PBAT改性PLA吸管性能研究

2021-06-09潘小虎吴立丰戴春发王仕杰

合成技术及应用 2021年1期

李进，潘小虎，吴立丰，戴春发，王仕杰

(1. 中船重工鹏力(南京)塑造科技有限公司, 江苏南京 211106； 2. 中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900)

塑料吸管通常由聚丙烯(PP)经加热熔融、模具挤出、弯管成型等工序加工而成，是用于吸食饮品的一次性日用具。日常生活中，吸管因货值微小、数量庞大、回收成本高，被大量丢弃，转化成白色垃圾，污染了我们生活的环境。2018年开始我国各地逐步推行环保政策，首先在餐饮行业中禁止和限制一次性塑料吸管的使用，鼓励生产、销售和使用可降解材料吸管进行替代，在众多可降解材料中，PLA因具有良好的生物相容性、生物可降解性等优点，经常被应用到生物降解材料的改性研究[1-4]。可降解材料吸管一般也采用PLA材料进行材料改性，并用于吸管生产，但在吸管制备过程因PLA材料脆性大容易造成挤出开裂、成型不良等问题，无法满足吸管大批量生产的要求，通过将PLA与PBAT等其他生物降解材料进行共混或复合改性，增加材料韧性[5-8]，有效的解决挤出开裂和成型不良的问题，但是添加过量PBAT又会造成吸管刚性不足，无法满足扎膜等使用要求，甚至会无法成型成吸管。

因此，本文通过进行可弯吸管挤出、成型的生产工艺验证，研究不同PLA/PBAT组分的改性材料对力学性能和吸管的使用性能的影响，通过检测吸管的熔融指数、拉伸强度等参数和吸管冲击开裂率、弯管螺纹断裂率、吸管破膜率、螺纹牙成型率等数据，形成分析结论，从而提供出一种最佳的配方组分方案，为实际产品生产提供相关的技术参考。

1 试验

1.1 原料

聚乳酸，4 032 d，NatureWorks；PBAT，1002D，中国石化。

针对PBAT质量含量在0～100%之间对可弯吸管的生产和使用的性能影响进行研究。具体配方如表1。

表1 吸管组成

1.2 仪器与设备

高速混合机，SHR-50型，张家港智选机械有限公司；吸管双螺杆挤出，SHE36型，自制；吸管切割机，CY010型，自制；弯管成型机，CY021型，自制；吸管冲切开裂装置，PL20-40型，自制；熔体流动速率仪，RL-Z1B1型，上海思尔达科学仪器有限公司；微机控制电子万能试验机，CMT 4104型，美特斯工业系统(中国)有限公司；摆锤式冲击试验机，ZBC8400-C型，美特斯工业系统(中国)有限公司。

1.3 聚乳酸可弯吸管的制备工艺

本文将PLA和PBAT材料按照表1中的配比，与硅烷偶联剂、润滑剂等辅助助剂进行共混，采用图1可弯吸管的生产工艺路线，通过混料、挤出、模具成型、冷却、牵引切割、螺纹成型等工序，生产出对应规格的聚乳酸吸管产品。

图1 可弯吸管生产工艺路线

1.3.1 聚乳酸材料改性及吸管挤出

将各组的PLA与PBAT材料按照质量份加入到高速混合机中，同时加入扩链剂、润滑剂等助剂，高混机设定转速为400 r/min，搅拌时间6～8 min，搅拌形成共混料。将共混料加入到双螺杆挤出机中，挤出机温度设定200 ℃，螺杆转速设定250 r/min，打开抽真空装置。物料经混合、加热并熔融，从吸管模具挤出，再经过冷却，牵引、切割形成直管管胚。

1.3.2 可弯吸管的成型工艺

通过将聚乳酸直管管胚加入到弯管成型机料斗中，经过下料、螺纹成型等工序，加工成可弯螺纹牙，速度为400根/min，经过折弯，包装，形成可弯吸管。将弯管进行性能检测，并分析检查效果。

