CN106543667A - 一种可生物降解塑料树脂及其制备工艺 - Google Patents

一种可生物降解塑料树脂及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可生物降解塑料树脂及其制备工艺，涉及塑料树脂技术领域，所述可生物降解塑料树脂，由聚乳酸、聚乙烯醇、改性淀粉、纤维素、甘油、马来酸酐、碳基增强材料、壳聚糖、改性二氧化钛、光触酶组成，本发明提供的可生物降解塑料树脂，它以生物可降解材料为主体成分，辅助以添加剂制备而得，薄膜的各组分的含量至关重要，不仅使其具有良好的力学性能，而且生物可降解性高，降解时间短，在光照条件下，15内几乎完全降解，在黑暗条件下依然能在1个月内完全降解。

Description

一种可生物降解塑料树脂及其制备工艺
技术领域
本发明涉及塑料树脂技术领域，具体涉及一种可生物降解塑料树脂及其制备工艺。
背景技术
随着人们生活水平的提高，对于环境的要求也越来越高，同时，各国对于环境的保护也越来越重视，而塑料作为一种日常生活和工业生产中非常普遍的使用材料，由于其降解速度非常慢，甚至不可降解，导致白色污染的产生，对此，关于可生物分解的树脂的研发也越来越多，目前，也有不少可降解的材料产生，并应用于一些日常的生活中，比如垃圾袋、购物袋等，普遍是可降解材料(如光降解，氧化降解等)，虽然带来了可降解这一优异的性能，但同时是以牺牲诸多物理性能为代价，成本也相对较高，且不能减少对普通塑料的使用，传统普通塑料制品丢弃后并不能被微生物所分解，因而不是有效解决“白色垃圾”的方法。现有可降解塑料在很大程度上降低了其物理性能，比如材料的拉力大大降低，导致同样厚度的材料，可降解材料的承载能力降低，以及延展性降低，不能堆肥化降解处理，并且导致使用寿命缩短等缺陷，有些厂家为了达到生物降解材料的性能，不惜添加一些高成本的组分，导致产品的成本大大提升，以上也就限制了可降解材料在更大范围的应用。
中国华中农业大学试制成功并小规模生产的生物降解农用地膜(改性淀粉-PE)，地膜厚度0.014±0.001mm，其物理性能，力学性能均高于国家规定标准，产品中淀粉含量达16％。是目前同类产品中较好的一种。但这种产品的降解机理是通过微生物的浸入，使长链分子链的断裂而导致淀粉塑料降解，因此其降解速率受土壤湿度、温度和PH值以及土壤中金属盐类的含量、肥力等因素的影响，特别是地面履盖部分，光分降解就更难，因而在农用地膜推广应用中有一定的局限性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可生物降解塑料树脂，它具有力学性能好，生物降解性高，降解时间短的特点，1个月降解率可达99％。。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种可生物降解塑料树脂，由以下重量份的物质组成:聚乳酸80～100份、聚乙烯醇50～80份、改性淀粉30～60份、纤维素10～25份、甘油15～28份、马来酸酐10～15份、碳基增强材料8～15份、壳聚糖15～25份、改性二氧化钛6～15份、光触酶3～8份。
优选的，所述可生物降解塑料树脂，由以下重量份的物质组成：聚乳酸100份、聚乙烯醇60份、改性淀粉50份、纤维素15份、甘油18份、马来酸酐10份、碳基增强材料10份、壳聚糖20份、改性二氧化钛8份、光触酶5份。
优选的，所述碳基增强材料为石墨烯及其衍生物、碳纳米管、碳纤维、炭黑中的一种或多种组合物。
优选的，所述改性二氧化钛为Ce改性二氧化硅。
优选的，所述二氧化硅的直径为30～50nm.
