CN106366357A - 淀粉生物基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种淀粉生物基复合材料及其制备方法,属于淀粉改性技术领域。本发明所述的淀粉生物基复合材料,是以淀粉、塑化剂、生物基树脂、植物纤维素、插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂为原料,通过熔融挤出方法制得淀粉生物基复合材料;所述插层改性剂为石墨烯、氧化石墨烯、疏水改性石墨烯或生物基石墨烯。本发明所述的淀粉生物基复合材料,耐水性、强度、热分解温度和保温效果均得到明显提高,改善了淀粉与生物基树脂的共混效果,降低了单独使用生物基材料的成本;本发明同时提供了简单易行的制备方法,利于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种淀粉生物基复合材料及其制备方法,属于淀粉改性技术领域。
背景技术
近几年,人们对环境保护的认识有很大提高,对于治理白色污染有了广泛的共识,并不断研发生产出诸多生物基材料,这些新材料为解决白色污染带来极大的益处。然而这些生物基材料以其成本偏高使得其广泛应用受到很大限制。为此广大科研人员努力寻求开发降低生物基材料成本的新方法。到目前为止,大多数方法都是力求将淀粉改性,使之能够大比例掺混入生物基材料。
众所周知的是,热塑性淀粉是指在水和增塑剂存在的条件下,通过对原淀粉加热,利用热能和机械能破坏淀粉中的氢键,使原淀粉颗粒中的结晶结构经熔融剪切而解体,最终形成淀粉分子链的无序化连续相,并能够用传统塑料加工设备进一步加工。
热塑性淀粉具有可生物降解以及原料可再生等优点,其制品己在某些领域中应用,但是耐水性差的弱点影响到生理性能,极大的限制了更广泛的应用。提高热塑性淀粉的耐水性或降低其力学性能,对环境温度的敏悉性有不少报道,归纳起来大致包括:一是与可生物降解合成高分子式或天然高分子共混,二是淀粉包覆修饰提高耐水性,三是热塑性淀粉制品表面防水涂层及表面交联修饰,但以上三种方法均没有从根本上改进热塑性淀粉的耐水性。
因此探索和开发新的方法对淀粉改性,其目的是寻求提高淀粉熔融挤出加工窗口,提高物理性能,从而提高材料的疏水性,尤其是提高其使用性能。一般指生物基材料属可生物降解,但凡提到可降解都提到降解时间,追求的是降解速度,而都忽略了真正意义上的包装用途,当被包装品处于自然状态,使用期为半年或一年时,保护期没到,但包装材料先降解了,这就失去了包装的意义。我们追求的目标则是:环保材料或是包装材料,应该用之可以,弃之环保或降解。
发明内容
本发明的目的是提供一种淀粉生物基复合材料,其耐水性、强度、热分解温度和保温效果均得到明显提高,改善了淀粉与生物基树脂的共混效果,降低了单独使用生物基材料的成本;本发明同时提供了简单易行的制备方法,利于工业化生产。
本发明所述的淀粉生物基复合材料,是以淀粉、塑化剂、生物基树脂、植物纤维素、插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂为原料,通过熔融挤出方法制得淀粉生物基复合材料;所述插层改性剂为石墨烯、氧化石墨烯、疏水改性石墨烯或生物基石墨烯。
所述淀粉为木薯淀粉、玉米淀粉、土豆淀粉或红薯淀粉中的原淀粉,淀粉颗粒≥100目,含水量≤13%。
所述塑化剂为胺类化合物和甲酸甲酯、乙酯乙酯、己二酸中的任一种进行聚合得到的产物与多元醇的复配物,或为环氧丙烷与季戊四醇、三醋酸甘油酯、1.4-丁二醇或H2O中的一种进行加成反应得到的产物;所述多元醇为丙三醇、聚乙二醇400-600或乙二醇;所述胺类化合物为乙二胺、三乙醇胺、二乙烯三胺。
所述生物基树脂为PLA聚乳酸、PVA聚乙烯醇、PBS聚丁二酸丁二醇酯、PBAT己二酸-对苯二甲酸-丁二酯共聚物或PHA聚羟基烷酸酯。
所述插层改性剂为固体粉状或液体状。
所述插层改性剂分散剂为十二烷基苯酸钠(SDBS)、聚乙烯比咯烷酮(PVP)、吐温80、辛基苯基聚氧乙烯醚X100、、氧化二丁基锡、聚间亚苯亚乙烯衍生物(PMPV)或聚丙烯酰胺。
所述助剂为润滑剂、开口剂、表面活性剂和热稳定剂的混合物。,优选的,助剂为油酸酰胺、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯醚、月桂酸嵌所聚醚、丙三醇嵌段聚醚,纳米二氧化硅、滑石粉和碳酸钙按任意比例合成。