生产的产品为可弯吸管，规格为直径4.2 mm，长度163 mm，壁厚为0.18 mm，可弯螺纹牙组数为10组，插入端斜口角度为45 ℃，详见图2。

图2 可弯吸管照片

1.4 分析测试

按照《GB/T 3682—2000》、《GB 1040—79》等相关标准中的检测方法，对熔融指数、拉伸强度等力学性能指标进行测定；按照国标(GB/T 24693—2009)、鹏力吸管企标(Q/3201 PS 01—2019)检测方法，对吸管冲击开裂率、弯管螺纹断裂率、吸管破膜率和螺纹牙成型率等指标进行检测分析。

1.4.1 材料力学性能

熔融指数：主要是表征热塑性塑料在熔融状态下的黏流特性指标。按照《GB/T 3682—2000热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》用于测定热塑性塑料熔体体积流动速率。

拉伸强度：主要是衡量材料强度的一种指标。按照《GB 1039—79塑料力学性能试验方法总则》和《GB 1040—79塑料拉伸试验方法》的规定进行测量。

1.4.2 吸管使用性能

吸管冲击开裂率：反映的吸管产品韧性是否满足吸管要求，进一步反映了吸管材料的韧性是否满足要求。将吸管保存在-15 ℃到-10 ℃的低温条件下24 h，任意取出1根吸管后，放置在平板上，用100 g的物体，从20 cm处自由落体冲击吸管产品，吸管发生开裂，视为不合格。连续进行100次的测试，统计不合格吸管的数量，计算出冲击开裂率。

弯管螺纹断裂率：弯管螺纹断裂率反映吸管产品抗挤压性能，进一步反映了吸管材料的韧性是否满足要求。将弯管波纹牙快速拉长，然后回缩，往返10次，然后将吸管一侧密封，从另一侧充入0.3 MPa的压缩空气，放置水槽中，观察波纹牙处是否有漏气现象，发生漏气现象视为不合格。连续进行100次的测试，统计不合格吸管的数量，计算出弯管螺纹断裂率。

吸管破膜率：主要反映吸管的刚性是否满足使用要求，进一步反映了吸管材料的刚性指标。将封口薄膜热封在直径50 mm的标准杯上，取一根吸管，并用力垂直对封口膜进行破戳，扎破封口膜视为合格。每组抽取100根进行测试，统计合格吸管的数量，计算出吸管破膜率。

螺纹牙成型率：主要反映出吸管的韧性指标。在常温下，将直管产品在弯管成型机上进行螺纹牙成型，压型成型均匀，能够自然挤压在一起，视为合格。发生螺纹牙回弹和断裂、烂牙等现象视为不合格。每组抽取100根进行测试，统计合格吸管的数量，计算出螺纹牙成型率。

2 结果与讨论

2.1 材料力学性能研究

2.1.1 PBAT含量对熔融指数的影响

熔融指数是反映材料流动性能，吸管在牵引拉伸过程中是否能够成型，不同PBAT含量的聚酯熔融指数如图3所示。

图3 不同PBAT含量对熔融指数的影响

从图3可以看出，随着PBAT含量的增加，熔融指数先减小后增大。经吸管挤出测试，发现当熔融指数处于5～6 g/10 min之间，吸管的挤出、牵引和成型工序都非常稳定。当超过7 g/10 min(即PBAT含量超过40%时)，随着高熔指的PBAT含量增加，使得改性材料的熔指相应增大，造成其流动性增加，材料黏度降低，吸管无法成型。

2.1.2 PBAT含量对拉伸强度的影响

拉伸强度是反映吸管拉伸过程中的稳定性，在牵引拉伸过程中是否发生断裂，不同PBAT含量的聚酯拉伸强度如图4所示。

图4 不同PBAT含量对拉伸强度的影响

从图4可以看出，随着PBAT含量的增加，拉伸强度逐渐减小。PBAT拉伸强度大约25 MPa，增加PBAT造成改性材料的拉伸强度不断降低。经挤出测试，吸管生产过程中的牵引拉伸工序需要的材料的拉伸强度满足55 MPa以上，因此当拉伸强度≥55 MPa 时，吸管的挤出、牵引和成型工序都非常稳定。当低于55 MPa时，吸管牵引过程中发生断裂的情况越严重。

2.2 共混改性对吸管性能影响

通过取各组材料进行吸管加工发现，当PBAT超过40%时，吸管挤出过程中成型非常困难，而且吸管牵引过程中发生断管现象严重，无法满足吸管产品的生产。因此，对吸管产品性能指标只对1～5# 配方进行研究。

