陈志周，牟建楼，王  林，迟  建，于志彬，孙兰芳 

（河北农业大学食品科技学院，保定 071001）

摘  要：聚乙烯醇水溶性薄膜可通过自然因素迅速降解，符合环保要求，是一种新型绿色包装材料。本试验以聚乙烯醇为主要原料，加入增强剂、增塑剂、乳化剂和脱膜剂，制成固含量为 15.0%～18.0%的水溶性胶，在钢板上流延涂布成膜，经干燥后揭膜。通过单因素试验和正交试验对聚乙烯醇水溶性薄膜的制备材料、工艺条件进行了研究，结果表明：聚乙烯醇浓度为 11.0%，可溶性淀粉 1.0%，甘油 4.0%， 吐温 80 为 1.0%，硅油 0.8%。在 80～90℃下干燥 20 min，可得到性能较好的水溶性薄膜。 

关键词：聚乙烯醇；水溶性薄膜；成膜工艺   

中图分类号：TS206.4           文献标识码：A             文章编号：1002-6819(2008)-7-0247-04 

0   引  言

塑料包装材料废弃后会给环境造成“白色污染”，而且正以每年数千万吨的惊人速度在自然界中堆积。如何对付“白色污染”已成为社会急切而普遍关注的问题，尤其是 20 世纪 90 年代以来，随着人们环保意识的增强，国际上针对生态环境恶化、危害人类健康这一问题，提出了包括对白色污染的处理在内的消除污染、减少有害产物的建议^[1-3]。欧、美、日等发达国家都前后立法或禁用“短期使用”的非降解塑料，并加大了降解塑料研究方面的投入，促进了降解塑料的使用和推广^[2,4]。 

水溶性塑料包装薄膜作为一种新颖的绿色包装材料，在欧美、日本等国家被广泛用于各种产品的包装。例如农药、化肥、颜料、清洁剂、水处理剂、混凝土添加剂、洗涤剂、摄影用化学试剂及园艺护理的化学试剂等^[5,6]。水溶性包装薄膜能够彻底降解、使用安全方便。具有良好环保性能，适应了消除白色污染，保护生态环境的时代趋势^[7,8]。 

聚乙烯醇吸收大量的水分而使其分子膨胀分裂，使由众多碳原子和氢原子组成的分子分解成 CO2 和 H2O，所分解的 CO2 蒸发到空气中，H2O 溶于土壤或杂物中，从而使其降解^[9,10]。目前，国内外聚乙烯醇（PVA）薄膜的成型方法主要有：溶液流延涂布法、湿法挤出吹塑法和干法挤出吹塑法^[11]。溶液流延涂布法较其他成型方法，具有产品厚度精密度高，透明性和光泽性好的特点，是目前生产上多采用的成型方法。但传统的溶液流延涂布法也有成膜性能不稳定、揭膜困难等不足。本试验以聚乙烯醇为主要的成膜物质，同时添加增塑剂甘油，并首次使用乳化剂吐温 80、增强剂可溶性淀粉、脱膜剂二甲基硅油，以改善聚乙烯醇膜的性能、水溶性和揭膜性，通过溶液流延涂布法成膜，并研究了相关的工艺参数，旨在为水溶性薄膜的生产提供一定的技术支持。 

1  材料与方法

1.1  试验材料与仪器

聚乙烯醇（上海东方红造漆厂）；甘油（天津市北辰骅跃化学试剂厂）、吐温 80（天津市福晨化学试剂厂）、可溶性淀粉（保定市天成化学试剂公司）、二甲基硅油（天津市福晨化学试剂厂）；光滑钢板、ZL-300A 纸与纸板抗张试验机（长春市纸张试验机厂）、ZH-4 型纸与纸板厚度测定仪（长春市纸张试验机厂）、DL-1 型万用电炉（北京中兴伟业仪器有限公司）、远红外快速恒温干燥箱（上海跃进医疗器械厂）、756PC(IV)型紫外可见分光光度计（上海光谱仪器有限公司）、HH-2 数显恒温水浴锅（国华电器有限公司）。 