所述的淀粉生物基复合材料,由以下重量份数的原料合成:
所述的淀粉生物基复合材料的制备方法,是将淀粉、生物基树脂、塑化剂和植物纤维素混合,边搅拌边加热,然后加入插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂,在30-120℃下搅拌30-60min,然后将混合后的物料冷却至室温12-24小时,放入螺杆造粒机中挤出造粒,转速为1000-3000r/min,熔融挤出温度为70-210℃。
石墨烯是目前自然界最薄,厚度只有0.3纳米厚强度最高的材料,强度比钢高,同时它又有弹性,拉伸幅度达到自身尺寸的20%。
石墨烯又称单层墨,为一种由单层碳原子组成的六角型呈蝉翼晶格的片状结构,是一种新型二维纳米材料,具有特殊的结构和优异的物理化学性能。它轻如鸿毛,1立方米仅有0.77G,仅是一立方水的百分之130。
本发明引入了石墨烯类物质,利用了其比表面积大和密度高的优点,能够均匀分散到生物基材料中,有利于生物基树脂和淀粉及其他原料分散更均匀,从而有效的提高生物基材料的耐水性;石墨烯类物质与生物基材料混合后具有良好的生物相容性、环境友好性能及可降解性,制成的产品弃用后置于室外或野外,或堆肥下,180天即可达到生物降解;引入的石墨烯类物质对于制品的物理性能有很大改善,制品强度提高了100-500%;引入的石墨烯类物质提高了淀粉及生物材料的热分解温度30-50℃,拓宽了生物基材料的加工窗口;引入的石墨烯类物质以其吸热快、吸热量大、放热快等优点能够赋予制品优异的保温效果。
本发明利用石墨烯类物质熔融插层改性淀粉,是在诸多淀粉改性的基础上,创造性的研发出的一种性能更强、用途更广泛、加工性能更优异的改性方法。本发明通过各组份的协调作用实现淀粉的可塑性及淀粉与生物基树脂的相容性,其综合特性完全可以规模化、产业化生产,满足日益增长的需求。
本发明具有以下有益效果:
(1)所述的淀粉生物基复合材料,耐水性、强度、热分解温度和保温效果均得到明显提高,改善了淀粉与生物基树脂的共混效果,降低了单独使用生物基材料的成本;
(2)所述的淀粉生物基复合材料的制备方法简单易行,利于工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明,但其并不限制本发明的实施。
以下原料的用量均为重量份数。
实施例1
(1)准备原料:
所述淀粉为木薯淀粉,淀粉颗粒为100目,含水量为13%。
所述塑化剂为乙二胺和甲酸甲酯进行聚合得到的产物与丙三醇的复配物,混合质量比为1:1。
所述助剂为油酸酰胺、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯醚、月桂酸嵌所聚醚、丙三醇嵌段聚醚,纳米二氧化硅、滑石粉和碳酸钙的混合物。
(2)将淀粉、生物基树脂、塑化剂和植物纤维素混合,边搅拌边加热,然后加入插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂,在30℃下搅拌60min,然后将混合后的物料冷却至室温12小时,放入螺杆造粒机中挤出造粒,转速为3000r/min,熔融挤出温度为210℃。
实施例2
(1)准备原料:
所述淀粉为玉米淀粉,淀粉颗粒为800目,含水量为10%。
所述塑化剂为三乙醇胺和乙酯乙酯进行聚合得到的产物与聚乙二醇400的复配物,混合质量比为3:2。
所述助剂为油酸酰胺、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯醚、月桂酸嵌所聚醚、丙三醇嵌段聚醚,纳米二氧化硅、滑石粉和碳酸钙的混合物。
(2)将淀粉、生物基树脂、塑化剂和植物纤维素混合,边搅拌边加热,然后加入插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂,在120℃下搅拌30min,然后将混合后的物料冷却至室温12小时,放入螺杆造粒机中挤出造粒,转速为1000r/min,熔融挤出温度为70℃。
实施例3
(1)准备原料:
所述淀粉为土豆淀粉,淀粉颗粒为1000目,含水量为12%。
所述塑化剂为环氧丙烷与季戊四醇进行加成反应得到的产物。
所述助剂为油酸酰胺、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯醚、月桂酸嵌所聚醚、丙三醇嵌段聚醚,纳米二氧化硅、滑石粉和碳酸钙的混合物。
