CN106957514B - 具有高水蒸气阻隔性的pbat基生物降解复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料,所述复合材料包括如下组分:PBAT、有机改性材料、无机改性材料、引发剂、相容剂、催化剂。与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:将PBAT与无机材料桥接,极大的改善了无机材料在PBAT中的相容性和分散性;无机材料在共混体系中因相容剂与引发剂联用产生的桥接作用,部分呈层状定向排布,延长了水分子通过路径,增加了水分子在材料中运动时间,从而显著提高了材料保水性,复合材料10μm薄膜材料水蒸气透过率由原同规格薄膜2800g/m2·24h,缩减到320g/m2·24h,明显优于同类材料。

Description

具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料
技术领域
本发明涉及一种具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料,属于高分子材料技术领域。
背景技术
传统塑料包装级膜类制品使用以后,由于种类繁杂不易于回收且回收后多以焚烧为主,增加了温室气体(如CO2气体)和有害物质(如二噁英)的排放,因此可生物降解材料及其包装制品逐渐成为当前研发的热点。
PBAT是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物,兼具PBA和PBT的特性,既有较好的延展性和断裂伸长率,也有较好的耐热性和冲击性能。此外PBAT还是优良的生物降解材料,因此它在薄膜,片材类包装类产品的生产中具有广泛的应用。但是因其本身材料的成分及结构特性,导致以其为原料生产的薄膜水蒸气阻隔性较差,达不到其在液体包装,农用膜类产品方面的使用要求。
PBAT作为一种新型全生物降解材料,国内对其各方面性能的研究尚处于起步阶段,经过对国内现有技术的文献专利检索发现,中国专利CN 201410325225.4公开了一种可生物降解高阻隔热塑性聚合物、制备方法及其聚合物应用。其聚合物单体包括a)聚碳酸酯链段和聚醚链段的复合多元醇,b)一种或几种带两个或两个以上羟基、胺基的小分子化合物,c)一种或几种二异氰酸酯类化合物,d)一种或几种交联剂,其制备方法是a)、b)、c)混合反应,再向混合反应物中再加入单体d),进行接枝交联。该方法虽然虽然提高了水蒸气的阻隔性,但存在生产步骤繁琐(包括初产物合成,改性加工),单体中涉及异氰酸酯残留使之在食品药品包装使用上有限制。中国专利CN201410410911.1公开了一种生物降解高阻隔塑料薄膜材料及其制备方法。该方法在基体聚合物薄膜上施加将水溶性高分子插层的有机化改性的层状硅酸盐的浸渍液后,干燥得到生物降解高阻隔塑料薄膜膜材料。该方法以聚碳酸酯类高分子为基底材料,而聚碳酸酯的玻璃化温度只有35℃,在夏天的高室温等情况下很容易变形而质量不稳定,且涂覆层稳定性未得到验证,影响阻隔薄膜的使用时间。
因此,制备一种成本低、力学性能高、加工性能好且易于普及的高阻隔性生物可降解PBAT/无机复合材料,应用于有水蒸气阻隔需求的膜类,片材制品,拓展生物可降解材料应用领域,是本发明亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷,提供一种高水蒸气阻隔PBAT基生物降解复合材料及其制备方法。以酸酐类有机物为桥,用熔融接枝的方法将无机材料与PBAT连接在一起,提高无机材料在PBAT基底中的分散效果,促进其层状排列,达到水蒸气阻隔的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的:
第一方面,本发明提供了一种具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料,其包括按重量份数计的如下组分:
上述组分重量份数为优选方案,其中主要材料如:有机改性材料,无机改性材料组分低于此范围水蒸气透过率改善效果不明显,高于此氛围可能引起溶体强度过低,导致加工问题,还导致薄膜制品拉伸性能(如拉伸强度,断裂伸长率)降低,产品无法使用。
作为优选方案,所述复合材料包括按重量份数计的如下组分:
引发剂,相容剂,催化剂添加重量份数低于此范围同样引起水蒸气透过率改善不明显,高于此范围能引起材料过度交联,改变材料性质耐老化性质。
作为更进一步优选方案,所述复合材料包括按重量份数计的如下组分:
