CN107964128A - 一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法。采用含石墨粉的混合涂料涂布于密闭设备的内壁上，紫外灯辐照固化后，在容器内加入淀粉与淀粉改性剂的混合粉末，采用高能散裂中子发生器产生中子流，中子流经容器内壁石墨层的多次反射，反复轰击淀粉颗粒，破坏淀粉分子内及分子间的氢键，使分子链有序排列变为无序排列，得到热塑性淀粉。该方法采用高能中子流轰击破坏淀粉氢键实现淀粉的改性，通过容器内壁的石墨层反复反射中子流，提高了辐射轰击的效率，使得可塑性淀粉可加工性显著提高，并且整个过程具有很好的环境友好性。

Description

一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法
技术领域
本发明涉及淀粉改性技术领域，具体涉及通过中子辐射改性淀粉，特别是涉及一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法。
背景技术
淀粉是天然高分子之一，是植物中碳水化合物的主要储存库，也是绿色植物进行光合作用的产物。目前对淀粉的研究与开发主要集中在食品、医药、材料等领域，与石油化工原料相比，具有价格低廉、可再生、可生物降解、污染小等优点，符合环境保护和可持续发展战略，因此应用极其广泛。
在淀粉材料的应用中，作为最具发展前景的生物降解材料之一便是非常重要的一项。按其发展过程，淀粉降解塑料前后共经历了三个主要技术发展阶段：填充型淀粉塑料、淀粉基塑料和全淀粉热塑性塑料。填充型淀粉塑料多由淀粉与聚乙烯或聚丙烯等高分子的共混物制备，其最大缺点为产品的淀粉组成经降解后会留下一个不能再降解的塑料聚合物；淀粉基塑料使用聚乙烯醇等亲水性高分子与含量大于50%的淀粉高分子进行共混制备，藉由淀粉高分子和亲水性高分子间的物理和化学反应，此类材料具有较优异的生物可降解特性与可加工性；全淀粉热塑性塑料利用改性方式使淀粉高分子的结构以无序化排列并具有热塑特性，在淀粉含量90% 以上的前提下，于高温、高压和高湿条件下制备全生物可降解塑料，因此全淀粉塑料是真正完全可降解的塑料。
在实际应用中，由于天然淀粉溶解度小、分散性差、不能形成稳定的胶溶体系等性质，需要在其原有性质的基础上，增加其某些功能性或引进新的特性，使其更适合于一定应用的要求。在用于生物塑料时，因其具有半结晶的颗粒结构，内部主要为非晶区域，而外层结晶区域且非常牢固，不利于生物降解塑料的制备，因此需要在天然淀粉所具有的固有特性的基础上，针对性地改善淀粉的性能、扩大其应用范围，利用物理、化学或酶法处理，在淀粉分子上引入新的官能团或改改淀粉分子大小和淀粉颗粒性质，从而改变淀粉的天然特性，使其更适合于生物降解塑料的要求，常规处理淀粉的手段有使用化学试剂，或采用球磨等手段。
中国发明专利申请号201310219775.3公开了一种可降解热塑性淀粉材料及其制备方法，其组成主要包括食品级淀粉、环氧大豆油、山梨醇、单甘酯、甲酰胺和0.2%聚丙烯酸钠水溶液，也可根据实际需要加入滑石粉、硬脂酸钙、柠檬酸三乙酯、十溴二苯乙烷、聚磷酸铵，将这些组分和相关增塑剂按照搅拌混合、高温挤压和切粒烘干等顺序即可制得最终成品。
中国发明专利申请号201710649812.2公开了一种热塑性淀粉及其制备方法与应用，此发明先对淀粉进行接枝改性，得到聚酯接枝淀粉，其在聚乳酸上接枝水性聚合物，可有效提高聚乳酸的亲水性，改善聚乳酸和淀粉的界面相容性，从而得到性能良好的热塑性淀粉。
中国发明专利申请号200710041319.9公开了热塑性淀粉及其制备方法，制备方法如下:将淀粉、甘油或山梨糖醇、松香甘油脂、硬酯酸和水，在挤出机中，二氧化碳的超临界或亚临界状态下，进行反应，然后挤出切粒，获得所说的热塑性淀粉的颗粒。
中国发明专利申请号201510600097.4公开了一种可降解热塑性淀粉材料的制备方法，该方法中包括：原淀粉、引发剂、增塑剂和天然纤维素，其步骤为：先将原淀粉放入搅拌反应釜，加入引发剂进行接枝反应，得到改性淀粉；再将天然纤维素、增塑剂和改性淀粉加入高速混合机中混合均匀，然后放入螺杆挤出机中塑化并造粒成颗粒状。
根据上述，现有方案中天然淀粉用于生物塑料时因其半结晶颗粒结构在大分子高聚物糊化温度高，黏度大，热塑性差，不利于生物降解塑料的制备，而一般处理淀粉或淀粉改性的手段要么使用大量化学试剂，对环境有一定不利影响，要么采用球磨等低效手段，鉴于此，本发明提出了一种创新性的高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，可有效解决上述技术问题。
发明内容
针对目前应用较广的淀粉可降解塑料应用中，天然淀粉糊化温度高，黏度大，热塑性差等问题，以及传统方法处理淀粉的方式低效、过程复杂或需加入大量化学试剂对环境造成影响，本发明提出一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，从而保证了高效改性淀粉的同时，保证了制备过程的简单和环境友好性。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，所述热塑性淀粉的制备过程为：
