CN104844836B - 一种淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法：(1)将包括35～50重量份的淀粉、35～50重量份的聚丙烯、10～20重量份的甘油、5～15重量份的乙二醇、5～10重量份的EAA、0.1～2重量份的无机纳米粒子和0.5～2重量份的加工助剂的原料置入混合机在常温下进行初步预混合；(2)经初步预混合后的原料送入磨盘形动力学碾磨混合机，在常温下进行碾磨预混合，得到充分碾磨预混合的物料；(3)将充分碾磨预混合的物料送入双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制备得到用于制备一次性餐具的颗粒材料。本发明提供的制备方法克服了现有技术制备一次性餐具材料方法存在的预混效果不好、能耗高、加工效率低、工作环境差等问题。

Description

一种淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法

技术领域

本发明涉及一次性餐具材料技术领域，具体来说涉及一种制备淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料的工艺方法。

技术背景

一次性餐具材料是一种以淀粉和聚烯烃树脂为基体的低碳共混颗粒材料。淀粉是植物体衍生得到的生物质材料，是一种天然的高分子材料，由α-D-葡萄糖单元通过α-(1,4)-D-糖苷键连接而成的聚合物，其化学结构式为(C₆H₁₀O₅)_n。淀粉除作为食品外，也可作为重要的工业原料。淀粉作为工业原料与石油化工原料相比，具有价廉、可生物降解、无污染等优点，符合环境保护和可持续发展战略。但淀粉作为塑料工业加工原料，在应用中也存在着很多不足，这主要表现在抗剪切性能及耐老化性差，加之淀粉本身存在很强的分子内和分子间氢键，导致其玻璃化温度和熔融温度都高于其分解温度(225～250℃)。为了克服淀粉存在的上述不足，一般是通过加入一定量的增塑剂以削弱淀粉分子中的氢键作用，降低其玻璃化温度和熔融温度，来实现淀粉的热塑加工。

淀粉/聚烯烃树脂基一次性餐具材料的加工制备，在材料配方确定了之后，一个十分重要的工作是如何将原料组分混合在一起，使整个体系的各组分在其基本单元没有本质变化的情况下细化和均匀分布。以淀粉和聚烯烃树脂为基体的一次性餐具材料加工，通常采取在淀粉、聚烯烃树脂、增塑剂(甘油、乙二醇)、增溶剂EAA存在的情况下，先将原料置入混合设备进行预混，然后再利用双螺杆挤出机熔融共混造粒。对于以淀粉和聚烯烃树脂为基体的一次性餐具材料，其原料组分淀粉是亲水性天然高分子物质，而聚烯烃为疏水性材料，二者的相容性极差，在一次性餐具材料的制备过程中，采用传统的预混合设备(重力混合器、气动混合器、滚筒类混合设备、转子类混合设备)都很难达到预混的特殊要求，且原料预混不好，在后面的熔融共混阶段是弥补不了预混不均匀带来不利结果的。所以在淀粉/PP的加工中，一个很重要的关键技术就是原料的预混合。当今以淀粉和聚烯烃树脂为基体的一次性餐具材料加工的现有技术，是采用先在高速搅拌机中于高温(120℃)条件下进行长时间(30分钟)预混，然后再利用双螺杆挤出机熔融共混造粒。高速混合机转速极高(每分钟在600～1200转)，属于高强度混合设备。高速混合机的工作原理是：物料投入高速混合机的混合室内后，一方面从混合室夹壁内的加热介质获得热量，另一方面受到混合室下部的搅拌桨高速搅拌，在离心力的作用下，由混合室底部沿室壁上升至一定高度后落下，然后再上升、再落下，从而使物料颗粒之间产生较高的剪切摩擦作用并获得热量。因此，在物料组分混合均匀的同时，也获得热量达到混合工艺温度。混合室内折流板作用使物料形成漩涡，以有利于组分分散均匀。采用高速混合机进行预混合，能够对原料组分进行充分混合，混合效果好。但高速混合机对原料没有破碎效果，因此高速搅拌混合的时间比较长(30分钟)，能耗高(高速搅拌机需通入加热介质加热、剪切摩擦生热和高混机外壳散热严重)，且单锅预混料的耗时长，混料时粉尘大(排气时有大量的粉体被带出)，工作环境较差(高温、粉尘和操作人员劳动强度较大)。

发明内容

针对现有技术的一次性餐具材料加工制备方法存在的不足，本发明的目的旨在提供一种新的用于制备淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料的工艺方法，以克服现有技术制备一次性餐具材料方法存在的预混效果不好、能耗高、加工效率低、工作环境差等问题。

