CN104177662A - 一种生物降解材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物降解材料及其制备方法和应用，生物降解材料是由以下重量百分比的原料组成：淀粉40％～60％，植物纤维素35％～50％，助剂3％～12％；其制备方法包括以下步骤：A)脱水；B)粉碎；C)成型；通过该方法制备的生物降解材料在制备淀粉吸管中的应用。本发明在粉碎处理过程中同时采用化学、物理变性，摒弃了淀粉材料传统的先高低温混合改性后再共混挤出工艺，材料稳定性进一步提高，工艺更简化，制备出完全可降解材料，其强度、韧性、透明度、耐水性、降解性及成本远优于目前使用的共混生物塑料，从而有利于材料的推广应用和环境保护。

Description

一种生物降解材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及塑料材料领域，尤其涉及一种生物降解材料及其制备方法和应用。

背景技术

自然界大量的白色污染(塑料制品)和黑色污染(橡胶制品)等主要是由用途广泛的高分子材料所造成。随着环境污染的日益严重，发展既有利于环境保护、又具有高分子材料各种性能的新型可降解材料是必然趋势。目前，可降解高分子材料正处于研发和部分转化阶段，主要有微生物降解材料、生物降解材料、光降解材料和化学降解材料，其中以既具有高分子材料优良使用性能，废弃后又可完全分解和无机化的生物降解材料为重点。如美国和日本已使用的玉米淀粉发酵生产的可降解塑料地膜和近期研发的用白薯淀粉制成的汽车配件及用玉米淀粉制成的电脑外壳。虽然美国和日本已研发和使用了生物降解高分子材料，但它们在实际使用中存在以下问题：一是可降解塑料地膜生产成本高，价格昂贵，生物降解材料实际产量和消费量都不大，推广使用存在难度；二是生物降解材料制造工艺配方和控制技术还不大成熟，造成生物降解材料耐热性、耐磨性、形状稳定性及刚度等各种性能还不够高。不符合生物降解材料高性能、低消耗、再利用、再循环和自行降解的发展趋势。经过分析认为，造成生物降解材料存在上述问题主要原因是：淀粉虽然是一种丰富的可再生高分子材料，但因淀粉分子链中含有大量羟基，分子间作用于力大，使分解温度低于其熔点，造成淀粉粘度高、加工流动性较低，需要对淀粉进行热塑化处理才能加工成型；淀粉分子链中的羟基亲水性高，致使其耐水性较差。目前国内外关于淀粉基生物降解材料技术中常用增塑的方法来制备热塑性淀粉、解决热塑化问题以便于加工成型。或者采用与铝酸酯、钛酸酯等偶联剂及聚烯烃或其共聚物共混的工艺方法来提高淀粉基体的相容性，解决耐水性较差问题。

这些方法主要是利用物理、化学的手段来改变天然淀粉的性质，通过分子切断、重排、氧化或在淀粉分子中引入取代基，可制得性质发生变化、加强或具有新性质的淀粉衍生物。

淀粉的化学变性工艺虽然能改变淀粉的一些性质，满足应用要求。但国内外所开发的各类以变性淀粉为原料的材料，在产品使用性能方面，其性能指标无法达到传统产品的标准。如淀粉包膜材料存在强度低、防水性能不足、耐酸耐械性能差等问题，采用淀粉生产的各种挤出注塑制品，其稳定性和耐热性差，产品易老化；产品环保性能方面，因生产过程中使用了石化原料从而降低了产品的环保特性，如淀粉填充塑料中淀粉含量仅为7-30％。采用接枝共聚工艺生产的淀粉基包装材料仍然含有大量聚烯烃塑料成分，这类产品在土壤中并不能实现完全降解，其石化成分仍然会在土壤中长期存在，对环境造成污染。种种原因都限制了生物降解材料更广泛的应用。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种生物降解材料及其制备方法和应用。

一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：

淀粉40％～60％；

植物纤维素35％～50％；

助剂3％～12％。

优选地，所述的生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：

淀粉45％～55％；

植物纤维素40％～45％；

助剂5％～10％。

优选地，所述助剂为含有端氨基类化合物、酰胺类液体化合物以及高温淀粉酶、异淀粉酶的混合物，以重量份计，所述含有端氨基类化合物为40～60份，所述酰胺类液体化合物为40～60份，所述高温淀粉酶为1～2份，所述异淀粉酶为1～2份。

本发明提供一种生物降解材料的制备方法，包括以下步骤：

A)脱水：将40wt％～60wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为110℃～130℃，处理时间为5min～10min；

B)粉碎：将35wt％～50wt％的植物纤维素、5wt％～12wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；

C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌5min～10min，在控制温度为110℃～145℃，压力8～12MPa，经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料。

优选地，步骤B中的粉碎处理是通过强大气流进行粉碎。

所述的生物降解材料在制备淀粉吸管中的应用；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，可制成玉米淀粉吸管，彻底解决了石化塑料吸管对环境的污染，同时也解决了部分厂家使用可降解聚乳酸材料生产的吸管耐温低的问题：聚乳酸塑料虽然可以降解，但由于其耐温55℃，接触温度稍高的物品即软化变形，影响使用，经改性后的聚乳酸塑料虽然解决了耐温性，但其高昂的价格也成为其广泛推广使用的瓶颈。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明在粉碎处理过程中同时采用化学、物理变性，摒弃了淀粉材料传统的高低温混合改性后共混工艺，材料稳定性进一步提高，工艺更简化，制备出完全可降解材料，其强度、韧性、透明度、耐水性、降解性及成本远优于目前使用的生物基塑料，从而有利于材料的推广应用和环境保护。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明一种生物降解材料及其制备方法和应用做进一步详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。

