CN103044716A - 生物降解材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物降解材料及其制备方法，所述生物降解材料包括按重量份数计的以下组分：淀粉：10至50份，聚乙烯醇：5至20份，聚丁二酸丁二醇酯：10至50份，增塑剂：5至20份，相容剂：0.5至5份，抗氧剂：0.1至0.5份。本发明的生物降解材料可直接挤塑、注塑和吹塑，应用在容器、包装袋、消费品外包装等产品上，这种生物降解材料能在较长的使用期内保持良好的力学性能，回收后又可堆肥，最终被降解为二氧化碳和水，对环境无污染。

Description

生物降解材料及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及本发明涉及一种生物降解材料及其制备方法。
背景技术
“白色污染”已成为一个严重的社会问题，如何处理塑料垃圾已经成为全人类的非常关注的一个问题。无论在美洲、欧洲还是非洲，许多国家都在出台各种限塑政策，其中，比较普遍的做法之一就是使用替代性可降解产品。法国2010年起禁止销售和分发全塑料袋和塑料包装，除非它们是完全生物降解的，引起了业界强烈反应。全球正在掀起一股生物降解材料的热潮。20世纪末开始，降解塑料得到了迅速的发展，在北美，降解塑料以每年17%的速度增长；在欧洲，则以每年59%的速度增长。
我国政府也从多个方面为降解材料的发展提供了广阔的空间，有关部门也正在考虑提供政策上的支持，并在部分地区开始实行降解塑料的试行政策。中国“十一五”、“十二五”规划纲要中将建设资源节约型、环境友好型社会作为重要的发展目标，在这种趋势下，中国相关行业及企业正在积极努力通过制定产品标准，加快应用研究及加强国际合作等技术途径，促使生物降解塑料产业进入一个快速成长阶段。2008年6月1日起，我国开始实行“限塑令“。北京奥运会上，570万个可降解生物垃圾袋投用各大公共场所，引起了全世界的关注，这种塑料袋丢弃后，72天内即可分解为二氧化碳和水。相信不久的未来，生物降解材料在中国会有很大的市场。
生物降解高分子材料由天然高分子（如淀粉、纤维素、甲壳质）或农副产品经微生物发酵或合成具有生物降解性的高分子制得，如热塑性淀粉塑料、脂肪族聚酯、聚乳酸、淀粉/聚乙烯醇等均属这类材料。国内外生物降解材料研究较多的可分为以下几类：淀粉、聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯及其共聚物（PBS）、聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA）、聚乙烯醇（PVA）等。尽管目前国内外对生物降解材料的研究及报道很多，但是仍有许多问题阻碍了该类材料的推广和应用。原因是：1）可降解塑料的力学性能差，不能满足用户的使用要求，2）可降解材料色泽暗淡发黄，透明度低，3）价格偏高，成本高于普通高分子材料的生产成本。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种力学性能优良的生物降解材料及其制备方法。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种生物降解材料，包括按重量份数计的以下组分：
淀粉：10至50份，
聚乙烯醇：5至20份，
聚丁二酸丁二醇酯：10至50份，
增塑剂：5至20份，
相容剂：0.5至5份，
抗氧剂：0.1至0.5份。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料中，优选的是，所述淀粉为植物淀粉，具体为玉米淀粉、木薯淀粉、土豆淀粉中的一种或多种，更优选的是，所述淀粉中直链淀粉的重量含量为15%至30%。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料中，优选的是，所述增塑剂的重量为所述生物降解材料重量的10%至30%，所述增塑剂包括按重量份数计的以下组分：
多元醇：5至10份，
去离子水：3至5份，
