CN106957472A - 一种添加碳纳米管的新型高强环保改性材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环保改性材料，原料组分按重量份计，包括：锰粉2‑5重量份、碳纳米管0.1‑0.6重量份以及低密度聚乙烯94.4‑97.9重量份。制备方法：按照配比将各原料组分混合均匀；然后将混合均匀后的产物造粒，得到环保改性材料。本发明提供的环保改性材料中，通过适量碳纳米管和锰微粒的加入，不仅可以显著改善聚乙烯等普通塑料制品的力学性能，而且可以使传统很难降解的聚乙烯材料获得生物降解性能，使其成为能够在自然环境下降解的生物降解材料。换句话说，本发明不仅有效地给传统不能生物降解的普通塑料制品赋予了生物降解性能，而且显著增加了普通塑料制品的力学性能，并降低了制备成本。

Description

一种添加碳纳米管的新型高强环保改性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及塑料制品技术领域，具体涉及一种添加碳纳米管的新型高强环保改性材料及其制备方法。
背景技术
众所周知，白色污染作为对废塑料污染环境现象的一种形象称谓，是指用聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等高分子化合物制成的包装袋、农用地膜、一次性餐具、塑料瓶等塑料制品使用后被弃置成为固体废物，由于随意乱丢乱扔，难于降解处理，给生态环境和景观造成的污染。近年来，塑料作为一种价廉物美的材料应用于各个领域。然而，随着塑料袋和塑料薄膜制品的广泛使用，人们发现塑料薄膜制品本身的寿命远远长于其所需寿命。由于塑料不易腐烂，极难降解，从而在城市固体垃圾中占有较高的比率。随意遗弃的塑料薄膜制品(如塑料袋、塑料包装、一次性塑料用品、地膜等)更是长时间地污染着环境，逐渐成为白色污染。白色污染造成的生态灾难已经成为二十一世纪困扰人类生存与发展的重大难题之一。
目前，为了减少白色污染、保护生态环境，人们对可生物降解塑料进行了广泛的研究。常用的可生物降解塑料有聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸己二酸丁二醇酯以及聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯等，且其具有如下优点：(1)降解后体积减小，节省填埋场土地的占用情况，进而节约土地资源；(2)不用焚烧，从而减少了有害气体的排放；(3)可制成堆肥回归自然。然而，可生物降解塑料虽然具有上述优点，但其最大的缺点在于成本偏高(其价格也比普通塑料高2-6倍)且力学性能较差，例如可生物降解材料在拉伸强度、断裂伸长率、顶破力、撕裂强度、光透明性以及湿强度等都达不到应用的要求，从而显著影响了可生物降解塑料的应用范围。
基于此，如何有效解决普通塑料制品的降解性能，使人类既能继续使用廉价、轻质、高比强度以及健康卫生的塑料制品，又能避免白色污染已经迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种添加碳纳米管的新型高强环保改性材料及其制备方法。本发明提供的环保改性材料中，通过适量碳纳米管和锰粉的加入，不仅可以显著改善聚乙烯等普通塑料制品的力学性能，而且可以使传统很难降解的聚乙烯材料获得生物降解性能，从而使其成为能够在自然环境下降解的生物降解材料。换句话说，本发明不仅可以有效地给传统不能降解的普通塑料制品赋予生物降解性能，而且能够显著增加普通塑料制品的力学性能，并降低制备成本。
为此，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种环保改性材料，原料组分按重量份计，包括：锰粉2-5重量份、碳纳米管0.1-0.6重量份以及低密度聚乙烯94.4-97.9重量份。具体地，低密度聚乙烯即高压聚乙烯，在100-300MPa的高压下，过氧化物催化自由基聚合生成，其密度约为0.910-0.925g/cm3，熔点约为130℃-145℃，具有密度低及材质软等优点。
在本发明的进一步实施方式中，锰粉的粒径小于或等于2μm。
在本发明的进一步实施方式中，碳纳米管为羟基化碳纳米管，且羟基化碳纳米管的直径为30nm-50nm，长度为0.5-2μm。具体地，羟基化碳纳米管外径为30nm-50nm，羟基含量为0.5-2％。
在本发明的进一步实施方式中，低密度聚乙烯的熔融指数为0.5-5.0g/10min。具体地，低密度聚乙烯选用LD662、2012TN26、2426H、2436H和LD600中的一种或多种。
