聚乙烯醇-玉米淀粉復合薄膜的制備及性能分析

■文/ 劉娜 孫彬青 劉光發 張拯 劉志茹 天津科技大學包裝與印刷工程學院

本研究以聚乙烯醇和玉米淀粉為主要成膜原料，丙三醇、吐溫80、二甲基硅油為助劑，通過溶液流延法制備 出 25μm、40μm、55μm、70μm四種厚度的水溶性薄膜，對不同厚度薄膜的溶解性、拉伸強度、熱封性能、透光率等進行包裝性能分析。研究結果顯示：隨厚度增加，薄膜溶解時間明顯增長，熱封性能有所下降；在相同條件下，厚度為40μm的薄膜優于其余三種厚度薄膜的拉伸強度，達到21.61MPa；四種厚度對薄膜的透光率沒有顯著影響，均在90%左右。

聚乙烯醇(PVA)是工業產量最大的合成水溶性高分子化合物，無色無毒，PVA最大價值在于其溶解性和可降解性，因而在食品、醫藥、農業等行業具有廣泛的應用。水溶性薄膜是一種新型的綠色環保包裝材料，典型的水溶性薄膜有甲基纖維素薄膜、聚氧化乙烯薄膜和聚乙烯醇薄膜，在歐美和日本等國家已被廣泛用于各種產品的包裝。

純PVA 薄膜水溶性不能滿足20℃水中溶解時間≤300分鐘的要求。趙琳琳等采用氧化淀粉改性的方法制備流延改性PVA水溶性薄膜，研究了氧化淀粉含量對水溶性的影響，發現氧化淀粉與PVA共混可顯著提高親水性。吳璐燁等采用氧化淀粉改性的方法制備流延改性PVA 水溶性薄膜，研究了各組分不同濃度對氧化淀粉改性PVA水溶性薄膜水溶性的影響，采用氧化淀粉和明膠用量的最優配比后，薄膜的水溶性時間只有133分鐘。聞荻江等以PVA和丙烯酰胺進行邁克爾加成反應，并在堿催化的條件下進行水解合成改性PVA，但成本過高。陳志周等以玉米淀粉和聚乙烯醇為基材，通過正交實驗確定了玉米淀粉-聚乙烯醇復合薄膜的最佳工藝參數。譚英杰等以淀粉和聚乙烯醇為主要原料，通過流延成膜法制備淀粉基-聚乙烯醇生物薄膜。當淀粉、聚乙烯醇與增塑劑的質量比為6:6:4 時，制備的薄膜的力學性能最好，其拉伸強度和斷裂伸長率分別達到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，探究薄膜制備過程中刮膜厚度對其性能的影響，對其抗拉伸、熱封性、可溶性、透光性等性能進行測試，希望研究結論對可溶性薄膜的生產和在包裝中的應用提供一定的參考價值。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

實驗材料：聚乙烯醇（PVA1788）聚 合 度1700±50， 分 子 量72600-81400，天津市江天化工技術有限公司；玉米淀粉；丙三醇，分析純，天津市江天化工技術有限公司；吐溫80，分析純，天津市江天化工技術有限公司，二甲基硅油，分析純，天津市江天化工技術有限公司。

實驗設備：磁力攪拌器，S361，本溪市微電機廠；恒溫水浴鍋，HWS12，上海恒科儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱，DGG，天津天宇機電有限公司；電子數顯測厚儀，DKT-G型，長信衡器儀表電子工具行；溫度計，天津市江天化工技術有限公司；電子萬能材料試驗機，3369），上海倫捷機電儀表有限公司；雙5點熱封梯度儀，RTD-R2，東莞市塘廈精工儀器廠；WGT-S透光率-霧度測定儀，WGT-S，杭州康納科技有限公司。

1.2 薄膜制備工藝

根據目前我國聚乙烯醇工業生產狀況，聚乙烯醇不適合生產30μm厚度以下薄膜，為了便于觀察規律，本文選取25μm、40μm、55μm、70μm 厚 度進行實驗。

稱取2.5g玉米淀粉加入30ml蒸餾水配成淀粉懸濁液，再稱取27.5g聚乙烯醇加入120ml水在90℃水浴條件下用玻璃棒攪拌溶解，將兩種溶液分別倒入容量瓶中加水定容至250ml，混合振蕩后倒入三口燒瓶在80℃水浴條件下用電動攪拌器攪拌20min，再攪拌過程中加入丙三醇10ml、吐溫80 2.5ml、二甲基硅油2ml，攪拌均勻后倒入燒杯中靜置1小時，取下部無氣泡溶液在玻璃板上進行刮膜，分別刮出四種不同厚度薄膜，放入干燥箱中烘干50min，薄膜成型后取出揭膜，常溫下儲存備用。

1.3 薄膜性能測試與表征

1.3.1 溶解性測定

將制備的氧化淀粉-聚乙烯醇水溶性薄膜取樣10 mm ×10 mm，中心標上“+”號，在1L的燒杯中加入500 mL的水，保持恒溫。將薄膜放在靜止的水面中央，測定“+”記號完全消失的時間。若薄膜成團粘在燒杯壁上，需重新測定，結果取3 次平均值，單位為s。

