，对其热封性能进行了测试。采用测定封合面的热封强度来评价封口质量是一个重要的评价指标，除此之外还对断裂后的试样进行观察统计，大部分试样的断裂发生在封合面以外的部分。图2-5为对热封后的试样进行拉伸得到的数据制成的曲线。热封强度随薄膜厚度增加而增强，几乎成线性关系。厚度为55μm和70μm的薄膜基本可达到水溶性薄膜热封强度为5—12N/15mm的标准。

2.4 透光率

表面划伤、表面污染对薄膜雾度的测试影响比较大，一般雾度值会偏高，对薄膜透光率影响较小。随着薄膜厚度的增加，透光率会下降，因为薄膜厚度增加，吸收的光越多，因此透光率会下降，光散射增加，雾度就会增大。此外光源不同、测试环境不同都有可能造成数据结果不同。

纯聚乙烯醇薄膜透光率为90.1 %，如图2-6、2-7所示，实验中四种厚度薄膜的透光率集中在89%～90%，四种厚度对薄膜透光度没有显著影响。但随着薄膜厚度的增加，雾度增大，对薄膜作为包装使用时的表观性能有一定影响。

3. 总结

本文以聚乙烯醇和玉米淀粉为主要成膜原料，通过溶液流延法制备出25μm、40μm、55μm、70μm四种厚度的水溶性薄膜。实验表明：厚度为40μm和55μm的薄膜比较符合实际使用要求，溶解时间较短，适合作为洗衣粉等产品的内包装；薄膜的溶解时间随水温升高，明显缩短；厚度为40μm的薄膜具有较大的拉伸强度和最大断裂伸长率；四种厚度薄膜的透光率集中在89%～90%，可用于产品的透明包装。综合考虑厚度为40μm时薄膜表现出最优性能。