PS_改性PVA共混片材的性能研究
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将一定量的丙三醇与乙二醇按不同配比混合均 匀 ,形成复配增塑剂 ,将复配增塑剂与烘干后的 PVA 粉末 (80 ℃鼓风干燥 3 h) 置于烧杯混合 ,搅拌均匀 , 用 P E 膜包覆烧杯 ,静止溶胀 24 h ,备用 。 1 . 3 PS /改性 PVA 共混片材的制备
将烘干后的 PS (80 ℃鼓风干燥 3 h) 与改性 PVA 按不同的质量比混合均匀 ,用转矩流变仪挤出共混片
收稿日期 : 2010202220 作者简介 : 韩永生 (1957 - ) ,男 ,天津人 ,天津科技大学教授 ,主要研究方向为塑料包装材料及技术 。
60
包装工程 PAC KA GIN G EN GIN EERIN G Vol. 31 No . 11 2010. 06
材 ,其工艺条件见表 1 。
61
图 3 PS 与 PVA 的质量比对共混片材力学性能的影响 Fig. 3 Effect of mass ratio of PS and PVA
on t he mechanical p roperties of t he blending sheet
图 2 复合增塑剂用量对聚乙烯醇熔融温度的影响 Fig. 2 Effect of content of co mpo und plasticizer o n t he melting temperat ure of polyvinyl alco hol
功能材料是信息技术 、生物技术 、能源技术 、纳米 技术等现代高新技术及产业的先导 、基石和支撑 ,有 着十分广阔和诱人的市场前景 。化学功能材料是指 具有化学反应性功能 、催化功能 、吸附功能 、解吸功能 等的功能材料 。其中的高吸水性树脂 、反应变色材料 已在包装领域得到了良好的应用 ,并受到好评[1 - 2] 。 聚乙烯醇 ( PVA) 属于合成类高吸水性树脂 ,是一类用 途十分广泛的水溶性高分子化合物 。聚苯乙烯 ( PS) 的应用市场非常广阔 ,用 PVA 作为改性剂 ,可以改善 PS 的力学和吸湿性能 ,扩大 PS 的应用领域 。以 PS 为基材 ,用具有吸湿功能的 PVA 为辅料 ,通过熔融共 混方法 ,制备具有吸湿功能的片材 ,并通过对其力学 性能 ,吸湿性能等研究 ,为 PS 和 PVA 材料的利用提 供一种新的思路 ,也为具有吸湿功能包装材料的开发 提供一种新的途径 。
不同配比的复配增塑剂对 PVA 熔融温度的影响 见图 1 。
图 1 复配增塑剂质量比对聚乙烯醇熔融温度的影响 Fig. 1 Effect of mass ratio of co mpound plasticizer o n t he melting temperat ure of polyvinyl alco hol
Resea rc h on Prop erties of PS/ Modified PVA Ble ndi ng S heet Material H A N Yon g2s hen g , C H O N G Z hen g
( Tianjin U niversity of Science & Technology , Tianjin 300222 , China) Abst ract : PVA was modified by p ropanet riol and et hanediol as compound plasticizer , so as to realize melt p ro2 cessing of PVA , t hen PS/ modified PVA blending sheet was p repared by melt blending technology , t he mechani2 cal p roperties of PS sheet were imp roved , and PS sheet had f unctio n of moist