CN106147166A - 一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料 - Google Patents

一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料，属于可生物降解环保材料领域。本发明利用咖啡渣与聚乳酸材料的复合来对咖啡渣进行高价值利用，并降低了聚乳酸材料的成本；其组成包括以下重量份的组分：聚乳酸50‑90份，成核剂0.5‑5份，咖啡渣5‑30份，偶联剂0.5‑2份，增韧剂1‑4份；所述聚乳酸咖啡渣复合改性改料具有较好的力学能，同时保持了聚乳酸材料的生物降解性能。

Description

一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料
技术领域
本发明属于可生物降解环保材料领域，特别涉及一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料。
背景技术
咖啡是世界三大饮料之一，随着现代生活节奏的加快，饮用便捷又无渣的速溶咖啡饮料越来越受欢迎，在生产速溶咖啡过程中所排出的咖啡渣占咖啡干物的重量高达67％，咖啡渣的废弃不仅造成资源浪费，还对环境造成污染。
如何对咖啡渣的回收利用成了咖啡生产企业的一个研究难题，目前人们对咖啡渣主要用于植物栽培土壤，以增加土壤的生物营养效果，同时利用了咖啡渣；但此方法对于咖啡渣的价值体现有限，可以通过直接应用于工业生产过程以提高其应用范围，进一步获得咖啡渣的利用价值。
目前，在环保材料领域属聚乳酸材料的发展最为迅速，其应用范围已经从最初的医疗领域扩展到日常生活领域，特别是一次性刀叉勺、杯子、薄膜、办公用品、园艺用品等；但由于聚乳酸的成本与普通石油基塑料相比没有优势，造成其大范围的推广受到限制；因此，人们开始对如何降低聚乳酸的成本进行了大量的研究，主要是通过生物质原料复合到聚乳酸基体中形成聚乳酸复合材料的方式来降低聚乳酸的成本；现有技术，大多是生物基质淀粉，也有使用稻壳纤维或甘蔗渣等生物基质原料。专利申请号为：201510320191.4的发明专利“一种稻壳纤维和聚乳酸合成树脂颗粒及其生产方法”，公开了一种稻壳纤维和聚乳酸合成树脂颗粒，包含以下重量份数的原料：稻壳2-10份、纤维素1-5份、水1-3份、聚乳酸1-5份、淀粉2-10份；具体生产方法包括以下步骤，先将稻壳磨成稻壳粉，然后放入高混合机中加水和纤维素混合均匀；另外将聚乳酸和淀粉放入反应釜内，先加温搅拌均匀再降温冷却，再稻壳纤维粉加入反应釜继续搅拌制成糊状物料；最后再注入螺杆挤出机，由螺杆挤出拉丝制作成金黄色条状物；其加工方法复杂、加工步骤多造成加工过程质量不可控，其主要目的是解决稻壳的回收利用问题。专利申请号为：201510234616.X的发明专利“一种可完全生物降解的热塑性淀粉复合材料制备方法”，公开了一种可完全生物降解的热塑性淀粉复合材料的制备方法，利用聚乳酸接枝亲水性高分子接枝共聚物为增溶剂增容聚乳酸/淀粉复合材料，解决了聚乳酸和纯淀粉相容性不好，复合材料力学性能下降的问题；该发明所解决的问题是提高聚乳酸和淀粉复合材料的力学性能问题。专利申请号为：201510129952.8的专利“一种全生物基可降解聚乳酸复合材料及其制备方法”，公开了一种全生物基可降解聚乳酸基复合材料，由重量百分比为55～79％的聚乳酸；20～40％的淀粉和/或竹纤维；1～5％的环氧呋喃树脂组成，该复合材料在保持了聚乳酸高强度高模量优点的基础上，具有可再生性和完全生物降解性能；其竹纤维的复合量低，同时淀粉的复合量较高，由于淀粉的成本相对较高，其对聚乳酸的成本降低有限，且组合物中加入了1％以上的石油基环氧呋喃树脂对聚乳酸的生物降解性造成了影响。专利申请号为：201410632711.0的专利“一种新型聚乳酸新材料及加工工艺”，公开了一种新型聚乳酸新材料，所述聚乳酸各组份有如下的重量百分比：生物淀粉为15％～45％，聚乳酸为40％～80％，树脂为2％～10％，粘合剂为1％～5％，润滑剂为0.5％～1％，抗氧化剂为0.5％～1％；所述生物淀粉是玉米生物淀粉、木薯生物淀粉、土豆生物淀粉一种或多种混合物，所述聚乳酸是吹膜级聚乳酸的一种；该现有技术所解决的是吹膜级聚乳酸复合材料，应用范围有限；同时复合了较高含量的生物淀粉以及2％以上的树脂，对聚乳酸的成本降低和生物降解性造成影响。
发明内容
本发明的目的在于提高咖啡渣的使用价值，同时解决聚乳酸材料的高成本问题，提供一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料。本发明利用咖啡渣与聚乳酸材料的复合来对咖啡渣进行高价值利用，并降低了聚乳酸材料的成本；所述聚乳酸咖啡渣复合改性改料具有较好的力学能，同时保持了聚乳酸材料的生物降解性能。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料，包括以下重量份的组分：
上述组合物经过螺杆造粒机改性造粒后获得所述复合改性材料。
所述的聚乳酸为浙江海正生物材料或美国Natureworks生产的聚乳酸纯料，比如Revode190、Revode290、4032D等；因为聚乳酸的光学纯度对其结晶和耐热性起到决定性的作用，光学纯度越高的聚乳酸在结晶后的耐热性将比光学纯度低的要高，所以优选地，所述聚乳酸的光学纯度在98％以上，更优选地所述聚乳酸的光学纯度在99.5％以上。