第二方面，本发明提供一种环保改性材料的制备方法，包括以下步骤：S101：按照配比将各原料组分混合均匀；S102：将混合均匀后的产物造粒，得到环保改性材料。
在本发明的进一步实施方式中，S101中，混合在高速混料机中进行，且高速混料机的具体条件为：转速为300rpm-600rpm，温度为50℃-70℃，混合时间为3min-10min。
在本发明的进一步实施方式中，S102中，造粒在双螺杆造粒机中进行，且双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为30-50，双螺杆造粒机的机头温度为130℃-150℃，一区温度为165℃-175℃，二区、三区、四区以及五区温度为175℃-185℃，且五区的温度与机头之间的温度呈梯度递减。具体地，本发明可以选用型号为NCHF50系列的双螺杆挤出机。
在本发明的进一步实施方式中，S102中，造粒得到的产物的粒径小于或等于4mm。
在本发明的进一步实施方式中，S102之后还包括步骤S103：将环保改性材料进行吹塑，得到薄膜；其中，吹塑在单螺杆挤出机中进行，且单螺杆挤出机的条件具体为：挤出机的长径比为20-30，吹胀比为2.5-4，薄膜的厚度为20μm-30μm。
第三方面，本发明提供的环保改性材料在制备环保型包装材料、一次性塑料制品、农用一次性薄膜且尤其是地膜产品或产品添加剂中的应用。
本发明提供的上述技术方案具有以下优点：
(1)申请人经过大量实验发现：本发明提供的环保改性材料中，通过碳纳米管和锰粉的加入，可以使传统不能降解的普通塑料制品赋予生物降解性能，从而使其成为能够在自然环境下降解的生物降解材料。
(2)基于聚乙烯塑料在各个领域的广泛应用以及与此相伴随的白色污染问题的严峻性，人们尝试采用各种方法来提高聚乙烯塑料的可降解性，多为添加光降解剂如硬脂酸铁、硬脂酸铈等以及其他。而本发明提供的环保改性材料与普通塑料制品相比，具有优异的力学性能；而且其避免了各类添加剂如相容剂、降解剂、热稳定剂以及光稳定剂等的加入，从而显著降低了生产成本，也大大简化了环保改性材料的加工工艺。
(3)本发明提供的环保改性材料的制备方法简单、成本低廉，且制备得到的环保改性材料易于降解，其能在自然环境下快速降解为二氧化碳、水和腐殖质等，不会对环境造成任何污染。
具体实施方式
下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，因此只作为实例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。
以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
本发明所用的羟基化碳纳米管购自北京德科岛金科技有限公司，型号为CNT-506。
本发明提供的环保改性材料，原料组分按重量计，包括：锰粉2-5重量份、碳纳米管0.1-0.6重量份以及低密度聚乙烯94.4-97.9重量份。其中，锰粉的粒径小于或等于2μm，碳纳米管为羟基化碳纳米管，且羟基化碳纳米管的直径为30nm-50nm，长度为0.5-2μm，羟基含量为0.5-2％。低密度聚乙烯的熔融指数为0.5-5.0g/10min，具体可以选用LD662、2012TN26、2426H、2436H和LD600中的一种或多种。
另外，针对本发明的环保改性材料，本发明专门设计了制备环保改性材料的方法，包括以下步骤：
S101：按照配比将各原料组分混合均匀。其中，混合在高速混料机中进行，且高速混料机的具体条件为：转速为300rpm-600rpm，温度为50℃-70℃，混合时间为3min-10min。
S102：将混合均匀后的产物造粒，得到环保改性材料。其中，造粒在双螺杆造粒机中进行，且双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为30-50，双螺杆造粒机的机头温度为130℃-150℃，一区温度为165℃-175℃，二区、三区、四区以及五区温度为175℃-185℃，且五区的温度与机头之间的温度呈梯度递减；造粒得到的产物的粒径小于或等于4mm。
优选地，S102之后还包括步骤S103：将环保改性材料进行吹塑，得到薄膜；其中，吹塑优选在单螺杆挤出机中进行，且单螺杆挤出机的条件具体为：挤出机的长径比为20-30，吹胀比为2.5-4，薄膜的厚度为20μm-30μm。
下面结合具体实施方式进行说明：
实施例一
本发明提供一种环保改性材料，原料组分按重量计，包括粒径为2μm的锰粉2重量份、羟基化碳纳米管0.1重量份以及低密度聚乙烯LD662 97.9重量份；其中，羟基化碳纳米管的直径为30-50nm，长度为0.5μm，羟基含量为1.06。