ure adsorptio n. The test result shows when t he mass ration between PS and PVA is 6 :4 , t he mechanical p roperties of blending sheet are opti2 mal , t he effect of moist ure abso rption is excellent , and it has capability of moist ure retentio n. Key words : polystyrene ; polyvinyl alco hol ; blending ; moist ure absorption
表 1 挤出共混片材的工艺条件
Tab . 1 Technological conditions for blending s heet by extrusion
加料段 压缩段 均化段 口模段 转速
温度/ ℃ 温度/ ℃ 温度/ ℃ 温度/ ℃ / (r ·min - 1)
造粒 175
185
192
190
40
挤片 176
186
191
189
44
1 . 4 测试表征 1. 4. 1 熔融温度测试
用示差扫描量热分析仪测试改性 PVA 粉末的熔 融温度 ,温度范围 30～300 ℃,升温 、降温速率为 10 ℃/ min 。 1. 4. 2 力学性能测试
按照 GB/ T 1040292 在电子万能试验机上进行测 试 ,拉伸速度 25 mm/ min ,夹具间距离 100 mm 。拉 伸强度按下式计算 :
确定复配增塑剂的用量为 50 % ,丙三醇和乙二 醇的质量比为 4 ∶1 ,对一定质量的 PVA 进行改性 。 以 PS 与 PVA 的质量比分别为 9 ∶1 ,8 ∶2 ,7 ∶3 ,6 ∶4 , 5 ∶5 ,通过熔融共混技术挤出片材 。PVA 的含量对共 混片材力学性能的影响见图 3 。
可以看出 , 质量比为 9 ∶1 时 , 拉伸强度为最大 值 ,这是因为对共混片材拉伸强度贡献大的 PS 含量 最高 ,随着 PVA 含量的增加 ,共混片材拉伸强度先下 降 ,后又上升 ,当质量比为 7 ∶3 与 6 ∶4 之间时 ,拉伸 强度和断裂伸长率都为上升趋势 ,而且当质量比为 6 ∶4 时 ,共混片材拉伸强度再次达到峰值 ,说明此比例
固定复配增塑剂的用量 (占 PVA 质量的百分数) 为 50 %与聚乙烯醇进行混合溶胀 ,以丙三醇和乙二 醇的质量比分别为 2 ∶1 ,3 ∶1 ,4 ∶1 ,5 ∶1 ,6 ∶1 进行复 配 ,通过 DSC 实验 ,测试改性 PVA 的熔融温度 。可 以看出 ,纯 PVA 熔融温度 197. 69 ℃,当丙三醇和乙 二醇的质量比为 4 ∶1 时 ,熔融温度最低 ,为 146. 6 ℃, 易实现 PVA 的熔融加工 。丙三醇和乙二醇都是含有 羟基的小分子 ,小分子插入 PVA 内部 ,与其进行键合 作用 ,破坏了 PVA 分子间的氢键 ,增大了分子间距 离 ,降低了分子间作用力 ,破坏其结晶结构 ,降低熔融 温度 ,达到了增塑的目的 。当质量比大于 4 ∶1 时 ,由
可以看出 ,随着复配增塑剂用量的增加 , PVA 的 熔融温度逐渐下降 ,当复配增塑剂的用量大于 50 % 时 ,熔融温度下降趋势趋于平缓 。这是因为对于一定 醇解度的 PVA ,其分子间的作用力是一定的 ,当增塑 剂用量与 PVA 作用力达到使其破坏时 , PVA 便塑化 熔融 ,剩余的增塑剂只是存在于塑化的 PVA 分子间 , 并未与 PVA 产生键合作用 , 对降低熔点并不起作 用[6] ,所以继续增加其用量 ,对体系熔融温度的影响 不再显著 。 2 . 2 PVA 的含量对共混片材力学性能的影响
将挤出成形的片材试样 ,在液氮中脆断 ,然后对 断面表面喷金 ,用扫描电子显微镜观察断面形貌 。
2 结果与讨论
2 . 1 增塑剂对 PVA 熔融温度的影响 聚乙烯醇 ( PVA) 是一种多羟基聚合物 ,由于分子