所述的成核剂为滑石粉、硅灰石、硫酸钙晶须或碳化硅无机材料中的一种或几种；作为聚乳酸复合改性的成核剂，本发明优选滑石粉，因其在聚乳酸改性中具有多种综合性能，例如：改善成型收缩性率、成品表面硬度、表面抗划痕性能、抗冲击强度等，同时，滑石粉作为一种无机物添加剂，与聚乳酸的生物降解性不冲突；而且，滑石粉的低成本可一定程度上降低聚乳酸树脂组合物的成本；然而，滑石粉的目数级别对聚乳酸的性能改变有一定的影响，目数较高或较低都对改性性能不利，因此，作为优选地，滑石粉的目数为1250-5000目。
所述的咖啡渣在复合改性前需要进行烘干处理；优选地，所述咖啡渣的大小为40目-1250目；更优选地，所述咖啡渣的大小为40-200目，获得此目数范围的咖啡渣成本相对较低，同时可以满足于聚乳酸材料的复合改性，且其复合改性后的材料性能可以满足工业应用。
所述的偶联剂为有机铬络合物偶联剂、硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和铝酸化合物偶联剂中的一种或几种。所述的硅烷类偶联剂优选为KH-560。
所述的增韧剂为热塑性弹性体(TPE)、高分子量聚氨酯(PU)和生物基聚酯中的一种或几种，为保持聚乳酸的生物降解性和环境负荷的影响考虑，本发明优先选择生物基类聚酯，具体地是具有柔性分子链的生物基聚酯，比如：聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚丁二酸乙二醇酯；所述的生物基聚酯具有生物质来源的特质和生物降解的性能，与聚乳酸具有良好的相容性，同时可改善聚乳酸的柔韧性；更优选地，作为增韧剂为聚己内酯材料。
优选地，上述聚乳酸咖啡渣复合改性材料采用双螺杆造粒机进行造粒，且造粒温度为170-220℃。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，利用了咖啡渣与聚乳酸材料的复合来对咖啡渣进行高价值利用，并降低了聚乳酸材料的成本，且复合改性后的材料具有较好的力学能，同时未改变聚乳酸材料本身所具有的生物降解性能。
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。
以下具体实施例中，聚乳酸选用海正生物材料生产的Revode190，成核剂选用滑石粉，偶联剂选用KH-560，增韧剂选用生物质来源的聚己内酯，咖啡渣由某速溶咖啡生产企业提供，其目数在40目和100目两种；并采用双螺杆挤出造粒机对按一下实施例所描述的混合组合物进行造粒，造粒温度为170-220℃，对所获得的聚乳酸咖啡渣复合改性材料进行力学性能测试，具体见表1。具体实施例1-17如下所述。
实施例1
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸50份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣50份，偶联剂2份，增韧剂1份。
实施例2
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸60份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣40份，偶联剂2份，增韧剂1份。
实施例3
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸70份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣30份，偶联剂2份，增韧剂1份。
实施例4
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸80份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂1份。
实施例5
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸90份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣10份，偶联剂2份，增韧剂1份。
实施例6
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸80份，1250目的成核剂0.5份，40目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂1份。
实施例7
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸80份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣20份，偶联剂0.5份，增韧剂1份。
实施例8
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸80份，1250目的成核剂5份，40目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂1份。
实施例9
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸80份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂4份。
实施例10
