CN107216623B - 一种可生物降解的聚乳酸复合材料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可生物降解的聚乳酸复合材料、其制备方法及应用，所述聚乳酸复合材料包括以下按重量百分比计的原料：聚乳酸40‑60％，农业废弃物15‑30％，碳酸钙25‑30％，纳米碳酸钙有效的解决了聚乳酸和农业废弃物复合材料性质脆和软的特性，可完全取代工程塑料和传统材料，实现了资源的可持续发展，并且由本发明的聚乳酸复合材料制备得到的化妆刷刷柄具有易降解，强度高，手感好，不变形的特点。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种可生物降解的聚乳酸复合材料、其制备方法及应用。
背景技术
目前市场上的化妆刷刷柄通常是以木材、竹子、工程塑料和金属为原料。然而，木材和竹子虽然易于降解，但是由于其生长周期长，总需求量大，容易对生态环境造成不可逆的破坏；工程塑料和金属材料降解周期长，难以回收再利用，不利于社会的可持续性发展。在这样的情况下，必须寻找到可替代的可生物降解的材料。
聚乳酸是一种可以由农作物发酵所得的乳酸聚合而成的高分子材料，因此，聚乳酸是一种环境友好高分子材料。同时，由于聚乳酸还具有生物可降解性，较好的机械性能和加工性能。在堆肥的情况下可在较短的时间内完全生物降解，降解的产物为二氧化碳和水，可以被可再生农作物通过光合作用吸收，完成一次循环，整个过程对环境的影响较小。但是，纯聚乳酸的玻璃化温度较低，只有50～65℃，再者聚乳酸结晶速度慢，导致聚乳酸成型制品的耐热性(热变形温度)较低，在很大程度上限制了聚乳酸的应用范围。
农业废弃物(即天然植物纤维)的加入，对于提高整个聚乳酸复合材料的综合性能也有明显的效果。然而，由于聚乳酸与农业废弃物复合材料性质硬且脆，抗冲击性差等缺点，阻碍了聚乳酸与农业废弃物复合材料的应用范围。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种可生物降解的聚乳酸复合材料、其制备方法及应用。本发明采用纳米碳酸钙来增强可降解聚乳酸与农业废弃物复合材料的稳定性、硬度和刚性，同时改善塑料的加工性能、耐热性和散光性能。本发明的聚乳酸复合材料可用作化妆刷刷柄。
为了实现上述目的，本发明采用以下方案来实现：
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，所述聚乳酸复合材料包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 40-60％，
农业废弃物 15-30％，
碳酸钙 25-30％。
优选地，所述聚乳酸复合材料包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 45-50％，
农业废弃物 20-25％，
碳酸钙 27-30％。
优选地，所述聚乳酸复合材料包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 47-50％，
农业废弃物 20-23％，
碳酸钙 29-30％。
优选地，所述聚乳酸的重均分子量为10万-30万，其为聚-L-乳酸和聚-D-乳酸共混物，其中聚-D-乳酸所占比例小于6％。
优选地，所述聚乳酸为美国NatureWorks公司注塑标准级。
优选地，所述农业废弃物选自秸秆、稻壳、米糠中的至少一种。
进一步优选地，所述秸秆选自水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、甘蔗秸秆、薯类秸秆中的至少一种。
优选地，所述碳酸钙为纳米级碳酸钙，其平均粒径范围为0.04～0.1微米。进一步优选，所述纳米碳酸钙为广州振威化工科技有限公司I型。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将农业废弃物进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过50-60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的农业废弃物与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料注塑成型，制成制品。
优选地，步骤(3)中注塑成型在温度为150-250℃，压力为15-30Mpa的条件下进行。优选地，步骤(3)中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为200-400r/min,螺杆的长径比为30:1-50:1。
上述聚乳酸复合材料的应用，将所述可生物降解的聚乳酸复合材料制备成化妆刷刷柄。
目前市面上的聚乳酸均是线性分子结构，缺少支链结构，导致聚乳酸自身熔体强度较低，难以稳定地吹塑成型加工。同时，由于聚乳酸结晶速度慢，球晶尺寸大，导致材料硬且脆，其撕裂强度差，断裂伸长率不足5％。纳米碳酸钙与聚乳酸和农业废弃物复合材料的基质间存在强的化学作用，不存在界面软化现象，同时纳米碳酸钙粒子能形成链状结构，使聚乳酸和农业废弃物复合材料的物理缠结能力增强。纳米碳酸钙的添加大大提高了聚乳酸和农业废弃物复合材料的强度，对聚乳酸和农业废弃物复合材料应用于化妆刷的发展具有很重大的意义。
本发明的有益效果：
(1)聚乳酸作为植物提取可降解材料，来源广泛，绿色环保；农业废弃物生长周期短，成本低廉，加工简便，由聚乳酸和农业废弃物制备的复合材料在自然条件下可实现有机物百分百降解；
(2)纳米碳酸钙有效的解决了聚乳酸和农业废弃物复合材料性质脆和软的特性，可完全取代工程塑料和传统材料，实现了资源的可持续发展；
(3)由本发明的聚乳酸复合材料制备得到的化妆刷刷柄具有易降解，强度高，手感好，不变形的特点。
具体实施方式
为了使本实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述发明。
实施例1
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 50％，
小麦秸秆 20％，
纳米碳酸钙 30％。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将小麦秸秆进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的小麦秸秆与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，其中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为300r/min,螺杆的长径比为40:1，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料在温度为200℃、压力为20Mpa的条件下，注塑成型，制成制品。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的应用，将上述可生物降解的聚乳酸复合材料制备成化妆刷刷柄经外部修整，紫外消毒后包装。
实施例2
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 60％，
玉米秸秆 15％，
纳米碳酸钙 25％。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将玉米秸秆进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的玉米秸秆与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，其中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为300r/min,螺杆的长径比为40:1，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料在温度为150-250℃、压力为15-30Mpa的条件下，注塑成型，制成化妆刷刷柄。
实施例3
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 40％，
米糠 30％，