内存在氢键 ,分子间作用力大 ,结晶度高 ,使其熔融温 度接近于分解温度 ,难以热塑成型和熔融挤出加工 。 加入增塑剂可以使高聚物发生溶胀或稀释 ,从而改变 高分子间的作用力 ,起到降低熔点的作用[3 - 5] 。现通 过增塑剂丙三醇和乙二醇复配对 PVA 进行改性 ,使 PVA 更好地实现熔融加工 。 2. 1. 1 不同配比的复配增塑剂
韩永生等 PS/ 改性 PVA 共混片材的性能研究
于丙三醇本身含有羟基 ,大量羟基致使本身的氢键键 合作用加剧 ,降低了与 PVA 键合作用的效果 ,使熔融 温度有所上升 ,增塑效果下降 。 2. 1. 2 不同含量的复配增塑剂
确定复配增塑剂丙三醇和乙二醇的质量比为 4 ∶1 ,以复配增塑剂的用量分别为 20 % , 30 % , 40 % , 50 %和 60 %与聚乙烯醇进行混合溶胀 ,通过 DSC 实 验 ,测试改性 PVA 的熔融温度 。复配增塑剂的含量 对 PVA 熔融温度的影响见图 2 。
90 %条件下 ,经不同时间吸湿后 ,取出称重 mt ,片材
的吸湿率按下式计算 :
ρ= mt - m0 ×100 %
m0
2) 保湿性能测试 。 将完成吸湿的样品 ,放入相对湿度恒定的干燥器 内进行保湿试验 ,每隔一段时间称重 ,片材的保湿率 按下式计算 :
Q=
HHale Waihona Puke Baidu H0
×100
%
式中 : Q 为保湿率 ( %) ; H0 为吸湿样品含水质量 (g) ; Hn 为放置 n 天后试样含水质量 (g) 。 1. 4. 4 断面结构观察
σ=
F ab
×100
%
式中 :σ为拉伸强度 ( M Pa) ; F 为断裂负荷 ( N) ; a
为试样宽度 ( mm) ; b 为试样厚度 ( mm) 。断裂伸长率
按下式计算 :
εt =
L
- L0 L0
×100
%
式中 :εt 为断裂伸长率 ( %) ; L0 为试样原始标线
距离 ( mm) ;L 为试样断裂时标线间的距离 (mm) 。
1. 4. 3 吸湿保湿功能表征
1) 吸湿性能测试 。
吸湿功能用吸湿率ρ表征 ,按照 YBB 001222005
固体药用纸袋装硅胶干燥剂标准 ,将挤出片材制成
150 mm ×20 mm ,厚度 1～2 mm 的条状试样 ;将试样
经 70 ℃鼓风干燥 24 h ,称重 m0 ,然后将干燥后的试
样置于温度均为 25 ℃,相对湿度分别为 20 % ,50 % ,
1 实验
1 . 1 原料与仪器 原料 :聚苯乙烯 476L ,工业级 ,南京扬子巴斯夫
苯乙烯系列有限公司 ;聚乙烯醇 1788 粉 (80 目) ,工 业级 ,山西三维集团股份有限公司 ;丙三醇 ,分析纯 , 天津江天化工技术有限公司 ;乙二醇 ,分析纯 ,天津江 天化工技术有限公司 。
仪器 :电子分析天平 ( PB2032N) ,瑞士梅特勒 - 托 利多公司 ;转矩流变仪 (RM2200) ,哈尔滨哈普电气技术 有限公司 ;电热鼓风干燥箱 (DL2103) ,天津市实验仪器 厂 ;示差扫描量热分析仪 (DSC2141) ,法国 Setaram 公 司 ;电子万能试验机 ( RGT23) ,深圳市瑞格尔仪器有限 公司 ;扫描电子显微镜 ( QUAN TA 200) ,荷兰 FEI 公 司。 1 . 2 PVA 的表面改性
韩永生等 PS/ 改性 PVA 共混片材的性能研究
59
PS / 改性 PVA 共混片材的性能研究
韩永生 , 崇 政
(天津科技大学 , 天津 300222) 摘要 : 以丙三醇和乙二醇为复配增塑剂 ,对 PVA 进行改性 ,实现 PVA 的熔融加工 ,再采用熔融共混技术制备 PS/ 改性 PVA 共混片材 ,改善了 PS 片材的力学性能 ,并使 PS 片材具有吸湿功能 。实验结果表明 : PS 和 PVA 质量比为 6 :4 时 ,共混片材力学性能达到最佳 ,吸湿效果良好 ,并具有保湿能力 。 关键词 : 聚苯乙烯 ; 聚乙烯醇 ; 共混 ; 吸湿 中图分类号 : TB484. 3 ; TB487 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3563 (2010) 11 - 0059 - 04
