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硅灰石行业新闻

硅灰石填充聚乙烯保鲜膜的性能研究

作者: tom123 时间:2022-05-23 09:36:50 阅读:141

硅灰石填充聚乙烯保鲜膜的性能研究

 

为增加保鲜膜透气和透湿性能,以LLDPE/LDPE(质量比75:25)为基材,以硅灰石为填料,制备了不同处理方式和不同添加量的硅灰石保鲜膜。结果表明:随着硅灰石添加量的增加,薄膜的拉伸强度和断裂伸长率逐渐降低.未经处理的硅灰石填充膜的透气和透湿量明显提高,经偶联剂和酸处理的硅灰石能很好地提高与树脂的相容性.薄膜的拉伸强度和断裂伸长率都高于未处理填充膜,且透气系数和透湿系数与空白膜相比也有明显改善。

 

水果和蔬菜含有丰富的碳水化合物和维生素,是人们生活的必需品,但是果蔬采摘后衰老加剧,极易发生变质,造成了大量的损失。采取安全、高效的果蔬保鲜技术,减少果蔬采后损失,已成为当务之急。目前采用无机填料填充制取的微孔保鲜膜具有良好的透气透湿性能,并能降低成本,在果蔬保鲜包装领域有较好的应用前景。

 

硅灰石属于一种链状偏硅酸盐(ca3(Si309))。通常呈片状、放射状或纤维状集合体,即使是微小颗粒仍保持纤维结构。填充于薄膜中,可以明显提高薄膜的透气透湿性能,且对薄膜力学性能影响较小。硅灰石经酸处理后,其内部酸溶性氧化物被除去,形成大量孔洞,便于气体和过量水分的通过,同时表面积增大,吸附性能增强,可吸收果蔬呼吸作用产生的水分和乙烯气体。达到保鲜目的。

 

原料

线性低密度聚乙烯(LLDPE),中国石油天然气股份有限公司;

低密度聚乙烯(LDPE),北京燕山石化公司;

硅烷偶联剂(KH550),白油,乙酸,95%(体积分数)乙醇,硅灰石>400目,产于湖北大冶

浓盐酸(体积分数为37%),北京北化精细化学品有限责任公司。

 

仪器和设备

哈普转矩流变仪(RM-200),哈尔滨哈普电气技术有限公司;

电子分析天平(PB203.N),瑞士梅特勒.托利多公司;

电子万能试验机,Instron3369,美国英斯特朗有限公司;

VECTOR22型傅里叶变换红外光谱仪(VECTOR22),布鲁克仪器公司;

扫描电子显微镜(QUANTA200),荷兰FEI公司;

透气测定仪(GDP—c),德国BRRUGER公司。

 

硅灰石的改性

偶联剂处理:称取一定量的硅烷偶联剂(硅灰石填料质量的1%),然后与pH值为3~5的95%(体积分数)的乙醇溶液充分混合搅拌至澄清。得到硅烷水解液。配制25%的矿物浆料并加热至90℃,加入偶联剂水解液,高速搅拌反应2h,然后将浆料抽滤后用无水乙醇和蒸馏水洗涤,抽滤、烘干、磨细、过筛。得到改性硅灰石。

 

酸处理:称取一定质量的硅灰石填料放入烧杯,水浴加热到50℃,一次性加入过量的浓盐酸,待充分反应后加入氢氧化钠至pH为4.0,然后将浆料抽滤后用蒸馏水洗涤,抽滤、烘干。

 硅灰石     

共混薄膜的制备

 

硅灰石红外分析 

 硅灰石

硅灰石红外光谱见图1,曲线a,b,c分别是硅灰石未处理、经KH-550和经酸与KH-550共同处理后(以下简称“酸处理”)的红外光谱。从图1可以看出,b和c中在3431cm-1附近吸收峰得到加强,这是因为偶联剂水解产生的硅醇键与硅灰石表面羟基发生键合作用,形成了羟基二聚体,使得羟基吸收峰加强。在2922cm处出现的吸收加强峰,属于KH550的亚甲基的不对称和对称伸缩振动峰。表明KH550已经和硅灰石相结合。经过酸化处理的硅灰石si—O键并未改变,只有在535cm-1处的吸收峰减弱,可能是ca—O键减少所致,这可能是因为酸与硅灰石中的ca一0反应的缘故,说明酸处理并未使硅灰石的微观结构发生明显改变。

 

