PVA水溶膜的应用及加工工艺

　　利用其水溶性,可以用于水中使用产品的包装,例如:农药、化肥、颜料、染料、清洁剂、水处理剂、矿物添加剂、洗涤剂、混凝土添加剂、摄影用化学试剂及园艺护理化学试剂等。

　　农药普遍存在浓度高、剧毒等问题,对人体危害极大。对农药包装产生的问题已经越来越受到化工农药部门的高度重视。

长期以来,农药包装存在3 大缺点:

(1) 液体农药使用玻璃瓶包装,玻璃瓶破损率高;

(2) 使用普通农药包装袋极易产生大量的包装残留物,造成浪费;

(3) 废弃的带有大量残留物的农药包装袋容易丢弃在江河、溪流、田间、地头等地方,污染土壤和水源。日积月累就会成为毒害人类和污染环境的无形杀手。据统计,我国每年农药包装废弃物约有3 亿个。这些农药包装废弃物约损失农药过百吨。如何及时处理这些包装废弃物,已成为摆在我们面前的当务之急。

　　近年来,日本、美国等先进国家采用了水溶性农药包装新技术。其主要原理是采用一种新型的环保水溶性pva 薄膜作为包装材料,将大包装产品分装成水溶性薄膜小包装。由于水溶性pva 塑料薄膜具有独特的性能及环保特性,因此受到世界上发达国家广泛重视。

　　水溶性pva 农药环保包装袋具有以下优点:

　　(1) 水溶性,水溶速度可设计选择。无毒无污染,冷水可溶。
　　(2) 可以大大减少农药、工业化学品这些有毒或刺激性物质对人体和环境的影响。
　　(3) 可有效解决因玻璃瓶较重而增加生产和运输成本问题,以及瓶塞封口不严,易泄漏、难回收而造成的浪费问题。
　　(4) 具有极好的耐油性,耐脂肪性和耐有机溶剂性。
　　(5) 抗静电性能优良,包装粉状物时,不会吸附粉末和尘埃。
　　(6) 计量准确,避免农药使用时容易造成过量或用量不足导致害虫、病菌抗药性加强。

　　基于以上特点,水溶性pva 农药环保包装袋很快得到世界各国农药生产商的认可,并得以广泛推广应用。

　　水溶性环保医用包装袋是近年来欧美等发达国家发展起来的新型环保产品。其目的在于避免污染以及医护人员和病人的交叉感染。

　　在过去30 年中,护理医院病人的过程中会产生大量有传染性的医疗废弃物,处理废弃物常用的包装物经常会与污染物接触,因此,很可能带有病原菌和传染性物质。如果将污染物通过溶解于消毒介质中的方法就很容易对其处理,且可以大大地减轻填埋和焚化的负担,同时又消除了病菌和传染性物质对环境和人体的污染。通过近年来欧美等发达国家的广泛使用发现,采用水溶性pva 环保材料生产的水溶性pva 环保医用包装袋具有理想的耐磨特性和环保性。

　　水溶性pva 环保医用包装洗衣袋具有如下优点:

　　(1) 一旦包装好后,内容物自搬运、清洗到干燥过程不会接触外界,完全隔离。
　　(2) 包装袋薄膜完全溶解于水,没有残留物,水质不受污染。
　　(3) 由于水溶医用包装袋具有阻隔性高,确保医护人员在搬运过程中不受病菌和病毒感染。
　　(4) 水溶医用包装袋具有防静电、无毒和彻底降解性能,大量实验证明,病菌和病毒并不能穿透薄膜,极有利于医用包装。

　　水泥添加剂具有强碱强酸性,浓度高,通常在户外使用,受风尘影响而容易触及工人的眼睛、皮肤和对环境造成污染。过去,工人操作时穿戴适当的防护用品,以避免受到水泥添加剂的污染,给施工操作带来了极大的不便,若污染物触及身体就容易造成对人体的伤害。

