常溫常濕環(huán)境對(duì)PBAT/PLA全降解包裝袋力學(xué)性能的影響

郭蕊

為了研究商用全降解包裝袋在常溫環(huán)境下力學(xué)性能的變化情況，為全降解包裝材料的開發(fā)、使用和評(píng)價(jià)提供參考和指導(dǎo)，在常溫常濕的辦公環(huán)境中，測試了生產(chǎn)型設(shè)備制備的不同厚度PBAT/PLA全降解包裝袋的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、熱封強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。測試結(jié)果表明，隨著放置時(shí)間的增加，常溫常濕環(huán)境對(duì)PBAT/PLA全降解包裝袋的力學(xué)性能也有明顯的負(fù)面影響：老化試驗(yàn)前后，0.015mm厚度的PBAT/PLA全降解包裝袋的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于0.04mm厚度的全降解包裝袋;斷裂伸長率、熱封強(qiáng)度方面，0.04mm厚度的全降解包裝袋則優(yōu)于0.015mm厚度的全降解包裝袋。

前言

隨著各國政府和普通消費(fèi)者環(huán)保觀念的日益提高，對(duì)可降解及可回收的綠色包裝材料的研究已經(jīng)成為包裝材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是傳統(tǒng)一次性塑料包裝材料正逐步被歐美發(fā)達(dá)國家列入禁止使用的名錄，完全可生物降解包裝材料（也稱全降解包裝材料）作為現(xiàn)代社會(huì)消費(fèi)品領(lǐng)域包裝解決方案的重要品類，迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。國內(nèi)外許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了針對(duì)不同應(yīng)用場景的全降解包裝材料及制品，如食品包裝材料、發(fā)泡緩沖材料、快遞包裝袋等。

包裝材料在運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、貨架擺放等過程中往往會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，影響商品的使用性能以及消費(fèi)者的印象。因此，對(duì)包裝材料進(jìn)行耐候性測試是非常必要的。目前，對(duì)于全降解材料的耐候性試驗(yàn)評(píng)價(jià)，往往使用的是實(shí)驗(yàn)室制備的材料和實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備，從短期實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)、推算、預(yù)測高分子材料長期使用壽命，但在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)是測定包裝材料耐候性最可靠的方法。本應(yīng)用研究在真實(shí)環(huán)境條件下，分析了PBAT/PLA全降解包裝袋力學(xué)性能的變化情況及其可能的原因，為開發(fā)適應(yīng)不同貨架期的全降解包裝材料提供參考和指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)保包裝材料的推廣? 使用。

實(shí)驗(yàn)部分

1.試劑與儀器

全降解共混改性樹脂，薄膜級(jí)，自制，主要成分為PBAT、PLA。三層共擠吹膜機(jī)，F(xiàn)M3-1700型，由佛山市順德區(qū)雄球塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn)。熱切制袋機(jī)，RFQ型，由瑞安市瑞機(jī)包裝機(jī)械廠生產(chǎn)。微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，E43.104型，由美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司生產(chǎn)。

2.實(shí)驗(yàn)過程

加工前，將共混改性樹脂置于60℃條件下干燥24h。將干燥好的吹膜母粒通過三層共擠吹膜機(jī)制備三層共擠薄膜，外層加熱區(qū)1～5段溫度分別為120℃、125℃、127℃、128℃、130℃，中層加熱區(qū)1～5段溫度分別為120℃、125℃、125℃、125℃、125℃，內(nèi)層加熱區(qū)1～5段溫度分別為120℃、125℃、125℃、130℃、130℃，分流器區(qū)和模體區(qū)溫度為130℃，通過控制吹膜速度得到兩種不同厚度的薄膜，分別為0.015mm、0.04mm。將上述制備的薄膜通過制袋機(jī)進(jìn)行制袋，即得PBAT/PLA全降解包裝袋。

3.測試與表征

①常溫常濕老化試驗(yàn)：將上述制備的不同厚度的PBAT/PLA全降解包裝袋試樣置于遮光包裝箱中，放在常溫常濕辦公室中，試驗(yàn)時(shí)間分別為0天、30天、60天、90天、180天、240天，具體是從11月到次年7月。

②力學(xué)性能測試：拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率按GB/T 1040-2006標(biāo)準(zhǔn)，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，拉伸速度50mm/min;熱封強(qiáng)度按QB/T 2358-1998標(biāo)準(zhǔn)，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。測試之前，所有樣條均在恒溫恒濕（23℃±1℃，50%±2%RH）條件下放置24小時(shí)，每個(gè)測試條件進(jìn)行3次測試取平均值。

③微觀形貌觀察：使用Pro-X型臺(tái)式掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）（Phenom，荷蘭）觀察PBAT/PLA全降解包裝袋的表面微觀形貌，加速電壓為5kV。

結(jié)果與討論

1.常溫常濕環(huán)境下PBAT/PLA全降解包裝袋拉伸強(qiáng)度的變化

拉伸強(qiáng)度往往是薄膜類包裝材料最重要的力學(xué)性能和質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。圖1為常溫常濕環(huán)境下PBAT/PLA全降解包裝袋拉伸強(qiáng)度的變化。從圖1可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，不同厚度全降解包裝袋的拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，表明暴露在環(huán)境中的時(shí)間越長，材料老化程度越深，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度越大。具體地，對(duì)比圖1的（a）和（b）可以看出，經(jīng)過240天的老化，0.04mm厚度全降解包裝袋的橫向拉伸強(qiáng)度從最初的18.2MPa降至11.0MPa，下降幅度為39.6%，縱向拉伸強(qiáng)度從最初的20.8MPa降至12.4MPa，下降幅度為40.4%;0.015mm厚度全降解包裝袋的橫向拉伸強(qiáng)度從最初的23.1MPa降至11.8MPa，下降幅度為48.9%，縱向拉伸強(qiáng)度從最初的39.3MPa降至30.6MPa，下降幅度為22.1%。從結(jié)果可以看出，0.015mm厚的全降解薄膜拉伸強(qiáng)度的初始值和終末值均高于0.04mm厚的全降解薄膜。老化實(shí)質(zhì)是一個(gè)熱氧降解過程，在老化初期，聚合物樹脂部分羰基被氧化產(chǎn)生自由基，加速了樹脂的降解，微觀上表現(xiàn)為薄膜分子鏈的斷鏈、結(jié)晶區(qū)的破壞和分子鏈間作用力的減弱，宏觀上表現(xiàn)為薄膜力學(xué)強(qiáng)度的下降。

