CN106589852A - 一种降解周期可调的水体降解材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种降解周期可调的水体降解材料，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：脂肪族聚酯10‑95份；水解抑制剂1‑30份或水解促进剂3‑90份；助剂0.01‑10份。本发明还公开了一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法；本发明的水体降解材料通过添加水解抑制剂或水解促进剂以及助剂，使水体降解材料具有了不同的使用周期和水体降解周期。本发明的水体降解材料能够满足不同的实际需求，在军事、民用船舶和一次性生活用品方面具有潜在的应用价值。

Description

一种降解周期可调的水体降解材料及其制备方法
技术领域
本发明属于水体净化处理领域；具体涉及一种降解周期可调的水体降解材料及其制备方法。
背景技术
近年来，有关大量塑料微粒使海洋生物致死的案例层出不穷的，引发了越来越多的人们对于海洋塑料污染问题的重视和思考。人类每年向海洋中投放的塑料垃圾保守估计为4.8-12.7MMT(Jambeck et al.2015),这些塑料垃圾占海洋固体污染物的60％-80％(Gregory and Ryan 1997)。塑料在使用过程中被直接丢弃或从陆地被吹到海洋，在海水中受到光、海水风化、涡流机械和生物群的作用，导致塑料最终形成小于5毫米的所谓的微塑料。目前，几乎所有类型的塑料都已经在海洋中找到，例如聚苯乙烯粒，聚乙烯塑料和聚酯纤维，这些塑料微粒漂浮在海水中，或者沉入海底，几十年甚至几百年不会分解，对整个海洋环境造成了严重的污染。为了保护海洋生态，解决海洋环境中的“白色污染”问题，开发在水体环境中，特别是在海洋环境中能自行降解的塑料制品，并对其降解行为及降解机制进行研究对解决海洋塑料污染带来的问题具有重大而深远的意义。
以聚丁二酸丁二醇酯(PBS)为代表的脂肪族聚酯，是以脂肪族烷基二元酸、二元醇为主要原料的缩聚产物；它既可以通过石油化工产品满足需求，也可通过纤维素、葡萄糖等自然界可再生的农作物经生物发酵途径生产。脂肪族聚酯具有较高的分子量，是一种力学性能优异的聚酯材料，并可如通用塑料聚乙烯，聚丙烯一样在常见的加工设备上挤出和注塑。更重要的是，这类树脂在土壤及堆肥条件下有良好的生物降解性能，长期以来都被作为一种可完全生态循环的绿色生物降解材料。
聚酯材料在堆肥和水体中的降解过程和降解性能有明显差异。水降解过程是在自然界如海洋、湖泊、河流、池塘，和/或特定水性培养液等含水体系中，由体系中水降解引起，使得塑料出现破碎、分子量下降，力学性能下降或丧失(最终完全降解，变成二氧化碳(CO2)或/和甲烷(CH4)、水(H2O))。堆肥降解过程则是生物降解过程占主导，虽然堆肥过程可能也包含部分水解过程，但是同样的树脂材料在两种环境中的降解性能则可能完全不同。已有研究表明，PLA，PBAT等聚酯材料在堆肥降解过程中有良好的降解性能，但是在海水、淡水等水体中放置几个月并没有观察到明显的降解现象。我们初步的研究还发现，PCL聚酯在堆肥过程有明显降解性能，但是在海水和淡水中有明显增塑现象，放置6个月没有观察到明显降解现象。尽管目前关于聚酯材料制备及其降解性能研究已经非常广泛，但是这些研究大都在空气及堆肥条件下进行，脂肪族聚酯在水体中的降解性能及其作为一种水体降解材料应用于包装、一次性餐具等领域来缓解海洋污染的报道还没有发现。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种降解周期可调的水体降解材料。
本发明的另一个目的在于提供一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种降解周期可调的水体降解材料，该水体降解材料包括以下重量份数的原料(所述原料可以从厂家直接购买，也可以直接合成):
脂肪族聚酯10-95份；
水解抑制剂1-30份或水解促进剂3-90份；
助剂0.01-10份。
进一步，所述脂肪族聚酯为具有以下结构单元的均聚物或共聚物：H-[(CH2)n-COOC(R)H-]m-H，其中n＝1-12，R指但不仅限于H，CH3，C2H5，C3H7，C4H9，C5H11，C9H19，C11H23，COOH；优选地，所述脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯、聚己二酸丁二醇酯、聚丙二酸丁二醇酯、聚戊二酸丁二醇酯、聚癸二酸丁二醇酯、聚己二酸乙二醇酯或聚癸二酸乙二醇酯；更优选地，所述脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯或聚己内酯。
进一步，所述脂肪族聚酯的分子量为0.1～9×105。
进一步，所述水解抑制剂为具有较高流动性，且在水体中有漫长水解周期的树脂材料。
优选地，所述水解抑制剂指但不仅限于蜡、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯中的一种或多种。
进一步，所述水解促进剂为在水体中能加快降解的树脂或填料。
优选地，所述水解促进剂指但不仅限于聚乙烯醇、聚乙二醇、聚二氧化碳共聚物、聚羟基烷酸酯、淀粉、木质素和海藻粉中的一种或多种。
进一步，所述助剂为具有塑化、分散、偶联等功能的添加组分，包含木糖醇、山梨醇、柠檬酸三丁酯、乙酰柠檬酸三丁酯、柠檬酸三辛酯、乙酰柠檬酸三辛酯、PEG-400、PEG-600、PEG-10000、硬脂酸甘油酯、乙烯基双硬脂酰胺、ADR-4380或ADR-4370S、KH-550、KH-570和钛酸酯偶联剂中的一种或多种。
