CN101619158B - 聚乳酸发泡材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚乳酸发泡材料及其制备方法，其原料组分按重量计的配方如下：聚乳酸45-93份、增韧剂5-28份、成核剂1-5份、发泡剂1-10份。聚乳酸为聚-L-乳酸、聚-D-乳酸、聚-DL-乳酸中的一种或其混合物或其共聚物，重均分子量为8-35万之间，分子量分布为1.2-2.5，结晶度为15-60％。增韧剂为聚琥珀酸丁酯、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯中的一种或两种的任意比混合物。还可加入其他助剂。方法是将聚乳酸、增韧剂、成核剂、发泡剂、助剂等按比例在高混机中混合均匀，然后于100-170℃混炼5-25分钟，将所得物料在120-210℃的硫化机上进行模压发泡，时间为2-10分钟，制得聚乳酸发泡材料。本发明方法制备的聚乳酸发泡材料具有耐冲击性好、断裂伸长率高、拉伸强度高，在使用后可完全生物降解的优点。
Description
一、技术领域
本发明属于高分子材料领域，更具体地说是涉及一种聚乳酸发泡体及其生产方法。
二、背景技术
人类日常生活中使用的绝大部分石油基塑料，它们虽然价格低廉，但降解性能差，使用后成为破坏环境的污染源。
为了取代降解性能差的石油基高分子材料，人们采用生物或化学方法合成了一些可完全生物降解的高分子材料，例如美国生产聚乳酸的公司Cargill，其采用玉米等谷类为原料，采用淀粉水解发酵成乳酸再开环聚合的方法合成了可完全生物降解的聚乳酸，聚乳酸可经由水解反应以及微生物分解作用而完全分解成二氧化碳与水，其在大气环境下、在土壤或水中、在垃圾掩埋场中以及在堆肥中所需的分解时间分别为3-5年、2-3年、2-4月以及1-4周。因此聚乳酸在适当处理后，可完全分解，对大自然生态环境不会造成负担。
然而，由于聚乳酸生产成本过高的限制，在通用的降解塑料领域使用起步较晚。近年来，由于环保的要求和石油资源的短缺，人们对聚乳酸产品的开发倍加重视，并将其作为替代通用塑料替代产品的探索开发。
泡沫塑料在工业和日常生活的应用非常广泛，常见的泡沫塑料大都采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯等为原料。这些泡沫塑料使用后不可降解，又难以回收，对环境造成巨大的危害。聚乳酸泡沫塑料的开发，不仅可以解决上述问题，而且可降低聚乳酸产品的成本。
美国专利US Patent 5348983(1994)中，Sterzel等人采用在聚乳酸中混入物理发泡剂的方法制备聚乳酸结构泡沫塑料，但是这种加工方法实施起来很困难，没有能够被推广应用；在美国专利US Patent5763098(1998)中，Kameoka等人采用混入化学发泡剂和物理发泡剂直接挤出的方法制备聚乳酸泡沫塑料，但性脆，耐冲击性不好；日本钟纺公司开发了聚乳酸发泡板和发泡珠粒法制备的发泡成型体作为发泡聚苯乙烯的替代品(专利JP2002179832)，首先将聚乳酸发泡珠粒用水蒸气加热，送到成型模具中，用更高温度的水蒸气加热使其发泡、互相粘结进行型内发泡，该方法需要水蒸气产生设备且模具要求高，发泡材料密度难以控制；UNITIKA公司配合耐热聚乳酸纳米复合材料开发技术，进行了纳米水平的分子设计、化学修饰技术和特殊的熔融混炼技术，提高聚乳酸熔体强度，并采用超临界二氧化碳开发高倍率的聚乳酸挤出发泡片材(专利JP2004051803-A)，该方法需要特殊的设备，成本高；中国专利CN 1544525A中，韩常玉等人采用过氧化物交联制备可生物降解泡沫塑料，但由于过氧化物的使用量不易控制，容易导致聚乳酸过度交联；CN 1544514A、CN1958668A、CN1923891A中，韩常玉和任杰等人都采用异氰酸酯化合物作为扩链剂制备可生物降解泡沫塑料，同样异氰酸酯的使用量也不易控制，很多影响因素会影响扩链的效果。
三、发明内容
为了解决现有技术存在的聚乳酸发脆、耐冲击性差、不易加工的缺点，本发明提供了一种聚乳酸发泡材料及其制备方法，该制备方法工艺简单，成本低，得到的发泡塑料可生物降解、拉伸强度高、断裂伸长率高和耐冲击性好。
本发明的技术方案为：一种聚乳酸发泡材料，其原料组分按重量计的配方如下：
聚乳酸 45-93份
增韧剂 5-28份
成核剂 1-5份
发泡剂 1-10份
所述的聚乳酸为聚-L-乳酸、聚-D-乳酸、聚-DL-乳酸中的一种或其混合物或其共聚物，重均分子量优选为8-35万之间，更优选为10-30万，特别优选为15-25万。分子量分布为1.2-2.5，结晶度为15-60％。
所述的增韧剂为聚琥珀酸丁酯(PBS)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)中的一种或两种的任意比混合物。由于在配方中加入增韧剂，极大的提高了聚乳酸的断裂伸长率及耐冲击性。
所述的成核剂为滑石粉、蒙脱土、二氧化硅、碳酸钙、碳酸镁、二氧化钛、高岭土、云母、氧化铝、氧化锌、氧化钙中的一种或几种混合物。所述的蒙脱土为蒙皂石粘土，包括钙基、钠基、钠-钙基、镁基蒙粘土，经剥片分散、提纯改型、超细分级、特殊有机复合而成，平均晶片厚度小于25nm，蒙脱石含量大于95％。如浙江丰虹粘土化工有限公司的DK系列聚合物级纳米蒙脱土。
