CN105461967A - 一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料 - Google Patents

一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料 Download PDF

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本发明涉及一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料，该材料由热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂复合而成，通过超临界CO2为发泡剂挤出发泡加工而成。其中各组分质量比为：热塑性淀粉为100份，纳米植物纤维为10-20份，淀粉-聚乳酸接枝共聚物为35-55份，气凝胶粉末为3-6份，八臂马来酸酐POSS粒子2-4份、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯3-8份、塑化剂及抗氧剂均为2-4份。此复合材料加工采用原位挤出发泡成型，材料具有较低的密度和高韧性的特征，且具有一定的阻隔性，可广泛应用于有特殊要求的缓冲包装领域。

Description

一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料
技术领域
本发明涉及一种环保发泡材料的制备方法，尤其涉及一种具有质量轻的，且具有优异韧性的、环保的淀粉基复合发泡材料的制备方法。
背景技术
塑料材料虽然拥有较优异的性能和广泛的适用性，但其来源于石油产品且无法降解，在资源危机和环境污染越发严重的今天，寻找性能优良且可再生的替代材料则成为目前材料领域研究的重中之重。在缓冲包装领域，聚苯乙烯发泡材料（EPS）因其优良的成型能力，发泡倍数和缓冲性能占据了缓冲包装材料的大部分份额。而聚乙烯发泡材料（EPE）虽然其缓冲性一般，但成本低廉，也被广泛应用于对缓冲性要求低的包装领域。但随着人们环保意识的增强，由塑料的非降解性所带来的“白色污染”已经成为日益严峻的问题,因发泡塑料如聚苯乙烯不易腐烂分解,燃烧时会散发有害气体、造成环境污染且用于聚苯乙烯发泡剂的氟氯碳化物(CFC8)会破坏大气臭氧层,危害生物，在欧洲及美国部分地区，已明令禁止使用EPS。找到一种制备工艺简单，性能优良，环境友好的发泡塑料替代材料及其可工业化的发泡成型的方法则成为材料科学领域的一大课题。
在国内外，一些研究者在此领域进行了探索研究，在目前的可降解材料中，淀粉因其便宜的价格和广泛的来源已被深入研究并通过改性与复合制备了多种生活与工业用品，如淀粉基膜、淀粉餐具等。而淀粉也被广泛应用于发泡材料中，如CN1357562公开的一种用于生产可完全降解植物淀粉发泡包装材料的组合物采用全植物淀粉发泡而成，密度小。CN101481506公布了一种植物纤维、淀粉发泡全降解材料防水制品，同样采用植物淀粉、纤维和防水剂共混挤出发泡得到具有较小密度的发泡产品。但淀粉有其天然的缺陷，它的力学性能差，性能不稳定，只能运用于对力学性能要求低的领域。为了提高整体的强度，在淀粉中加入其他具有较高强度的可降解材料如聚乳酸，CN101386703B公布了一种聚乳酸/热塑性淀粉发泡体及其生产方法，采用聚乳酸、热塑性淀粉、脂肪族-芳香族聚酯、聚乳酸增韧剂、成核剂为主要原料，采用发泡前驱体和发泡剂共同发泡挤出成型。CN1919926B公布了一种聚乳酸-淀粉发泡材料及其制备方法，即先将聚乳酸和淀粉分别熔融后，再混合发泡，形成耐水性、发泡率高的泡沫制品。然后这些方法在工艺实现及材料的性能方面仍存在较大缺陷，如全降解发泡材料发泡倍率不足，在高发泡倍率后成型能力差，缓冲性差，且成型困难等。而一般的可降解发泡材料由于大量淀粉的使用，还导致易吸水，即容易造成霉变也容易导致力学性能的大幅下降。如可找到一种方法制备具有良好发泡倍率，且具有优异强度和韧性的淀粉发泡材料，无疑将具有巨大的市场潜力。
发明内容
本发明的目的是为了克服淀粉发泡材料的发泡倍率高后缓冲性差，强度低的缺陷，提供一种具有优异强度和缓冲特性的轻质的淀粉基发泡材料的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料，该材料由热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂复合，通过超临界CO2为发泡剂挤出发泡加工而成。材料中各组分的按质量份数比如下：
热塑性淀粉为100份，纳米植物纤维为10-20份，淀粉-聚乳酸接枝共聚物为35-55份，
气凝胶粉末为3-6份，八臂马来酸酐POSS粒子2-4份、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯3-8份、塑化剂及抗氧剂均为2-4份。
进一步，所述热塑性淀粉为以甘油等塑化剂塑化的天然淀粉，天然淀粉可为玉米淀粉、木薯淀粉中的一种。
进一步，所述的纳米植物纤维为木纤维、竹纤维、细菌纤维素中的一种，纤维的直径介于50-200nm之间，长径比介于50：1-200：1之间。
其制备可采用木纤维、竹纤维、细菌纤维素原纤通过物理处理如闪爆发、机械破碎法得到，也可通过化学法如酸水解法得到。也可直接购买市售产品。
进一步，所述淀粉-聚乳酸接枝共聚物中淀粉的取代度（定义为每个淀粉葡萄糖单元上的的羟基被取代的平均数）介于0.8-1.4之间。淀粉接枝聚乳酸的合成方法较多，可采用中国发明专利（申请号：2011102832634）和（申请号：2011101600822）所公开的方法制备，也可以采用市售产品。
进一步，所述气凝胶粉末为二氧化硅气凝胶粉末，其密度介于0.01-0.500g/cm-3之间。
气凝胶粉末可采用硅氧凝胶冷冻干燥后磨粉制得，也可以使用直接购买市售产品。气凝胶粉末具有轻质，良好的强度和阻隔性等特点。
进一步，所述淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率介于45%-65%之间。淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯的制备方式多样，如可采用木薯淀粉为原料，以过硫酸钾为引发剂，乳液聚合制备淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯。
进一步，所述POSS粒子为八臂马来酸酐POSS
多面体低聚硅倍半氧烷（POSS）是一种具有八面体笼状结构的硅氧结构，POSS在笼状结构的角落上存在8个可进行改性的基团R。本发明中所涉及的八臂马来酸酐POSS的分子结构式为：
进一步，所述的塑化剂为邻苯二甲酸酯类塑化剂。
进一步，所述抗氧剂为抗氧剂264，BHT，168，1010中的一种或几种任意比例混合。
进一步，其加工方法为：