进一步，所述水体是指具有不同盐度、温度、pH值、透光率和微生物等在内的所有含水介质。
本发明的水体降解材料在空气中具有不低于2年的存储周期和使用周期，进入水体后发生明显的降解。
本发明的水体降解材料中添加水解抑制剂可延长水解周期，水体降解材料中添加水解促进剂可缩短水解周期。
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，具体如下：
当所述水解抑制剂或水解促进剂为高分子量时，水体降解材料的制备方法通过如下步骤实现：将脂肪族聚酯为基体、水解抑制剂或水解促进剂、助剂进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后通过注塑机或吹膜机等加工成型得到水体降解材料；
当所述水解抑制剂或水解促进剂为低分子量时，水体降解材料的制备方法通过如下步骤实现：将水解抑制剂或水解促进剂与助剂加入脂肪族聚酯中混合均匀，然后经过注塑机或吹膜机等加工成型得到水体降解材料。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的水体降解材料通过添加水解抑制剂或水解促进剂以及助剂，使水体降解材料具有了水体降解周期。
2、本发明的水体降解材料能够满足不同的实际需求，在军事、民用船舶和一次性生活用品方面具有潜在的应用价值。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
水体的制备：将表1中不同条件的水体分别盛放于玻璃水缸中，以刻度线记下水面高度，由于水体的不断蒸发，采用补加清水的方法维持水面的高度，以保持水体的盐度，并且通过冷水机冷却或暖管加热的方式使水体温度在整个实验过程中维持在室温，水样每半个月更换一次。
表1不同条件下的水体
水体编号 水体 菌类 盐度‰ 氧气 温度 光 机械力
1 河水 √ 0 √ 室温 √ ×
2 海水 √ 32～36 √ 室温 √ ×
3 除菌海水 × 32～36 √ 室温 √ ×
4 自制海水 × 40 √ 室温 √ ×
5 蒸馏水 × 0 √ 室温 √ ×
6 天津海 √ 32～36 √ 室温 √ √
注：√号表示水体中存在这一实验条件，×号表示水体中没有这一实验条件。
实施例1
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚丁二酸丁二醇酯：60份；
淀粉：37份；
柠檬酸三丁酯：3份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚丁二酸丁二醇酯60份、淀粉37份和柠檬酸三丁酯3份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为22W，20W，16W，17W，22W，17W。
实施例2
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚丁二酸丁二醇酯：70份；
木质素：27份；
KH-550偶联剂：3份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚丁二酸丁二醇酯70份、木质素27份和KH-550偶联剂3份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为24W，22W，18W，19W，25W，19W。
实施例3
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚癸二酸丁二醇酯：40份；
海藻粉：57份；
山梨醇：3份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚癸二酸丁二醇酯40份、海藻粉57份和山梨醇3份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为21W，19W，15W，18W，22W，21W。
实施例4
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚戊二酸丁二醇酯：80份；
聚羟基烷酸酯：17份；
硬脂酸甘油酯：3份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚戊二酸丁二醇酯80份、聚羟基烷酸酯17份和硬脂酸甘油酯3份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为34W，32W，28W，29W，35W，29W。
实施例5
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚己内酯：80份；
聚乙烯醇：18份；
檬酸三丁酯：2份
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚己内酯80份、聚乙烯醇18份和檬酸三丁酯2份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为11W，12W，18W，14W，15W，13W。
实施例6
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚己内酯：80份；
聚对苯二甲酸乙二醇酯：17份；
钛酸酯偶联剂：3份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚己内酯80份、聚对苯二甲酸乙二醇酯17份和钛酸酯偶联剂3份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为62W，54W，50W，47W，76W，46W。