实施例1

本发明提出一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：淀粉60％，植物纤维35％，助剂5％，助剂为40重量份含有端氨基类化合物、40重量份酰胺类液体化合物以及1重量份高温淀粉酶、1重量份异淀粉酶的混合物；其制备方法包括以下步骤：A)脱水：将60wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为130℃，处理时间为10min；B)粉碎：将35wt％的植物纤维素、5wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并通过强大气流进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌10min，在控制温度为140℃，压力12MPa，经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，制得玉米淀粉吸管。

实施例2

本发明提出一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：淀粉55％，植物纤维素40％，助剂5％，助剂为40重量份含有端氨基类化合物、60重量份酰胺类液体化合物以及2重量份高温淀粉酶、1重量份异淀粉酶的混合物；其制备方法包括以下步骤：A)脱水：将55wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为120℃，处理时间为8min；B)粉碎：将40wt％的植物纤维素、5wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并通过强大气流进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌6min，在控制温度为135℃，压力10MPa，经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，制得玉米淀粉吸管。

实施例3

本发明提出一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：淀粉50％，植物纤维素42％，助剂8％，助剂为50重量份含有端氨基类化合物、50重量份酰胺类液体化合物以及2重量份高温淀粉酶、1重量份异淀粉酶的混合物；其制备方法包括以下步骤：A)脱水：将50wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为120℃，处理时间为8min；B)粉碎：将42wt％的植物纤维素、8wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并通过强大气流进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌6min，在控制温度为140℃，压力9MPa，经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，制得玉米淀粉吸管。

实施例4

本发明提出一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：淀粉45％，植物纤维素45％，助剂10％，助剂为60重量份含有端氨基类化合物、40重量份酰胺类液体化合物以及1重量份高温淀粉酶、1重量份异淀粉酶的混合物；其制备方法包括以下步骤：A)脱水：将45wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为110℃，处理时间为5min；B)粉碎：将45wt％的植物纤维素、10wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并通过强大气流进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌5min，在控制温度为145℃，压力8MPa，经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，制得玉米淀粉吸管。

实施例5

本发明提出一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：淀粉40％，植物纤维素50％，助剂10％，助剂为55重量份含有端氨基类化合物、45重量份酰胺类液体化合物以及1重量份高温淀粉酶、2重量份异淀粉酶的混合物；其制备方法包括以下步骤：A)脱水：将40wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为110℃，处理时间为5min；B)粉碎：将50wt％的植物纤维素、10wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并通过强大气流进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌5min，在控制温度为145℃，压力10MPa，经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，制得玉米淀粉吸管。

实施例6

本发明提出一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：淀粉52％，植物纤维素36％，助剂12％，助剂为60重量份含有端氨基类化合物、60重量份酰胺类液体化合物以及2重量份高温淀粉酶、2重量份异淀粉酶的混合物；其制备方法包括以下步骤：A)脱水：将52wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为120℃，处理时间为8min；B)粉碎：将36wt％的植物纤维素、12wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并通过强大气流进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌6min，在控制温度为135℃，压力11MPa，再经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，制得玉米淀粉吸管。

实施例7

本发明提出一种生物降解材料，由以下重量百分比的原料组成：淀粉56％，植物纤维素41％，助剂3％，助剂为40重量份含有端氨基类化合物、40重量份酰胺类液体化合物以及1重量份高温淀粉酶、1重量份异淀粉酶的混合物；其制备方法包括以下步骤：A)脱水：将56wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为130℃，处理时间为10min；B)粉碎：将41wt％的植物纤维素、3wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并通过强大气流进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌10min，在控制温度为140℃，压力12MPa，再经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料；将通过上述方法制备的生物降解材料加入到吸管成型设备中，调整好设备的成型温度，按常规的吸管制作方式，制得玉米淀粉吸管。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种生物降解材料，其特征在于，由以下重量百分比的原料组成：

淀粉40％～60％；

植物纤维素35％～50％；

助剂3％～12％。

2.根据权利要求1所述的生物降解材料，其特征在于，由以下重量百分比的原料组成：

淀粉45％～55％；

植物纤维素40％～45％；

助剂5％～10％。

3.根据权利要求1或2所述的生物降解材料，其特征在于，所述助剂为含有端氨基类化合物、酰胺类液体化合物以及高温淀粉酶、异淀粉酶的混合物，以重量份计，所述含有端氨基类化合物为40～60份，所述酰胺类液体化合物为40～60份，所述高温淀粉酶为1～2份，所述异淀粉酶为1～2份。

4.根据权利要求1或2所述的生物降解材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)脱水：将40wt％～60wt％的淀粉进行烘干脱水处理，处理温度为110℃～130℃，处理时间为5min～10min；

B)粉碎：将35wt％～50wt％的植物纤维素、3wt％～12wt％的助剂和经过步骤A处理的淀粉混合，并进行粉碎处理至混合物90％以上的粒径小于5um；

C)成型：将经过步骤B处理后的混合物进行搅拌5min～10min，在控制温度为110℃～145℃，压力8～12MPa，经过低温高剪切、挤出造粒、定型和裁切，即可制得生物降解材料。

5.根据权利要求4所述的生物降解材料的制备方法，其特征在于，步骤B中的粉碎处理是通过强大气流进行粉碎。

6.根据权利要求1或2所述的生物降解材料在制备淀粉吸管中的应用。