　　近年,西方发达国家已经广泛使用水溶性pva薄膜包装水泥添加剂,完全避免污染,操作简便,计量准确。

　　基于薄膜透明度好、光泽度高、不易带静电、强韧、耐油、耐有机溶剂、印刷性能好等优良特性,可以用于以下领域:

　　1) 输送产品的暂时性保护包装;
　　2) 电子元器件产品的包装,防灰尘污染,如:高性能干电池的包装;
　　3) 液晶显示器偏振片的制造[5 ] ;
　　4) 纺织品的包装;
　　5) 金属表面的保护薄膜;
　　6) 与聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酯、聚碳酸酯等生产复合膜。
　　7) 在用不饱和聚酯、环氧树脂或其他热固性树脂制作汽车零件、槽罐等物品时, pva 薄膜可以用作一种性能优良的脱膜剂;
　　8) 由于pva 薄膜具有优异的隔氧、透气性能,可以用作性能优良的食品保鲜膜。

　　经双向拉伸处理后,结晶度提高,耐水性提高,韧性好,可以用于食品包装、离型膜、耐油和耐溶剂包装、电子部件包装以及农业用材料等方面,其主要特性和用途见表1 。

　　pva 是一种多羟基聚合物,由于其结构规整,分子内存在很强的氢键,结晶度高,使其熔融温度高于分解温度,加工难度大[ 7 ] 。自20 世纪60 年代初pva 薄膜在日本问世以来, pva 薄膜的主要生产方法有:溶液流延法、加水熔融挤出法、无水熔融挤出法、加水熔融挤出吹塑法、连续双轴取向法以及干法挤出吹塑法。
  1 　溶液流延法

　　溶液流延法是最早的成膜方法,按其所用设备的不同可分为环状带式流延法和转筒式流延法。这种制膜方法是将水溶性聚乙烯醇溶解制成稀溶液,作为制膜原液,为了调整其加工性能,在原液中可以添加相应的增塑剂。普通聚乙烯醇薄膜所用的增塑剂主要有乙二醇、甘油、低分子量的聚乙二醇等[8 ] 。另外也可混入或涂布着色剂、脱膜剂等。该制膜原液从缝隙流延或者由辊式涂料器涂布在旋转的干燥滚筒或皮带上。被涂布的原液在滚筒或皮带上蒸发水分,成为干燥的薄膜。其工艺流程见图1 。

　溶液流延法的特点是:产品厚度精密度高、透明度、光泽度好。目前,市售的pva 薄膜大多采用流延法生产。但此种生产方法溶液浓度低、生产能力低、设备费用大、占地面积多、工人操作劳动强度大、能耗高,从而限制了pva 薄膜的推广应用。

　　在pva 树脂中加入适量的水、增塑剂以降低pva 树脂的熔体黏度,增加其可塑性。经熔解脱泡后,经过t 型机头挤出、干燥、热处理等工序成膜。加水熔融挤出法与溶液流延法所使用的设备不同、操作条件也不同,加水熔融挤出法所用原料树脂的水溶液浓度高,生产能力得到相应提高。这种制膜方法的工艺流程如图2 。

　　把pva 树脂加热熔融,经t 型机头挤出后骤冷成膜。该法生产的pva 薄膜因高温挤出后马上冷却,因此,薄膜的透明度、光泽度好,且生产速度快,薄膜厚度容易调整。但该法只适宜于成型过程中易取向的薄膜,设备费用高,一般用于共聚合树脂成膜。

 4 　加水熔融挤出吹塑法

　　将含水为20 %～60 %的pva 溶液,经挤出混炼后从环状机头挤出,再吹塑,干燥,然后收卷,制得含水量少于7 %的薄膜。此法制得的薄膜强度、稳定性、外观均优于t 型机头制得的薄膜。

 

