CN109181012A

CN109181012A - 植物淀粉完全生物降解材料

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Publication number: CN109181012A
Application number: CN201810925900.5A
Authority: CN
Inventors: 李泽
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2019-01-11

Abstract

本发明涉及可降解材料制造领域的植物淀粉完全生物降解材料，其重量百分比：淀粉75‑82%；聚乙烯醇11‑14%；助剂7‑9%；淀粉为椰子壳淀粉或甘蔗渣淀粉，聚乙烯醇的聚合度为2200‑2400，分子量为8‑9万，醇解度为97%，助剂为PBS或PCL；制造方法是将淀粉、聚乙烯醇、PBS或PCL置于混合机中，边搅拌边升温至52℃，保温10分钟，降低转速，边搅拌边冷却，使之混合均匀，采用双螺杆塑料挤出机，加热使之熔融为均一的熔体，挤出造粒；本发明在可降解材料淀粉和聚乙烯醇的基础上，加入少量助剂，配方及工艺简单，材料便宜易得，本发明降解时间可控制在5—24个月，降解物为二氧化碳和水，不会造成环境污染。

Description

植物淀粉完全生物降解材料

技术领域

本发明涉及可降解材料制造领域，具体是指植物淀粉完全生物降解材料。

背景技术

使用塑料包装袋，方便了人们的生活，需求量和供应量均极大，由于价格低，大多数商店都是免费送，人们需要时拿来就用，不需要就当垃圾处理，大量废弃的塑料袋成为了白色污染源。塑料袋和一次性塑料制品造成的环境污染，已经成为量大的环境污染问题，塑料制品埋在土壤里需要几十年上百年才能降解，将塑料袋集中燃烧，又容易造成空气污染，有害身体健康。

于是，人们开始研究可降解材料，现有技术的可降解材料，是在塑料原材料的基础上添加一定比例淀粉，这样制成的可降解材料，其降解率是与淀粉的添加比例成正比的，如果淀粉的添加比例过高，就会影响制品的物理机械性能。因此，此类降解材料的降解率只有20-80%，不能降解的部分仍然是塑料原材料。

使用生物材料，即主要以植物材料为主要成份，加入部分可降解树脂，制造可降解树脂,这样有望达到100%全降解，降解时间长短可调，而且植物是地球上生长的，可循环再生。由可降解树脂生产可降解薄膜，这种可降解薄膜用于土壤覆盖，就称为可降解地膜。

众所周知，使用地膜可促进作物生长，使用地膜覆盖能有效地保持土壤温度和湿度、减少土壤水份和营养物质流失,防止杂草生长,促进作物早熟增产。我国目前使用的大多数地膜,如聚乙烯和聚氯乙烯地膜不易被土壤微生物降解,残留在土壤中的地膜碎片对土壤造成严重的污染。

为了解决土壤污染问题，近年来人们进行了可降解地膜的研发,主要包括光降解地膜、淀粉添加型地膜、光-生物降解地膜以及植物地膜。

光降解地膜：在地膜中加入光敏剂,使地膜在吸收了紫外线后，导致长聚合链的破裂,从而将地膜分解成小碎片,长聚合链的破裂使其分子量降低到能够被土壤中的微生物所分解的程度,于是这些有机聚合物最终被分解为二氧化碳和水。由于光敏剂主要是重金属有机盐,会造成土壤的二次污染，因此其应用受到限制。

完全生物降解地膜：生物降解是通过微生物的作用,对材料产生破坏,最重要的微生物是细菌、真菌、酶和放线菌等。这类地膜能够直接被微生物消化吸收,降解速度较快,最后彻底转化为二氧化碳和水。完全生物降解地膜以植物淀粉为原料,经过处理制成具有良好生物可降解性的地膜，其降解性最好,因为植物本身具有极好的生物可降解性，已成为国内外研究应用的热点。

查阅国家知识产权局网站，发现了相关专利，谷壳类淀粉完全生物降解环保材料，专利公告号CN 103214695 B，采用淀粉、聚乙烯醇、增塑剂、补强剂等，高温加热活化淀粉，制造出可降解环保材料，实现了全降解，其工艺流程比较复杂，加热温度高达150℃，导致产品质量难控制也难以大量推广应用，因此存在很大的改进余地。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种植物淀粉完全生物降解材料。

本发明使用的技术方案如下：一种植物淀粉完全生物降解材料，其成份重量百分比：

1）淀粉 60-90%；2）聚乙烯醇6-25%；3）助剂3-14%。

所述淀粉为椰子壳淀粉、甜菜淀粉、甘蔗渣淀粉、玉米淀粉中的一种至四种。所述聚乙烯醇的聚合度为800-4000，分子量为3-30万，醇解度为90-99%。所述助剂为聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）中的一种至两种。