所述发泡剂为偶氮二甲酰胺ADC-DT低温发泡剂、2，2’-偶氮二异丁腈(AZDN)、偶氮二甲酸二异丙酯(diisopropyl azodiformate；DIPA)、二偶氮苯胺(DAB)、N，N-二亚硝基五次甲基四胺、N，N-二甲基-N，N’-二亚硝基对苯、苯磺酰肼(BSH)、4，4’-氧代双苯磺酰肼(OBSH)、3，3’-二磺酰肼二苯砜、1，3’-苯二磺酰肼、碳酸氢钠中的一种或几种的任意比混合物，或者碳酸钙和柠檬酸的混合物，碳酸钠和柠檬酸的混合物。
在本发明的配方中还可以添加以下成分，以重量计：
扩链剂 0-2份
抗氧剂 0-2份
泡孔稳定剂 0-3份
脱模剂 0-5份
所述的扩链剂为丙烯酸主链加多个环氧官能团的化合物，如德国巴斯夫公司的ADR-4370、ADR-4368、ADR-4300、ADR-4385中的一种或几种的任意比混合物。
所述抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、N，N′-1，6-亚己基-双[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰胺、硫代二丙酸双十二烷酯、抗氧剂2，6二叔丁基-4-甲基苯酚一种或几种的任意比混合物。
所述泡孔稳定剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、山梨酸钾、柠檬酸钠、双金属偶联剂、十二烷基硫酸钠、月桂醇硫酸钠、烷基醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种的任意比混合物。
本发明中，所述的脱模剂为硅油、硅酮或硅酯中的一种或几种的任意比混合物。
本发明中，采用模压化学发泡法制备聚乳酸发泡塑料，将原料按配方比例预先在高速混合机中混合均匀，然后在密炼机或开炼机上于100-170℃混炼5-25分钟，将所得物料在120-210℃的硫化机上进行模压发泡，时间为2-10分钟，压力为5-50MPa，制得聚乳酸发泡材料。
有益效果为：
1、本发明在配方中加入增韧剂聚琥珀酸丁酯(PBS)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)中的一种或两种的任意比混合物，提高了聚乳酸的断裂伸长率及耐冲击性。本发明方法工艺简单，成本低，直接混炼、发泡即可得到聚乳酸发泡材料。
2、本发明的方法制备的聚乳酸发泡材料具有可生物降解、密度可控、强度高、易加工、阻隔性好等优异性能，具有与聚苯乙烯相近的发泡成形性和缓冲性能，可广泛替代聚苯乙烯等发泡材料，在缓冲包装、冷藏、运输、电器、农林园艺、隔热、隔音、防震等领域可广泛应用，扩大了可生物降解聚乳酸材料的应用范围。
四、具体实施方式
下面通过实施例，对本技术发明的技术方案作进一步具体的说明，但本发明并不限于这些实施例，该领域的技术熟练人员可以根据上述内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
重均分子量为22.5万的聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、滑石粉、AC发泡剂按如下重量配比93∶5∶1∶1在密炼机内120℃混炼5分钟。得到的混合物在150℃平板硫化机上压成片材后，在170℃平板硫化机中自由发泡2分钟。测得的聚乳酸分子量为18.2万。得到的泡沫塑料密度为0.62g/cm3.力学性能：抗拉强度16.8Mpa，断裂伸长率为22.5％，冲击强度(Izod)为5.6KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例2
分子量为15.0万聚-L-乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、双十八/十六烷基氯化铵插层改性的有机蒙脱土DK4、ADC-DT低温发泡剂按如下配比88∶8∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为12.8万。得到的泡沫塑料密度为0.43g/cm3.力学性能：抗拉强度11.5Mpa，断裂伸长率为35.6％，冲击强度(Izod)为4.7KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例3
分子量为26.2万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、二氧化硅、2，2’-偶氮二异丁腈(AZDN)按如下配比80∶10∶5∶5在密炼机内140℃混炼5分钟。得到的混合物在160℃平板硫化机上压成片材后，在170℃平板硫化机中自由发泡10分钟。测得的聚乳酸分子量为22.1万。得到的泡沫塑料密度为0.37g/cm3.力学性能：抗拉强度20.4Mpa，断裂伸长率为65.2％，冲击强度(Izod)为8.2KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例4
