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生物降解

日益嚴(yán)重的塑料廢物問題提高了人們對生物降解聚合物的興趣。畢竟，作為報廢方案之一的生物降解能夠?yàn)樗芰系难h(huán)經(jīng)濟(jì)做出巨大的貢獻(xiàn)。

歐洲生物塑料協(xié)會（European Bioplastics）預(yù)計，此類聚合物——尤其是生物降解聚酯的全球產(chǎn)能將在未來幾年內(nèi)顯著擴(kuò)增。遺憾的是，生物降解聚酯的潛在應(yīng)用仍然有限，主要的原因是其性能特征沒能達(dá)到傳統(tǒng)熱塑性塑料的性能水平，而這正是混配料制造商、塑料加工商和最終用戶所期望的。此外，它們很難加工。改性的任務(wù)就是抵消這兩個缺點(diǎn)。

添加劑Vinnex 2525提高了PLA的熔體強(qiáng)度，有助于獲得穩(wěn)定的吹塑薄膜擠出工藝和一致的薄膜厚度 ©瓦克

基于聚醋酸乙烯酯的聚合物有機(jī)添加劑，在生物降解聚酯改性方面具有良好的成功經(jīng)驗(yàn)。瓦克（Wacker）公司旗下的Vinnex品牌銷售這些產(chǎn)品，它們的極性針對生物降解聚酯進(jìn)行了精確調(diào)整。由此產(chǎn)生的兼容性使其極為高效。Genioplast Pellet在塑料行業(yè)也廣為人知，它是瓦克化學(xué)集團(tuán)旗下一種通用的有機(jī)硅添加劑，可用于熱塑性塑料改性。作為加工助劑，它們通過減少摩擦來提高聚合物的成品性能。

PLA和PBS生物降解聚酯測試

瓦克公司的應(yīng)用工程師對兩種添加劑系統(tǒng)組合如何影響生物降解聚酯的加工性能和材料特性進(jìn)行了研究。研究重點(diǎn)在于聚乳酸（PLA）和用滑石粉填充的聚丁二酸丁二醇酯（PBS），因?yàn)樗鼈冇兄诹私馓砑觿μ畛浜臀刺畛渚酆衔锵到y(tǒng)的影響。

兩種被用作聚合物基材的聚酯的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)牌號分別是Nature Works公司的Ingeo Biopolymer 4043 D（PLA）和PTT MCC Biochem公司的BioPBS FZ91 PM（PBS）。兩者都是由可再生原料制成的半結(jié)晶聚酯，并已經(jīng)過優(yōu)化被用于塑料薄膜生產(chǎn)。眾所周知，PLA是一種高強(qiáng)度的剛性材料，性脆易碎，并且熱穩(wěn)定性差。其高熔體粘度和低熔體強(qiáng)度也為熔體加工帶來了困難。它還存在結(jié)晶速度慢的問題，而后結(jié)晶通常是PLA制品變得越來越脆的原因。

相較之下，PBS的機(jī)械性能更接近聚烯烴。與PLA不同的是，它是一種具有高拉伸強(qiáng)度的柔韌材料。此外，因?yàn)镻BS的結(jié)晶度較高，其耐熱性也很高。但是，由于其結(jié)晶速度慢，它也具有后結(jié)晶的特點(diǎn)。

用于研究的四種添加劑

用于研究的四種添加劑分別是Vinnex 2504、Vinnex 2525、Genioplast Pellet S和Genioplast Pellet P Plus。

Vinnex 2504是一種乙酸乙烯酯-聚乙烯共聚物，它是Vinnex粉狀產(chǎn)品的代表。它主要被改性廠商用于將軟鏈段摻入聚合物基材。

Vinnex 2525是一種粒狀樹脂型的聚乙酸乙烯酯均聚物。當(dāng)被用作加工助劑時，它可以改善流動性、增加熔體強(qiáng)度并減少半結(jié)晶聚酯的后結(jié)晶。

Genioplast Pellet P plus經(jīng)批準(zhǔn)可用于食品接觸。Genioplast Pellet S則主要用于技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（和Genioplast Pellet P plus的性能沒有顯著差異。因此，下文將不再對其作進(jìn)一步區(qū)分）

篩選研究使用的生物聚酯通過克勞斯瑪菲（KraussMaffei）公司生產(chǎn)的Berstorff ZE-25雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行混配。這些混配物隨后被制成粒狀并加工成試樣——注塑成型測試板、流動螺旋板、吹塑薄膜和壓塑板，然后根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試和評估。無添加的生物降解聚酯被用作參考。它們的加工方式與其他產(chǎn)品相同。改性混配物通過將單獨(dú)的Vinnex或Vinnex和Genioplast Pellet組合摻入聚酯進(jìn)行生產(chǎn)?；赑LA的改性材料通常未填充，而基于PBS的改性材料通常含有15%的滑石粉。