一种可生物降解塑料树脂的制备工艺，包括以下步骤：
(1)在淀粉中加入有机溶剂，搅拌均匀后，微波处理2～3h，升温至70～90℃，缓慢加入盐酸和高锰酸钾，保温1～3h；
(2)在步骤(1)混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节pH至10～12，调节体系温度为50～70℃，加入聚乳酸、聚乙烯醇超声30～90min后，再加入马来酸酐，升温至100～130℃，保温3～5h；
(3)在步骤(2)的混合体系中依次加入纤维素、甘油、碳基增强材料、壳聚糖、改性二氧化钛、光触酶，搅拌均匀后，在真空条件下，干燥15～30min，得到柔性团状物；
(4)将步骤(3)送入密炼机中混炼3-6分钟，然后通过开炼机压条，在趁热引入同向双螺杆挤出机，通过螺杆挤出机剪切、混炼、脱挥、挤出造粒，得到可生物降解塑料树脂。
优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、正丁醇、异丁醇和环己烷中的一种或多种。
优选的，所述可降解塑料的基础工艺为螺杆长径比为25-35:1，螺杆转速为200-300rpm，各区温度控制在：一区80-120℃；二区140-155℃；三区165-175℃；四区160-145℃；五区140-120℃。
本发明的有益效果：本发明中马来酸酐能使改性淀粉、聚乳酸和聚乙烯醇的交联度增加，促使其更好的结合，使得塑料的拉伸强提升；碳基增强材料具有间隔阻裂作用，还能分担材料所承受的压力，从而达到提升塑料强度的的效果；改性二氧化钛在太阳光存在的条件下，能催化塑料降解，尤其是塑料中壳聚糖的降解，壳聚糖在降解后产生的氨基酸可以为菌类的生存和繁殖提供有利条件，从而促使细菌降解塑料；
本发明提供的可生物降解塑料树脂，它以生物可降解材料为主体成分，辅助以添加剂制备而得，薄膜的各组分的含量至关重要，不仅使其具有良好的力学性能，而且生物可降解性高，降解时间短，1个月降解率可达99％。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种可生物降解塑料树脂，由以下重量份的物质组成:聚乳酸80份、聚乙烯醇50份、改性淀粉60份、纤维素20份、甘油15份、马来酸酐12份、石墨烯15份、壳聚糖25份、Ce改性二氧化钛6份、光触酶8份，所述Ce改性二氧化钛的直径为40～50nm。
所述可生物降解塑料树脂的制备工艺，包括以下步骤：
(1)在淀粉中加入环己烷和乙醇的混合液中，搅拌均匀后，微波处理2h，升温至80℃，缓慢加入盐酸和高锰酸钾，保温1h；
(2)在步骤(1)混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节pH至10，调节体系温度为70℃，加入聚乳酸、聚乙烯醇超声30min后，再加入马来酸酐，升温至130℃，保温3h；
(3)在步骤(2)的混合体系中依次加入纤维素、甘油、碳基增强材料、壳聚糖、改性二氧化钛、光触酶，搅拌均匀后，在真空条件下，干燥15～30min，得到柔性团状物；
(4)将步骤(3)送入密炼机中混炼3-6分钟，然后通过开炼机压条，在趁热引入同向双螺杆挤出机，所述可降解塑料的基础工艺为螺杆长径比为35:1，螺杆转速为200-300rpm，各区温度控制在：一区80℃；二区140℃；三区165℃；四区160℃；五区140℃，通过螺杆挤出机剪切、混炼、脱挥、挤出造粒，得到可生物降解塑料树脂。
实施例2：
一种可生物降解塑料树脂，由以下重量份的物质组成:聚乳酸80份、聚乙烯醇80份、改性淀粉50份、纤维素10份、甘油28份、马来酸酐12份、科琴炭黑10份、壳聚糖15份、Ce改性二氧化钛15份、光触酶5份，所述Ce改性二氧化钛的直径为40～50nm。
所述可生物降解塑料树脂的制备工艺，包括以下步骤：
