聚偏二氯乙烯
偏二氯乙烯的聚合物
1,1-二氯乙烯 (Polyvinylidene 氯化物、PVDC),又称1,1-二氯乙烯,偏二氯乙烯与氯乙烯的共聚物,用引发剂或离子型引发剂引发偏氯乙烯单体聚合而成的聚合物,是一种无毒无味、安全可靠的高阻隔性材料。
聚偏二氯乙烯不易燃,但氧化温度及分解温度较低,极易分解,故使用中常加入胺类稳定剂。聚偏二氯乙烯的机械性能与结晶的种类,数量和定向程度有关。拉伸强度随结晶度增加而升高,韧性和伸长率则随之而下降。聚偏二氯乙烯在热、紫外线、离子辐射、碱性试剂、催化金属或盐类作用下容易分解,分解反应的共同特点是有氯或氢释放出来。
聚偏二氯乙烯是硬质、韧性、半透明至透明材料,带有不同程度的黄色。经紫光照射后呈暗橙色至淡紫色荧光。密度为1.70~1.75g/cm3,吸水性小于0.1%。与其他塑料相比,聚偏二氯乙烯对许多气体和溶液具有很低的透过率,所以广泛用作包装材料。最主要原因是它具有很高的阻隔性,用它包装食品可以有效地解决产品变质问题,从而大大延长产品货架期。聚偏二氯乙烯主要适用于火腿肠、干酪、汤、零食、饼干及谷类食品、宠物食品的拉伸膜、酱料、肉制品、液体包装、豆制品包装等领域。
聚偏二氯乙烯受环境温度的影响小,耐高温性能良好,化学稳定性很好,但热封性较差,一般采用高频或脉冲热封合,或者采用铝丝结扎封口。
发展历程
国外发展
聚偏二氯乙烯于1938年发现于法国,1939年美国(DOW)化学公司发现偏二氯乙烯与氯乙烯共聚物性能较好,并于次年投产,其商品牌号叫赛纶(Saran)。在二次大战中用作军需品,战后又制成纤维和涂料。。
PVDC工业发源于美国DOW化学公司,由于初期适逢“ 二战”而主要应用于军品包装,从而给PVDC 工业蒙上了一层神秘的色彩,再加上其从原料合成到加工设备直至生产过程各个环节均具高技术含量,且美国DOW化学公司多年不解密,不转让技术,使PVDC 这一产品一直处于垄断状态。20世纪50年代中叶,由美国DOW推向民用,因为解决了仅为12微米厚度的吹膜技术及其自粘性,为美国家庭主妇所接受,作为食品保鲜膜,随着单膜复合、涂布复合、肠衣膜、共挤膜技术的发展,在军品、药品、食品包装业的发展更为广泛。尤其是随着现代化包装技术和现代人生活节拍的加快而大量发展起来的速冻保鲜包装,微波炉的炊具革命,食品、药品货架寿命的延长,使PVDC的应用更加普及。60年代,DOW化学公司与日本旭化成公司合作在日本建立PVDC原料生产工厂,这一产品才开始解密,后来日本吴羽公司也开始生产PVDC树脂,至此才结束了独家垄断的局面。80年代出现的高阻隔新材料EVOH,由于其具有可回收性能,一度曾威胁过PVDC的发展,但由于EVOH在高湿度下阻隔功能急剧下降,而未能进一步发展,包括双向拉伸的尼龙膜,都无法取代PVDC的多种优异功能。90年代初的海湾战争美国军队在沙漠作战,随军食品全部为PVDC软包装,由于其轻便快捷,又可保证食品的色、香、味口感,因此,战后美国进一步提出军品包装货架寿命应达到3年这一苛刻的要求,能保证做到这一点的只有PVDC。近年来PVDC市场并未因为EVOH的竞争以及白色污染的宣传而减产,反而随着应用的开拓而有所发展。
国内发展
巨化股份集团股份有限公司成功开发PVDC生产技术以前,中国该产品全部依赖进口。20世纪80年代,中国浙江化工研究院和巨化集团公司开始研究PVDC合成薄膜加工技术。1990年他们与浙江大学北京化工大学等共同承担了国家"八五"重点攻关项目"PVDC树脂膜及膜加工",1994年在巨化公司建成生产装置。
性质特征
物理性质
聚偏二氯乙烯是硬质、韧性、半透明至透明材料,带有不同程度的黄色。经紫光照射后呈暗橙色至淡紫色荧光。密度为1.70~1.75g/cm3,吸水性小于0.1%。与其他塑料相比,聚偏二氯乙烯对很多气体和溶液具有很低的透过率,所以广泛用作包装材料。
化学性质