本发明提供的一种淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，主要内容包括：

(1)将包括35～50重量份的淀粉、35～50重量份的聚丙烯、10～20重量份的甘油、5～15重量份的乙二醇、5～10重量份的EAA、0.1～2重量份的无机纳米粒子和0.5～2重量份的加工助剂的原料置入混合机，在常温下对原料组分进行整体初步预混合；

(2)原料组分经整体初步预混合后送入磨盘形动力学碾磨混合机，在常温下对原料进行碾磨预混合，得到充分碾磨预混合的物料；

(3)将充分碾磨预混合的物料送入双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，得到用于制备一次性餐具的颗粒材料。

本发明进一步的技术方案，经磨盘形动力学碾磨混合机充分碾磨预混合的物料由引风机负压收集到料仓，再从料仓送入双螺杆挤出机。

在本发明的上述技术方案中，原料初步预混合优选采用将原料置入高速混合机在常温下整体初步预混合2～5分钟排出，再送入磨盘形动力学碾磨混合机进行预混合。所述整体初步预混合是指各原料组分的本体形态基本没有改变的混合。

在本发明的上述技术方案中，所述淀粉可为木薯淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉等中的至少一种；所述的无机纳米粒子优选纳米蒙脱土；所述加工助剂为受阻酚抗氧剂1010和辅助抗氧剂168中的至少一种。

在本发明的上述技术方案中，所述磨盘形动力学碾磨混合机，优先选用碾磨机构由结构相似动磨盘和静磨盘构成，静磨盘中央设计有物料进入动静磨盘磨齿之间的进料孔的磨盘形动力学碾磨混合机。

在本发明的上述技术方案中，所谓常温一般是指0℃至40℃范围内的温度；所谓混合机除了高速混合机外，还可以是传统的预混合设备，如重力混合器、气动混合器、滚筒类混合器、转子类混合器等混合设备。

本发明选择使用用的磨盘形动力学碾磨混合机，其磨盘任一半径的有效面积可按以下公式计算：

AO＝2πRD·[G-(Dtgα)]/B+G

公式中：AO-有效面积；R-磨盘半径，为150～250mm；D齿槽深度，为2～5mm；G-齿槽宽度，为12～20mm；α-磨齿斜角，为45～60°；B-齿条宽度，为1～3mm。磨盘用9SiCr钢加工，通过热处理或其他手段(如氮化)改善钢材的组织结构，以提高钢材的力学性能，从而提高磨盘的工作寿命。定盘设置有温度控制装置，以对磨盘、物料温度实施有效控制，以防止物料因承受过强的剪切而产生过热分解。

物料进入磨盘型动力学混合器动静磨盘磨齿之间后，在磨盘磨齿施加的碾磨、剪切、摩擦、粉碎、切割、撕扯、输送等一系列纷繁、多维位移的强大动力作用下，原料物料被碾磨成为比表面积大、干燥、细化和分布均匀的固相基料，物料的外形发生了很大的变化，有的材料被细化，有的成为片状，有的成为细条，无大颗粒状物料，把配方物料充分的碾磨混合均匀。经碾磨预混合后的物料由引风机负压收集到旋风分离料仓，在碾磨的过程中因摩擦升温和排风，物料中的水分在旋风分离器出风口排出，材料得到了有效的干燥。磨盘型动力学混合器完全满足了制备低碳复合材料的预混工艺要求，起到了意想不到的效果，为下一步材料的熔融共混奠定了坚实的基础。而且此工艺能实现自动化流水线作业，减小了操作人员的劳动强度，预混工作温度低，粉尘产出量少，改善了操作人员的工作环境，特别是能耗比常规的预混工艺低了很多(15％)，充分体现了国家低碳经济、环境保护和可持续发展的理念，是对现有技术的淀粉/聚烯烃基材料制备工艺方法的突破和创新。

现有技术的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，由于淀粉是亲水性高分子物质，聚烯烃为疏水性材料，二者的相容性极差，传统的预混合设备(重力混合器、气动混合器、滚筒类混合设备、转子类混合设备)都很难达到预混的特殊要求。预混阶段预混效果不好，在后工序的熔融共混阶段是弥补不了预混不好带来的不利后果，制备的材料性能将难以达到设计要求。所以在淀粉/PP的加工中，除了原料配方之外，一个很重要的关键技术就是原料的预混合，它涉及混合过程、混合机械和混合工艺。为解决淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备预混工艺的疑难问题，本申请的发明人在深入了解了各种不同混合设备的性能结构特点和制备材料各原料组分性能及工艺需要的基础上，深入研究了淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料的加工规律，在上述工作基础上建立了不同试验模型，作了很多的尝试之后，才提出了本发明的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法。