将烘干后的 PS (80 ℃鼓风干燥 3 h) 与改性 PVA 按不同的质量比混合均匀 ,用转矩流变仪挤出共混片
收稿日期 : 2010202220 作者简介 : 韩永生 (1957 - ) ,男 ,天津人 ,天津科技大学教授 ,主要研究方向为塑料包装材料及技术 。
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包装工程 PAC KA GIN G EN GIN EERIN G Vol. 31 No . 11 2010. 06
材 ,其工艺条件见表 1 。
61
图 3 PS 与 PVA 的质量比对共混片材力学性能的影响 Fig. 3 Effect of mass ratio of PS and PVA
on t he mechanical p roperties of t he blending sheet
图 2 复合增塑剂用量对聚乙烯醇熔融温度的影响 Fig. 2 Effect of content of co mpo und plasticizer o n t he melting temperat ure of polyvinyl alco hol
功能材料是信息技术 、生物技术 、能源技术 、纳米 技术等现代高新技术及产业的先导 、基石和支撑 ,有 着十分广阔和诱人的市场前景 。化学功能材料是指 具有化学反应性功能 、催化功能 、吸附功能 、解吸功能 等的功能材料 。其中的高吸水性树脂 、反应变色材料 已在包装领域得到了良好的应用 ,并受到好评[1 - 2] 。 聚乙烯醇 ( PVA) 属于合成类高吸水性树脂 ,是一类用 途十分广泛的水溶性高分子化合物 。聚苯乙烯 ( PS) 的应用市场非常广阔 ,用 PVA 作为改性剂 ,可以改善 PS 的力学和吸湿性能 ,扩大 PS 的应用领域 。以 PS 为基材 ,用具有吸湿功能的 PVA 为辅料 ,通过熔融共 混方法 ,制备具有吸湿功能的片材 ,并通过对其力学 性能 ,吸湿性能等研究 ,为 PS 和 PVA 材料的利用提 供一种新的思路 ,也为具有吸湿功能包装材料的开发 提供一种新的途径 。
不同配比的复配增塑剂对 PVA 熔融温度的影响 见图 1 。
图 1 复配增塑剂质量比对聚乙烯醇熔融温度的影响 Fig. 1 Effect of mass ratio of co mpound plasticizer o n t he melting temperat ure of polyvinyl alco hol
Resea rc h on Prop erties of PS/ Modified PVA Ble ndi ng S heet Material H A N Yon g2s hen g , C H O N G Z hen g
( Tianjin U niversity of Science & Technology , Tianjin 300222 , China) Abst ract : PVA was modified by p ropanet riol and et hanediol as compound plasticizer , so as to realize melt p ro2 cessing of PVA , t hen PS/ modified PVA blending sheet was p repared by melt blending technology , t he mechani2 cal p roperties of PS sheet were imp roved , and PS sheet had f unctio n of moist ure adsorptio n. The test result shows when t he mass ration between PS and PVA is 6 :4 , t he mechanical p roperties of blending sheet are opti2 mal , t he effect of moist ure abso rption is excellent , and it has capability of moist ure retentio n. Key words : polystyrene ; polyvinyl alco hol ; blending ; moist ure absorption