(1)在淀粉中加入乙酸乙酯，搅拌均匀后，微波处理2.5h，升温至70～90℃，缓慢加入盐酸和高锰酸钾，保温2h；
(2)在步骤(1)混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节pH至12，调节体系温度为60℃，加入聚乳酸、聚乙烯醇超声60min后，再加入马来酸酐，升温至100℃，保温5h；
(3)在步骤(2)的混合体系中依次加入纤维素、甘油、碳基增强材料、壳聚糖、改性二氧化钛、光触酶，搅拌均匀后，在真空条件下，干燥15～30min，得到柔性团状物；
(4)将步骤(3)送入密炼机中混炼3-6分钟，然后通过开炼机压条，在趁热引入同向双螺杆挤出机，所述可降解塑料的基础工艺为螺杆长径比为25:1，螺杆转速为200-300rpm，各区温度控制在：一区120℃；二区155℃；三区175℃；四区145℃；五区120℃，通过螺杆挤出机剪切、混炼、脱挥、挤出造粒，得到可生物降解塑料树脂。
实施例3：
一种可生物降解塑料树脂，由以下重量份的物质组成:聚乳酸100份、聚乙烯醇70份、改性淀粉30份、纤维素25份、甘油22份、马来酸酐15份、碳纳米管8份、壳聚糖20份、Ce改性二氧化钛10份、光触酶3份，所述Ce改性二氧化钛的直径为30～40nm。
所述可生物降解塑料树脂的制备工艺，包括以下步骤：
(1)在淀粉中加入丙酮，搅拌均匀后，微波处理3h，升温至70℃，缓慢加入盐酸和高锰酸钾，保温3h；
(2)在步骤(1)混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节pH至10，调节体系温度为50℃，加入聚乳酸、聚乙烯醇超声30min后，再加入马来酸酐，升温至120℃，保温3h；
(3)在步骤(2)的混合体系中依次加入纤维素、甘油、碳基增强材料、壳聚糖、改性二氧化钛、光触酶，搅拌均匀后，在真空条件下，干燥15～30min，得到柔性团状物；
(4)将步骤(3)送入密炼机中混炼3-6分钟，然后通过开炼机压条，在趁热引入同向双螺杆挤出机，所述可降解塑料的基础工艺为螺杆长径比为35:1，螺杆转速为200-300rpm，各区温度控制在：一区100℃；二区145℃；三区170℃；四区155℃；五区130℃，通过螺杆挤出机剪切、混炼、脱挥、挤出造粒，得到可生物降解塑料树脂。
实施例4：
一种可生物降解塑料树脂，由以下重量份的物质组成:聚乳酸100份、聚乙烯醇60份、改性淀粉50份、纤维素15份、甘油18份、马来酸酐10份、氧化还原石墨烯10份、壳聚糖20份、Ce改性二氧化钛8份、光触酶5份，所述Ce改性二氧化钛的直径为30～40nm。
所述可生物降解塑料树脂的制备工艺，包括以下步骤：
(1)在淀粉中加入乙醇和乙酸乙酯的混合液中，搅拌均匀后，微波处理2.5h，升温至90℃，缓慢加入盐酸和高锰酸钾，保温1h；
(2)在步骤(1)混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节pH至11，调节体系温度为60℃，加入聚乳酸、聚乙烯醇超声90min后，再加入马来酸酐，升温至120℃，保温4h；
(3)在步骤(2)的混合体系中依次加入纤维素、甘油、碳基增强材料、壳聚糖、改性二氧化钛、光触酶，搅拌均匀后，在真空条件下，干燥15～30min，得到柔性团状物；
(4)将步骤(3)送入密炼机中混炼3-6分钟，然后通过开炼机压条，在趁热引入同向双螺杆挤出机，所述可降解塑料的基础工艺为螺杆长径比为25:1，螺杆转速为200-300rpm，各区温度控制在：一区100℃；二区150℃；三区168℃；四区150℃；五区125℃，通过螺杆挤出机剪切、混炼、脱挥、挤出造粒，得到可生物降解塑料树脂。
本发明可生物降解塑料树脂的力学性能及降解性能测试：
