生物高分子材料卡片膜的制造方法

專利名稱：生物高分子材料卡片膜的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種卡片膜，尤其是涉及一種利用壓延法進行原料改性的生物高分子材料卡片膜的制造方法。
背景技術：
塑料卡片之商業化已有數十年歷史，其應用范圍包括“信用卡”、“1C智能卡”、“貴賓卡”、“游戲卡”、“電話卡”、“天線磁卡”等，應用量雖愈來愈大，但造成環境污染也愈來愈嚴重。因為現今所用的塑料卡，百分之九十以上都是用PVC材料制成。眾所周知，PVC是一種不環保的材料，歐洲與日本都立法逐漸限制PVC塑料的發展。而小小的一張PVC卡用完后即遭人們任意丟棄，根本不容易回收處理。故而塑料卡片已成為地球上一種隱藏的環境污染物質，為了解決這一種日益嚴重的公害，研究出一種可以完全降解的生物基材卡片是一項正確而且又十分迫切的方案。然而，由于業界技術尚未成熟，迄今還沒有成功可以商業化的生物塑料卡大量問市。塑料卡通常由兩片芯膜(Core film,又稱中層膜)與兩片表層膜(Overlay film)經加溫與加壓貼合而成，如用T-Die擠出法制膜其生產速度與產品質量較慢，如采用壓延法生產，其產速快，所制出的制品厚度分布均勻，展平性(Iayflat)又佳，是目前效益最好的塑料卡片膜制造方法。故而現今世界上主要的塑料卡片膜供應廠商多用壓延機設備。此套壓延機是依據硬質PVC的加工特性而設計出的，其典型的制程包括:(a)高速混合機，(b)低速冷拌機，(C)塑化擠出機(大多是行星單螺桿)，(e)引取裝置，(f)冷卻輪裝置，(g)測厚儀裝置，(h)捲曲裝置。這套壓延加工PVC塑料膜的生產方式已有四十多年以上的歷史，其間只有少數廠家有能力將壓延機的設備做部分更改，而用來生產硬質PVC以外的塑料膜。例如中國專利CN1090554即用 修改后的壓延機生產聚丙烯(PP)合成紙，而美國專利US7438841B2即利用壓延機來生產聚酯薄膜。又中國專利CN100503218C即用壓延法來生產共聚酯片材。 但PP與聚酯薄膜和PVC材料一樣是不可降解，仍然解決不了塑料卡片的環保問題。故開發可生物降解的生物高分子膜來取代PVC、PP與聚酯片材是非常必要的。事實上從公元2000年后就有廠家試圖用壓延機來制造生物高分子材料的卡片膜，但截至目前，仍沒有人能成功地做出成品，原因是生物高分子材料，如PLA或聚羥基脂肪酸酯(PHA)或聚羥基丁酸(PHB))的特性與加工性完全不同于傳統的石油化學塑料，如 乂(:、？？、485、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環己烷二甲醇酯(PETG)等。PLA(聚乳酸)是現今各種生物高分子材料中來源最豐富，且價格較合理的一種。因此我們選擇它作為卡片膜基材。但由于PLA有下述之缺點(a)剛性高、易脆，(b)拉伸加工后之熱收縮率大，(C)吸水性強，(d)加工溫度范圍窄等，故需做改性。

發明內容
本發明的目的在于提供一種生物高分子材料卡片膜的制造方法。
本發明包括以下步驟:I)制備改性聚乳酸(PLA)樹脂；2)將步驟I)得到的改性聚乳酸(PLA)樹脂除濕干燥后，喂入壓延機系統的塑化擠出機，擠出條狀塑化物，再送入壓延輪本體，輥壓成薄膜；3)將步驟2)得到的薄膜引入壓花裝置進行壓花，再將薄膜表面進行電暈處理后，即得生物高分子材料卡片膜。