表 1 挤出共混片材的工艺条件
Tab . 1 Technological conditions for blending s heet by extrusion
加料段 压缩段 均化段 口模段 转速
温度/ ℃ 温度/ ℃ 温度/ ℃ 温度/ ℃ / (r ·min - 1)
造粒 175
185
192
190
40
挤片 176
186
191
189
44
1 . 4 测试表征 1. 4. 1 熔融温度测试
用示差扫描量热分析仪测试改性 PVA 粉末的熔 融温度 ,温度范围 30～300 ℃,升温 、降温速率为 10 ℃/ min 。 1. 4. 2 力学性能测试
按照 GB/ T 1040292 在电子万能试验机上进行测 试 ,拉伸速度 25 mm/ min ,夹具间距离 100 mm 。拉 伸强度按下式计算 :
确定复配增塑剂的用量为 50 % ,丙三醇和乙二 醇的质量比为 4 ∶1 ,对一定质量的 PVA 进行改性 。 以 PS 与 PVA 的质量比分别为 9 ∶1 ,8 ∶2 ,7 ∶3 ,6 ∶4 , 5 ∶5 ,通过熔融共混技术挤出片材 。PVA 的含量对共 混片材力学性能的影响见图 3 。
可以看出 , 质量比为 9 ∶1 时 , 拉伸强度为最大 值 ,这是因为对共混片材拉伸强度贡献大的 PS 含量 最高 ,随着 PVA 含量的增加 ,共混片材拉伸强度先下 降 ,后又上升 ,当质量比为 7 ∶3 与 6 ∶4 之间时 ,拉伸 强度和断裂伸长率都为上升趋势 ,而且当质量比为 6 ∶4 时 ,共混片材拉伸强度再次达到峰值 ,说明此比例
固定复配增塑剂的用量 (占 PVA 质量的百分数) 为 50 %与聚乙烯醇进行混合溶胀 ,以丙三醇和乙二 醇的质量比分别为 2 ∶1 ,3 ∶1 ,4 ∶1 ,5 ∶1 ,6 ∶1 进行复 配 ,通过 DSC 实验 ,测试改性 PVA 的熔融温度 。可 以看出 ,纯 PVA 熔融温度 197. 69 ℃,当丙三醇和乙 二醇的质量比为 4 ∶1 时 ,熔融温度最低 ,为 146. 6 ℃, 易实现 PVA 的熔融加工 。丙三醇和乙二醇都是含有 羟基的小分子 ,小分子插入 PVA 内部 ,与其进行键合 作用 ,破坏了 PVA 分子间的氢键 ,增大了分子间距 离 ,降低了分子间作用力 ,破坏其结晶结构 ,降低熔融 温度 ,达到了增塑的目的 。当质量比大于 4 ∶1 时 ,由
可以看出 ,随着复配增塑剂用量的增加 , PVA 的 熔融温度逐渐下降 ,当复配增塑剂的用量大于 50 % 时 ,熔融温度下降趋势趋于平缓 。这是因为对于一定 醇解度的 PVA ,其分子间的作用力是一定的 ,当增塑 剂用量与 PVA 作用力达到使其破坏时 , PVA 便塑化 熔融 ,剩余的增塑剂只是存在于塑化的 PVA 分子间 , 并未与 PVA 产生键合作用 , 对降低熔点并不起作 用[6] ,所以继续增加其用量 ,对体系熔融温度的影响 不再显著 。 2 . 2 PVA 的含量对共混片材力学性能的影响
将挤出成形的片材试样 ,在液氮中脆断 ,然后对 断面表面喷金 ,用扫描电子显微镜观察断面形貌 。
2 结果与讨论
2 . 1 增塑剂对 PVA 熔融温度的影响 聚乙烯醇 ( PVA) 是一种多羟基聚合物 ,由于分子
内存在氢键 ,分子间作用力大 ,结晶度高 ,使其熔融温 度接近于分解温度 ,难以热塑成型和熔融挤出加工 。 加入增塑剂可以使高聚物发生溶胀或稀释 ,从而改变 高分子间的作用力 ,起到降低熔点的作用[3 - 5] 。现通 过增塑剂丙三醇和乙二醇复配对 PVA 进行改性 ,使 PVA 更好地实现熔融加工 。 2. 1. 1 不同配比的复配增塑剂
