CN104017340B - 甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物降解材料技术领域，公开了一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料及其制备方法。所述甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料包含以下质量百分含量的组分：甘蔗渣5％～20％、木薯淀粉10％～40％、聚乳酸20％～60％、聚己内酯5％～20％、偶联剂0.5％～3％、增塑剂0.5％～5％、润滑剂和热稳定剂1％～5％。将上述组分混合均匀后加入至双螺杆挤出机，在挤出温度为80～140℃，螺杆转速为40～100r/min的条件下挤出造粒，得到甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。所得材料具有良好的生物降解性能和力学性能，可用于制备日用塑料制品。
Description
技术领域
本发明属于生物降解材料技术领域，具体涉及一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着石油资源总量日趋减少、价格飞速提高，以及废弃高分子材料造成的环境污染日益恶化，生物降解塑料越来越受到重视。目前，全球已开发了多种基于不同原料的生物降解塑料，主要品种包括淀粉基生物降解塑料、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚己内酯(PCL)、二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯(APC)、脂肪-芳香共聚酯等。其中，淀粉基生物降解塑料、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是当前国内外研究和开发最多、技术相对成熟、产业化规模最大的生物降解塑料品种，也是目前市场消费的主要品种，可以认为是当前国际生物降解塑料的三大主流技术，但成本问题一直是困扰生物降解塑料产业发展的核心。
聚乳酸，PBS等合成生物降解高分子材料的成本很高，而甘蔗渣，淀粉等天然高分子材料来源丰富，成本低廉，且完全生物降解。因此，研究者们致力于研究合成生物降解高分子材料与天然高分子材料的共混技术，以期解决降解材料的成本和综合性能的问题，目前研究较多的是采用淀粉和合成生物降解高分子复合的技术，直接以蔗渣等天然植物纤维为基体的研究较少。甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，来源集中、产量巨大、收集简单、运输半径小，是一种十分优质的可再生性农业废弃物资源，因此甘蔗渣的高效利用是一个重要的研究课题。但长期以来，甘蔗渣的综合利用率和产生的附加值较低，除部分甘蔗渣用作造纸和人造板材外，主要供糖厂本身作为能源燃料烧掉或大量堆积直接废弃，造成了极大的资源浪费和环境污染。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。
本发明的另一目的在于提供上述甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料，包含以下质量百分含量的组分：
所述的甘蔗渣为经过预处理的甘蔗渣，预处理过程如下：将制糖厂运来的甘蔗渣，先经过筛孔为7～8mm的除髓机两次除髓使甘蔗渣的含髓量低于5％，然后将除髓机除髓后的甘蔗渣进行湿法堆存，便于长期保存，湿法堆存后的甘蔗渣使用前再经过一次湿法除髓使甘蔗渣的含髓量低于1％，最后干燥并粉碎至粒径为80～150目，得到经过预处理的甘蔗渣。
所述木薯淀粉为经过预改性的木薯淀粉，预改性过程如下：先将木薯淀粉在烘箱60～80℃下干燥6～24小时，将干燥后的木薯淀粉中加入占木薯淀粉重量0.1％～2％的柠檬酸、1％～5％的甘油和1％～5％的乙酰胺混合均匀得到混合物料，柠檬酸、甘油和乙酰胺的纯度规格为化学纯，混合物料加入双螺杆挤出机中在挤出温度为80～120℃，螺杆转速为40～80r/min的条件下进行挤出改性，得到经过预改性的木薯淀粉。
所述聚乳酸为聚-L-乳酸(PLLA)、聚-D-乳酸(PDLA)、聚-DL-乳酸(PDLLA)中的至少一种，聚乳酸的重均分子量为10～30万。
所述聚己内酯的重均分子量为5～10万。
所述的偶联剂优选铝酸酯；所述的增塑剂优选单甘酯；所述的润滑剂和热稳定剂优选硬脂酸钙。
上述甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料的制备方法，包括以下操作步骤：将质量百分含量5％～20％的甘蔗渣、质量百分含量10％～40％的木薯淀粉、质量百分含量20％～60％的聚乳酸、质量百分含量5％～20％的聚己内酯、质量百分含量0.5％～3％的偶联剂、质量百分含量0.5％～5％的增塑剂、质量百分含量1％～5％的润滑剂和热稳定剂，混合均匀后加入至双螺杆挤出机，在挤出温度为80～140℃，螺杆转速为40～100r/min的条件下挤出造粒，得到甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。