在双螺杆改性造粒前对100目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸80份，1250目的成核剂2份，100目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂4份。
实施例11
在双螺杆改性造粒前使用粉碎机对40目的咖啡渣进行粉碎获得200目的咖啡渣，并对所述咖啡渣进行烘干处理；聚乳酸80份，1250目的成核剂2份，200目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂4份。
实施例12
在双螺杆改性造粒前使用超细粉碎机对100目的咖啡渣进行粉碎获得1250目的咖啡渣，并对所述咖啡渣进行烘干处理；聚乳酸80份，1250目的成核剂2份，1250目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂4份。
实施例13
在双螺杆改性造粒前使用超细粉碎机对100目的咖啡渣进行粉碎获得1250目的咖啡渣，并对所述咖啡渣进行烘干处理；聚乳酸80份，1250目的成核剂2份，1250目的咖啡渣20份，偶联剂2份，增韧剂2份。
实施例14
在双螺杆改性造粒前对100目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸70份，1250目的成核剂2份，100目的咖啡渣30份，偶联剂2份，增韧剂4份。
实施例15
在双螺杆改性造粒前对100目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸70份，3000目的成核剂2份，100目的咖啡渣30份，偶联剂2份，增韧剂4份。
实施例16
在双螺杆改性造粒前对100目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸70份，5000目的成核剂2份，100目的咖啡渣30份，偶联剂2份，增韧剂4份。
实施例17
在双螺杆改性造粒前对40目的咖啡渣进行烘干处理；混合物各组分配比为：聚乳酸95份，1250目的成核剂2份，40目的咖啡渣5份，偶联剂2份，增韧剂1份。
对比例
对海正生物材料生产的Revode190聚乳酸纯料(对比例)进行力学性能测试，结果见表1。
表1对实施例1-17和对比例所获得的材料进行力学性能测试的结果
结合上述表1所示结果可以得出，咖啡渣与聚乳酸的复合比例越高，所获得聚乳酸咖啡渣复合改性材料的力学性能越差，其为材料力学性能改变的主要因素，但在咖啡渣的复合重量份为30时所获得复合改性材料的力学性能几乎与Revode190的力学性能相当，因此所述咖啡渣的重量份组成优选在5-30份；另外，咖啡渣的目数大小对所获得的聚乳酸咖啡渣复合改性材料的力学性能也有关联，其目数越大对力学性能越有利。
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，其他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 (10)

1.一种聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：包括以下重量份的组分：
2.根据权利要求1所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述聚乳酸的光学纯度在98％以上。
3.根据权利要求1所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述的成核剂为滑石粉、硅灰石、硫酸钙晶须或碳化硅无机材料中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述的滑石粉的目数为1250-5000目。
5.根据权利要求1所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述的咖啡渣在复合改性前需要进行烘干处理；所述咖啡渣的大小为40目-1250目。
6.根据权利要求1所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述的偶联剂为有机铬络合物偶联剂、硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和铝酸化合物偶联剂中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述的硅烷类偶联剂为KH-560。
8.根据权利要求1所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述增韧剂为热塑性弹性体、高分子量聚氨酯或生物基聚酯中的一种或几种；所述的生物基类聚酯为具有柔性分子链的生物基聚酯。
9.根据权利要求8所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述的具有柔性分子链的生物基聚酯为聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯或聚丁二酸乙二醇酯中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料，其特征在于：所述的聚乳酸咖啡渣复合改性材料采用双螺杆造粒机进行造粒，造粒温度为170-220℃。
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