(2)将淀粉、生物基树脂、塑化剂和植物纤维素混合,边搅拌边加热,然后加入插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂,在60℃下搅拌40min,然后将混合后的物料冷却至室温15小时,放入螺杆造粒机中挤出造粒,转速为2000r/min,熔融挤出温度为110℃。
实施例4
(1)准备原料:
所述淀粉为红薯淀粉,淀粉颗粒为100目,含水量为8%。
所述塑化剂为环氧丙烷与1.4-丁二醇进行加成反应得到的产物。
所述助剂为油酸酰胺、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯醚、月桂酸嵌所聚醚、丙三醇嵌段聚醚,纳米二氧化硅、滑石粉和碳酸钙的混合物。
(2)将淀粉、生物基树脂和塑化剂混合,边搅拌边加热,然后加入插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂,在90℃下搅拌45min,然后将混合后的物料冷却至室温18小时,放入螺杆造粒机中挤出造粒,转速为1500r/min,熔融挤出温度为150℃。
Claims (10)
1.一种淀粉生物基复合材料,其特征在于:以淀粉、塑化剂、生物基树脂、植物纤维素、插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂为原料,通过熔融挤出方法制得淀粉生物基复合材料;所述插层改性剂为石墨烯、氧化石墨烯、疏水改性石墨烯或生物基石墨烯。
2.根据权利要求1所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于:淀粉为木薯淀粉、玉米淀粉、土豆淀粉或红薯淀粉中的原淀粉,淀粉颗粒≥100目,含水量≤13%。
3.根据权利要求1所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于:塑化剂为胺类化合物和甲酸甲酯、乙酯乙酯、己二酸中的任一种进行聚合得到的产物与多元醇的复配物,或为环氧丙烷与季戊四醇、三醋酸甘油酯、1.4-丁二醇或H2O中的一种进行加成反应得到的产物;所述多元醇为丙三醇、聚乙二醇400-600或乙二醇;所述胺类化合物为乙二胺、三乙醇胺、二乙烯三胺。
4.根据权利要求1所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于:生物基树脂为聚乳酸、聚乙烯醇、聚丁二酸丁二醇酯、己二酸-对苯二甲酸-丁二酯共聚物或聚羟基烷酸酯。
5.根据权利要求1所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于:插层改性剂为固体粉状或液体状。
6.根据权利要求1所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于:插层改性剂分散剂为十二烷基苯酸钠、聚乙烯比咯烷酮、吐温80、辛基苯基聚氧乙烯醚X100、氧化二丁基锡、聚间亚苯亚乙烯衍生物或聚丙烯酰胺。
7.根据权利要求1所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于:助剂为润滑剂、开口剂、表面活性剂和热稳定剂的混合物。
8.根据权利要求7所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于:助剂为油酸酰胺、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯醚、月桂酸嵌所聚醚、丙三醇嵌段聚醚,纳米二氧化硅、滑石粉和碳酸钙的混合物。
9.根据权利要求1所述的淀粉生物基复合材料,其特征在于由以下重量份数的原料合成:
10.一种权利要求1-9任一所述的淀粉生物基复合材料的制备方法,其特征在于:将淀粉、生物基树脂、塑化剂和植物纤维素混合,边搅拌边加热,然后加入插层改性剂、插层改性剂分散剂和助剂,在30-120℃下搅拌30-60min,然后将混合后的物料冷却至室温12-24小时,放入螺杆造粒机中挤出造粒,转速为1000-3000r/min,熔融挤出温度为70-210℃。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170201 |
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