1.2  制备聚乙烯醇水溶性薄膜的工艺流程和试验步骤     

根据作者以往的研究^[12]，确定聚乙烯醇水溶性薄膜的工艺流程与试验步骤如下： 

1.2.1  工艺流程 

1.2.2  试验步骤

首先研究聚乙烯醇浓度、增塑剂（甘油）、乳化剂（吐温 80）、增强剂（可溶性淀粉）、脱膜剂（二甲基硅油）对膜性能的影响，确定最佳的单因子水平，根据单因素

试验结果，确定对聚乙烯醇膜性能影响较大的数个试验因子，进行正交试验，最后确定最佳的生产工艺参数。 

1.3  聚乙烯醇水溶性薄膜性能的测定 

1.3.1  膜厚度的测定  

用 ZH-4 纸与纸板厚度测定仪在待测膜上随机测 5 点，取平均值。控制膜厚度在 0.01～0.04 mm 之间。 

1.3.2  抗拉强度（TS）的测定

将膜裁切成 15 mm 宽的长条，用抗拉强度测定仪测定，拉伸速度为 450 mm/s，有效伸长率为 40％时，记录此时的抗拉力，根据下式计算： 

TS=F×10-6/s

式中  TS ——抗拉强度，MPa；F——试样断裂时承受的最大张力，N；s ——试样的横截面积，m2。 

1.3.3  透光率的测定    

将待测样品裁切成矩形，贴于比色皿表面，在 600 nm 下测定透光率，以空比色皿作为对照，用透光率大小间接表示膜透明度。 

1.3.4水溶性的测定  

将膜裁切成长 100 mm 宽 10 mm 的试样，浸渍在水中，在水浴锅中加热直至全部溶解，记录聚乙烯醇薄膜全部溶解所需时间。 

1.4  膜性能综合评分原则    

采用加权法对聚乙烯醇薄膜的综合性能进行评分，满分为 100 分。其中抗拉强度是聚乙烯醇薄膜比较重要的性能指标，占 50 分；透光率和表观效果对膜性能影响较小，分别占 30 分和 20 分。 

1）抗拉强度（50 分） 

（1）抗拉强度≥20 MPa，分值 50 分 

（2）18 MPa≤抗拉强度＜20 MPa，40 分≤分值＜  50 分 

（3）16 MPa≤抗拉强度＜18 MPa，30 分≤分值＜  40 分 

（4）14 MPa≤抗拉强度＜16 MPa，20 分≤分值＜  30 分  

（5）12 MPa≤抗拉强度＜14 MPa，10 分≤分值＜  20 分 

（6）抗拉强度＜12 MPa，0 分≤分值＜10 分 

2）透光率（30 分） 

（7） 透光率≥70％，分值为 30 分 

（8） 60％≤透光率＜70％，24 分≤分值＜30 分 

（9） 50％≤透光率＜60％，18 分≤分值＜24 分 

（10） 40％≤透光率＜50％，12 分≤分值＜18 分 

（11） 30％≤透光率＜40％，6 分≤分值＜12 分 

（12） 20％≤透光率＜30％，0 分≤分值＜6 分  

3）表观效果（20 分） 

容易成膜，容易揭膜，表面光滑，透明度高，分值为 20 分，不符合条件的酌情减分。 

2  结果与分析 

2.1  聚乙烯醇浓度对膜性能的影响

准确称取 5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5 g 的聚乙烯醇，

加 50 mL 蒸馏水加热溶解，制成 10%、11%、12%、13%、 14%、15%浓度的溶液，分别加入 1.0 mL 甘油，70～80℃ 水浴加热 10 min，室温放置 3～5 min 后过滤、在钢板涂膜。在 80～90℃的电热恒温干燥箱中干燥 20 min 后取出，然后在室温条件下放置 10 min，揭膜，室温条件下测试膜的性能。试验重复 3 次得到试验结果，以下同。 

聚乙烯醇浓度为 10.0%和 11.0%的膜极薄且易拉断；加入 14.0%和 15.0%的聚乙烯醇不能全部溶解，有大块儿未溶解团状物，成膜发脆。聚乙烯醇浓度为12.0%和13.0% 时，可以得到柔软、表面光滑的薄膜，其主要性能见表 1，由表 1 可知，聚乙烯醇浓度为 12.0%和 13.0%时的抗拉强度差异不显著，12.0%的透光率比 13.0%的大，且表面性能好，综合考虑，选 12.0%为聚乙烯醇适宜浓度。 

表1  聚乙烯醇浓度对膜性能的影响 

浓度/%	柔软度	厚度/mm	抗拉强度/MPa	透光率/%
12.0	相对柔软	0.013	11.79	88.07
13.0	较脆	0.019	11.05	74.00