聚偏二氯乙烯熔点为210 °C,除具有塑料的一般性能外,还具有耐油性、耐腐蚀性、保味性以及优异的防潮、防霉、可直接与食品进行接触等性能,同时还具有优良的印刷性能。由于其分子间凝集力强,结晶度高,PVDC分子中的氯原子有疏水性,不会形成氢键,氧分子和水分子很难在PVDC分子中国移动通信集团,从而使其具有优良的阻氧性和阻湿性,且其阻氧性不受周围环境湿度的影响。因此,在任何温度或湿度条件下,兼具卓越的阻隔水汽、氧气和气味的能力,是公认的在阻隔性方面综合性好的塑料包装材料。
分子结构式
新型的聚偏二氯乙烯
由于PVDC的均聚物熔融温度与分解温度十分接近,难以进行加工,所以在实际生活中几乎毫无价值。因此目前所说的PVDC 没药树均是指VDC与其他单体(如氯乙烯丙烯腈丙烯酸甲酯等)的共聚物。PVDC树脂因为氯含量较高,结晶度较高,所以其熔体粘度大,流动性较差,受热易降解,加工周期短,薄膜易变色,热封强度低和弹性差。由于众多的不足,限制了其在综合性能要求较高的领域的应用,所以只有通过对PVDC改性才能使其应用在日常生活中。
PVDC的化学改性
由于未改性的PVDC属于硬质脆性材料,具有冲击强度低、热稳定性差等缺点,限制了PVDC在要求高性能应用领域的发展。因此需要在满足PVDC阻透性能的前提下,对PVDC 进行化学改性,以拓宽PVDC 没药树在综合性能要求更高的领域应用。化学改性就是在PVDC 的主链上引入具有柔性的单元,以此改善PVDC分子链的刚性,使分子链变得柔顺,提高柔性,提高PVDC树脂的韧性,达到改性的目的。
提高VC单体的含量
由于VDC的均聚物综合性能差,无实际使用价值,因此需要通过VDC与VC的共聚得到VDC-VC共聚树脂,才具有使用价值。VDC-VC共聚树脂中两链段通过头尾相连,呈线型结构,因为共聚树脂的分子结构非常对称、规整性很高,分子间的作用力大,所以水分子、氧分子等小分子很难进入PVDC树脂的分子链之中,因此其具有较好的隔氧隔气性能。VC单元主要是破坏PVDC非常规整的结构,从而使分子链段的排列不那么规整,增强分子链的柔软性。VDC-VC共聚物的特点:柔软且具有极低的透气、透水性,可防止异味透过;保鲜、保香性能好,适于长期保存食品,如鱼肉香肠;耐强酸、强碱化学药品,耐油脂性能优良;难燃,有自熄性;具有自粘性,适于制复合薄膜、粘合剂和涂料;收缩性大,是较好的热收缩包装材料。
引入缩水甘油基丙烯酸甲酯单体
VDC单体与丙烯酸酯类的单体两者在聚合过程中均有良好的相容性,因此有较好的聚合性能。其代表性单体有丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、缩水甘油基丙烯酸甲酯(GMA)等。丙烯酸酯类单体的加入效果相当于提高共聚体系中VC的比例,作用是降低PVDC没药树分子链的规整性,提高树脂的柔顺性。因此在VDC-VC共聚配方中添加少量的丙烯酸酯类单体,可以降低树脂的熔融温度,提高树脂的热稳定性,增强制品的抗冲击性和透明性。而且添加丙烯酸酯类单体,可以显著提高PVDC树脂对气体、水蒸气的阻透性能。当添加的丙烯酸酯类是GMA时,共聚后得到的共聚产物玻璃化转变温度会降低,不仅可以起到内增塑的作用,而且由于PVDC树脂在挤出过程中会产生适度交联,可以大大提高所得制品的弹性。
引入丙烯腈单体
丙烯腈(AN)与VC、GMA等都是VDC、VC发生共聚反应的理想单体,它 们均可以降低PVDC没药树分子链的规整性,提高树脂的柔顺性。但是因为AN单体的极性更大,所以 引入内烯睛单体可以让PVDC树脂分子链有更好的柔软性,高极性使分子链之间的空隙减少,从而对聚合物的阻透性能影响也比较小。柔性段的加入相当于加入了物理增塑剂,使得PVDC树脂易于加工, 提高了树脂的加工性能。
PVDC的物理改性
PVDC 树脂的物理改性就是将改性剂通过物理共混添加到PVDC树脂中,混合均匀后起到增韧的作 用,是一种简单、经济的方法。物理改性的方法可以分为两种,一种是使用弹性体对PVDC没药树增韧, 另一种是使用如纳米碳酸钙等刚性粒子对 PVDC 树脂增韧。刚性粒子增韧 PVDC树脂由于刚性粒子的 加入量有限,从而限制了其在改性PVDC树脂方面的发展,所以弹性体增韧PVDC树脂发展较为普遍。