按照上述原料组分，采用本发明提供的环保改性材料的制备方法，制备环保改性材料：
S101：按照配比将各原料组分在转速为300rpm，温度为70℃的高速混料机中混合10min。
S102：将混合后的产物用双螺杆挤出机造粒，得到环保改性材料。其中，双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为40，双螺杆造粒机的机头温度为130℃，一区温度为175℃，二区温度为178℃，三区温度为180℃，四区温度为183℃，五区温度为185℃，造粒得到的产物的粒径为4mm。
S103：将环保改性材料在单螺杆挤出机中进行吹塑，挤出机的长径比为20，吹胀比为2.5，环境温度等于10℃，最终制备得到厚度为25μm的薄膜。
实施例二
本发明提供一种环保改性材料，原料组分按重量计，包括粒径为1μm的锰粉2重量份、羟基化碳纳米管0.6重量份以及低密度聚乙烯2012TN26 97.4重量份；其中，羟基化碳纳米管的直径为30-50nm，长度为2μm，羟基含量为1.06。
按照上述原料组分，采用本发明提供的环保改性材料的制备方法，制备环保改性材料：
S101：按照配比将各原料组分在转速为600rpm，温度为50℃的高速混料机中混合15min。
S102：将混合后的产物用双螺杆挤出机造粒，得到环保改性材料。其中，双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为30，双螺杆造粒机的机头温度为150℃，一区温度为165℃，二区温度为176℃，三区温度为178℃，四区温度为180℃，五区温度为185℃，造粒得到的产物的粒径为3mm。
S103：将环保改性材料在单螺杆挤出机中进行吹塑，挤出机的长径比为30，吹胀比为4，环境温度等于8℃，最终制备得到厚度为25μm的薄膜。
实施例三
本发明提供一种环保改性材料，原料组分按重量计，包括粒径为0.1μm的锰粉3重量份、羟基化碳纳米管0.4重量份以及低密度聚乙烯2426H 96.6重量份；其中，羟基化碳纳米管的直径为30-50nm，长度为1μm，羟基含量为1.06。
按照上述原料组分，采用本发明提供的环保改性材料的制备方法，制备环保改性材料：
S101：按照配比将各原料组分在转速为500rpm，温度为60℃的高速混料机中混合5min。
S102：将混合后的产物用双螺杆挤出机造粒，得到环保改性材料。其中，双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为50，双螺杆造粒机的机头温度为140℃，一区温度为170℃，二区温度为175℃，三区温度为176℃，四区温度为178℃，五区温度为180℃，造粒得到的产物的粒径为3mm。
S103：将环保改性材料在单螺杆挤出机中进行吹塑，挤出机的长径比为25，吹胀比为3.5，环境温度等于5℃，最终制备得到厚度为25μm的薄膜。
实施例四
本发明提供一种环保改性材料，原料组分按重量计，包括粒径为1μm的锰粉5重量份、羟基化碳纳米管0.1重量份以及低密度聚乙烯2436H 94.9重量份；其中，羟基化碳纳米管的直径为30-50nm，长度为1.5μm，羟基含量为1.06。
按照上述原料组分，采用本发明提供的环保改性材料的制备方法，制备环保改性材料：
S101：按照配比将各原料组分在转速为550rpm，温度为50℃的高速混料机中混合15min。
S102：将混合后的产物用双螺杆挤出机造粒，得到环保改性材料。其中，双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为40，双螺杆造粒机的机头温度为150℃，一区温度为168℃，二区温度为178℃，三区温度为180℃，四区温度为183℃，五区温度为185℃，造粒得到的产物的粒径为4mm。
S103：将环保改性材料在单螺杆挤出机中进行吹塑，挤出机的长径比为30，吹胀比为4，环境温度等于8℃，最终制备得到厚度为25μm的薄膜。
实施例五
本发明提供一种环保改性材料，原料组分按重量计，包括粒径为0.5μm的锰粉5重量份、羟基化碳纳米管0.6重量份以及低密度聚乙烯LD600 94.4重量份；其中，羟基化碳纳米管的直径为30-50nm，长度为2μm，羟基含量为1.06。
按照上述原料组分，采用本发明提供的环保改性材料的制备方法，制备环保改性材料：
S101：按照配比将各原料组分在转速为450rpm，温度为65℃的高速混料机中混合5min。