2.2  甘油含量对膜性质的影响

准确称取聚乙烯醇 5 份各 6.0 g，用蒸馏水加热溶解，分别加入 0、1.0、1.5、2.0、2.5 g 甘油，其他流程同上。 

表2  甘油浓度对膜性质的影响

甘油/%	柔软度	厚度/mm	抗拉强度/MPa	透光率/%
2.0	稍脆	0.018BCb	28.15Aa	92.3Aa
3.0	柔软	0.022ACac	22.73ACa	88.2Abc
4.0	柔软	0.023ACac	14.50BCb	89.1Aac
5.0	非常柔软	0.026Aa	10.95Bb	89.2Aac

注：表中大、小写字母分别表示邓肯氏新复极差法测验在 0.01 和 0.05 水平上的差异显著性，下同。 

甘油含量大于 5.0%时，膜非常柔软，有少量甘油析出，数据不易测出；当甘油含量小于 2.0%时，膜脆，易断裂，原因是甘油量小，结合水过少。甘油含量在 2.0%～ 5.0%之间，可以得到具有一定弹性的薄膜。其性能见表 2，由表 2 可知，随着甘油含量的增加，膜抗拉强度降低，由于甘油含量增加，单位体积羟基数目增多，结合水分子的数目也增多，薄膜较柔软，弹性大。甘油含量较少时，由于结合水分较少，膜脆、弹性小。甘油含量为 2.0% 时，膜的抗拉强度最大，透光率最好。综合考虑，甘油含量以 2.0%时为宜。 

2.3  吐温80含量对膜性质的影响

准确称取聚乙烯醇 5 份各 6.0 g，用蒸馏水加热溶解，

每份中各加入 2.0%甘油，分别与 0.3、0.5、0.7、1.0、     

1.3 g 吐温 80 混合，其他流程同上。

吐温 80 作为乳化剂，可改善薄膜的水溶性。吐温 80 含量大于 2.0%时，膜的表面有大量小颗粒，表观性能不好。当吐温 80 含量小于 0.6%时，膜水溶性不佳。吐温 80 含量为 1.0%时，膜的抗拉强度最大，透光率最好。其性能见表 3，由表 3 可见，随着吐温含量的增加，膜抗拉强度呈下降趋势，透光率也大致呈递减趋势。综合考虑，吐温 80 含量以 1.0%为宜。 

表3  吐温80浓度对膜性质的影响 

吐温/%	柔软度	厚度/mm	抗拉强度/MPa	透光率/%
0.6	较柔软	0.023Bb	17.97BCbc	81.1Aa
1.0	柔软	0.022Bb	26.36Aa	81.5Aa
1.4	柔软	0.025Aa	20.08Aa	79.1Aa
2.0	柔软	0.025Aa	19.79ACac	75.8Bb
2.6	非常柔软	0.025Aa	17.68BCbc	74.1Bb

2.4  可溶性淀粉含量对膜性质的影响

准确称取聚乙烯醇 4 份各 6.0 g，用蒸馏水加热溶解，每份中各加入 2.0%甘油和 1.0%的吐温 80，分别与 0.25、

0.50、0.75、1.00 g 可溶性淀粉混合，其他流程同上。 

表4  可溶性淀粉浓度对膜性质的影响 

可溶性淀粉/%	柔软度	厚度/mm	抗拉强度/MPa	透光率/%
0.5	较柔软	0.022Bbc	23.94Ab	80.8Aa
1.0	柔软	0.026Aac	28.62Aa	77.8Aa
1.5	柔软	0.027Aa	23.58Ab	74.9Aa
2.0	柔软	0.029Aa	23.40Ab	55.1Bb

可溶性淀粉含量大于 2.0%时，膜的表面有大量小颗粒，表观性能不好，且薄膜与钢板之间的粘着力增大，不易揭膜。当淀粉含量小于 0.5%时，膜的强度较小。原因是淀粉作为增强剂，可加大薄膜的强度。可溶性淀粉含量1.0%时，薄膜抗拉强度最大。可溶性淀粉含量为2.0% 时，膜的抗拉强度和透光率最低，其抗拉强度与 1.0%的处理相比差异显著。其性能见表 4。综合考虑，可溶性淀粉含量以 1.0%为宜。 

2.5  硅油含量对膜性质的影响

确称取聚乙烯醇 4 份各 6.0 g，用蒸馏水加热溶解，每份中各加入 2.0%甘油、1.0%的吐温 80 和 1.0%的可溶性淀粉，分别与 0.2、0.3、0.4、0.5 mL 硅油混合，其他流程同上。 