PVDC/EVA共混改性
EVA对PVDC共混改性,通常是乙酸乙烯质量分数为28%~35%、熔 体流动速率为10~40g/10min的EVA树脂才会得到较好的果,所以说能够改性PVDC 的EVA是有条件限制的。EVA在共混体系中充当承受冲击的角色,对PVDC没药树具有较好的增韧改性效果。
不同相对分子质量的PVDC树脂共混
PVDC树脂受执易分解,执稳定性较差。为了改善PDVC 树脂在加工时摩擦所引起的热分解现象,必须加入一定量的液态增塑剂。但是液态增塑剂的加入不仅会减弱PVDC树脂的阻透性能,而且会使树脂的冲击强度等力学性能下降。PVDC树脂的加工温度与其相对分子质量是呈正相关的,相对分子质量越高的PVDC 树脂,一般加工温度也越高,对加工温度的要求也越高,得到的薄膜力学强度也越高;而相对分子质量越低,则加工温度越低,不加任何增塑剂便可防止热分解,但得到的薄膜力学强度低。所以可以将两种相对分子质量不同的 PVDC 没药树按比例混合得到共混物,得到在少加液体增塑剂的同时可以保持PVDC树脂生产的薄膜具有优良的阻透性能和力学性能。
PVDC/MBS共混
因为MBS是由聚丁二烯甲基丙烯酸甲酯苯乙烯三种单体按一定比例进行聚合得到的,其中聚丁二烯与PVDC树脂的相容性较好,但是甲基内烯酸甲酯、苯乙烯的存在会严重影响PVDC/MBS 体系的力学性能,所以需要确定一个较佳的比例对MBS 进行聚合反应,才能使混合材料PVDC/MBS 的综合性能达到使用要求。
PVDC/ACR共混
ACR是一类以低交联度的内烯酸烷基酯类橡胶为核、聚甲基内烯酸烷基酯为壳的双层或多层“核-壳”结构聚合物,与PVDC没药树有很好的相容性,不仅在室温和低温下使PVDC树脂具有较高的冲击强度,而且“核-壳”结构具有优良的光稳定性和耐热性、良好的耐候性等,并兼有加工助剂的性能。
PVDC/PP共混
聚丙烯(PP)是一种非常廉价易得的高分子材料,只要在PVDC树脂的加工过程中加入少量聚丙烯就可以使PVDC树脂的流变性能发生非常显著的变化。加入1%的PP 就可以增加PVDC树脂的熔体流动速率,从而减少挤出机约1O%的负荷。因此PVDC/PP共混体系具有生产成本低而性能较好的特点,所以此体系的研究应用具有很大的经济价值。
PVDC/PA共混
由PA制成的薄膜韧性很好,被广泛用于各种类型的包装材料,但是它的缺点是在空气湿度大的环境下容易被空气中水分透过,使得阻透性大幅度下降,所以综合PA与PVDC两种没药树的优 把PA与PVDC共混进行加所得到的薄膜不仅韧性好,而且可以通过调节PVDC与PA的配比来获得具有不同透气性的产品,但是不能将PA与PVDC直接进行共混,这是因为PA的加工温度一般在180℃以上,而PVDC树脂的熔点比其要低10-20℃,直接混合两者无法稳定加工,必然导致PDC的分解。采用两种不同结构的PA进行共混,其具有相对低的加工温度,熔点一般不超过150℃,所以适合与PVDC共混加工。
生产工艺
PVDC是通过VDC在过氧化物偶氮化合物引发剂的作用下经自由基聚合而得到的。聚合的方法有乳液聚合和悬浮聚合两种。
乳液聚合法
是以无机化合物过硫酸盐和偶氮二异丁腈等为引发剂,先将软水“乳化剂”和引发剂投入聚合釜中,用氮气置换抽真空合格后,再将 VC和VDC 按一定的比例投入聚合釜,在40~50℃下聚合反应3~4小时后再补加一定量的VDC单体,当聚合体系压力降到一定范围时,终止反应,进行脱析,加碱破乳,然后进行离心、干燥和过筛,制得粉体状PVDC没药树。与悬浮聚合法相比,采用乳液聚合法生产PVDC树脂反应时间短,聚合温度易于控制,聚合物分子量高且组成较为均匀,分子量分布较窄,粒子大小易于控制,可以获得比较理想的不同组分的共聚物。乳液法生产的PVDC树脂一般为粉体树脂,VDC的质量分数要求低于7O%,但其产能较低,消耗高;各种助剂的残留量高,难以被有效地脱除,使聚合物的性能有所下降,且生产工艺复杂,目前正在逐渐淘汰。