　　连续双轴取向工艺最早出现于1972 年, 由nippon公司于1981 年率先引入工业化生产。但限于技术难度大、成本高等原因,长期以来该工艺难以推广。经过近年来的不断改进,今天的连续双轴取向工艺已被赋予了全新的内涵[9 ] 。它不仅降低了成本,而且生产效率高,预计不久将得到大规模工业化应用。为了解决连续双向拉伸工艺生产pva 膜的困难,人们将管形法和双向拉伸工艺相结合,成功地生产出pva 膜。这表明,在最佳湿度和温度条件下给定初始形变,沿纵向取向,采用连续双轴取向工艺有可能使生产出的pva 膜达到最佳的取向平衡性。另外,采用高温热处理能提高pva 膜结晶度及其它物理性能,如平衡水含量降低和各种湿度条件下尺寸稳定性增强等。

　　连续双轴取向工艺流程如图3 所示。

　　将pva 真空干燥24h 后与塑化改性剂、成膜剂按一定配比在高速混合机内混合均匀,然后采用经改径的brabender225 型单螺杆挤出机挤出造粒,再经脱泡吹膜,定型处理即得产品[11 ] 。工艺流程图如图4 。

　近年来,挤出吹塑法在国外已经实现工业化生产。美国chris2chraf t indust rial product s inc. 于2000 年9 月建成吹塑pva 薄膜生产线;英国aquafilm 公司和environmental polymer s group s plc 公司也都采用挤出吹塑法生产水溶性pva 薄膜;日本合成化学公司采用挤出吹膜法生产pva 薄膜,用于包装行业、弯曲面的转移印花和偏振片的制造[1 ] 。

　　在国内,pva 的干法挤出加工技术一直是塑料加工业多年未解决的技术难题之一。我国市场对pva薄膜需求量大,绝大部分依赖从国外高价进口。轻工业塑料加工应用研究所对pva 进行了大量的研究[12 ] ,通过复配改性剂体系配方设计和国产设备的改造,克服了pva 分解温度和加工温度接近、熔体黏度大、流动性差、冷却慢的难点,实现了pva 干法造粒和吹膜,技术可行,工艺可控性强,产品质量稳定,具有明显的市场竞争优势。北京化工大学材料科学与工程学院也开发出挤出吹塑法生产冷水及温水溶解型pva 薄膜[13 ] 。干法挤出吹塑法不仅保留了pva 的水溶性、阻透性和生物降解性等优异性能,相对于湿法和流延法加工技术,还具有工艺简单、能耗低、效率高、投资省等优点[14 ] 。同时, pva 干法粒料可用于生产多层共挤复合薄膜及注塑中空成型容器。该技术具有创新性,填补了国内在pva 熔融加工技术上的空白,拓宽了pva 树脂的应用领域,具有良好的市场前景。

　　pva 薄膜属科技含量高、附加值高的产品,无论是原料选择,还是加工和消费过程,都没有或不释放任何有毒、有害物,有利于环保和实现绿色消费,属于环境友好产品,具有良好的应用前景。pva 薄膜已列入我国塑料包装材料“十五”发展规划中[15 ] 。

　　我国农产品丰富、日用品消费及出口量巨大[16 ] ,据有关资料统计,每年需要的包装薄膜占塑料制品的20 % ,约达30. 9 万吨,即便按占有市场5 %计,则每年需求量可达115 万吨。近年来,国内pva 薄膜产品供不应求。据专家预计,未来几年pva 薄膜在全球的年均增长率为8 %～10 %[16 、17 ] 。因此,投资pva 薄膜项目不仅可以促进pva 薄膜在国内的应用,而且具有良好的经济效益。

　　随着我国加入wto ,我国经济将迎来新一轮的加速发展,环保材料、包装等行业对pva 薄膜的用量将不断加大。对pva 薄膜行业来说, 要看到存在的问题以及与国际水平的差距;应加大与加快科技投入,扩大生产规模,不断推出适合市场需求的产品;开发高附加值产品,提高国际市场竞争力,促进我国pva 薄膜行业的发展。