作为优选方案,所述有机改性材料为聚乳酸、生物降解均聚酯或共聚酯,所述均聚酯或共聚酯为聚丙交酯、聚羟基链烷酸酯和包含脂族二羧酸和包含脂族二醇的聚酯。
作为优选方案,所述有机改性材料为聚丙交酯、聚羟基链烷酸酯或由脂肪族二元羧酸和脂肪族二元醇酯化得到的聚酯。
作为优选方案,所述有机改性材料为聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸亚丙酯、聚丁二酸丁二醇酯中的至少一种。
作为优选方案,所述无机改性材料为硅酸盐类、二氧化硅类、氧化物类、表面羟基化改性的纤维类添加物、表面羧基化改性的纤维类添加物中的一种或多种。优选为有机改性蒙脱土、高岭土、碳酸钙、硫酸钙、滑石粉、石棉、云母、二氧化硅、凹凸棒土、黏土和陶土中的一种或多种。
作为优选方案,所述引发剂为具有酸酐官能团、且能与PBAT和表面带羧基的无机材料发生反应的化合物。优选为马来酸酐、丁二酸酐、邻苯二甲酸酐中的一种或几种。
作为优选方案,所述相容剂包括过氧化物类化合物、异氰酸酯类化合物、多官能团环氧类化合物、磷酸酯类化合物中的一种或多种。优选地,所述过氧化物类化合物是过氧化二苯甲酰、过氧化二异丙苯、过氧化二叔丁基、偶氮二异丁腈中的一种或几种;所述异氰酸酯类化合物是二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中、1,6-己二异氰酸酯、邻苯二甲基二异氰酸酯、萘二异氰酸酯的一种或几种的组合;所述多官能团环氧化合物如BASF公司生产的Joncryl ADR系列产品;Joncryl ADR系列作为一种扩链剂,基于其在体系内特殊反应,也作为相容剂使用;所述磷酸酯类化合物是磷酸三苯酯、三壬基苯基亚磷酸酯中的中的一种或多种。
作为优选方案,所述催化剂为铝羧酸盐类、锡羧酸盐类、锌羧酸盐类和稀土羧酸盐类中的一种或多种。优选为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、二丁基二乙酸锑、乙酸锑中一种或几种。
第二方面,本发明还提供了一种如前述的具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料的制备方法,其包括如下步骤:
将PBAT、有机改性材料、无机改性材料、引发剂、相容剂和催化剂分别进行干燥后,混合均匀;
经熔融共混、挤出造粒、冷却切粒和干燥,得到所述具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料。
作为优选方案,所述熔融共混的温度为120~200℃。
作为优选方案,所述挤出造粒是在双螺杆挤出机中进行的,且控制口模的温度为120~200℃,螺杆的长径比为25~65,螺杆转速为100~300rpm。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、将PBAT与无机材料桥接,极大的改善了无机材料在PBAT中的相容性和分散性;
2、无机材料在共混体系中因相容剂与引发剂联用产生的桥接作用,部分呈层状定向排布,延长了水分子通过路径,增加了水分子在材料中运动时间,从而显著提高了材料保水性,复合材料10μm薄膜材料水蒸气透过率由原同规格薄膜2800g/m2·24h,缩减到320g/m2·24h,明显优于同类材料;
3、将PBAT与其他生物降解材料接枝共混,根据应用情况针对性改善膜材料机械性能;
4、复合材料采用全生物降解材料添加共混,保持了材料的生物可降解性;
5、复合材料成本低、加工性能好、制备工艺简单,可操作性强,易于大规模应用普及。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
对比例A~F的原料配比和实施例1~16的原料配比分别如表1和表2所示。各实施例和对比例得到的产品分别吹塑成10μm厚的薄膜(以下所称薄膜均为此厚度),按GB/T30412-2013制成标准样品,进行平均水蒸气透过率(WVTR)的测试,测试结果如表3所示。
表1:对比例A~F的配方
表2-1:实施例1~4的配方
表2-2:实施例5~8的配方
表2-3:实施例9~12的配方
表2-3:实施例12~16的配方
表3-1对比例平均水蒸气透过率(WVTR)的测试结果
表3-2实施例平均水蒸气透过率10μm(g/m2·24h)