在步驟I)中，所述改性聚乳酸(PLA)樹脂按質量百分比的組成可為:聚乳酸(PLA)樹脂37% 87.5% ;軟性降解材料5% 30% ;填充料2% 20% ;顏料4% 10% ;增強纖維0% 10% ;抗氧化劑0.05% 1% ;加工助劑0.5% 2.0% ;全部原料為100% ;所述制備改性聚乳酸(PLA)樹脂的具體方法可將全部原料按比例混合后送入雙螺桿進行熔混造粒；或將全部原料磨碎后送入高速混合機內混煉成均勻料；所述軟性降解材料可選自一般淀粉、改性淀粉、熱塑性淀粉粒子、天然橡膠、可生物降解的聚己內酯(PCL)、可生物降解的共聚酯(如BASF之Ecoflex)等中的一種；所述填充料可選自碳酸鈣(CaCO3)、滑石粉(Talc)、高嶺土、硅灰石等中的一種；這些填料在PLA卡片膜配方中更適當的添加比率是3% 15% ；所述顏料可選自二氧化鈦等，所述二氧化鈦可采用金紅石型TiO2等，依卡片膜之白度與遮蔽力要求而定，有時也會另外添加極少量的藍色或紫色顏料，使白色PLA卡片膜不帶有黃味；所述增強纖維可選自纖維素纖維、麻纖維、稻米殼、其它植物的莖或梗等中的至少一種；所述抗氧化劑可選自酚類、氫過氧化分解劑、烷基自由基去除劑等中的一種，所述烷基自由基去除劑可選自受阻胺穩定劑、羥胺等中的一種；所述加工助劑可選自乙撐雙硬脂酸酰胺(EBS)、聚乙烯蠟、金屬硬脂酸鹽、蒙他拿蠟等中的一種，所述金屬硬脂酸鹽可選自硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣等中的一種。在步驟2)中，所述送入壓延輪本體可經搖擺式輸送帶送入壓延輪本體；所述除濕干燥的條件可為粒子的含水份干燥至小于800ppm，熔融指數為2 25 ;所述除濕干燥可采用旋轉加熱方式，除用電熱片加熱干燥桶外壁外，另加上抽風除濕方式，不斷把干燥桶內所蒸發出的水汽往外抽，按此方法，可在2h左右將PLA改性粒子的含水份由2000ppm左右降至SOOppm以下；所述塑化擠出機的溫度可為122 188°C ;壓延輪本體的溫度為145 185°C ;所述塑化擠出機可采用一段式單螺桿擠出機或兩段式行星單螺桿擠出機；在步驟3)中，所述壓花可依次經過壓花裝置的壓制輪、引取輪、冷卻輪；所述進行電暈處理后可再送入切片機或捲取輪做成生物高分子材料卡片膜成品；所述電暈處理后的薄膜表面活化張力可提升至36dyn/cm以上，薄膜表面活化張力的提升旨在增加印刷后印墨的結合力；所述生物高分子材料卡片膜的兩個表面的粗糙度(Ra值)可為0.5 4.5 μ m，表面特性均勻，有利于印刷品質。本發明從PLA的改性著手，并針對PLA的加工困難性，給出一套從原料改性、壓延工藝改良與膜表面活化處理的完整技術，實現了利用壓延機生產聚乳酸(PLA)生物高分子卡片膜的量產辦法。本發明所制成的生物高分子材料卡片膜，不僅物性優良，具有良好的耐曲折、抗沖強度、膜厚度分布均勻、可完全生物降解等優點，而且層壓貼合性能優異，生物高分子材料卡片膜的表面又易于印刷，完全符合制造卡片所需的綜合性能，是一種功能性杰出的卡片制造基材，采用本發明所制備的生物高分子材料卡片膜所制造出的商業用卡(信用卡、智能卡、電話卡等)符合IS010973測試標準。
具體實施例方式以下實施例將對本發明作進一步的說明。實施例1PLA卡片用芯膜(中層膜)之對照組(a)改性配方:I) PLA------80.5% ；2)聚己內酯(PCL)------4% ；3)滑石粉/碳酸鈣——8% ；4) 二氧化鈦------6% ；5)滑劑(硬脂酸鎂/乙烯基蠟共混物)------1% ；6)抗氧化劑(Ciba之1010與168共混物)——0.5%。其中所用PLA是美國Natureworks的擠出級聚乳酸樹脂；PCL (聚己內酯)為Solvay產品；二氧化鈦為金紅石型，內中添加極少量之群青顏料。(b)工藝條件:
塑化擠出機溫度:第一區(134°C );第二區(131°C )；第三區(156°C);第四區(130°C );模頭(183°C )壓延輪溫度:第一輪(156°C );第二輪(174°C )；第三輪(165°C);第四輪(158°C )(c)卡片膜品質:(i)抗拉伸強度(MD/TD):71MPa/59MPa(ii)抗沖擊強度:121J/M(iii)表面粗糖度(Ra):A 面 2.5 μ m/B 面 1.6 μ m(iv)評價:此膜之表面印刷品質優良，但膜之抗沖擊強度不足，所制得之卡無法通過IS010973的耐彎曲測試標準。實施例2PLA卡片用芯膜(添加降解聚酯)(a)改性配方:I) PLA-----64.5% ；2)聚己內酯(PCL)-----4% ；3) Ecoflex (Basf BX7011)------16% ；4)滑石粉/碳酸鈣——8% ；5) 二氧化鈦-----6% ；6)滑劑(硬脂酸鎂/乙烯基蠟/乙撐雙硬脂酸酰胺混合物)------1% ;7)抗氧化劑(Ciba之1010與168共混物)-----0.5%。(b)工藝條件:塑化擠出機溫度:第一區(128°C );第二區(126°C )；第三區(150°C);第四區(129°C );模頭(178°C )
壓延輪溫度:第一輪(148°C );第二輪(168°C )；第三輪(157°C);第四輪 154°C )(c)卡片膜品質:(i)抗拉伸強度(MD/TD):60.5MPa/51MPa(ii)抗沖擊強度:159J/M(iii)表面粗糖度(Ra):A 面 2.1 μ m/B 面 1.4 μ m
(iv)評價:膜表面印刷品質優良，圖像清晰，膜之層壓貼合強度優異，機械物性優良，所制得之卡可通過IS010973之所有測試。實施例3PLA卡片用芯膜(添加天然橡膠)(a)改性配方:I) PLA-----63.5% ；2) Ecoflex-------15%;3)天然橡膠------5% ；4)滑石粉/碳酸鈣--------8% ；5) 二氧化鈦-----7% ；6)滑劑(硬脂酸鎂/乙烯基蠟)一一1% ；7)抗氧化劑(Ciba之1010與168共混物)-----0.5%。(b)工藝條件:塑化擠出機溫度:第一區(125°C );第二區(126°C )；第三區(152°C);第四區(133°C );模頭(177°C )壓延輪溫度:第一輪(145°C );第二輪(166°C )；第三輪(I59O);第四輪(ΙδΟ )(c)卡片膜品質:⑴抗張力強度(MD/TD):65MPa/52MPa(ii)抗沖擊強度:154J/M(iii)表面粗糖度(Ra):A 面 2..8 μ m/B 面 1.9 μ m(iv)評價:此膜的加工性比[例二 ]略差，但物性與層壓貼合性均良好。膜表面印刷性優良。所制成的卡符合IS010973的測試標準。實施例4PLA卡片用芯膜(添加植物性殼粉)(a)改性配方:I) PLA——59.5% ；2) Ecoflex (Basf BX7011)——20% ；3)稻米殼研磨粉------8% ；4) 二氧化鈦-----7% ；5)滑石粉/碳酸鈣——4% ；6)滑劑(硬脂酸鎂/乙烯基蠟/乙撐雙硬脂酸酰胺混合物)----------1% ;7)抗氧化劑(Ciba之1010與168共混物)--------0.5%。(b)工藝條件:塑化擠出溫度:第一區(138°C );第二區(130°C )；