（1）取可密闭设备，将石墨粉、丙烯酸酯及无水乙醇制备的混合涂料均匀地喷涂于设备内壁上，置于紫外灯下辐照处理2~3min，使涂料固化，密闭设备覆盖含石墨粉的均匀涂层；
（2）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至60~70℃，密封焖浆25~35min，再升温至80~90℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；
（3）向步骤（1）的密闭设备中加入步骤（2）制得的混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，在经石墨涂层的多次反射后中子流重复轰击淀粉颗粒，破坏淀粉分子内和分子间的氢键，达到无序化处理的目的，即可制得热塑性淀粉。
优选的，所述石墨粉为亚微米石墨粉、特细石墨粉、超细石墨粉或精细石墨粉中的至少一种；
优选的，所述混合涂料总的质量份数为100份计，其中丙烯酸酯30~40份、石墨粉10~20份、无水乙醇40~60份；
优选的，所述紫外灯可为氙灯、氦灯或氪灯中的一种；所述辐照光强度为100~120mW/cm2，辐照距离为8~12cm；
优选的，所述淀粉改性剂为纳米云母粉、纳米滑石粉、纳米水镁石、纳米蒙脱土中的至少一种；
优选的，所述淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒40~50份、淀粉改性剂3~6份、水44~57份；
优选的，所述浆液制备过程中，搅拌速度为200~250r/min，搅拌时间为30~50min；
优选的，所述混合淀粉粉末的研磨粒径为200~500nm；
优选的，所述中子发生器的中子源为质子加速器的高能质子轰击重金属钯产生的散裂中子源；所述高能中子为快中子，能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为12000~13000km/s。
优选的，步骤（3）辐射时间为5-10min。
当快速粒子（如高能质子）轰击重原子核时，一些中子被剥离或被轰击出来，在核反应中被称为散裂。散裂中子源是以高能质子撞击重金属靶产生的极为短暂的高强度中子脉冲。高能质子采用加速器提供，脉冲散裂中子源突破了反应堆中子源的中子通量上限。通过原子的核内级联和核外级联等复杂的核反应，每个高能质子可产生20~40个中子，大大提高了中子的产生效率，每产生一个中子释放的热量仅为反应堆的1/4左右（约45MeV）。散裂脉冲中子源不用核燃料，不产生核废物，不污染环境，停止通电就不再产生质子、中子，绝对安全。散裂中子源在比较小的体积内可产生比较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽泛。因此，本发明采用散裂中子源对淀粉颗粒进行轰击。
将所得的热塑性淀粉与载体树脂混合，挤出造粒，用于制备降解塑料。
本发明提供了一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出了采用高能中子流轰击破坏淀粉氢键而实现淀粉改性的方法。
2、通过容器内壁的石墨层反复反射中子流，提高了辐射轰击的效率。
3、所得可塑性淀粉热塑加工性显著提高，可用于制备降解塑料。
4、未大量采用化学试剂，制备、使用及降解过程具有很好的环境友好性。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）取可密闭设备，将石墨粉、丙烯酸酯及无水乙醇制备的混合涂料均匀地喷涂于设备内壁上，置于紫外灯下辐照处理2min，使涂料固化，密闭设备覆盖含石墨粉的均匀涂层；石墨粉为亚微米石墨粉；混合涂料总的质量份数为100份计，其中丙烯酸酯35份、石墨粉15份、无水乙醇50份；紫外灯为低压氢灯，辐照光强度为110mW/cm2，辐照距离为10cm；
（2）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至70℃，密封焖浆30min，再升温至85℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；淀粉改性剂为纳米云母粉；淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒45份、淀粉改性剂5份、水50份；浆液制备过程中，搅拌速度为2200r/min，搅拌时间为40min；
（3）向步骤（1）的密闭设备中加入步骤（2）制得的混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，在经石墨涂层的多次反射后中子流重复轰击淀粉颗粒，辐射5min，即可制得热塑性淀粉；中子流能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为12500km/s。
将得的热塑性淀粉与载体树脂聚丙烯以质量比1：3混合，挤出造粒，得到降解塑料，其耐高温性能、熔体流动性、如表1所示。
实施例2
（1）取可密闭设备，将石墨粉、丙烯酸酯及无水乙醇制备的混合涂料均匀地喷涂于设备内壁上，置于紫外灯下辐照处理3min，使涂料固化，密闭设备覆盖含石墨粉的均匀涂层；石墨粉为特细石墨粉；混合涂料总的质量份数为100份计，其中丙烯酸酯33份、石墨粉14份、无水乙醇53份；紫外灯为低压高强氙灯，辐照光强度为110mW/cm2，辐照距离为9cm；