2.2.1 PBAT含量对吸管冲击开裂率的影响

冲击开裂率是模拟吸管在5 ℃以下的冷库里长时间(超过3个月)保存，吸管是否发生脆裂漏气而丧失吮吸功能。当开裂率低于2%(含)，视为该批吸管产品满足使用要求。

每组不同配方的吸管样品，各取100根进行测试，形成合格数量并计算合格率，具体数据如2所示。

从表2可以看出，当PBAT含量超过10%时，吸管的冲击断裂率符合≤2%指标，满足吸管使用要求，PBAT含量越高，冲击开裂率就越小，当PBAT超过30%以上，几乎没有开裂的情况。说明高韧性的PBAT材料增加，有效改善了改性材料的整体韧性，改善了聚乳酸吸管的开裂问题。

表2 PBAT含量对冲击断裂率的影响

2.2.2 PBAT含量对弯管螺纹断裂率的影响

弯管螺纹断裂率反映吸管产品抗挤压性能，进一步反映了吸管材料的韧性是否满足要求。该指标模拟吸管使用时，吸管可弯螺纹被往复多次折弯后，易造成破裂、漏气而丧失吮吸功能。当弯管螺纹断裂率低于3%(含)，该批吸管产品满足使用要求。

每组不同配方的吸管样品，各取100根进行测试，形成合格数量并计算合格率，具体数据如3所示。

从表3可以看出，PBAT含量越高，波纹断裂率越小，当PBAT含量超过10%时，吸管波纹断裂率符合≤3%的指标，满足吸管使用要求。当PBAT超过30%以上，几乎没有断裂现象。说明PBAT含量增加，使得吸管螺纹段的脆性减少，延长了吸管螺纹段重复多次折弯材料发生疲劳现象的次数或时间。

表3 PBAT含量对波纹断裂率的影响

2.2.3 PBAT含量对吸管破膜率的影响

吸管破膜率主要反映吸管的刚性是否满足使用要求，进一步反映了吸管材料的刚性指标。该指标模拟吸管戳破乳包装吸口时，是否存在无法戳破封口膜，造成无法饮用饮料的问题。当吸管破膜率高于98%(含)，视为该批吸管产品满足使用要求。

每组不同配方的吸管样品，各取100根进行测试，形成合格数量并计算合格率，具体数据如表4所示。

表4 PBAT含量对吸管破膜率的影响

从表4可以看出，PBAT含量越高，吸管破膜率指标合格率就越低，当PBAT含量低于20%时，吸管的合格率符合≥98%的指标，满足吸管强度要求。当PBAT超过30%以上，合格率急剧下降。说明PBAT含量增加，使得改性材料的刚性降低，吸管斜切口持续变软，使吸管扎破饮料封口薄膜的能力减弱，甚至无法破膜。

2.2.4 PBAT含量对螺纹牙成型率的影响

可弯吸管螺纹牙主要通过带有螺纹的成型针穿入吸管内部，在外侧用相对应的螺纹辊进行挤压，使得吸管发生形变，同时将进行收缩，将螺纹定型，形成吸管的螺纹牙型，制备出可折弯U型吸管。该指标主要反映出吸管的韧性指标，当吸管韧性不足时，螺纹挤压会造成螺纹牙破裂，韧性太大时，又会造成螺纹牙出现回弹，无法折弯成U型。当螺纹牙成型率高于98%(含)，视为该批吸管产品满足使用要求。

图5 螺纹牙不合格产品照片

每组不同配方的吸管样品，各取100根进行测试，形成合格数量并计算合格率，具体数据如表5所示。

表5 PBAT含量对弯管成型率的影响

从表5可以看出，当PBAT含量在10%～20%之间时，弯管成型率符合≥98%的指标，满足大批量生产要求，其中当PBAT含量低于10%时，不合格现象为断裂烂牙，说明PBAT含量增加，使得吸管的韧性增加，螺纹的挤压过程产生的内应力减少，提升了吸管螺纹牙挤压过程的合格率；然而当PBAT含量超过20%时，不合格现象主要表现为成型回弹，无法定型，说明PBAT含量进一步增加，虽然挤压合格率不断增加，但螺纹压缩定型过程因韧性太大，造成挤压的螺纹发生回弹等现象，降低弯管成型率。