CN103407054A - 一种基于废弃角朊的生物塑料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于废弃角朊的生物塑料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下工艺步骤：废弃角朊→120～135℃高温热水处理→烘干→粉碎至颗粒尺寸为5～200μm→添加甘油、乙二醇、丙二醇等增塑剂的一种并进行混合→二次烘干→在热压温度150～165℃、热压压力30～70MPa条件下热压成型8～20min→自然冷却→废弃角朊生物塑料。所制备的角朊生物塑料透明性好，成本低廉，安全无毒，可用于家居、装饰、生物医用等领域。该发明不仅可使大量的废弃羊毛、禽类羽毛等角朊材料得到有效利用，而且可减少不可降解塑料带来的环境问题。

Description

一种基于废弃角朊的生物塑料制备方法

技术领域

本发明涉及一种可降解的基于废弃角朊的生物塑料制备方法，属于高分子材料技术领域。

背景技术

随着人口增加、人们生活水平的提高对纤维的需求量越来越高。中国是全球纺织品的生产基地和纤维产业的核心，纺织工业是中国国民经济的传统支柱产业和重要的民生产业，纺织产能总体上已接近世界的一半。目前，我国纺织品消费需要已由生存型消费转向享有型消费，逐渐从纺织品生产基地变成消费主体。随着纺织品消费量的增长，废弃纺织品的总量日益增加。由于废弃纺织品目前还难以回用，大量废弃纺织品不得不作为垃圾填埋或焚烧处理。目前，世界纤维年消费总量达到7050万吨，其中，羊毛、兔毛等毛绒类角朊纤维消费量约为110万吨。羊毛纤维为角朊纤维，以其舒适、柔软、保暖、风格高雅而倍受消费者青睐，但羊毛纤维资源有限，价格高。因此，合理、高效资源化利用废弃羊毛织品尤为重要。

除纺织品消费领域的废弃羊毛角朊外，废弃角朊主要还有以下两个主要来源：(1)羊毛原料初加工、毛纺、毛织、服装等工程中产生的各种废弃100％羊毛纤维、回丝、废纱、废布等；(2)屠宰行业产生的废弃羊毛、禽类羽毛、猪毛等角朊材料。这些废弃的角朊材料仍具有导热系数低，隔热、隔音，不易燃烧，绝缘等优良性能。

关于废弃羊毛角朊的资源化利用已引起很多人员的广泛关注。武汉纺织大学发明“一种角蛋白晶须增强的同质复合纤维及其制备方法”(CN101575749)，该纤维是由提取自废弃羊毛的角蛋白基质和角蛋白晶须组成，角蛋白晶须分散在角蛋白基质中，形成同质复合纤维。发明“一种用天然蛋白纤维超细粉体改性的化学纤维及其生产方法”(专利公开号：CN1594682)提供了一种采用源自天然蛋白纤维的超细粉体改性的化学纤维及其生产方法，改性纤维中蛋白质粉体含量为5％-10％，化学纤维原料成分含量为90％-95％，以期通过蛋白质粉体改善改性纤维的吸湿性能、抗静电性能、染色性能等。

以可再生的生物质材料如淀粉、蛋白质等为原料，制备可降解生物塑料已引起科研人员的广泛重视。由Helmut Kaiser顾问公司完成的一个有关生物塑料市场的报告指出，全球生物塑料市场将快速增长，预计年均增速可达8％-10％。生物塑料在包装、汽车和电子行业等领域的应用将推动生物塑料需求的增长。生物塑料在2007年约占塑料市场的10％-15％，预计到2020年将达到25％-30％。目前，生物塑料的主要品种为纤维素衍生物塑料.它是将天然的纤维素材料进行化学处理而得到的纤维素衍生物如硝酸纤维素、醋酸纤维素等，纤维素塑料目前已得到大量使用，用于生产眼镜框、乒乓球及胶片等产品。目前，蛋白质生物塑料主要来源于大豆蛋白，但来源于角朊的生物塑料还未见报道。

发明内容

基于目前已有技术的缺乏及废弃羊毛等角朊的优良性能，本发明提出一种简单、高效的以废弃角朊为原料，制备生物塑料的方法。本发明首先采用高温蒸煮技术对洗涤干净并干燥的废弃角朊进行有效的预处理，以破坏角朊的稳定空间结构，降低角朊的韧性，提高其脆性。采用万能粉碎机、植物粉碎机或纳米球磨机进行粉碎处理，制得角朊粉末，以提高角朊的比表面积，然后，将粉末的角朊与安全的增塑剂进行均匀、充分混合，经热压制得角朊塑料。