（2）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至63℃，密封焖浆28min，再升温至82℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；淀粉改性剂为纳米滑石粉；淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒42份、淀粉改性剂4份、水54份；浆液制备过程中，搅拌速度为210r/min，搅拌时间为35min；
（3）向步骤（1）的密闭设备中加入步骤（2）制得的混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，在经石墨涂层的多次反射后中子流重复轰击淀粉颗粒，辐射6min，即可制得热塑性淀粉；中子流能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为12000km/s。
将得的热塑性淀粉与载体树脂聚丙烯以质量比1：3混合，挤出造粒，得到降解塑料，其耐高温性能、熔体流动性、如表1所示。
实施例3
（1）取可密闭设备，将石墨粉、丙烯酸酯及无水乙醇制备的混合涂料均匀地喷涂于设备内壁上，置于紫外灯下辐照处理2min，使涂料固化，密闭设备覆盖含石墨粉的均匀涂层；石墨粉为超细石墨粉；混合涂料总的质量份数为100份计，其中丙烯酸酯38份、石墨粉17份、无水乙醇45份；紫外灯为中压氦灯，辐照光强度为120mW/cm2，辐照距离为11cm；
（2）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至68℃，密封焖浆32min，再升温至88℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；淀粉改性剂为纳米水镁石；淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒48份、淀粉改性剂5份、水47份；浆液制备过程中，搅拌速度为250r/min，搅拌时间为45min；
（3）向步骤（1）的密闭设备中加入步骤（2）制得的混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，在经石墨涂层的多次反射后中子流重复轰击淀粉颗粒，辐射8min，即可制得热塑性淀粉；中子流能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为13000km/s。
将得的热塑性淀粉与载体树脂聚丙烯以质量比1：3混合，挤出造粒，得到降解塑料，其耐高温性能、熔体流动性、如表1所示。
实施例4
（1）取可密闭设备，将石墨粉、丙烯酸酯及无水乙醇制备的混合涂料均匀地喷涂于设备内壁上，置于紫外灯下辐照处理3min，使涂料固化，密闭设备覆盖含石墨粉的均匀涂层；石墨粉为精细石墨粉；混合涂料总的质量份数为100份计，其中丙烯酸酯34份、石墨粉17份、无水乙醇49份；紫外灯为低压氪灯，辐照光强度为105mW/cm2，辐照距离为8cm；
（2）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至64℃，密封焖浆34min，再升温至82℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；淀粉改性剂为纳米蒙脱土；淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒46份、淀粉改性剂3份、水51份；浆液制备过程中，搅拌速度为210r/min，搅拌时间为45min；
（3）向步骤（1）的密闭设备中加入步骤（2）制得的混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，在经石墨涂层的多次反射后中子流重复轰击淀粉颗粒，辐射10min，即可制得热塑性淀粉；中子流能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为12000km/s。
将得的热塑性淀粉与载体树脂聚丙烯以质量比1：3混合，挤出造粒，得到降解塑料，其耐高温性能、熔体流动性、如表1所示。
实施例5
（1）取可密闭设备，将石墨粉、丙烯酸酯及无水乙醇制备的混合涂料均匀地喷涂于设备内壁上，置于紫外灯下辐照处理2min，使涂料固化，密闭设备覆盖含石墨粉的均匀涂层；石墨粉为亚微米石墨粉；混合涂料总的质量份数为100份计，其中丙烯酸酯37份、石墨粉17份、无水乙醇46份；紫外灯为低压氪灯，辐照光强度为105mW/cm2，辐照距离为12cm；
（2）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至68℃，密封焖浆28min，再升温至84℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；淀粉改性剂为纳米云母粉；淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒44份、淀粉改性剂5份、水51份；浆液制备过程中，搅拌速度为240r/min，搅拌时间为45min；