有機(jī)硅添加劑用于降低電力成本

在填充PBS的改性過程中，添加能夠降低摩擦的有機(jī)硅顆?？山档突炫湮锷a(chǎn)過程中對擠出機(jī)的扭矩要求并最終降低能耗。我們看到的影響可能很小，但它們在大型生產(chǎn)線中可以產(chǎn)生可觀的成本節(jié)約。

熔融混配物的流動特性按照ISO 1133規(guī)定的熔體體積流動速率和螺旋流動試驗(yàn)進(jìn)行了測試。螺旋流動試驗(yàn)顯示，添加劑系統(tǒng)的組合使流動路徑更長。添加劑組合通常會導(dǎo)致熔體體積流動速率顯著增加，與Vinnex 2504的組合對熔體流動尤為有利（圖1）。

可生物降解聚酯出色的表面光潔度

與Vinnex一起使用時，Genioplast Pellet的主要作用是影響材料特性。它會對塑料的表面光潔度產(chǎn)生極大的影響。聚酯的表面粗糙度并不能只靠Vinnex來提高，它還需要添加Genioplast來減少摩擦的影響。因此，PLA和滑石粉填充PBS的滑動摩擦系數(shù)都可以達(dá)到0.3以下，這也是塑料加工商在眾多應(yīng)用中提出的要求。PLA的這一要求可以通過Vinnex 2504和Genioplast Pellet組合來實(shí)現(xiàn)。填充PBS則可以通過Vinnex 2525和Genioplast混配物來實(shí)現(xiàn)。

表面摩擦的減少使生物聚酯具有更強(qiáng)的耐刮擦性和耐磨性。這一點(diǎn)通過Crockmeter測試的耐磨性視覺評估以及符合DIN 53754磨盤法標(biāo)準(zhǔn)的磨損重量法測定得到了證實(shí)。通過用劃痕硬度測試儀（型號：530 P-I；制造商：Erichsen）對光滑的注塑成型試板上產(chǎn)生的劃痕進(jìn)行共聚焦顯微鏡檢查，減摩擦的效果尤為明顯：含Genioplast Pellet產(chǎn)品的劃痕更淺，劃痕曲線更平坦，劃痕內(nèi)部表面更不粗糙。這種效果在添加劑使用率為2%時特別明顯（圖2）。

縱向和橫向的改進(jìn)

針對機(jī)械性能的研究結(jié)果喜憂參半。兩種添加劑組合改善了許多產(chǎn)品的性能，但并非所有。其效果取決于所使用的Vinnex牌號并隨聚酯基質(zhì)的變化而變化。例如：兩種添加劑組合能夠提升滑石粉填充PBS的斷裂伸長率，但幾乎無法改變未填充PLA的性能。

正如預(yù)期的那樣，Vinnex 2504被用作PLA的抗沖擊改性劑，而Vinnex 2525并沒有。Vinnex 2504和Genioplast Pellet組合提高了PLA吹膜在縱向和橫向上的撕裂強(qiáng)度。與Vinnex 2525組合使用則顯著改善了薄膜橫向的性能（圖3）。薄膜的撕裂強(qiáng)度通過Graves角測試（DIN 53515）進(jìn)行了測定。其機(jī)械性能得到了改善，并且耐熱性沒有受到任何影響。這一點(diǎn)通過ISO 306（方法A和方法B）維卡軟化點(diǎn)測定（圖4）進(jìn)行了證實(shí)。

結(jié)語

研究表明，Vinnex和Genioplast Pellet具有互補(bǔ)的效果，并且組合使用時能夠比單獨(dú)使用產(chǎn)生更大的作用。通過添加劑組合，生物降解聚酯的加工性能和材料特性都得到了大幅提升。這種組合對吹塑薄膜的生產(chǎn)也極為有利。在這一過程中，Vinnex有助于提高流動性和熔體強(qiáng)度，而Genioplast Pellet則通過降低表面摩擦來提高牽引和卷繞速度。

一般來說，Vinnex在添加劑組合中的作用主要是影響聚合物熔體的行為并最終提高加工性能，Vinnex牌號的選擇在許多情況下會對最終效果產(chǎn)生重大影響。與Vinnex一起使用時，Genioplast Pellet的作用主要是改變材料特性。它能夠增強(qiáng)生物降解聚酯的表面性能而無需在表面涂覆液體潤滑膜。一般來說，這種添加劑對填充聚合物體系的影響比對未填充聚合物體系的影響更大。

這兩種添加劑系統(tǒng)的組合有助于解鎖更多生物降解聚酯的應(yīng)用。這一組合大大減少了它們與傳統(tǒng)的熱塑性材料相關(guān)的加工和性能劣勢，而正是這些劣勢限制了生物降解聚酯的使用。正常使用情況下，這兩種添加劑不會對PBS、PLA和熱塑性淀粉等材料以及生物降解聚合物組合的可降解性產(chǎn)生任何影響。