本发明基于废弃角朊的生物塑料制备具体步骤为：废弃角朊→120～135℃高温热水处理→烘干→粉碎得到角朊粉末→添加甘油、乙二醇、丙二醇等增塑剂的一种并进行混合→二次烘干→热压→自然冷却→角朊生物塑料。

本发明各步骤具体特征为：

第一步：高温热水处理

将经过除杂、清洗干净的废弃角朊置于质量为20～40倍的水中，加热至120～135℃，热处理40～100min。

第二步：烘干

将热处理后的废弃角朊沥干水分，置于温度为80～100℃热风烘箱中烘至干燥。

第三步：粉碎

将干燥后的废弃角朊置于粉碎机中进行粉碎，粉碎机转速400～24000转/分，粉碎时间1～10min，得到颗粒尺寸为5～200μm的废弃角朊粉末。所述粉碎机为万能粉碎机、植物粉碎机、纳米球磨机等。

第四步：与增塑剂混合

采用恒速搅拌机，将步骤三得到的角朊粉末与增塑剂均匀混合，搅拌机转速为400～1000转/分，搅拌时间3～8min。所述增塑剂为乙二醇、甘油、丙二醇中的一种，废弃角朊与增塑剂质量之比为60～75％∶40～25％。

第五步：二次烘干

将混合均匀的角朊粉末与增塑剂在60～85℃热风烘箱中进行二次烘干，烘干时间为30～60min。

第六步：热压成型

将步骤五得到的角朊粉末与增塑剂混合物置于模具中进行热压，热压压力30～70MPa，热压温度150～165℃，热压时间8～20min；

第七步：冷却

在常温下自然冷却得到柔韧、力学性能、耐水性能好的废弃角朊生物塑料。

本发明原料废弃角朊形态多样，包括100％废弃羊毛、兔毛等毛绒类服装，毛纺、毛织、服装等工程中产生的各种100％废弃羊毛纤维、回丝、废纱、废布等以及屠宰行业产生的废弃羊毛、禽类羽毛、猪毛等一种角朊或几种角朊混合物。

本发明与已有相关技术相比，本发明采用纯物理方法制备角朊粉末，生产方法简单、生产成本低、加工周期短，对环境无污染；同时，本发明采用安全无毒的增塑剂以及热压方法制备生物塑料，环境友好。

本发明基于废弃角朊的生物塑料不仅可降解，而且隔热、隔音、电绝缘性能好，可应用于对电绝缘、隔热、隔音要求高的建筑、室内装饰等领域。同时，角朊生物塑料生物相容性好，可生物降解，还具有生物医用的潜力。本发明不仅可使大量的废弃羊毛、禽类羽毛等角朊材料得到有效利用，而且可减少不可降解塑料带来的环境问题。

具体实施例：

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明首先采用热水处理与机械粉碎相结合的方法将废弃角朊制备成粉末，然后添加安全、无毒的增塑剂经热压制备成生物塑料。本发明热水处理温度、时间均是非常重要的工艺参数。处理条件太弱，不能适当打断角朊大分子之间的二硫键，也不能将角朊大分子的α-螺旋链适当转变成无规卷曲链，角朊仍然很韧，难以粉碎成粉末，添加的增塑剂就不能充分发挥作用。但是，处理条件过强，角朊水解严重，重量损失多且发黄。同时，增塑剂的种类与添加量也是关键的工艺参数。如果选择不当或添加量不当，粉状的角朊难以被热压成均匀、透明、柔韧、力学性能好的生物塑料。