有机羧酸：1至3份。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料中，优选的是，所述多元醇为相对分子质量在62至300之间的小分子多元醇，更优选的是，所述多元醇为乙二醇、丙三醇、山梨醇中的一种或多种。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料中，优选的是，所述有机羧酸为C4至C18的饱和有机羧酸，更优选的是，所述有机羧酸为柠檬酸。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料中，优选的是，所述相容剂的重量为所述聚丁二酸丁二醇酯重量的0.5%至3%，更优选的是，所述相容剂的重量为所述聚丁二酸丁二醇酯重量的1%至1.5%。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料中，优选的是，所述相容剂为马来酸酐、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三甲苯酯的一种或多种。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料中，优选的是，所述抗氧剂为受阻酚抗氧剂，更优选的是，所述抗氧剂为抗氧剂1010，化学名为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯。
一种生物降解材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将淀粉、聚乙烯醇、抗氧剂和增塑剂混合，升温，待温度升到在90至120℃时，再混合20至30分钟，得到第一混合物，
然后降低第一混合物温度，当第一混合物温度降低到60至80℃时，加入聚丁二酸丁二醇酯和相容剂进行混合，保持混合时间为15至20分钟，得到第二混合物，
用双螺杆挤出机挤出第二混合物，冷却切粒，得到生物降解材料，该生物材料可挤塑、注塑或吹塑成塑料制品。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料的制备方法中，优选的是，所述淀粉的含水量低于1%（重量分数），所述聚乙烯醇的含水量低于1%（重量分数），所述聚丁二酸丁二醇酯的含水量低于0.02%（重量分数），若淀粉、聚乙烯醇或聚丁二酸丁二醇酯的含水量较高，需要在混合前进行干燥，以使含水量满足条件。
作为本发明的优选方式，在上述生物降解材料的制备方法中，优选的是，所述双螺杆挤出机分为8个区，每个区的加工温度为：
第一区：110至130℃，
第二区：130至145℃，
第三区：135至150℃，
第四区：145至165℃，
第五区：145至165℃，
第六区：150至170℃，
第七区：150至170℃，
第八区：150至165℃，
所述第二混合物依次经过第一区、第二区、第三区、第四区、第五区、第六区、第七区，最后从第八区挤出。
本发明的效果和优点如下：
1、聚乙烯醇（PVA）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）都是可完全生物降解的聚合物，其中PBS的力学性能与PP相似，能在干燥环境下，较长时间储存并保持稳定，PVA可改善淀粉的可塑性，并且赋予材料气体阻隔性和耐油性，将淀粉与两者共混后形成的三元体系，不但克服了单一材料的缺点，而且融合了三种材料的优点，材料物理化学性能明显提高，其他性能也能根据需要进行调整，是一种极具应用前景的生物降解材料。
2、本发明的生物降解材料，降解机理是通过微生物和各种细菌及酶的作用，将材料分解为二氧化碳和水，淀粉先被微生物分降为二氧化碳和水，然后PVA分子与PBS分子开始断链，被分解为小碎片并最终被微生物分解为二氧化碳和水。
3、本发明的生物降解材料可直接挤塑、注塑和吹塑，应用在容器、包装袋、消费品外包装等产品上，这种生物降解材料能在较长的使用期内保持良好的力学性能，回收后又可堆肥，最终被降解为二氧化碳和水，对环境无污染。
具体实施方式
实施例1：按照表1原料配方称取各种原料，其中PVA树脂、淀粉和PBS树脂预先干燥4小时。将PVA树脂、淀粉与丙三醇、去离子水、柠檬酸加入高速混合机中高速混合30分钟，整个过程保持物料温度在110℃，混匀后调整高速混合机温度到70℃，待温度稳定后再加入PBS树脂和马来酸酐，混合20分钟后低速出料，利用双螺杆挤出机进行熔融挤出造粒。双螺杆加热温度段具体设定为：第一区：120℃，第二区：135℃，第三区：140℃，第四区：155℃，第五区：155℃，第六区：160℃，第七区：160℃，第八区：155℃。
实施例2：实施例2的制备方法与实施例1相同，具体原料配比见表1。
实施例3：实施例3的制备方法与实施例1相同，具体原料配比见表1。
实施例4：实施例4的制备方法与实施例1相同，具体原料配比见表1。
实施例5：实施例5的制备方法与实施例1相同，具体原料配比见表1。
对实施例1至5的产品按照国标进行测试，各项性能数据见表2。拉伸强度按照国标GB/T1040.2-2006进行测试；弯曲强度、弯曲模量按照国标GB/T9341-2000进行测试；悬臂梁缺口冲击强度按照国标GB/T1843-2008进行测试；热变形温度按照国标GB/T1634.2-2004进行测试；熔体流动速率按照国标GB/T3682-2000进行测试；降解性能按照国标GB/T19275-2003进行测试。