实施例7
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚丁二酸丁二醇酯：92份；
聚丙烯：5份；
山梨醇：3份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚丁二酸丁二醇酯92份、聚丙烯5份和山梨醇3份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为82W，74W，70W，67W，96W，66W。
实施例8
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚丁二酸丁二醇酯：85份；
蜡(聚乙烯蜡)：14份；
KH-550：1份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚丁二酸丁二醇酯85份、聚乙烯蜡20份和KH-550 1份在高搅机中搅拌混合，直接注塑成型，得到标准测试样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为70W，62W，58W，54W，83W，54W。
实施例9
一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
聚丁二酸丁二醇酯：80份；
聚乳酸：17份；
KH-550：3份；
一种降解周期可调的水体降解材料的制备方法，包括如下步骤：将聚丁二酸丁二醇酯80份、聚乳酸17份和KH-550偶联剂3份进行预混合，得混合物；将所述混合物放入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后加工成型得到水体降解材料；最后将所述水体降解材料放入注塑机注塑成标准样条。
降解性能测试：将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为45W，51W，58W，45W，58W，35W。
对照例1
市售聚己二酸丁二醇酯粒料，在注塑机中注塑成为标准样条；将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为42W，38W，36W，32W，37W，33W。
对照例2：
市售聚己内酯粒料，在注塑机中直接注塑成为标准样条。将所述标准样条分别放入编号1至6的水体(表1)中进行降解性能测试。结果显示：所述水体降解材料在编号1至6的水体中达到50％失重率所需的时间分别为41W，42W，38W，34W，35W，33W。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种降解周期可调的水体降解材料，其特征在于，该水体降解材料包括以下重量份数的原料：
脂肪族聚酯10-95份；
水解抑制剂1-30份或水解促进剂3-90份；
助剂0.01-10份。
2.根据权利要求1所述的水体降解材料，其特征在于，所述脂肪族聚酯为具有以下结构单元的均聚物或共聚物：H-[(CH2)n-COOC(R)H-]m-H，其中n＝1-12，m表示聚合度，R指但不仅限于H，CH3，C2H5，C3H7，C4H9，C5H11，C9H19，C11H23，COOH。
3.根据权利要求2所述的水体降解材料，其特征在于，优选地，所述脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯、聚己二酸丁二醇酯、聚丙二酸丁二醇酯、聚戊二酸丁二醇酯、聚癸二酸丁二醇酯、聚己二酸乙二醇酯或聚癸二酸乙二醇酯。
4.根据权利要求3所述的水体降解材料，其特征在于，更优选地，所述脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯或聚己内酯。
5.根据权利要求1所述的水体降解材料，其特征在于，所述水解抑制剂为蜡、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的水体降解材料，其特征在于，所述水解促进剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚二氧化碳共聚物、聚羟基烷酸酯、淀粉、木质素和海藻粉中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的水体降解材料，其特征在于，所述助剂为木糖醇、山梨醇、柠檬酸三丁酯、乙酰柠檬酸三丁酯、柠檬酸三辛酯、乙酰柠檬酸三辛酯、PEG-400、PEG-600、PEG-10000、硬脂酸甘油酯、乙烯基双硬脂酰胺、ADR-4380、ADR-4370S、KH-550、KH-570和钛酸酯偶联剂中的一种或多种。
8.根据权利要求1或2所述的水体降解材料，其特征在于，所述脂肪族聚酯的重均分子量为0.1-9×105。
9.一种如权利要求1至6任一所述降解周期可调的水体降解材料的制备方法，其特征在于，
当所述水解抑制剂或水解促进剂为高分子量时，水体降解材料的制备方法通过如下步骤实现：以脂肪族聚酯为基体、与水解抑制剂或水解促进剂、助剂进行预混合，然后加入密炼机或螺杆挤出机中混合均匀造粒，然后通过注塑机或吹膜机加工成型得到水体降解材料；
当所述水解抑制剂或水解促进剂为低分子量时，水体降解材料的制备方法通过如下步骤实现：将水解抑制剂或水解促进剂、助剂和脂肪族聚酯混合均匀，然后经过注塑机或吹膜机加工成型得到水体降解材料。
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