分子量为35万聚-L-乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、碳酸钙、偶氮二甲酸二异丙酯(DIPA)按如下配比68∶28∶2∶2在密炼机内170℃混炼10分钟。得到的混合物在190℃平板硫化机上压成片材后，在210℃平板硫化机中自由发泡10分钟。测得的聚乳酸分子量为28.8万。得到的泡沫塑料密度为0.45g/cm3.力学性能：抗拉强度22.3Mpa，断裂伸长率为121.6％，冲击强度(Izod)为11.4KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例5
分子量为8万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、碳酸镁、二偶氮苯胺(DAB)按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内100℃混炼5分钟。得到的混合物在120℃平板硫化机上压成片材后，在130℃平板硫化机中自由发泡2分钟。测得的聚乳酸分子量为6.3万。得到的泡沫塑料密度为0.42g/cm3.力学性能：抗拉强度6.3Mpa，断裂伸长率为46.0％，冲击强度(Izod)为3.3KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例6
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、二氧化钛、N，N-二亚硝基五次甲基四胺按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在160℃平板硫化机上压成片材后，在180℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为17.2万。得到的泡沫塑料密度为0.48g/cm3.力学性能：抗拉强度14.3Mpa，断裂伸长率为75.6％，冲击强度(Izod)为6.8KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例7
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、高岭土、N，N-二甲基-N，N’-二亚硝基对苯按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为18.3万。得到的泡沫塑料密度为0.51g/cm3.力学性能：抗拉强度15.5Mpa，断裂伸长率为82.1％，冲击强度(Izod)为6.1KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例8
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、云母、苯磺酰肼(BSH)按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为17.6万。得到的泡沫塑料密度为0.54g/cm3.力学性能：抗拉强度16.1Mpa，断裂伸长率为65.8％，冲击强度(Izod)为6.6KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例9
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、氧化铝、4，4’-氧代双苯磺酰肼(OBSH)按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为17.1万。得到的泡沫塑料密度为0.43g/cm3.力学性能：抗拉强度15.4Mpa，断裂伸长率为69.2％，冲击强度(Izod)为5.8KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例10
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、氧化锌、3，3’-二磺酰肼二苯砜按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为16.6万。得到的泡沫塑料密度为0.46g/cm3.力学性能：抗拉强度13.7Mpa，断裂伸长率为52.3％，冲击强度(Izod)为5.2KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例11
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、氧化钙、1，3’-苯二磺酰肼按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为18.1万。得到的泡沫塑料密度为0.42g/cm3.力学性能：抗拉强度15.5Mpa，断裂伸长率为46.8％，冲击强度(Izod)为4.9KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例12