悬浮聚合法
是生产PVDC没药树的主要方法,该法的生产操作工艺过程是将VDC单体、共聚单体和引发剂混合物分散剂的作用下,通过搅拌的剪切作用力在水相中分散成一定大小的液滴,在一定温度下液滴内引发剂被引发成自由基,从而引发聚合反应。在聚合反应进行到一定阶段后,调整聚合温度,加入第二引发剂,并保持此温度进行聚合。第二聚合反应时间比第一聚合反应时间要长4~5倍。聚合反应为放热反应,反应热由夹套中的循环冷却(冻)水吸收。聚合反应完成后,将浆料送到汽提釜中,闪蒸回收未反应的VDC和VCM,回收单体经分离提纯后再返回聚合,脱除单体的浆料经水洗和离心干燥后即可进行成品包装。由于VDC和VC共聚时,两种单体的竞聚合率不同,容易使没药树的组成发生漂移。为了控制 VDC-VC悬浮共聚的组分,在反应过程中要控制好聚合温度曲线和搅拌曲线,适当控制聚合转化率,防止分子量分布过宽。VDC-VC共聚时最好采用EHP、DCPD和IPP等高效引发剂,这类引发剂的链转移作用小,可使树脂的聚合度较高。采用悬浮法生产的PVDC树脂,反应平稳,放热均匀,可以制得 VDC含量很高(一般在80%~95%之间)的树脂,而且各种水溶性的添加剂和单体的残留量少,其性能优于乳液聚合的树脂;其缺点是反应时间长,没药树的分子量分布宽,树脂中VC和VDC的组分难以控制,分子量难以提高。这种方法生产的PVDC被广泛用于食品保鲜薄膜、高阻隔性能的薄膜和片材。
材料应用
1,1-二氯乙烯一氯乙烯共聚物常与纸、铝箔及其他塑料薄膜制成复合材料或PVDC涂布材料。采用溶剂粘合法可得到良好的结合。这些复合材料具有优良的防潮、隔氧、密封性能,也易于热封,在油腻、含水食品包装时应用较多。如纸/粘合剂/铝箔/粘合剂/PVDC/玻璃纸/PVDC等,PVDC也可与聚烯烃制成共挤出薄膜或半硬质片材。作为涂布材料,PVDC可用有机溶剂溶解或制成乳液。如由PVDC没药树fe5、蜡、防静电剂和滑爽剂组成的丙酮液。若PVDC含量高于90%则要用四氢呋喃为溶剂,由于树脂有保留溶剂的倾向,所以干燥较慢。如果涂布后,溶剂未彻底挥发,那么强度或密封性则较差。
利用PVDC的阻气性,能够延缓食品氧化变质,大大延长产品货架期,同时能够避免内装物的香味散失和防止外部不良气味的侵入;利用其阻湿性,能够防止产品发生失水变十、口感变差的现象, 不会因产品吸水而损伤包装原型,防止定量制品发生自然损耗(失重)。阻气性能不随湿度的变化而变 化,即使置于高湿环境也不会引起产品变质;利用其低渗透性,可防止香味损失,而且不吸收残余气味和不正常味道,可以保证气味的完整性(在包装低脂肪或高蛋白食品时这一点尤为重要)。耐候性优 异,即使长期暴露在室外,直接受阳光照射,也不会发生包装物褪色及老化现象。
聚偏二氯乙烯主要适用于火腿肠、干酪、汤、零食、蒸煮袋、饼干及谷类食品、宠物食品、拉伸膜、酱料、肉制品、液体包装、豆制品包装等领域。
参考资料
聚偏二氯乙烯.中国大百科全书.2024-12-20
聚偏二氯乙烯.chemicalbook.2024-12-20
..2024-12-19
..2024-12-19
巨化集团携手双汇!20万吨绿色新材料项目正式开工.石化联合会化工新材料专委会.2024-12-22
..2024-12-22
..2024-12-21
目录
概述
发展历程
国外发展
国内发展
性质特征
物理性质
化学性质
分子结构式
新型的聚偏二氯乙烯
PVDC的化学改性
提高VC单体的含量
引入缩水甘油基丙烯酸甲酯单体
引入丙烯腈单体
PVDC的物理改性
PVDC/EVA共混改性
不同相对分子质量的PVDC树脂共混
PVDC/MBS共混
PVDC/ACR共混
PVDC/PP共混
PVDC/PA共混
生产工艺
乳液聚合法
悬浮聚合法
材料应用
参考资料