表5  硅油浓度对膜性质的影响 

硅油/%	柔软度	厚度/mm	抗拉强度/MPa	透光率/%
0.4	较柔软	0.028ABDabd	19.93BCb	67.4Aa
0.6	柔软	0.023CDcd	20.25ACac	68.5Aa
0.8	柔软	0.029ABab	23.85Aa	68.7Aa
1.0	柔软	0.034ACa	21.96Aac	55.6Ab

硅油含量大于 1.0%时，膜的表面有大量小颗粒和油渍，表观性能不好。当硅油含量小于 0.4%时， 由于增强剂的作用，所制得的薄膜与钢板间的作用力增强，不易揭下。硅油含量在 0.8%时，容易揭膜，膜性能较好。其性能见表 5。综合考虑，硅油含量以 0.8%为宜。 

2.6  正交试验

通过单因子试验研究表明，聚乙烯醇浓度、甘油的含量、吐温 80 的含量、可溶性淀粉的含量、脱膜剂硅油的含量对膜的性能都有影响，其中脱膜剂只起到容易揭膜的作用，对膜的性能影响不大，所以在正交试验中去掉该因素。综合考虑，本试验进行 L₉(3⁴)的正交试验。 

2.6.1 正交试验结果与分析   根据表 6，进行数据分析得到： 

最佳处理条件为 A1B1C2D2，即聚乙烯醇浓度 11.0%，甘油 4.0%，吐温 1.0%，可溶性淀粉 1.0%。 

在最佳条件中，乳化剂吐温 80 的浓度对膜性能的影响最大，其次是增塑剂甘油浓度，聚乙烯醇浓度和增强剂可溶性淀粉浓度对膜性能的影响较小。 

表6  正交试验结果与分析

试  因   素

验号	A B C D 综合性（聚乙烯醇/%）（甘油/%） （吐温 80/%） （淀粉/%） 能评分
1	1（11.0%）	1（4.0%）   1（0.5%）		1（0.5%）	75.0
2	1	2（2.0%）	2（1.0%）	2（1.0%）	87.4
3	1	3（3.0%）	3（1.5%）	3（1.5%）	67.6
4	2（12.0%）	1	2	3	84.2
5	2	2	3	1	69.3
6	2	3	1	2	67.6
7	3（13.0%）	1	3	2	84.8
8	3	2	1	3	64.2
9	3	3	2	1	75.6
T1	230.0	244.0	206.8	219.9
T2	221.1	220.9	247.2	239.8
T3	224.6	210.8	221.7	216.0
R1	76.67	81.33	68.93	73.30
R2	70.37	73.63	82.40	79.93
R3	74.87	70.27	73.90	72.00
M	6.30	11.06	13.47	7.93

2.2.3  最佳条件的验证及性能指标

最佳条件 A1B1C2D2 和正交试验表中综合评分最高的

处理 2（A1B2C2D2）做平行试验。结论一致。结果见表 7。 

表7  成膜平行试验处理结果 

试验号	可溶性 柔软度	厚度 /mm	抗拉强度 /MPa	透光率 综合性 /% 能评分
A1B1C2D2	较好  柔软	0.031Aa	24.20	55.1 86.1
A1B2C2D2	较好  柔软	0.028Aa	24.40	46.5 80.9

2.7  聚乙烯醇水溶性薄膜的水溶性测定

将最佳处理得到的聚乙烯醇膜裁切成长 100 mm 宽 10 mm 的试样，浸渍在水中，在水浴锅中加热一定时间直至全部溶解。结果见表 8。 

由表 8 可以知，最佳处理得到的聚乙烯醇薄膜，在100℃水浴温度下很快溶解，水浴温度为 40～100℃时，随温度升高，薄膜溶解时间逐渐减小；水浴温度为 30℃ 时，聚乙烯醇薄膜溶解时间较长，达到 675 min，极大地方便了聚乙烯醇薄膜的使用。 

表8  聚乙烯醇水溶性薄膜的水溶性

溶解温度/℃	30	40	50	60	70	80	90	100
溶解时间/min	675	95	55	30	20	10	1	立即溶

3  结  论

通过试验确定各因子的最佳配比：聚乙烯醇浓度11.0%，甘油 4.0% ，吐温 1.0%，可溶性淀粉 1.0%。在最佳条件中，乳化剂吐温 80 的浓度对膜性能的影响最大，其次是增塑剂甘油浓度，聚乙烯醇浓度和增强剂可溶性淀粉浓度对膜性能的影响较小。 

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