一种植物淀粉完全生物降解材料，其制造方法如下：

1）将淀粉、聚乙烯醇、助剂置于高速混合机中，边搅拌边升温至45-60℃，保温5-10分钟；

2）降低高速混合机转速，边搅拌边冷却，使之混合均匀；

3）采用双螺杆塑料挤出机，加热上述混合物，使之熔融为均一的熔体，挤出造粒。

本发明植物淀粉完全生物降解材料的技术指标：

（1）拉伸强度：8-25MPa；

（2）断裂伸长：＞120%；

（3）直角撕裂强度：＞28KN/m²；

（4）28天生物降解率（霉菌侵蚀试验）：55%（国标10%，国际15%）。

生物降解材料指的是在土壤微生物和酶的作用下，等会分解为葡萄糖，最终分解为无毒无害的水和二氧化碳。淀粉是由葡萄糖构成的多糖，是一种均聚物，主要由直链淀粉和支链淀粉组成；淀粉价格低廉，淀粉来源丰富，广泛存在于植物中，淀粉可完全生物降解。淀粉经过处理后，成为变性淀粉，如糊化淀粉、糊精、氧化淀粉、酯化淀粉等。

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是由丁二酸和丁二醇经缩合聚合而得到的脂肪族聚酯，PBS制品废弃物在泥土或者水中能够很快地降解，其降解产物为二氧化碳和水，原料丁二酸可由农作物生物发酵获得，是一种生态可循环的高分子合成材料。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）属热塑性树脂，熔点为114℃,加工性能良好，可以在普通加工成型设备上进行成型加工。

聚己内酯(PCL),是通过ε-己内酯单体聚合而成的高分子有机聚合物，通过控制聚合条件，可以获得不同的分子量。外观为白色固体粉末，无毒，不溶于水，易溶于多种极性有机溶剂,熔点是62℃, PCL具有良好的生物相容性、良好的有机高聚物相容性，以及良好的生物降解性，可与多种常规塑料互相兼容，自然环境下6-12个月即可完全降解。

与PCL相比，PBS拥有更高的熔点，具有优越的耐热性能及机械性能,价格相对较低，在力学性能、加工性能等方面表现优异。

PBS的优点：

1、加工性能好，加工温度160-200度，为所有降解塑料最好，可共混淀粉、碳酸钙，降低成本；

2、耐热性能，为所有降解塑料最好，热变形温度接近100度，可用于冷热品包装；

3、力学性能优异，与常用的PE/PP相近；

4、降解性与化学稳定性，降解性指大分子在环境和微生物作用下回归小分子的过程，在正常环境下使用性能稳定，在堆肥、土壤、水和活性环境下，被微生物和动植物体内的酶迅速分解。

本发明使用的PBS和PCL技术指标：

1、PCL，分子量30000-50000，熔点59℃至64℃，密度1.15g/ml，外观：白色固体粉末；

2、PBS，分子量30000-80000，熔点114℃，密度1.26g/ml，外观：白色颗粒。

本发明的有益效果是：

1）椰子壳淀粉等为主要原料，加入一定量可降解物质，制造出完全生物降解材料，技术指标达到现有普通塑料的水平；

2）在现有技术可降解材料淀粉和聚乙烯醇的基础上，仅加入少量助剂即可，配方、加工工艺简单，材料便宜易得，便于推广应用；

3）使用本发明制造包装袋、一次性用品等，降解时间可控制在5—24个月，降解物为二氧化碳和水，不会造成环境污染；

4）本发明已成功进行量产，连续稳定地造粒和吹膜，工艺成熟。

具体实施方式

实施方式一

配方：重量百分比：1）淀粉80%；2）聚乙烯醇12%；3）助剂8%。

选择材料：淀粉为椰子壳淀粉，聚乙烯醇的聚合度为2200-2400，分子量为8-9万，醇解度为97-99%，助剂为PBS。

制造方法：将淀粉、聚乙烯醇、PBS置于高速混合机中，边搅拌边升温至52℃，保温10分钟；降低高速混合机转速，边搅拌边冷却，使之混合均匀；采用双螺杆塑料挤出机，加热使之熔融为均一的熔体，挤出造粒。