韩永生等 PS/ 改性 PVA 共混片材的性能研究
于丙三醇本身含有羟基 ,大量羟基致使本身的氢键键 合作用加剧 ,降低了与 PVA 键合作用的效果 ,使熔融 温度有所上升 ,增塑效果下降 。 2. 1. 2 不同含量的复配增塑剂
确定复配增塑剂丙三醇和乙二醇的质量比为 4 ∶1 ,以复配增塑剂的用量分别为 20 % , 30 % , 40 % , 50 %和 60 %与聚乙烯醇进行混合溶胀 ,通过 DSC 实 验 ,测试改性 PVA 的熔融温度 。复配增塑剂的含量 对 PVA 熔融温度的影响见图 2 。
90 %条件下 ,经不同时间吸湿后 ,取出称重 mt ,片材
的吸湿率按下式计算 :
ρ= mt - m0 ×100 %
m0
2) 保湿性能测试 。 将完成吸湿的样品 ,放入相对湿度恒定的干燥器 内进行保湿试验 ,每隔一段时间称重 ,片材的保湿率 按下式计算 :
Q=
HHale Waihona Puke Baidu H0
×100
%
式中 : Q 为保湿率 ( %) ; H0 为吸湿样品含水质量 (g) ; Hn 为放置 n 天后试样含水质量 (g) 。 1. 4. 4 断面结构观察
σ=
F ab
×100
%
式中 :σ为拉伸强度 ( M Pa) ; F 为断裂负荷 ( N) ; a
为试样宽度 ( mm) ; b 为试样厚度 ( mm) 。断裂伸长率
按下式计算 :
εt =
L
- L0 L0
×100
%
式中 :εt 为断裂伸长率 ( %) ; L0 为试样原始标线
距离 ( mm) ;L 为试样断裂时标线间的距离 (mm) 。
1. 4. 3 吸湿保湿功能表征
1) 吸湿性能测试 。
吸湿功能用吸湿率ρ表征 ,按照 YBB 001222005
固体药用纸袋装硅胶干燥剂标准 ,将挤出片材制成
150 mm ×20 mm ,厚度 1～2 mm 的条状试样 ;将试样
经 70 ℃鼓风干燥 24 h ,称重 m0 ,然后将干燥后的试
样置于温度均为 25 ℃,相对湿度分别为 20 % ,50 % ,
1 实验
1 . 1 原料与仪器 原料 :聚苯乙烯 476L ,工业级 ,南京扬子巴斯夫
苯乙烯系列有限公司 ;聚乙烯醇 1788 粉 (80 目) ,工 业级 ,山西三维集团股份有限公司 ;丙三醇 ,分析纯 , 天津江天化工技术有限公司 ;乙二醇 ,分析纯 ,天津江 天化工技术有限公司 。
仪器 :电子分析天平 ( PB2032N) ,瑞士梅特勒 - 托 利多公司 ;转矩流变仪 (RM2200) ,哈尔滨哈普电气技术 有限公司 ;电热鼓风干燥箱 (DL2103) ,天津市实验仪器 厂 ;示差扫描量热分析仪 (DSC2141) ,法国 Setaram 公 司 ;电子万能试验机 ( RGT23) ,深圳市瑞格尔仪器有限 公司 ;扫描电子显微镜 ( QUAN TA 200) ,荷兰 FEI 公 司。 1 . 2 PVA 的表面改性
韩永生等 PS/ 改性 PVA 共混片材的性能研究
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PS / 改性 PVA 共混片材的性能研究
韩永生 , 崇 政
(天津科技大学 , 天津 300222) 摘要 : 以丙三醇和乙二醇为复配增塑剂 ,对 PVA 进行改性 ,实现 PVA 的熔融加工 ,再采用熔融共混技术制备 PS/ 改性 PVA 共混片材 ,改善了 PS 片材的力学性能 ,并使 PS 片材具有吸湿功能 。实验结果表明 : PS 和 PVA 质量比为 6 :4 时 ,共混片材力学性能达到最佳 ,吸湿效果良好 ,并具有保湿能力 。 关键词 : 聚苯乙烯 ; 聚乙烯醇 ; 共混 ; 吸湿 中图分类号 : TB484. 3 ; TB487 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3563 (2010) 11 - 0059 - 04