对比例A和B可以得出,PBAT薄膜水蒸气透过率极高,数值为2831.6,PLA有较低的水蒸气透过率,数值能达到862.2,通过进一步分析对比例C可以看出,简单少量将这两种成分共混可以略微改善薄膜水蒸气透过率,但所得数值2179依旧无法满足使用要求。对比例D通过单独在PBAT基础上加入无机改性蒙脱土进一步降低薄膜水蒸气透过率,但其实际数值依旧偏大。对比例E进一步探讨了三种材料共混的改性作用,其最后结果比有机改性材料或者无机改性材料单独添加有降低,但不明显。而对比例F说明联用相容剂与引发剂能产生部分交联作用,但对薄膜水蒸气透过率无明显改善作用。需说明的是,为防止叙述说明累赘,本对比例仅列出PLA、改性纳米蒙脱土,马来酸酐,ADR,辛酸亚锡为代表,其余有机改性材料、无机改性材料相容剂,引发剂,催化剂与PBAT共混显示类似上述效果。
结合表3-2可以发现,实施例1~12所涉薄膜的水蒸气透过率总体都有相当程度的降低,其中案例2、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16水蒸气透过率降低情况优于PBAT单独添加有机改性材料或无机改性材料,侧面体现了桥接作用效果。
进一步的,实施例1~4对比了不同无机改性材料的添加,可以得出,无机材料颗粒大小,相容性,分散性,微观排布都对水蒸气透过率的降低有直观的影响。实施例5~8对比了不添加引发剂与相容剂,分别少量添加有机改性料,无机改性料,然后进一步增大两种改性料配比情况,可以看出,在无相容剂和引发剂存在的情况下,单独有机改性材料和无机改性材料的少部分添加,对薄膜整体水蒸气透过率有少量影响,大量的三种材料的共混,改善了薄膜水蒸气透过率,但无法达到最佳效果(320)数值。且过度添加无机改性材料会造成薄膜拉伸强度,断裂伸长率等机械性能严重损失。实施案例9~12对比了不同全生物降解材料的添加,和同种全生物降解材料和无机改性材料不同添加量的情况,可以看出,不同生物降解材料的少部分添加,对薄膜整体水蒸气透过率影响不大,相同有机改性材料,无机改性材料不同比例添加对薄膜水蒸气透过量影响亦有限.实施例12~16对比了不同比例引发剂与相容剂联用情况,总体上,其添加量的变动对薄膜水蒸气透过率影响不大,重点指出实施例16,引发剂与相容剂添加量减少导致薄膜水蒸气阻隔效果下降。
本发明通过PBAT和无机改性材料,有机改性材料共混,熔融状态接枝复合,辅助以引发剂,相容剂联用,形成桥接作用,增加改材料的相容性和分散性,改善纳米材料分子排布,以达到大幅度降低其薄膜制品水蒸气透过率的目的,水蒸气透过率数值最低可达320,为原有未改性材料的12%。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料,其特征在于,由按重量份数计的如下组分组成:
所述催化剂为铝羧酸盐类、锡羧酸盐类、锌羧酸盐类和稀土羧酸盐类中的一种或多种;
所述有机改性材料为聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸亚丙酯、聚丁二酸丁二醇酯中的至少一种;
所述无机改性材料为硅酸盐类、二氧化硅类、氧化物类、表面羟基化改性的纤维类添加物、表面羧基化改性的纤维类添加物中的一种或多种;
所述引发剂为具有酸酐官能团、且能与PBAT和表面带羧基的无机材料发生反应的化合物。
2.如权利要求1所述的具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料,其特征在于,所述相容剂包括过氧化物类化合物、异氰酸酯类化合物、多官能团环氧类化合物、磷酸酯类化合物中的一种或多种。
3.一种如权利要求1~2中任意一种所述的具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将PBAT、有机改性材料、无机改性材料、引发剂、相容剂和催化剂分别进行干燥后,混合均匀;
经熔融共混、挤出造粒、冷却切粒和干燥,得到所述具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料。
4.如权利要求3所述的具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,所述熔融共混的温度为120~200℃。
5.如权利要求3所述的具有高水蒸气阻隔性的PBAT基生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,所述挤出造粒是在双螺杆挤出机中进行的,且控制口模的温度为120~200℃,螺杆的长径比为25~65,螺杆转速为100~300rpm。
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