S102：将混合后的产物用双螺杆挤出机造粒，得到环保改性材料。其中，双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为40，双螺杆造粒机的机头温度为135℃，一区温度为167℃，二区温度为177℃，三区温度为179℃，四区温度为181℃，五区温度为183℃，造粒得到的产物的粒径为4mm。
S103：将环保改性材料在单螺杆挤出机中进行吹塑，挤出机的长径比为25，吹胀比为3，环境温度等于8℃，最终制备得到厚度为25μm的薄膜。
另外，将本发明各实施例得到的薄膜，系统评价其性能：
一、薄膜力学性能测试
具体地，按照GB/T 1040.3-2006测试各实施例薄膜的纵向抗拉强度，具体数据如表1所示。对比例选用由低密度聚乙烯制备得到的厚度为25μm的薄膜。
表1各实施例薄膜的纵向抗拉强度(MPa)
二、薄膜降解性能测试
(一)光氧化降解实验
将各实施例得到的薄膜根据美国标准ASTMD5208-01进行荧光紫外光暴露试验，所用光源为发射340nm的紫外灯，强度为0.78±0.02W/m2·mm。荧光紫外光暴露试验为循环实验，所采用的循环为在黑标准温度强度为50±3℃下辐射暴露20小时，然后在黑标准温度强度为40±3℃下无辐射冷凝暴露4小时。在紫外光照射120小时时测定试样的纵向伸长率。具体如表2所示。
(二)热氧化降解实验
将各实施例得到的薄膜根据美国标准ASTM D5510-94(2001)进行热氧化降解实验。采用重力对流烘箱，温度为70℃。测定300小时的时后试样的纵向伸长率。具体如表2所示。
表2各实施例薄膜降解前后的纵向伸长率变化
实施例一 实施例二 实施例三 实施例四 实施例五
降解前/％ 183 268 210 176 280
光氧化降解/％ 32 46 23 12 18
热氧化降解/％ 38 41 30 15 22
当然，除了实施例一至实施例五列举的情况，其他原料组分的种类和重量配比、制备过程中的条件和参数等也是可以的。
本发明提供的环保改性材料中，通过适量碳纳米管和锰粉的加入，不仅可以显著改善聚乙烯等普通塑料制品的力学性能，而且可以使传统很难降解的聚乙烯材料获得生物降解性能，从而使其成为能够在自然环境下降解的生物降解材料。换句话说，本发明不仅可以有效地给传统不能降解的普通塑料制品赋予生物降解性能，而且能够显著增加普通塑料制品的力学性能，并降低制备成本。
在本发明的描述中，需要理解的是，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种环保改性材料，其特征在于，原料组分按重量份计，包括：
锰粉2-5重量份、碳纳米管0.1-0.6重量份以及低密度聚乙烯94.4-97.9重量份。
2.根据权利要求1所述的环保改性材料，其特征在于：
所述锰粉的粒径小于或等于2μm。
3.根据权利要求1所述的环保改性材料，其特征在于：
所述碳纳米管为羟基化碳纳米管，且所述羟基化碳纳米管的直径为30nm-50nm。
4.根据权利要求1所述的环保改性材料，其特征在于：
所述低密度聚乙烯的熔融指数为0.5-5.0g/10min。
5.权利要求1-4任一项所述的环保改性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：按照配比将各原料组分混合均匀；
S102：将所述混合均匀后的产物造粒，得到环保改性材料。
6.权利要求5所述的环保改性材料的制备方法，其特征在于：
所述S101中，所述混合在高速混料机中进行，且所述高速混料机的具体条件为：转速为300rpm-600rpm，温度为50℃-70℃，混合时间为3min-10min。
7.权利要求5所述的环保改性材料的制备方法，其特征在于：
所述S102中，所述造粒在双螺杆造粒机中进行，且所述双螺杆造粒机的具体条件为：螺杆长径比L/D为30-50，所述双螺杆造粒机的机头温度为130℃-150℃，一区温度为165℃-175℃，二区、三区、四区以及五区温度为175℃-185℃，且所述五区的温度与所述机头之间的温度呈梯度递减。
8.权利要求7所述的环保改性材料的制备方法，其特征在于：
所述S102中，所述造粒得到的产物的粒径小于或等于4mm。
9.权利要求7所述的环保改性材料的制备方法，其特征在于：
所述S102之后还包括步骤S103：
将所述环保改性材料进行吹塑，得到薄膜；其中，所述吹塑在单螺杆挤出机中进行，且所述单螺杆挤出机的条件具体为：挤出机的长径比为20-30，吹胀比为2.5-4，所述薄膜的厚度为20μm-30μm。
10.权利要求1-4任一项所述的环保改性材料在制备环保型包装材料、一次性塑料制品、农用一次性薄膜产品或产品添加剂中的应用。
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