第三區(159°C);第四區(144°C );模頭(184°C )壓延輪溫度:第一輪(161 °C );第二輪(178°C )；第三輪(169°C);第四輪(161 °C )(c)卡片膜品質:(i)抗張力強度(MD/TD):69MPa/50MPa(ii)抗沖擊強度:139J/M(iii)表面粗糖度(Ra):A 面 4.1 μ m/B 面 3.3 μ m(iv)評價:此膜的加工性良好，物性與層壓貼合性均可。所制成的卡符合IS010973的測試標準。本發明的工藝中，塑化后的熔融物料從擠出機模頭出料(條狀擠出物，直徑約2 3cm)后，直接以搖擺式輸送帶送至壓延輪本體上進行輥壓。壓延輪本體是由4或5個加熱轉動之鋼輪構成，輪具之排列可為正“L”型或倒“L”型，正“L”型壓延輪本體與倒“L”型壓延輪本體。本制造流程以正”L”型壓延機生產系統做試驗。第一輪的溫度(實際輪溫)為150 175°C ;第二輪的溫度為145 170°C ;第三輪的溫度為145 170°C ;第四輪的溫度為155 185°C。各輪之間的轉動速度比率須控制適當，以利膜之成形，并防止膜料倒捲。壓延成形后的PLA膜從第三與第四壓延輪輪具間出料(料溫160 180°C;料之寬度為1.7 1.8m),隨后即穿入壓花(Embossing)裝置，接著穿入壓制輪(Press roll)設備內，制備過程中的壓花裝置與壓制輪設備由一組上、下壓合的輪具構成；上輪為鋼輪，表面雕刻有細致且凹凸均勻的極小細紋；下輪為橡膠輪，輪面亦有細密但均一的粗糙紋；當PLA膜穿入上下輪中間后，上下輪即閉合。其開與閉的動作是由氣缸式油壓裝置做控制。當PLA膜穿過壓花裝置時，利用輪的表面粗糙度、兩輪之間的貼合壓力、貼合溫度(壓花輪內通有冷卻水或熱水)以及壓延速度等手段來調整膜的上下兩面的粗糙度(Ra)。PLA膜的表面粗糙度應控制在Ra介于0.5 4.5 μ m之間。尤其是介于0.8 3.5 μ m可得到很好的印刷品質。穿過壓花裝置的PLA膜立即被導入壓制輪設備。壓制輪與壓花裝置類似，都是由上、下兩輪構成，只是輪面不再雕刻有細致的凹凸點紋，整個壓制設備包括兩組壓制輪。PLA膜穿過壓制輪設備后即進入引取輪，再進入一系列的冷卻輪冷卻。制備過程的設備包括10支引取輪與9支冷卻輪后，冷卻輪后有一套β射線測厚儀做左右來回掃描；掃描后的膜厚數據當作壓延輪本體調整膜厚度的依據；膜兩側的厚度因偏厚而必須裁剪掉；裁剪出的部分叫做耳料(或邊料)，可經過粉碎再送回造粒機回收使用。電暈處理(corona treatment)是冷卻輪之后的重要裝置。PLA膜經過電暈處理后，膜的表面活化張力(dyne level)可由32dyn/cm提高到至少36dyn/cm。最后一道工藝制程，分線上切片與線上捲膜兩種不同設備。白色的PLA卡片中層(芯層)膜，其厚度為0.10 0.60mm，大都使用線上切片機處理；而表面膜(厚度0.1Omm左右)則可用線上切片，也可用線上捲膜機捲取，依客戶的要求而定，當膜的厚度小于0.1mm時，因線上切片較困難，通常改用線上捲取。
權利要求
1.生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于包括以下步驟: 1)制備改性聚乳酸樹脂； 2)將步驟I)得到的改性聚乳酸樹脂除濕干燥后，喂入壓延機系統的塑化擠出機，擠出條狀塑化物，再送入壓延輪本體，輥壓成薄膜； 3)將步驟2)得到的薄膜引入壓花裝置進行壓花，再將薄膜表面進行電暈處理后，即得生物高分子材料卡片膜。
2.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟I)中，所述改性聚乳酸樹脂按質量百分比的組成為:聚乳酸樹脂37% 87.5% ;軟性降解材料5% 30% ;填充料2% 20% ;顏料4% 10% ;增強纖維0% 10% ;抗氧化劑0.05% 1% ;加工助劑0.5% 2.0% ;全部原料為100%O