硅灰石对薄膜拉伸强度和断裂伸长率的影响

不同添加量的硅灰石对薄膜拉伸强度和断裂伸长率的影响见图2和3,可以看出随着硅灰石含量(每100g基材所加硅灰石质量)的增大,薄膜的拉伸强度和断裂伸长率都在降低。在塑料填充中,填料是刚性粒子,为分散相,均匀地分散在基体树脂连续相中,与基体树脂没有任何连接,两相间存在着界面分离,在外力作用下基体树脂从填料颗粒表面很容易被拉开,受力面积减少,所以填充塑料膜的拉伸强度有所下降。经偶联剂处理的填料。填料表面不饱和羟基和偶联剂的羟基结合,硅烷分子的硅醇又相互缔结。填料表面由无机基团变为偶联剂的有机基团,使填料与有机树脂较好地结合在一起,因此要比未处理膜的力学性能好。经酸处理的硅灰石虽然其表面也为有机基团,但因其酸溶物消失,空洞增多,减少了填料与树脂之间的界面结合。且其内部结构被部分破坏而形成缺陷,降低了薄膜的力学性能,因此其力学性能要差于偶联剂处理的膜。由于无机填料为刚性,减弱了大分子间的相对滑动,造成韧性下降,断裂伸长率随着填料含量的增大而降低。

 

硅灰石对薄膜透气性能的影响

不同处理方式的硅灰石添加量对保鲜膜的透气性能的影响见图4、图5。可以看出随着未处理硅灰石含量的增加,薄膜透气系数呈上升趋势,这主要是因为未经处理的硅灰石是极性的,与非极性树脂之间的界面粘结不好,两相存在明显的缺陷,气体分子可以通过这些缺陷透过聚合物薄膜,从而增加了薄膜的气体透过性。填料含量越多,缺陷越明显,透气性能越好。经过偶联剂处理后的硅灰石填充膜透气性逐步上升,但上升幅度较小于未处理硅灰石填充膜。这是因为当填料含量较少时,大部分被基体树脂所包裹,而且两相界面结合较好,使得气体分子不易透过,透气性降低。硅灰石颗粒呈片状,气体分子要穿过薄膜就必须迂回绕过填料粒子。这样就使气体分子透过薄膜的路径增大,透气系数减小。随着含量的增加,填料与薄膜界面缺陷增加,使透气性能有所增大。经酸处理过的硅灰石,比表面积增大,与基体树脂连接加强,但是由于其内部大量孔洞的出现,方便了部分气体分子的通过,所以随着填料含量的增加,其透气性高于偶联剂处理的膜。

 硅灰石     

硅灰石对薄膜透湿性能的影响

硅灰石添加量对薄膜透湿性能的影响见图6,随着硅灰石含量的增多,薄膜透湿系数不断增大。当较少含量的硅灰石分散在薄膜内部,不能形成有效的气体通过孔道和间隙,随着硅灰石含量的增加,均匀分散的硅灰石与薄膜基材之间形成新的孔道。相互之间可能会形成通道,有利于水分的通过。而未处理硅灰石填充膜的透湿性要大于偶联处理和酸处理的。这是因为一方面无机硅灰石有亲水性,裸露在薄膜表层的填料可以吸收空气中的水分到薄膜表面聚集,增加了水分通过量;另一方面,未处理的填料和树脂间的缺陷也方便了水分子的通过。偶联处理填料填充膜,透湿系数增加幅度要远小于未处理填料填充膜。这是因为偶联剂处理后的硅灰石与树脂结合紧密,不能形成有效的通道,且填料表面由无机变为有机,降低了其表面能,疏水性增强,不利于对水分的吸收和水分在薄膜内的通过。酸化后硅灰石同样经过偶联处理,其吸湿特性与偶联剂处理填充膜类似,但是酸化后填料出现新的孔洞。这些孔洞一方面能吸附部分水分,方便水分子的通过;另一方面增加了水分通道的形成,因此其透湿性能要好于偶联剂处理膜,但要小于未处理填充膜。

 

硅灰石对薄膜微观结构的影响

 硅灰石    

通过扫描电镜分析不同改性方法所制薄膜的断面结构,结果见图7.从图7a中可以看出,未添加硅灰石灰石的薄膜断面形貌比较平滑、平整,起伏不大,没有明显的裂纹,两相界面结合较好。从图 7b中能看到,断裂时硅灰石从断面剥离留下的孔洞,这是因为未经处理的硅灰石和基体树脂间相容性差,存在分离界面,填料被分割在基体树脂大分子的连续相中,两相间有较大空隙,当受外力作用时,硅灰石颗粒容易从树脂中脱落,因此薄膜的力学性能下降。图 7c 中存在的白色颗粒与基体树脂两相界面比较模糊,经偶联处理的硅灰石与树脂结合良好,降低了分散相和基体之间的界面张力,分散更均匀,共混物相容性提高。图 7d中出现少许裂纹和表面不平整,是因为硅灰石经过酸处理,结构遭到破坏,颗粒变小,出现团聚现象,造成应力集中,使材料韧性降低,力学性能有所下降,差于偶联剂处理的膜。

  

结论

随着硅灰石含量的增加,聚乙烯薄膜的拉伸强度、断裂伸长率随之下降,而透气性能和透湿量随之增加。经偶联剂处理的硅灰石红外光谱图中基、甲基和亚甲基吸收峰增强,表明硅烷偶联剂和硅灰石很好地结合在一起。薄膜断面形貌分析表明,偶联剂处理能提高硅灰石与基体树脂的相容性,较未处理硅灰石填充膜的力学性能有所提高。


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