分子量为25.6万的聚-DL-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、滑石粉、碳酸氢钠按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为17.7万。得到的泡沫塑料密度为0.44g/cm3.力学性能：抗拉强度17.8Mpa，断裂伸长率为72.0％，冲击强度(Izod)为6.6KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例12
分子量为22.5万的聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、滑石粉、碳酸钙和柠檬酸的混合物按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为17.4万。得到的泡沫塑料密度为0.52g/cm3.力学性能：抗拉强度17.2Mpa，断裂伸长率为68.6％，冲击强度(Izod)为6.3KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例12
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、滑石粉、碳酸钠和柠檬酸的混合物按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为16.2万。得到的泡沫塑料密度为0.48g/cm3.力学性能：抗拉强度14.6Mpa，断裂伸长率为74.3％，冲击强度(Izod)为9.8KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例13
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、滑石粉、碳酸钠和柠檬酸的混合物按如下配比86∶10∶2∶2在密炼机内150℃混炼5分钟。得到的混合物在170℃平板硫化机上压成片材后，在190℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为16.2万。得到的泡沫塑料密度为0.48g/cm3.力学性能：抗拉强度14.6Mpa，断裂伸长率为51.9％，冲击强度(Izod)为4.6KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例14
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯(PBS)、滑石粉、AC发泡剂、ADR-4370、抗氧剂264、钛酸酯偶联剂、硅油按如下配比45∶28∶5∶10∶1∶1∶1∶2在密炼机内130℃混炼25分钟。得到的混合物在150℃平板硫化机上压成片材后，在170℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为12.7万。得到的泡沫塑料密度为0.32g/cm3.力学性能：抗拉强度10.2Mpa，断裂伸长率为211.6％，冲击强度(Izod)为5.8KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
实施例15
分子量为35万的聚-D-乳酸和分子量为8万的聚-DL-乳酸的混合物、聚琥珀酸丁酯(PBS)、滑石粉、AC发泡剂、ADR-4370、抗氧剂264、钛酸酯偶联剂、硅油按如下配比51∶30∶2∶5∶2∶2∶3∶5在密炼机内140℃混炼5分钟。得到的混合物在160℃平板硫化机上压成片材后，在180℃平板硫化机中自由发泡5分钟。测得的聚乳酸分子量为16.7万。得到的泡沫塑料密度为0.38g/cm3.力学性能：抗拉强度11.3Mpa，断裂伸长率为19.8％，冲击强度(Izod)为3.1KJ/m2。生物降解实验证实，可以完全降解。
Claims (3)
1.一种聚乳酸发泡材料，其特征在于，原料组分的配方如下：
分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯、滑石粉、AC发泡剂、ADR-4370、抗氧剂264、钛酸酯偶联剂、硅油按如下质量配比45∶28∶5∶10∶1∶1∶1∶2；
或者是以下配方：分子量为35万的聚-D-乳酸和分子量为8万的聚-DL-乳酸的混合物、聚琥珀酸丁酯、滑石粉、AC发泡剂、ADR-4370、抗氧剂264、钛酸酯偶联剂、硅油按如下质量配比51∶30∶2∶5∶2∶2∶3∶5。
2.权利要求1所述的聚乳酸发泡材料的制备方法，其特征在于，分子量为22.5万聚-L-乳酸、聚琥珀酸丁酯、滑石粉、AC发泡剂、ADR-4370、抗氧剂264、钛酸酯偶联剂、硅油按如下质量配比45∶28∶5∶10∶1∶1∶1∶2在密炼机内130℃混炼25分钟，得到的混合物在150℃平板硫化机上压成片材后，在170℃平板硫化机中自由发泡5分钟。
3.权利要求1所述的聚乳酸发泡材料的制备方法，其特征在于，分子量为35万的聚-D-乳酸和分子量为8万的聚-DL-乳酸的混合物、聚琥珀酸丁酯、滑石粉、AC发泡剂、ADR-4370、抗氧剂264、钛酸酯偶联剂、硅油按如下质量配比51∶30∶2∶5∶2∶2∶3∶5在密炼机内140℃混炼5分钟，得到的混合物在160℃平板硫化机上压成片材后，在180℃平板硫化机中自由发泡5分钟。
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