1、力学性能
按GB/T1040-1979(1992)进行，将尺寸为150mm×10mm×0.4mm的条形标准样于恒温恒湿条件下放置5d，然后用万能力学测试机上进行拉伸试验，拉伸速率10mm/min，测拉伸强度及断裂伸长率，实验结果如表1。
表1：可生物降解塑料树脂的力学性能
2、降解性能
(1)光照下降解性能：在烧杯中铺设10cm厚的泥土，调节水分活度为15％，将膜裁剪成5cm×2cm大小，于90℃下烘干至恒重，然后间隔均匀的埋入土中，并对烧杯施加光线照射，每隔5d取出薄膜，用蒸馏水冲洗表面，然后于90℃下烘干至恒重，计算失重率。
(2)非光照下降解性能：实验步骤同上，但不对烧杯施加光线照射，计算失重率，另实验结果如表2。
表2：可生物降解塑料树脂的降解性能
综上：本发明提供的可生物降解塑料树脂，不仅使其具有较高的拉伸强度和良好的断裂拉伸率，而且生物可降解性高，降解时间短，在光照条件下，15内几乎完全降解，在黑暗条件下依然能在1个月内完全降解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可生物降解塑料树脂，其特征在于，由以下重量份的物质组成:聚乳酸80～100份、聚乙烯醇50～80份、改性淀粉30～60份、纤维素10～25份、甘油15～28份、马来酸酐10～15份、碳基增强材料8～15份、壳聚糖15～25份、改性二氧化钛6～15份、光触酶3～8份。
2.如权利要求1所述的可生物降解塑料树脂，其特征在于，由以下重量份的物质组成：聚乳酸100份、聚乙烯醇60份、改性淀粉50份、纤维素15份、甘油18份、马来酸酐10份、碳基增强材料10份、壳聚糖20份、改性二氧化钛8份、光触酶5份。
3.如权利要求2所述的可生物降解塑料树脂，其特征在于，所述碳基增强材料为石墨烯及其衍生物、碳纳米管、碳纤维、炭黑中的一种或多种组合物。
4.如权利要求3所述的可生物降解塑料树脂，其特征在于，所述改性二氧化钛为Ce改性二氧化硅。
5.如权利要求4所述的可生物降解塑料树脂，其特征在于，所述二氧化硅的直径为30～50nm。
6.一种如权利要求1～5任一所述的可生物降解塑料树脂的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在淀粉中加入有机溶剂，搅拌均匀后，微波处理2～3h，升温至70～90℃，缓慢加入盐酸和高锰酸钾，保温1～3h；
(2)在步骤(1)混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节pH至10～12，调节体系温度为50～70℃，加入聚乳酸、聚乙烯醇超声30～90min后，再加入马来酸酐，升温至100～130℃，保温3～5h；
(3)在步骤(2)的混合体系中依次加入纤维素、甘油、碳基增强材料、壳聚糖、改性二氧化钛、光触酶，搅拌均匀后，在真空条件下，干燥15～30min，得到柔性团状物；
(4)将步骤(3)送入密炼机中混炼3-6分钟，然后通过开炼机压条，在趁热引入同向双螺杆挤出机，通过螺杆挤出机剪切、混炼、脱挥、挤出造粒，得到可生物降解塑料树脂。
7.如权利要求6所述的可生物降解塑料树脂的制备工艺，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、正丁醇、异丁醇和环己烷中的一种或多种。
8.如权利要求7所述的可生物降解塑料树脂的制备工艺，其特征在于，所述可降解塑料的基础工艺为螺杆长径比为25-35:1，螺杆转速为200-300rpm，各区温度控制在：一区80-120℃；二区140-155℃；三区165-175℃；四区160-145℃；五区140-120℃。
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