(1)：将所有原料于40℃下干燥两天至充分干燥，先将热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物于50℃下高速共混10-15分钟，后于130-150℃下熔融混炼共混均匀后切粒，得到预混料A，备用；
(2)：将预混料A、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂于50℃下高速共混10-15分钟，后投入双螺杆挤出发泡设备中，并通入超临界CO2作为发泡剂挤出发泡；
其特征还在于：
挤出发泡过程中，挤出发泡温度介于120-150℃之间，超临界CO2的通入量为热塑性淀粉质量的6%-9%，双螺杆挤出发泡设备机头压力介于5-8Mpa之间。
进一步，所述双螺杆挤出发泡设备为普通双螺杆挤出机与熔体泵连接而成。
进一步，所述超临界CO2在双螺杆挤出机后段即均化段进料。
本发明的有益效果在于：体系中热塑性淀粉作为主体，淀粉塑化后具有较好的加工性、纳米植物纤维的存在起到连接和增强的作用，淀粉-聚乳酸接枝共聚物具有较淀粉更好的弹性且可提高熔体强度，气凝胶粉末可有效降低材料的密度，且强化了材料的强度，八臂马来酸酐POSS粒子在其中也起到复合增强且改善相容剂的作用，淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯作为主相容剂起到连接淀纤维和淀粉-聚乳酸接枝共聚物的作用，超临界CO2发泡则有利于较大的发泡倍数和泡孔的均匀。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例1
一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料，该材料由热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂复合挤出发泡而成，各组分的质量为：
热塑性淀粉为2.6Kg，纳米植物纤维为0.39Kg，淀粉-聚乳酸接枝共聚物为1.092Kg，
气凝胶粉末为0.117Kg，八臂马来酸酐POSS粒子0.065Kg、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯0.1612Kg、塑化剂为0.0806Kg，抗氧剂为0.0858Kg。
所述热塑性淀粉为以甘油等塑化剂塑化的木薯淀粉。其中甘油和木薯淀粉的质量比为30：100，处理时间为24小时。
进一步，所述的纳米植物纤维的原料为木纤维，纳米纤维的直径介于50-200nm之间，长径比介于50：1-200：1之间。
所述所述淀粉-聚乳酸接枝共聚物中淀粉的取代度为1.2。其合成方法采用中国发明专利（申请号：2011102832634）的方法制备。
所述气凝胶粉末为二氧化硅气凝胶粉末，其密度为0.16g/cm-3。
所述淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率为52%。
所述的塑化剂为邻苯二甲酸二（2─乙基己）酯。
所述抗氧剂为抗氧剂264。
其加工方法为：
(1)：将所有原料于40℃下干燥两天至充分干燥，先将热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物于50℃下高速共混12分钟，后于130-150℃下熔融混炼共混均匀后切粒，得到预混料A，备用；
(2)：将预混料A、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂于50℃下高速共混12分钟，后投入双螺杆挤出发泡设备中，并通入超临界CO2作为发泡剂原位挤出发泡；
其中，挤出发泡温度介于130-150℃之间，超临界CO2的通入量为热塑性淀粉质量的7.5%，双螺杆挤出发泡设备机头压力介于7Mpa。
所述双螺杆挤出发泡设备为普通双螺杆挤出机与熔体泵连接而成。
所述超临界CO2在双螺杆挤出机后段即均化段进料。
具体性能如表1：
具体实施例2
一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料，该材料由热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂复合挤出发泡而成，各组分的质量为：
热塑性淀粉为3.1Kg，纳米植物纤维为0.465Kg，淀粉-聚乳酸接枝共聚物为1.302Kg，
气凝胶粉末为0.1395Kg，八臂马来酸酐POSS粒子0.0775Kg、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯0.1922Kg、塑化剂为0.0961Kg，抗氧剂为0.1023Kg。
所述热塑性淀粉为以甘油等塑化剂塑化的木薯淀粉。其中甘油和木薯淀粉的质量比为30：100，处理时间为24小时。
进一步，所述的纳米植物纤维的原料为竹纤维，纳米纤维的直径介于100-200nm之间，长径比介于50：1-200：1之间。
所述所述淀粉-聚乳酸接枝共聚物中淀粉的取代度为1.1。其合成方法采用中国发明专利（申请号：2011102832634）的方法制备。
所述气凝胶粉末为二氧化硅气凝胶粉末，其密度为0.22g/cm-3。
所述淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率为54%。
所述的塑化剂为邻苯二甲酸二（2─乙基己）酯。
所述抗氧剂为抗氧剂264。
其加工方法为：
(1)：将所有原料于40℃下干燥两天至充分干燥，先将热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物于50℃下高速共混12分钟，后于130-150℃下熔融混炼共混均匀后切粒，得到预混料A，备用；
(2)：将预混料A、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂于50℃下高速共混12分钟，后投入双螺杆挤出发泡设备中，并通入超临界CO2作为发泡剂原位挤出发泡；
其中，其中，挤出发泡温度介于120-140℃之间，超临界CO2的通入量为热塑性淀粉质量的8%，双螺杆挤出发泡设备机头压力介于7.5Mpa。
所述双螺杆挤出发泡设备为普通双螺杆挤出机与熔体泵连接而成。
所述超临界CO2在双螺杆挤出机后段即均化段进料。
具体性能如表1：
表1：
性能参数 参考标准 实施例1 实施例2
泡孔直径 GB/T6343-1995 150-250um 150-300um
压缩强度 GB/T6669-2001 1.62MPa 1.84 MPa
压缩永久变形 GB/T6669-2001 30分钟/24时后 4.53%/0.72% 30分钟/24小时后 3.85%/0.84%
拉伸强度 GB/T6344-1996 18.4MPa 22.3MPa
断裂伸长率 GB/T6344-1996 ≥300% ≥300%