（3）向步骤（1）的密闭设备中加入步骤（2）制得的混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，在经石墨涂层的多次反射后中子流重复轰击淀粉颗粒，辐射10min，即可制得热塑性淀粉；中子流能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为13000km/s。
将得的热塑性淀粉与载体树脂聚丙烯以质量比1：3混合，挤出造粒，得到降解塑料，其耐高温性能、熔体流动性、如表1所示。
对比例1
（1）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至68℃，密封焖浆28min，再升温至84℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；淀粉改性剂为纳米云母粉；淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒44份、淀粉改性剂5份、水51份；浆液制备过程中，搅拌速度为240r/min，搅拌时间为45min；
（2）向密闭设备中加入混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，辐射10min，即可制得热塑性淀粉；中子流能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为13000km/s。
将得的热塑性淀粉与载体树脂聚丙烯以质量比1：3混合，挤出造粒，得到降解塑料，其耐高温性能、熔体流动性、如表1所示。
表1：
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1
耐高温性（℃） 200 185 1750 190 195 145
熔体指数（g/min） 3.8 3.6 3.5 3.7 3.9 1.2
制备效率 高 高 高 高 高 一般

Claims (10)

1.一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于，制备方法为：
（1）取可密闭设备，将石墨粉、丙烯酸酯及无水乙醇制备的混合涂料均匀地喷涂于设备内壁上，置于紫外灯下辐照处理2~3min，使涂料固化，密闭设备覆盖含石墨粉的均匀涂层；
（2）将淀粉颗粒与淀粉改性剂混合，加入水，强烈搅拌调成均匀浆液，升温至60~70℃，密封焖浆25~35min，再升温至80~90℃，出料后冷却、干燥、磨粉，得到混合淀粉粉末；
（3）向步骤（1）的密闭设备中加入步骤（2）制得的混合淀粉粉末，采用中子发生器向设备内部辐射高能中子流，在经石墨涂层的多次反射后中子流重复轰击淀粉颗粒，破坏淀粉分子内和分子间的氢键，达到无序化处理的目的，即可制得热塑性淀粉。
2.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述石墨粉为亚微米石墨粉、特细石墨粉、超细石墨粉或精细石墨粉中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述混合涂料总的质量份数为100份计，其中丙烯酸酯30~40份、石墨粉10~20份、无水乙醇40~60份。
4.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述紫外灯为氙灯、氦灯或氪灯中的一种，所述辐照光强度为100~120mW/cm2，辐照距离为8~12cm。
5.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述淀粉改性剂为纳米云母粉、纳米滑石粉、纳米水镁石、纳米蒙脱土中的至少一种。
6.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述淀粉浆液中，各组分总的质量份数以100份计，其中淀粉颗粒40~50份、淀粉改性剂3~6份、水44~57份。
7.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述浆液制备过程中，搅拌速度为200~250r/min，搅拌时间为30~50min。
8.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述混合淀粉粉末的研磨粒径为200~500nm。
9.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：所述中子发生器的中子源为质子加速器的高能质子轰击重金属钯产生的散裂中子源；所述高能中子为快中子，能量范围为1~10keV，中子密度为1022~1023个/cm3，中子速度为12000~13000km/s。
10.根据权利要求1所述一种高效制备用于生物降解塑料的热塑性淀粉的方法，其特征在于：步骤（3）所述辐射，辐射时间为5-10min。
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