3.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟I)中，所述制備改性聚乳酸樹脂的具體方法可將全部原料按比例混合后送入雙螺桿進行熔混造粒；或將全部原料磨碎后送入高速混合機內混煉成均勻料。
4.如權利要求2所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于所述軟性降解材料選自一般淀粉、改性淀粉、熱塑性淀粉粒子、天然橡膠、可生物降解的聚己內酯、可生物降解的共聚酯中的一種； 所述填充料可選自碳酸鈣、滑石粉、高嶺土、硅灰石中的一種； 所述顏料可選自二氧化鈦，所述二氧化鈦可采用金紅石型TiO2 ； 所述增強纖維可選自纖維素纖維、麻纖維、稻米殼、其它植物的莖或梗中的至少一種； 所述抗氧化劑可選自酚類、氫過氧化分解劑、烷基自由基去除劑中的一種，所述烷基自由基去除劑可選自受阻胺穩定劑、羥胺中的一種； 所述加工助劑可選自乙撐雙硬脂酸酰胺、聚乙烯蠟、金屬硬脂酸鹽、蒙他拿蠟中的一種，所述金屬硬脂酸鹽可選自硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣中的一種。
5.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟2)中，所述送入壓延輪本體是經搖擺式輸送帶送入壓延輪本體。
6.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟2)中，所述除濕干燥的條件為改性聚乳酸樹脂的含水量干燥至小于800ppm，熔融指數為2 25。
7.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟2)中，所述除濕干燥采用旋轉加熱方式，除用電熱片加熱干燥桶外壁外，另加上抽風除濕方式，把干燥桶內所蒸發出的水汽往外抽，將改性聚乳酸樹脂的含水量由2000ppm降至800ppm以下。
8.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟2)中，所述塑化擠出機的溫度為122 188°C ;壓延輪本體的溫度為145 185°C。
9.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟2)中，所述塑化擠出機采用一段式單螺桿擠出機或兩段式行星單螺桿擠出機。
10.如權利要求1所述生物高分子材料卡片膜的制造方法，其特征在于在步驟3)中，所述壓花依次經過壓花裝置的壓制輪、引取輪、冷卻輪；所述進行電暈處理后可再送入切片機或捲取輪做成生物高分子材料卡片膜成品。
全文摘要
生物高分子材料卡片膜的制造方法，涉及一種卡片膜。制備改性聚乳酸樹脂；將得到的改性聚乳酸樹脂除濕干燥后，喂入壓延機系統的塑化擠出機，擠出條狀塑化物，再送入壓延輪本體，輥壓成薄膜；將得到的薄膜引入壓花裝置進行壓花，再將薄膜表面進行電暈處理后，即得生物高分子材料卡片膜。所制成的生物高分子材料卡片膜，不僅物性優良，具有良好的耐曲折、抗沖強度、膜厚度分布均勻、可完全生物降解等優點，而且層壓貼合性能優異，生物高分子材料卡片膜的表面又易于印刷，完全符合制造卡片所需的綜合性能，是一種功能性杰出的卡片制造基材。
文檔編號B29C43/24GK103203880SQ20131015655
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月28日 優先權日2013年4月28日
發明者陳芳梅, 陳玲, 李明仁 申請人:廈門建霖工業有限公司