实施例1：一种基于废弃角朊的生物塑料制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步：高温热水处理

将经过除杂、清洗干净的废弃羊毛、禽类羽毛等角朊置于质量为20倍的水中，加热至120℃热处理100min；

第二步：烘干

将热处理后的废弃角朊沥干水分，置于温度为80℃热风烘箱中烘至干燥；

第三步：粉碎

将干燥后的废弃角朊置于万能粉碎机中进行粉碎，粉碎机转速24000转/分，粉碎时间1min，得到颗粒尺寸为200μm左右的废弃角朊粉末；

第四步：与增塑剂混合

采用恒速搅拌机，将步骤三得到的角朊粉末与丙二醇增塑剂均匀混合，角朊粉末与丙二醇增塑剂质量之比为75％∶25％，搅拌机转速为1000转/分，搅拌时间3min；

第五步：二次烘干

将混合均匀的角朊粉末与丙二醇增塑剂在85℃热风烘箱中进行二次烘干，烘干时间为30min；

第六步：热压成型

将步骤五得到的角朊粉末与丙二醇增塑剂混合物置于模具中进行热压，热压压力70MPa，热压温度165℃，热压时间8min；

第七步：冷却

在常温下自然冷却得到柔韧、力学性能、耐水性能好的角朊生物塑料。

实施例2：一种基于废弃角朊的生物塑料制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步：高温热水处理

将经过除杂、清洗干净的废弃羊毛、鸡羽毛等角朊置于质量为40倍的水中，加热至135℃，热处理40min；

第二步：烘干

将热处理后的废弃角朊沥干水分，置于温度为100℃热风烘箱中烘至干燥；

第三步：粉碎

将干燥后的废弃角朊置于纳米球磨机中进行粉碎，粉碎机转速400转/分，粉碎时间10min，得到颗粒尺寸为5μm左右的废弃角朊粉末；

第四步：与增塑剂混合

采用恒速搅拌机，将步骤三得到的废弃角朊粉末与甘油增塑剂均匀混合，角朊粉末与甘油增塑剂质量之比为60％∶40％，搅拌机转速为400转/分，搅拌时间8min；

第五步：二次烘干

将混合均匀的角朊粉末与甘油增塑剂在60℃热风烘箱中进行二次烘干，烘干时间为60min；

第六步：热压成型

将步骤五得到的角朊粉末与甘油增塑剂混合物置于模具中进行热压，热压压力30MPa，热压温度150℃，热压时间20min；

第七步：冷却

在常温下自然冷却得到柔韧、力学性能、耐水性能好的角朊生物塑料。

实施例3：一种基于废弃角朊的生物塑料制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步：高温热水处理

将经过除杂、清洗干净的废弃羊毛、鸡羽毛等角朊置于质量为30倍的水中，加热至130℃，热处理60min；

第二步：烘干

将热处理后的废弃角朊沥干水分，置于温度为90℃热风烘箱中烘至干燥；

第三步：粉碎

将干燥后的废弃角朊置于万能粉碎机中进行粉碎，粉碎机转速14000转/分，粉碎时间5min，得到颗粒尺寸为100μm左右的废弃角朊粉末；

第四步：与增塑剂混合

采用恒速搅拌机，将步骤三得到的废弃角朊粉末与乙二醇增塑剂均匀混合，角朊粉末与增塑剂质量之比为70％∶30％，搅拌机转速为800转/分，搅拌时间6min；

第五步：二次烘干

将混合均匀的角朊粉末与乙二醇增塑剂在70℃热风烘箱中进行二次烘干，烘干时间为40min；

第六步：热压成型

将步骤五得到的角朊粉末与甘油增塑剂混合物置于模具中进行热压，热压压力50MPa，热压温度160℃，热压时间15min；

第七步：冷却

在常温下自然冷却得到柔韧、力学性能、耐水性能好的角朊生物塑料。

Claims (4)

1.一种基于废弃角朊的生物塑料制备方法，其特征在于：所述方法包括以下工艺步骤：

第一步：高温热水处理

将经过除杂、清洗干净的废弃角朊置于质量为20～40倍的水中，加热至120～135℃热处理40～100min；

第二步：烘干

将热处理后的废弃角朊沥干水分，置于温度为80～100℃热风烘箱中烘至干燥；

第三步：粉碎

将干燥后的废弃角朊置于粉碎机中进行粉碎，粉碎机转速400～24000转/分，粉碎时间1～10min，得到颗粒尺寸为5～200μm的废弃角朊粉末；

第四步：与增塑剂混合

采用恒速搅拌机，将步骤三得到的角朊粉末与增塑剂均匀混合，搅拌机转速为400～1000转/分，搅拌时间3～8min；

第五步：二次烘干

将混合均匀的角朊粉末与增塑剂在60～85℃热风烘箱中进行二次烘干，烘干时间为30～60min；

第六步：热压成型

将步骤五得到的角朊粉末与增塑剂混合物置于模具中进行热压，热压压力30～70MPa，热压温度150～165℃，热压时间8～20min；

第七步：冷却

在常温下自然冷却得到柔韧、力学性能、耐水性能好的角朊生物塑料。

2.根据权利要求1所述的基于废弃角朊的生物塑料制备方法，其特征在于：所述废弃角朊包括100％废弃羊毛、兔毛等毛绒类服装，毛纺、毛织、服装等工程中产生的各种100％废弃羊毛纤维、回丝、废纱、废布等以及屠宰行业产生的废弃羊毛、禽类羽毛、猪毛等一种角朊或几种角朊混合物。

3.根据权利要求1所述的基于废弃角朊的生物塑料制备方法，其特征在于：步骤三中，所述粉碎机为万能粉碎机、植物粉碎机、纳米球磨机等。

4.根据权利要求1所述的基于废弃角朊的生物塑料制备方法，其特征在于：步骤四中，所述增塑剂为乙二醇、甘油、丙二醇中的一种，废弃角朊与增塑剂质量之比为60～75％∶40～25％。