本发明采用高速混合机在常温下对原料整体进行2～5分钟短时间的初步预混合之后，将得到的初步预混合原料物料送入特别选择的磨盘形动力学碾磨混合机，进行碾磨预混合，由于磨盘形动力学碾磨混合机的碾磨机构，是由结构相似的安装在动力轴上的动磨盘和安装在机壳上的静磨盘构成，进入静动磨盘磨齿之间的物料，在磨盘磨齿的碾磨、剪切、摩擦、切割、撕扯、输送等一系列纷繁、多维位移的强大动力作用下，被粉碎成粒径小、比表面积大、干燥、混合均匀的粉状、条状和片状基料，天然的与合成的高分子材料经过力学方法加工后，提高了某些性能指标或赋予某些新的特有性，使目前淀粉/聚烯烃基物料加工中难以解决的问题得以迎刃而解。经充分混合粉碎细化的物料从料仓送入双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，得到所要制备的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料。

采用本发明的制备方法对淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料进行加工，较之现有技术采取在淀粉、聚烯烃树脂、增塑剂(甘油、乙二醇)、增溶剂EAA存在的情况下，先在高速搅拌机中于高温(120℃)条件下进行长时间(30分钟)预混，然后再利用双螺杆挤出机熔融共混造粒，在预混效果、能耗、加工效率、工作环境等方面都明显的提高与改善，如下附表1所示。

表1 磨盘型混合器与高搅机的使用对比

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。

实施例1

本实施例的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，主要内容包括：将木薯淀粉50kg，聚丙烯45kg，EAA 8kg，甘油15kg，乙二醇10kg，蒙脱土0.1kg，1010抗氧剂0.3kg，168抗氧剂0.2kg在高搅机中搅拌2分钟后取出，放入动磨盘为1000rpm，动、静磨盘间隙0.2mm的磨盘型动力学混合器的料斗中进行碾磨预混，研磨后的物料经负压管道由引风机负压收集到旋风分离料仓，再由管道输送至120℃～170℃、120rpm的双螺杆挤出机料斗中熔融挤出造粒，制得低碳共混颗粒材料。

实施例2

本实施例的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，主要内容包括：将马铃薯淀粉35kg，聚丙烯45kg，EAA 5kg，甘油10kg，乙二醇8kg，蒙脱土0.5kg，1010抗氧剂1.0kg，在高搅机中搅拌3分钟后取出，放入动磨盘为1000rpm，动、静磨盘间隙0.2mm的磨盘型动力学混合器的料斗中进行碾磨预混，研磨后的物料由管道输送至120℃～170℃、120rpm的双螺杆挤出机料斗中熔融共混挤出造粒，制得低碳共混颗粒材料。

实施例3

本实施例的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，主要内容包括：将木薯淀粉20kg，玉米淀粉20kg，聚丙烯450kg，EAA 5kg，甘油10kg，乙二醇10kg，蒙脱土1.5kg，1010抗氧剂0.5kg，168抗氧剂1.0kg在高搅机中搅拌3分钟后取出，放入动磨盘为1000rpm，动、静磨盘间隙0.2mm的磨盘型动力学混合器的料斗中进行碾磨预混，研磨后的物料经负压管道由引风机负压收集到旋风分离料仓，再由管道输送至120℃～170℃、120rpm的双螺杆挤出机料斗中熔融挤出造粒，制得低碳共混颗粒材料。

Claims (6)

1.一种淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，其特征在于：

(1)将包括35～50重量份的淀粉、35～50重量份的聚丙烯、10～20重量份的甘油、5～15重量份的乙二醇、5～10重量份的EAA、0.1～2重量份的无机纳米粒子和0.5～2重量份的加工助剂的原料置入混合机在常温下对原料组分进行整体初步预混合；

(2)原料组分经整体初步预混合后送入磨盘形动力学碾磨混合机，在常温下对原料进行碾磨预混合，得到充分碾磨预混合的物料；

(3)将充分碾磨预混合的物料送入双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，得到用于制备一次性餐具的颗粒材料；

所述磨盘形动力学碾磨混合机，其碾磨机构由结构相似的动磨盘和静磨盘构成，静磨盘中央设计有物料进入动静磨盘磨齿空间的进料孔。

2.根据权利要求1所述的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，其特征在于：经磨盘形动力学碾磨混合机充分碾磨预混合的物料由引风机负压收集到料仓，再从料仓送入双螺杆挤出机。

3.根据权利要求2所述的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，其特征在于：将原料置入高速混合机在常温下整体初步预混合2～5分钟排出。

4.根据权利要求1或2或3所述的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，其特征在于：所述淀粉为木薯淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉中的至少一种。

5.根据权利要求1或2或3所述的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，其特征在于：所述的无机纳米粒子为纳米蒙脱土。

6.根据权利要求1或2或3所述的淀粉/聚丙烯基一次性餐具材料制备方法，其特征在于：所述加工助剂为受阻酚抗氧剂1010和辅助抗氧剂168中的至少一种。