纳米碳酸钙 30％。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将米糠进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的米糠与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，其中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为400r/min,螺杆的长径比为50:1，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料在温度为250℃、压力为15Mpa的条件下，注塑成型，制成化妆刷刷柄。
实施例4
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，包括以下按重量百分比计的原料：
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将小麦秸秆、稻壳进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过50-60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的小麦秸秆、稻壳与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，其中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为200r/min,螺杆的长径比为30:1，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料在温度为150℃、压力为30Mpa的条件下，注塑成型，制成化妆刷刷柄。
实施例5
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 50％，
小麦秸秆 25％，
纳米碳酸钙 25％。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将小麦秸秆进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的小麦秸秆与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，其中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为300r/min,螺杆的长径比为40:1，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料在温度为200℃、压力为20Mpa的条件下，注塑成型，制成化妆刷刷柄。
对比例1
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 70％，
小麦秸秆 20％，
纳米碳酸钙 10％。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将小麦秸秆进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的小麦秸秆与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，其中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为300r/min,螺杆的长径比为40:1，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料在温度为200℃、压力为20Mpa的条件下，注塑成型，制成化妆刷刷柄。
对比例2
一种可生物降解的聚乳酸复合材料，包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 50％，
小麦秸秆 40％，
纳米碳酸钙 10％。
上述可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将小麦秸秆进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的小麦秸秆与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，其中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为300r/min,螺杆的长径比为40:1，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料在温度为200℃、压力为20Mpa的条件下，注塑成型，制成化妆刷刷柄。
对实施例1-5和对比例1-2的聚乳酸复合材料进行力学性能测试，其结果见表1.
表1实施例1-5和对比例1-2的聚乳酸复合材料力学性能测试
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明的的技术方案都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种可生物降解的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述聚乳酸复合材料包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 40-60％，
农业废弃物 15-30％，
纳米级碳酸钙 25-30％；
其中所述纳米级碳酸钙的平均粒径范围为0.04～0.1微米；所述农业废弃物选自秸秆、稻壳、米糠中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的可生物降解的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述聚乳酸复合材料包括以下按重量百分比计的原料：
聚乳酸 45-50％，
农业废弃物 20-25％，
纳米碳酸钙 27-30％，
其中所述纳米级碳酸钙的平均粒径范围为0.04～0.1微米。
3.根据权利要求1所述的可生物降解的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述聚乳酸的重均分子量为10万-30万，其为聚-L-乳酸和聚-D-乳酸共混物，其中聚-D-乳酸所占比例小于6％。
4.根据权利要求3所述的可生物降解的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述秸秆选自水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、甘蔗秸秆、薯类秸秆中的至少一种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将农业废弃物进行清理，除去泥沙以及腐物，晒干后粉碎，并将得到的粉末过50-60目筛，再放入烘干机中烘干至水分含量在1％-3％；
(2)将经过步骤(1)处理后的农业废弃物与聚乳酸在80-90℃下干燥3-4h，控制湿度在250ppm以下，得到混合物；
(3)将经过步骤(2)处理得到的混合物与纳米碳酸钙在双螺杆挤出机中，挤出制粒，形成颗粒状半成品材料，形成颗粒状半成品材料；
(4)将步骤(3)得到的颗粒状半成品材料注塑成型，制成制品。
6.根据权利要求5所述的可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中注塑成型在温度为150-250℃，压力为15-30Mpa的条件下进行。
7.根据权利要求5所述的可生物降解的聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中挤出温度为175-200℃，螺杆转速为200-400r/min,螺杆的长径比为30:1-50:1。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的可生物降解的聚乳酸复合材料的应用，其特征在于，将所述可生物降解的聚乳酸复合材料用作化妆刷刷柄。
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