技术指标：A）拉伸强度：23MPa；B）断裂伸长：122%；C）直角撕裂强度：30KN/m²；D）28天生物降解率（霉菌侵蚀试验）：58%。

用途：1.育苗杯；2.餐盒、叉等；3.保鲜膜；4.地膜；5.购物袋、垃圾袋；6.农药瓶等。

实施方式二

配方：重量百分比：1）淀粉 76%；2）聚乙烯醇15%；3）助剂9%。

选择材料：淀粉为甘蔗渣淀粉，聚乙烯醇的聚合度为2200-2400，分子量为8-9万，醇解度为97%，助剂为PCL。

制造方法：将淀粉、聚乙烯醇、PBS置于高速混合机中，边搅拌边升温至55℃，保温9分钟；降低高速混合机转速，边搅拌边冷却，使之混合均匀；采用双螺杆塑料挤出机，加热使之熔融为均一的熔体，挤出造粒。

技术指标：A）拉伸强度：21MPa；B）断裂伸长：127%；C）直角撕裂强度：31KN/m²；D）28天生物降解率（霉菌侵蚀试验）：55%。

用途：与实施方式一相同。

将实施方式二制得的植物淀粉完全生物降解材料，制成厚度为25μm的地膜，将10块尺寸为25╳25cm的地膜，各自分别埋在50cm深的土壤里，地膜呈水平状态埋藏，地表上做好标识，土壤表面平坦无凹坑，防止积水。在测定日期与下一个测定日期的中间时段，对土壤进行一次浇水，浇透为止，这是模仿大自然下雨状态，保持土壤中有一定的湿度。每周取出一块地膜，清洗掉上面的泥土，在空气中风干后测定重量和拉伸强度，下表是地膜降解情况测定数据。

地膜降解情况测定数据表

时间/周	未降解	1	2	3	4	5	6	7	10
										拉伸强度	21MPa	15.7	9.8	6.4	3.1	1.3	0.3	—	—
重量损失%	0	29.4	33.7	36.2	51.6	66.5	73.8	79.4	99.2

从上表数据可见,地膜在土壤中有很好的降解性能，埋在土壤中6周后,重量损失达73.8%,拉伸强度仅为0.3，第7周拉伸强度己无法测得。第10周后地膜与土壤颗粒粘结在一起,碎裂成小块分散在土壤中，此时重量损失已经达到99.2，残膜基本消失在土壤之中。

实施方式三

配方：重量百分比：1）淀粉79%；2）聚乙烯醇12%；3）助剂9%。

选择材料：淀粉为甜菜淀粉，聚乙烯醇的聚合度为2200-2400，分子量为8-9万，醇解度为97-99%，助剂为PBS。

制造方法：将淀粉、聚乙烯醇、PBS置于高速混合机中，边搅拌边升温至58℃，保温10分钟；降低高速混合机转速，边搅拌边冷却，使之混合均匀；采用双螺杆塑料挤出机，加热使之熔融为均一的熔体，挤出造粒。

技术指标：A）拉伸强度：23MPa；B）断裂伸长：129%；C）直角撕裂强度：32KN/m²；D）28天生物降解率（霉菌侵蚀试验）：57%。

用途：与实施方式一相同。

实施方式四

配方：重量百分比：1）淀粉73%；2）聚乙烯醇12%；3）助剂10%。

选择材料：淀粉为玉米淀粉，聚乙烯醇的聚合度为2200-2400，分子量为8-9万，醇解度为97-99%，助剂为PBS。

制造方法：将淀粉、聚乙烯醇、PBS置于高速混合机中，边搅拌边升温至53℃，保温10分钟；降低高速混合机转速，边搅拌边冷却，使之混合均匀；采用双螺杆塑料挤出机，加热使之熔融为均一的熔体，挤出造粒。

技术指标：A）拉伸强度：22MPa；B）断裂伸长：129%；C）直角撕裂强度：32KN/m²；D）28天生物降解率（霉菌侵蚀试验）：55%。

用途：与实施方式一相同。

Claims

1.一种植物淀粉完全生物降解材料，其成份重量百分比如下：

1）淀粉 60-90%；

2）聚乙烯醇6-25%；

3）助剂3-14%；

所述的植物淀粉完全生物降解材料，其特征在于：所述淀粉为椰子壳淀粉、甜菜淀粉、甘蔗渣淀粉、玉米淀粉中的一种至四种；

所述的植物淀粉完全生物降解材料，其特征在于：所述聚乙烯醇的聚合度为800-4000，分子量为3-30万，醇解度为90-99%；

所述的植物淀粉完全生物降解材料，其特征在于：所述助剂为聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）中的一种至两种。

2.一种植物淀粉完全生物降解材料，其制造方法如下：

1）将所述淀粉、聚乙烯醇、助剂置于高速混合机中，边搅拌边升温至45-60℃，保温5-10分钟；

2）降低高速混合机转速，边搅拌边冷却，使之混合均匀；