Claims (5)

1.一种轻质淀粉基高韧性复合发泡材料，该材料由热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂复合，通过超临界CO2为发泡剂挤出发泡加工而成；
材料中各组分的按质量份数比如下：
热塑性淀粉为100份，纳米植物纤维为10-20份，淀粉-聚乳酸接枝共聚物为35-55份，
气凝胶粉末为3-6份，八臂马来酸酐POSS粒子为2-4份、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯为3-8份、塑化剂及抗氧剂均为2-4份；
其特征还在于：
其加工方法为：
(1)：将所有原料于40℃下干燥两天至充分干燥，先将热塑性淀粉、纳米植物纤维、淀粉-聚乳酸接枝共聚物于50℃下高速共混10-15分钟，后于130-150℃下熔融混炼共混均匀后切粒，得到预混料A，备用；
(2)：将预混料A、气凝胶粉末，八臂马来酸酐POSS粒子、淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、塑化剂及抗氧剂于50℃下高速共混10-15分钟，后投入双螺杆挤出发泡设备中，并通入超临界CO2作为发泡剂挤出发泡；
其特征还在于：
挤出发泡过程中，挤出发泡温度介于120-150℃之间，超临界CO2的通入量为热塑性淀粉质量的6%-9%，双螺杆挤出发泡设备机头压力介于5-8Mpa之间。
2.如权利要求1所述的一种轻质高强韧环保复合发泡材料，其特征在于：所述的纳米植物纤维为木纤维、竹纤维、细菌纤维中的一种，纤维的直径介于50-200nm之间，长径比介于50：1-200：1之间。
3.如权利要求1所述的一种轻质高强韧环保复合发泡材料，其特征在于：所述气凝胶粉末为二氧化硅气凝胶粉末，其密度介于0.01-0.500g/cm-3之间。
4.如权利要求1所述的一种轻质高强韧环保复合发泡材料，其特征在于：所述淀粉-聚乳酸接枝共聚物中淀粉的取代度（定义为每个淀粉葡萄糖单元上的的羟基被取代的平均数）介于0.8-1.4之间。
5.如权利要求1所述的一种轻质高强韧环保复合发泡材料，其特征在于：所述淀粉接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率介于45%-65%之间。
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