2.常溫常濕環(huán)境下PBAT/PLA全降解包裝袋斷裂伸長率的變化

一般來說，斷裂伸長率越大，說明材料韌性越好，斷裂伸長率越小，說明材料脆性越大。圖2為常溫常濕環(huán)境下PBAT/PLA全降解包裝袋斷裂伸長率的變化。從圖2可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，不同厚度全降解包裝袋的斷裂伸長率均呈現(xiàn)下降趨勢，表明老化時(shí)間越長，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度越大，斷裂伸長率越差。具體地，對(duì)比圖2的（a）和（b）可以看出，經(jīng)過240天的老化，0.04mm厚度全降解包裝袋的橫向斷裂伸長率從最初的597%降至450%，下降幅度為24.6%;縱向斷裂伸長率從最初的562%降至284%，下降幅度為49.5%;0.015mm厚度全降解包裝袋的橫向斷裂伸長率從最初的443%降至129%，下降幅度為70.9%;縱向斷裂伸長率從最初的144%降至82%，下降幅度為43.1%。從結(jié)果可以看出，0.04mm厚的全降解薄膜斷裂伸長率在試驗(yàn)過程中始終高于0.015 mm厚的全降解薄膜。對(duì)比圖1和圖2還可以看出，薄膜包裝材料斷裂伸長率下降幅度比拉伸強(qiáng)度大，表明老化導(dǎo)致了材料柔韌性下降，脆性增加，可能與空氣中存在的氧自由基作用于材料分子鏈的化學(xué)鍵，導(dǎo)致分子側(cè)鏈被氧化斷鏈、大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降有關(guān)。

3.常溫常濕環(huán)境下PBAT/PLA全降解包裝袋熱封強(qiáng)度的變化

圖3為常溫常濕環(huán)境下PBAT/PLA全降解包裝袋熱封強(qiáng)度的變化。從圖3可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，不同厚度全降解包裝袋的熱封強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，表明暴露在環(huán)境中的時(shí)間越長，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度加大，熱封性能越差。具體地，經(jīng)過240天的老化，0.04mm厚度全降解包裝袋的熱封強(qiáng)度從最初的19.7N降至10.8N，下降幅度為45.2%;0.015mm厚度全降解包裝袋的熱封強(qiáng)度從最初的13.6N降至8.8N，下降幅度為35.3%。從圖3可以看出，0.04mm厚度全降解包裝袋熱封強(qiáng)度的下降速率比0.015mm的包裝快，在240天后基本接近0.015mm厚度的包裝袋的性能。根據(jù)微裂紋理論，塑料基體在發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多微裂紋，一些具有彈性的粒子橫跨在微裂紋之間，可以阻止微裂紋進(jìn)一步增長成裂紋。因此，不同厚度薄膜的熱封過程中可能形成了一些聚合物結(jié)節(jié)，在經(jīng)過一段時(shí)間的老化降解后，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗氧化能起到一定的作用。

4.常溫常濕環(huán)境下PBAT/PLA全降解包裝袋微觀形貌的變化

圖4為PBAT/PLA全降解包裝袋老化前后微觀形貌的掃描電鏡圖片。對(duì)比圖4的（a）和（b）可以看出，新制備的PBAT/PLA全降解包裝袋的微觀形貌比較平整，而經(jīng)過180天常溫常濕環(huán)境老化后，PBAT/PLA全降解包裝袋的微觀形貌發(fā)生很大改變，出現(xiàn)了很多突起和溝槽，表面十分不平整。因此可以推測，經(jīng)過長時(shí)間老化，全降解薄膜表面逐漸被空氣中的水分和氧氣“侵蝕”，可能局部產(chǎn)生一些凹陷點(diǎn)，凹陷點(diǎn)具有更大的表面積，進(jìn)一步被氧化降解，逐漸形成連線、連片并向材料內(nèi)部蔓延，使得全降解材料不光表面變得粗糙，內(nèi)部也逐漸出現(xiàn)孔隙，在宏觀上則表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、熱封強(qiáng)度等力學(xué)性能的下降。

結(jié)論

①常溫常濕環(huán)境對(duì)PBAT/PLA全降解包裝袋的力學(xué)性能有明顯的負(fù)面影響。

②老化試驗(yàn)前后，0.015mm厚度的PBAT/PLA全降解包裝袋的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于0.04mm厚度的全降解包裝袋;斷裂伸長率、熱封強(qiáng)度方面，0.04mm厚度的全降解包裝袋則優(yōu)于0.015mm厚度的全降解包裝袋。

③綜上所述，針對(duì)不同的應(yīng)用場景和環(huán)境條件，在實(shí)際使用全降解包裝材料用于產(chǎn)品包裝時(shí)，可以適量添加抗氧化劑、抗腐蝕劑，并注意避免陽光直射、避免高濕高鹽的環(huán)境，貯存擺放在陰涼通風(fēng)處。

作者單位：深圳市裕同包裝科技股份有限公司

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn