CN108976737A - 一种木质素作颜料的生物降解色母料及其制备方法与用途 - Google Patents

Abstract

本发明属于塑料着色领域，提供了一种木质素作颜料的全生物降解色母料及其制备方法与用途，该色母粒色母料按重量百分比由下列原料制成：载体树脂40％～95％，木质素5％～60％，表面处理剂0～0.5％，分散增容剂0～3％，其它助剂0～10％。将色母料的各组分混合后，进行双螺杆挤出造粒，获得粒料。该粒料具有流动性好、热分解温度高、分散性好、着色力强、可生物降解、成本低的特点，可于生物降解塑料热塑成型加工时当作色母料使用，可广泛应用挤出、注塑、吹塑、压延等加工成型。

Description

一种木质素作颜料的生物降解色母料及其制备方法与用途

技术领域

本发明属于塑料着色领域，特别涉及一种木质素作颜料的生物降解色母料及其制备方法，主要应用于环保型降解材料的着色。

背景技术

色母料也称颜料浓缩物，由颜料、载体树脂和添加剂组成，色母料是通过特殊的方法，把颜料高浓度均匀地分散于特定树脂中而形成的一种高效着色剂。自塑料出现以来迅速在世界占据了一席之地，在为生产生活带来便捷的同时也引发了白色污染的问题，同时由于石油资源的不断减少，以石油为原料的传统塑料行业成本增加，因此以生物降解材料替代传统塑料将成为研发热点。

我国国家标准GB/T 20197中规定一种单一材料如果按照GB/T 19277.1试验，其生物分解率在60％时为可生物降解材料。至今为止，已规模或中试化的生物降解塑料种类有聚乳酸(PLA)、聚羟基烷酸酯(PHA，包括PHB、PHBV、P(3HB，4HB)和PHBH等)、聚丁二酸丁二酯(PBS)、对苯二甲酸己二酸丁二醇共聚物(PBAT)、聚丁二酸-己二酸-丁二酯(PBSA)、聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚己内酯(PCL)等。

自工业化制浆以来，产生了越来越多的木质素。以前这种液体主要向包括河流、湖泊和海洋在内的环境中排放，现在这种做法已被环境法严格禁止。为了利用这些化学物质，大多数液体经浓缩后用于燃烧来生产能量，但同时产生了大量的二氧化碳对环境造成了严重污染。木质素作为自然界中唯一能提供可再生芳基化合物的非石油资源，开发其合理化高值化利用一直是众多专家学者研究的热点。木质素中含有芳香基、酚羟基、羰基、甲氧基、羧基、共轭双键等活性基团；其中，由于木质素中有众多的苯环结构，因此具有良好的阻燃、耐溶剂性能以及良好的热、光氧化稳定性。原本木质素为白色或近似白色的物质，但在木质素分离提取过程中由于溶剂的作用木质素往往显示为深棕色或黑色。

将木质素这种可降解的天然物质作为颜料添加到高分子中，不仅可以赋予制品良好外观，而且保持了产品的降解性能；与此同时，木质素优良的热、光稳定性以及特殊的阻燃性能有望与高分子达到性能上的互补。

发明内容

本发明的目的是提供一种木质素作颜料的生物降解色母料及其制备方法，解决了现有通用色母料在可完全降解塑料应用中的缺陷。

本发明所述的生物降解色母料主要由以下几种材料构成：载体树脂、木质素、分散剂、相容剂及其它助剂。按照质量百分含量，所述的生物降解色母料的具体配比为，可生物降解载体树脂40％～95％、木质素5％～60％、分散剂0～2％、增容剂1～5％，其它助剂0～10％，所述生物降解色母料的各项具体配比之和为100％。

本发明所述生物降解色母料构成中的载体树脂包括聚乳酸(PLA)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸-己二酸丁二酯(PBSA)、二氧化碳环氧丙烷共聚物(PPC)、聚醇酸(PGA)、纤维素、淀粉、甲壳素和蛋白质中的一种或几种的组合物，，进一步优选PLA、PHB、PPBAT、PBS等其中的一种或几种的组合物。

本发明所述木质素与所述可生物降解载体树脂两相间相容性较好，两者相容后具有如下特点：流动性好，熔融指数4g/10min～13g/10min；热分解温度高，分解温度＞330℃；木质素分散性好；着色力强；可生物降解，按照GB/T 19277.1测试，其生物降解率可达80％以上；成本低；颜色从棕色至黑色由浅至深可调，黑度0.01～0.2。

本发明所述木质素为林业竹木纤维或农业秸秆纤维经碱液处理后获得的木质素，木质素的粒径大于200目颜料，分解温度大于330℃。

本发明所述生物降解色母料构成中的分散剂为脂肪酸类、酯类、石蜡类和低分子蜡类中的一种或几种的组合物。。主要是为了阻止木质素凝聚而保持分散体稳定，提高颜料载入量。

本发明所述生物降解色母料构成中的相容剂为环状酸酐型、羧酸型和低分子型的反应型相容剂以及硅烷偶联剂中的一种或几种。可进一步优选硅烷偶联剂。主要是为了增加木质素和载体树脂的相容性。

本发明所述生物降解色母料构成中的其它助剂为填充剂、光亮剂、增塑剂、润滑剂中的其中一种或几种的组合物。

色母料所述的生物降解色母料的制备工艺颜料色母料如下：

a)将所需载体树脂和木质素进行干燥处理，温度为80℃～100℃，时间为4～6h，控制水分含量在0.02％以下；

b)按照权利要求1所述生物降解色母料的配方分别称取所述载体树脂、木质素、分散剂、相容剂及所需助剂；

c)将步骤b)中称取的所述载体树脂、木质素、分散剂、相容剂及所需助剂在高速混合机中或其它适当的容器中充分地混合均匀，得到混合物，其中高速混合温度不超过90℃，混合时间为2～7min；

d)将步骤c)中得到的所述混合物加入双螺杆挤出机中混炼塑化并挤出，双螺杆挤出机温度控制在140～210℃，转速控制在800～2000rpm；

将步骤d)中通过机头挤出的物料进行风冷拉条切粒，0.02即得到本发明所述的生物降解色母料料。

本发明所述双螺杆挤出机采用平行同向双螺杆挤出机，双螺杆长径比以大于28∶1，不超过48∶1为宜，以免物料在螺杆内长时间受热而分解。

本发明所述的生物降解色母料，可用于生物降解塑料热塑成型加工时当作色母料使用，可广泛应用的加工成型工艺至少包括挤出、注塑、吹塑和压延。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)选用的载体树脂与颜料均为可生物降解材料，所得色母料的生物降解率大于80％，远高于国家标准GB/T20197中关于生物降解材料其生物降解率需要大于等于60％的要求；

(2)经分散和增容处理后的木质素与载体树脂相容性较好，使得色母料及其制品能够保持较高的力学强度；

(3)木质素的加入，还使色母料具备了一定的阻燃性能和光、氧稳定性，扩展了应用领域。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1-6

将木质素作颜料填充聚乳酸制备生物降解色母料，其制备过程如下：

(1)先将聚乳酸和木质素进行烘干，按照一定配比一起倒入高混机等设备中，并加入一定量的分散剂和相容剂，混合均匀；

(2)将混合料加入到双螺杆挤出机中挤出，经冷却、切粒得到所需色母料。双螺杆挤出机中各段的温度分别设置为：一段温度200℃、二段温度210℃、三段温度210℃、四段温度180℃、五段温度190℃、六段温度180℃、七段温度190℃、八段温度190℃、模头温度190℃。

实施例1-6具体配方及其性能参数见表1。

表1

实施例7

将木质素作颜料填充聚羟基丁酸酯制备生物降解色母料，按重量百分比，由以下组分组成：

其制备过程如下：

(1)将聚羟基丁酸酯和木质素进行烘干，然后木质素与马来酸酐在170℃下原位反应挤出，得到MAH-g-Lignin作为偶联剂；

(2)聚羟基丁酸酯、分散剂、偶联剂和润滑剂按比例在高速混合机进行混合，然后将混合料加入到双螺杆挤出机中挤出，经冷却、切粒得到所需色母料。双螺杆挤出机中各段的温度分别为：一段温度180℃、二段温度190℃、三段温度190℃、四段温度180℃、五段温度190℃、六段温度190℃、七段温度180℃、八段温度180℃、模头温度180℃。

实施例7所述色母料的性能参数见表2。

表2

实施例8

将木质素作颜料填充聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯制备生物降解色母料，按重量百分比，由以下组分组成：

其制备方法：

1)将聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯和木质素进行烘干，然后木质素与马来酸酐在170℃下原位反应挤出，得到MAH-g-Lignin作为偶联剂；

(2)聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯、分散剂、偶联剂和其它助剂按比例在高速混合机进行混合，然后将混合料加入到双螺杆挤出机中挤出，经冷却、切粒得到所需色母料。该混合物料在双螺杆挤出机中各段的温度分别为：一段温度150℃、二段温度160℃、三段温度160℃、四段温度160℃、五段温度155℃、六段温度160℃、七段温度150℃、八段温度150℃、模头温度150℃。

实施例8所述色母料的性能参数见表3。

表3

实施例9

将木质素作颜料填充聚丁二酸丁二醇酯制备生物降解色母料，按重量百分比，由以下组分组成：

其制备方法：先将各组分按比例在高速混合机进行预混合，转速为2000转/分钟，混合时间5分钟，接着在密炼机中进行密炼，密炼时间5分钟，然后将密炼后的混合料加R入到双螺杆挤出机中挤出，经冷却、干燥、切粒得到所需黑母粒，该混合物料在双螺杆挤出机中各段的温度分别为：一段温度150℃、二段温度160℃、三段温度150℃、四段温度165℃、五段温度160℃、六段温度150℃、七段温度150℃、八段温度150℃、模头温度140℃。

实施例9所述色母料的性能参数见表4。

表4

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种将木质素作颜料的生物降解色母料，其特征在于，按照质量百分含量，所述的生物降解色母料的具体配比为：

可生物降解载体树脂 40％～95％；

木质素 5％～60％；

分散剂 0～3％；

相容剂 1～6％；

其它助剂 0～10％，

所述生物降解色母料的各项具体配比之和为100％。

2.根据权利要求1所述的生物降解色母料，其特征在于，所述木质素与所述可生物降解载体树脂两相间相容性较好，两者相容后具有如下特点：

a)流动性好，熔融指数4g/10min～13g/10min；

b)热分解温度高，分解温度大于330℃；

c)木质素分散性好；

d)着色力强；

e)可生物降解，按照GB/T 19277.1测试，其生物降解率可达80％以上；

f)成本低；

g)颜色从棕色至黑色由浅至深可调，黑度0.01～0.2。

3.根据权利要求1或2所述的生物降解色母料，其特征在于，所述木质素为林业竹木纤维或农业秸秆纤维经碱液处理后获得的木质素，木质素的粒径大于200目。

4.根据权利要求1或2所述的生物降解色母料，其特征在于，所述生物降解载体树脂为聚乳酸(PLA)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸-己二酸丁二酯(PBSA)、二氧化碳环氧丙烷共聚物(PPC)、聚醇酸(PGA)、纤维素、淀粉、甲壳素和蛋白质中的一种或几种的组合物。

5.根据权利要求1或2所述的生物降解色母料，其特征在于，所述分散剂为脂肪酸类、酯类、石蜡类和低分子蜡类中的一种或几种的组合物。

6.根据权利要求1或2所述的生物降解色母料，其特征在于，所述相容剂为环状酸酐型、羧酸型和低分子型的反应型相容剂以及硅烷偶联剂中的一种或几种，可进一步优选硅烷偶联剂。

7.根据权利要求1或2所述的生物降解色母料，其特征在于，所述其它助剂为填充剂、光亮剂、增塑剂、润滑剂中的其中一种或几种的组合物。

8.权利要求1-7中任意一项所述的生物降解色母料的制备工艺如下：

a)将所需载体树脂和木质素进行干燥处理，温度为80℃～100℃，时间为4～6h，控制水分含量在0.02％以下；

b)按照权利要求1所述生物降解色母料的配方分别称取所述载体树脂、木质素、分散剂、相容剂及所需助剂；

c)将步骤b)中称取的所述载体树脂、木质素、分散剂、相容剂及所需助剂在高速混合机中或其它适当的容器中充分地混合均匀，得到混合物，其中高速混合温度不超过90℃，混合时间为2～7min；

d)将步骤c)中得到的所述混合物加入双螺杆挤出机中混炼塑化并挤出，双螺杆挤出机温度控制在140～210℃，转速控制在800～2000rpm；

e)将步骤d)中通过机头挤出的物料进行风冷拉条切粒。

9.权利要求1-8中任意一项所述的生物降解色母料，可用于生物降解塑料热塑成型加工时当作色母料使用，可广泛应用的加工成型工艺包括挤出、注塑、吹塑和压延。