上述甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料在制备日用塑料制品中的应用，将所述甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料经过单螺杆注塑机挤出注塑，即可得到具有生物降解功能的日用塑料制品。
通过本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料实现了甘蔗渣的有效利用，有效提高甘蔗渣的附加值，特别是解决了制糖工业中甘蔗渣废弃物处理的难题，增加糖厂的经济效益，并有利于节能减排，实现经济增长与节能减排的有效结合；
(2)甘蔗是季节性作物，甘蔗渣主要集中出现在蔗糖榨季，短时间内大量堆存，因甘蔗渣含有残余糖分等缘故，甘蔗渣在堆存过程中极易发生霉变。本发明中的经过预处理的甘蔗渣能够长期保存，不易霉变，保持较好的色泽，解决全年的原料供应问题；
(3)本发明中使用的木薯淀粉产量丰富，较马铃薯等淀粉价格便宜，有利于降低生物降解材料的生产成本，同时木薯淀粉的改性方法简便，有利于生物降解材料的制备；
(4)本发明对木薯淀粉进行预改性，有利于增强生物降解材料的力学性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将制糖厂运来的甘蔗渣，先经过筛孔为7～8mm的除髓机两次除髓使甘蔗渣的含髓量低于5％，然后将除髓机除髓后的甘蔗渣进行湿法堆存，湿法堆存后的甘蔗渣再经过一次湿法除髓使甘蔗渣的含髓量低于1％，最后干燥并粉碎至粒径为80目，得到经过预处理的甘蔗渣；
将木薯淀粉在烘箱60℃下干燥24小时，干燥后的木薯淀粉中加入木薯淀粉重量1％的柠檬酸、2％的甘油和2％的乙酰胺混合均匀得到混合物料，柠檬酸、甘油和乙酰胺的纯度规格为化学纯，混合物料加入双螺杆挤出机中在挤出温度为100℃，螺杆转速为60r/min的条件下进行挤出改性，得到经过预改性的木薯淀粉；
将质量百分含量为5％经过预处理的甘蔗渣、40％经过预改性后的木薯淀粉、40％重均分子量为10万的聚-DL-乳酸(PDLLA)、7％重均分子量为5万的聚己内酯、1％铝酸酯、3％单甘脂和4％硬脂酸钙，混合均匀后加入至双螺杆挤出机，在挤出温度为140℃，螺杆转速为100r/min的条件下挤出造粒，得到甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。所得材料各性能指标如下：
材料拉伸强度(GB/T1040-2006)为34.0Mpa；冲击强度(GB/T1843-2008)为5.62KJ/M2；弯曲强度(GB/T9341-2008)为53.4Mpa。
将所得甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料经过单螺杆注塑机挤出注塑，即可得到具有生物降解功能的日用制品。
实施例2
将制糖厂运来的甘蔗渣，先经过筛孔为7～8mm的除髓机两次除髓使甘蔗渣的含髓量低于5％，然后将除髓机除髓后的甘蔗渣进行湿法堆存，湿法堆存后的甘蔗渣再经过一次湿法除髓使甘蔗渣的含髓量低于1％，最后干燥并粉碎至粒径为100目，得到经过预处理的甘蔗渣；
将木薯淀粉在烘箱80℃下干燥18小时，干燥后的木薯淀粉中加入木薯淀粉重量1.5％的柠檬酸、2.5％的甘油和3％的乙酰胺混合均匀得到混合物料，柠檬酸、甘油和乙酰胺的纯度规格为化学纯，混合物料加入双螺杆挤出机中在挤出温度为120℃，螺杆转速为80r/min的条件下进行挤出改性，得到经过预改性的木薯淀粉；
将质量百分含量为7％经过预处理的甘蔗渣、35％经过预改性后的木薯淀粉、45％重均分子量为20万的聚-DL-乳酸(PDLLA)、7％重均分子量为5万聚己内酯、0.5％铝酸酯、3.5％单甘脂和2％硬脂酸钙，混合均匀后加入至双螺杆挤出机，在挤出温度为130℃，螺杆转速为80r/min的条件下挤出造粒，得到甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。所得材料各性能指标如下：
材料拉伸强度(GB/T1040-2006)为38.4Mpa；冲击强度(GB/T1843-2008)为5.54KJ/M2；弯曲强度(GB/T9341-2008)为55.3Mpa。
将所得甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料经过单螺杆注塑机挤出注塑，即可得到具有生物降解功能的日用制品。
实施例3
将制糖厂运来的甘蔗渣，先经过筛孔为7～8mm的除髓机两次除髓使甘蔗渣的含髓量低于5％，然后将除髓机除髓后的甘蔗渣进行湿法堆存，湿法堆存后的甘蔗渣再经过一次湿法除髓使甘蔗渣的含髓量低于1％，最后干燥并粉碎至粒径为150目，得到经过预处理的甘蔗渣；
将木薯淀粉在烘箱80℃下干燥12小时，干燥后的木薯淀粉中加入木薯淀粉重量1％的柠檬酸、3％的甘油和3％的乙酰胺混合均匀得到混合物料，柠檬酸、甘油和乙酰胺的纯度规格为化学纯，混合物料加入双螺杆挤出机中在挤出温度为110℃，螺杆转速为70r/min的条件下进行挤出改性，得到经过预改性的木薯淀粉；