表1生物降解材料原料配比单位：千克
组分 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
淀粉 600 600 600 800 1000
聚乙烯醇 600 400 300 300 350
聚丁二酸丁二醇 800 800 1000 1200 600
丙三醇 200 200 250 250 300
去离子水 60 60 80 80 100
柠檬酸 10 10 15 15 20
马来酸酐 8 8 10 10 6
抗氧剂1010 2 2 2 2 2
表2生物降解材料的性能
Figure BDA00002699713600061
Figure BDA00002699713600071
由表2的检测数据可以看出，共混物中聚丁二酸丁二醇酯的量增加，材料的综合力学性能会增加，但是添加量大也会同时增加材料的脆性，降低材料冲击性能，PVA通过与淀粉的分子间作用力，使材料的塑化性能提高，但会降低材料耐水性，用量过大会增加材料加工难度，本发明的生物降解材料能够完全生物降解，无残留物质。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (17)

1.一种生物降解材料，其特征在于，包括按重量份数计的以下组分：
淀粉：10至50份，
聚乙烯醇：5至20份，
聚丁二酸丁二醇酯：10至50份，
增塑剂：5至20份，
相容剂：0.5至5份，
抗氧剂：0.1至0.5份。
2.根据权利要求1所述生物降解材料，其特征在于，所述淀粉为植物淀粉。
3.根据权利要求2所述生物降解材料，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、土豆淀粉中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述生物降解材料，其特征在于，所述淀粉中直链淀粉的重量含量为15%至30%。
5.根据权利要求1所述生物降解材料，其特征在于，所述增塑剂的重量为所述生物降解材料重量的10%至30%。
6.根据权利要求5所述生物降解材料，其特征在于，所述增塑剂包括按重量份数计的以下组分：
多元醇：5至10份，
去离子水：3至5份，
有机羧酸：1至3份。
7.根据权利要求6所述生物降解材料，其特征在于，所述多元醇为相对分子质量在62至300之间的小分子多元醇。
8.根据权利要求7所述生物降解材料，其特征在于，所述多元醇为乙二醇、丙三醇、山梨醇中的一种或多种。
9.根据权利要求6所述生物降解材料，其特征在于，所述有机羧酸为C4至C18的饱和有机羧酸。
10.根据权利要求9所述生物降解材料，其特征在于，所述有机羧酸为柠檬酸。
11.根据权利要求1所述生物降解材料，其特征在于，所述相容剂的重量为所述聚丁二酸丁二醇酯重量的0.5%至3%。
12.根据权利要求11所述生物降解材料，其特征在于，所述相容剂的重量为所述聚丁二酸丁二醇酯重量的1%至1.5%。
13.根据权利要求11或12所述生物降解材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三甲苯酯的一种或多种。
14.根据权利要求1所述生物降解材料，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚抗氧剂。
15.根据权利要求14所述生物降解材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010，化学名为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯。
16.权利要求1至15任一项所述生物降解材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将淀粉、聚乙烯醇、抗氧剂和增塑剂混合，升温，待温度升到在90至120℃时，再混合20至30分钟，得到第一混合物，
然后降低第一混合物温度，当第一混合物温度降低到60至80℃时，加入聚丁二酸丁二醇酯和相容剂进行混合，保持混合时间为15至20分钟，得到第二混合物，
用双螺杆挤出机挤出第二混合物，冷却切粒，得到生物降解材料。
17.根据权利要求16所述生物降解材料的制备方法，其特征在于，所述淀粉的含水量重量分数低于1%，所述聚乙烯醇的含水量重量分数低于1%，所述聚丁二酸丁二醇酯的含水量重量分数低于0.02%。
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