1.3.2 拉伸性能測定

實驗根據國標《GB/T 13022-1991塑料 薄膜拉伸性能試驗方法》，使用電子萬能材料試驗機進行測試。拉伸速率：50mm/min ，標距設為50mm，實驗環境為溫度22℃，RH值45%。

1.3.3 熱封性能測定

實驗標準參考《ZBY 28004 86塑料薄膜包裝袋熱合強度測定方法》和《GB/T 16578-1996塑料薄膜和薄片耐撕裂性能試驗方法》，選用雙5點熱封梯度儀和電子萬能材料試驗機；先將薄膜熱封（熱封溫度160℃，熱封壓力205KPa，熱封時間1s），冷卻后對封合處進行拉伸強度測試。

1.3.4 透光性測定

實驗標準參考GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》，使用WGT-S透光率-霧度測定儀進行測試。

2 結果與討論

2.1 PVA-玉米淀粉復合薄膜的溶解性

考慮水溫隨季節的差異性，選擇20℃和30℃進行實驗并對比。實驗結果如圖2-1所示，數據顯示出：薄膜溶解時間隨厚度增加而增長，在20℃時，從25μm到55μm，溶解時間增加的比較緩慢，而55μm到70μm溶解時間突然成倍增加；在30℃時25μm到40μm時，溶解時間增加緩慢，之后隨后度增加，溶解時間增長速度較快。同時可以看出，薄膜溶解時間隨溫度升高而加快，溫度升高10℃后，0.04mm薄膜溶解時間縮短將近1/3，0.055mm薄膜溶解時間縮短將近1/2。

由圖2-1可以看出厚度為40μm薄膜和厚度為55μm的薄膜比較符合生產要求，且溶解時間較短，在不攪拌情況下可以在2分鐘之內溶解。

2.2 拉伸性能

將制作好的薄膜放置在電子萬能材料試驗機進行測試，觀察發現，試樣在寬度上沒有太大變形，斷裂界面也比較平整。隨著拉伸位移的增加，載荷逐漸增大。在5—15mm的初始階段，薄膜處于剛剛被拉伸的狀態，載荷急劇上升；在15—55mm階段曲線逐漸趨于平緩，在55—168mm階段曲線斜率有所增大，但總體趨勢仍為平緩上升，直至拉伸為168mm時，達到薄膜最大形變，載荷達到7.5N，薄膜試樣被拉斷。

圖2-3 薄膜厚度-拉伸強度關系

圖2-4 薄膜厚度-斷裂伸長率關系

圖2-5 薄膜厚度-熱封強度關系

圖2-6 薄膜厚度-透光率關系

圖2-7 薄膜厚度-霧度關系

對薄膜拉伸方向平行于刮膜方向和垂直于刮膜方向兩個方向進行一定量試樣的測試后發現，拉伸方向平行于刮膜方向的試樣拉伸強度略微強于垂直刮膜方向，取平行于刮膜方向的試樣測得的數據進行分析。

通過圖2-3、2-4可以看出，厚度為40μm時表現出最大的拉伸強度21.61MPa和最大斷裂伸長率365.60%。厚度在40μm—50μm之間的薄膜，內部的交聯、分子間的作用力等微觀因素造成了拉伸強度的升高，甚至優于70μm厚度的薄膜的拉伸強度。

2.3 熱封性能

為測試該薄膜的包裝性能，對其熱封性能進行了測試。采用測定封合面的熱封強度來評價封口質量是一個重要的評價指標，除此之外還對斷裂后的試樣進行觀察統計，大部分試樣的斷裂發生在封合面以外的部分。圖2-5為對熱封后的試樣進行拉伸得到的數據制成的曲線。熱封強度隨薄膜厚度增加而增強，幾乎成線性關系。厚度為55μm和70μm的薄膜基本可達到水溶性薄膜熱封強度為5—12N/15mm的標準。

2.4 透光率

表面劃傷、表面污染對薄膜霧度的測試影響比較大，一般霧度值會偏高，對薄膜透光率影響較小。隨著薄膜厚度的增加，透光率會下降，因為薄膜厚度增加，吸收的光越多，因此透光率會下降，光散射增加，霧度就會增大。此外光源不同、測試環境不同都有可能造成數據結果不同。

純聚乙烯醇薄膜透光率為90.1 %，如圖2-6、2-7所示，實驗中四種厚度薄膜的透光率集中在89%～90%，四種厚度對薄膜透光度沒有顯著影響。但隨著薄膜厚度的增加，霧度增大，對薄膜作為包裝使用時的表觀性能有一定影響。

3. 總結

本文以聚乙烯醇和玉米淀粉為主要成膜原料，通過溶液流延法制備出25μm、40μm、55μm、70μm四種厚度的水溶性薄膜。實驗表明：厚度為40μm和55μm的薄膜比較符合實際使用要求，溶解時間較短，適合作為洗衣粉等產品的內包裝；薄膜的溶解時間隨水溫升高，明顯縮短；厚度為40μm的薄膜具有較大的拉伸強度和最大斷裂伸長率；四種厚度薄膜的透光率集中在89%～90%，可用于產品的透明包裝。綜合考慮厚度為40μm時薄膜表現出最優性能。