将质量百分含量为8％经过预处理的甘蔗渣、30％经过预改性后的木薯淀粉、45％重均分子量为15万的聚-L-乳酸(PLLA)、10％重均分子量为6万的聚己内酯、1％铝酸酯、3％单甘脂和3％硬脂酸钙，混合均匀后加入至双螺杆挤出机，在挤出温度为120℃，螺杆转速为60r/min的条件下挤出造粒，得到甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。所得材料各性能指标如下：
材料拉伸强度(GB/T1040-2006)为42.0Mpa；冲击强度(GB/T1843-2008)为5.33KJ/M2；弯曲强度(GB/T9341-2008)为56.5Mpa。
将所得甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料经过单螺杆注塑机挤出注塑，即可得到具有生物降解功能的日用制品。
实施例4
将制糖厂运来的甘蔗渣，先经过筛孔为7～8mm的除髓机两次除髓使甘蔗渣的含髓量低于5％，然后将除髓机除髓后的甘蔗渣进行湿法堆存，湿法堆存后的甘蔗渣再经过一次湿法除髓使甘蔗渣的含髓量低于1％，最后干燥并粉碎至粒径为180目，得到经过预处理的甘蔗渣；
将木薯淀粉在烘箱70℃下干燥12小时，干燥后的木薯淀粉中加入木薯淀粉重量1％的柠檬酸、3％的甘油和3％的乙酰胺混合均匀得到混合物料，柠檬酸、甘油和乙酰胺的纯度规格为化学纯，混合物料加入双螺杆挤出机中在挤出温度为110℃，螺杆转速为70r/min的条件下进行挤出改性，得到经过预改性的木薯淀粉；
将质量百分含量为9％经过预处理的甘蔗渣、30％经过预改性后的木薯淀粉、45％重均分子量为25万的聚-D-乳酸(PDLA)、10％重均分子量为8万的聚己内酯、1％铝酸酯、2％单甘脂和3％硬脂酸钙，混合均匀后加入至双螺杆挤出机，在挤出温度为120℃，螺杆转速为60r/min的条件下挤出造粒，得到甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。所得材料各性能指标如下：
材料拉伸强度(GB/T1040-2006)为43.7Mpa；冲击强度(GB/T1843-2008)为5.12KJ/M2；弯曲强度(GB/T9341-2008)为57.2Mpa。
将所得甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料经过单螺杆注塑机挤出注塑，即可得到具有生物降解功能的日用制品。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料，其特征在于包含以下质量百分含量的组分：
所述的甘蔗渣为经过预处理的甘蔗渣，预处理过程如下：将制糖厂的甘蔗渣，先经过筛孔为7～8mm的除髓机两次除髓使甘蔗渣的含髓量低于5％，然后将除髓机除髓后的甘蔗渣进行湿法堆存，湿法堆存后的甘蔗渣使用前再经过一次湿法除髓使甘蔗渣的含髓量低于1％，最后干燥并粉碎至粒径为80～150目，得到经过预处理的甘蔗渣；
所述木薯淀粉为经过预改性的木薯淀粉，预改性过程如下：先将木薯淀粉在烘箱60～80℃下干燥6～24小时，将干燥后的木薯淀粉中加入占木薯淀粉重量0.1％～2％的柠檬酸、1％～5％的甘油和1％～5％的乙酰胺混合均匀得到混合物料，柠檬酸、甘油和乙酰胺的纯度规格为化学纯，将混合物料加入双螺杆挤出机中在挤出温度为80～120℃，螺杆转速为40～80r/min的条件下进行挤出改性，得到经过预改性的木薯淀粉。
2.根据权利要求1所述的一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料，其特征在于：所述聚乳酸为聚-L-乳酸、聚-D-乳酸、聚-DL-乳酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料，其特征在于：所述聚乳酸的重均分子量为10～30万；所述聚己内酯的重均分子量为5～10万。
4.根据权利要求1所述的一种甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料，其特征在于：所述的偶联剂为铝酸酯；所述的增塑剂为单甘酯；所述的润滑剂和热稳定剂为硬脂酸钙。
5.权利要求1～4任一项所述的甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：将质量百分含量5％～20％的甘蔗渣、质量百分含量10％～40％的木薯淀粉、质量百分含量20％～60％的聚乳酸、质量百分含量5％～20％的聚己内酯、质量百分含量0.5％～3％的偶联剂、质量百分含量0.5％～5％的增塑剂、质量百分含量1％～5％的润滑剂和热稳定剂，混合均匀后加入至双螺杆挤出机，在挤出温度为80～140℃，螺杆转速为40～100r/min的条件下挤出造粒，得到甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料。
6.权利要求1～4任一项所述的甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料在制备日用塑料制品中的应用，其特征在于：所述应用是将所述甘蔗渣木薯淀粉聚乳酸生物降解材料经过单螺杆注塑机挤出注塑，即可得到具有生物降解功能的日用塑料制品。
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