CN109535567B - 一种可光氧降解的聚丙烯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种可光氧降解的聚丙烯复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可光氧降解的聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。所述的聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯70～80％、壳聚糖纤维10～20％、竹粉5～15％、光氧降解母粒0.5～1.5％和降解促进剂0.4～1％。本发明的聚丙烯复合材料具有很好的降解性，降解周期短，降解充分迅速，降解之后的残余物不会对动物、植物及土壤有任何影响；并且力学性能较佳，具有较高的拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度和弯曲弹性模量，便于加工使用；同时安全无毒，不会释放有害、有毒成分，可应用于制备食品包装材料或餐饮具。

Description

一种可光氧降解的聚丙烯复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及高分子新材料技术领域，具体涉及一种可光氧降解的聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着经济的迅猛发展，为适应现代生活的快节奏，快餐食品也应运而生。塑料餐饮具产品价格低廉，使用方便，在日常生活中使用频繁、几乎随处可见。然而这些高分子塑料制备餐饮具使用废弃后，回收成本高，掩埋地下，难以降解，破坏土壤结构；燃火焚烧，产生有害废弃，破坏生态平衡，造成严重的白色污染。随着人们环保意识的逐渐加强，转而开始寻找可替代传统塑料的可降解性好的材料。
聚丙烯(PP)作为一种成熟的热塑性塑料，具有多方面的优异表现，如力学性能好、无毒、相对密度低、耐热性佳、耐化学品强、电绝缘性高、易于加工成型等，加之原料容易获得、价格相对较低，因此轻工领域及化工领域都得到了广泛应用，是通用合成树脂中发展速度快、推陈出新活跃的品种。
然而，聚丙烯材料存在着刚性低、脆性高、对切口的冲击强度比较低，制品易变形等缺点，严重影响了聚丙烯应用范围的扩展。并且由聚丙烯制成的餐饮具在自然环境中无法自行降解，给自然环境带来严重污染及危害，因此，有必要提供一种绿色环保的可光氧降解的聚丙烯复合材料，以满足市场的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可光氧降解的聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，所述的聚丙烯复合材料刚性高，韧性大，便于加工使用，并且光氧降解迅速完全，无毒使用安全，绿色环保，可应用于制备食品包装材料或餐饮具。
本发明通过以下的技术方案实现上述的目的：
一种可光氧降解的聚丙烯复合材料，包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯70～80％、壳聚糖纤维10～20％、竹粉5～15％、光氧降解母粒0.5～1.5％和降解促进剂0.4～1％。
优选，所述的聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯73.5％、壳聚糖纤维15％、竹粉10％、光氧降解母粒1％和降解促进剂0.5％。
所述的光氧降解母粒为英国Wells Plastics Ltd公司生产的BD93470。BD93470是以聚丙烯(PP)为基材的氧化生物降解母粒，主要应用于包装薄膜行业中，被广泛使用于需氧化生物解特性的聚合物产品中。其对成品的物理性能影响极小，拥有高度清晰的使用特性，主要成分包含：聚羟基烷酸酯类PHA/PHBV；压抑剂；硬脂酸铁；膨胀剂；柠檬酸盐；酶；有机填料；无机填料等。
所述的降解促进剂为含富勒烯复合物。所述的含富勒烯复合物为富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁以0.1～1:100的质量比组成。
所述的含富勒烯复合物的制备包括以下步骤：将富勒烯羧酸衍生物加入到体积比为35:65的甲醇/水混合溶液中，超声分散10～20min，制成质量浓度为5～10％的溶液，在搅拌作用下加入质量浓度为1～2％的羟基氧化铁乙醇悬浮液，混匀后于水热釜中180～200℃反应6～10h，将反应产物真空干燥，即得含富勒烯复合物。
所述的富勒烯羧酸衍生物可以为市售产品，也可参考文献Liu Y H,Liu P X,LuC.Tunable tribological properties in water-based lubrication of water-solublefullerene derivatives via varying terminal groups[J].Chinese ScienceBulletin,2012,57(35):4641-4645中的方法进行的，具体步骤为：
S1：将富勒烯C60加入甲苯中，制成10-3mol/L的溶液，然后将1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)、溴代丙二酸二乙酯逐滴加入C60的甲苯溶液，所述的C60：DBU：溴代丙二酸二乙酯的摩尔比为1:3:3，室温搅拌1h进行加成反应，反应结束后在硅胶柱上进行分离提纯得到富勒烯C60的三加成羧酸酯；
S2：将S1得到的富勒烯C60的三加成羧酸酯加入到NaH中，所述的富勒烯C60的三加成羧酸酯：NaH的质量比为1:100，于70℃下水解8h，最后加入水萃取，取下层水溶液得到C60的羧酸钠，最后加入HCl和甲醇酸化后，过滤，将滤液真空干燥，得到富勒烯C60羧酸衍生物C60(C(COOH)2)3。
所述的羟基氧化铁可以为市售产品，也可以通过以下方法进行制备，具体地，羟基氧化铁的制备方法包括以下步骤：将氯化铁、尿素和PEG-2000置于反应釜中，加入水，在105～125℃反应24～36h，冷却至室温，过滤，得到黄褐色固体，将固体分别用无水乙醇、去离子水清洗，真空干燥，即得羟基氧化铁；其中，所述氯化铁与尿素的摩尔比为1:0.2～0.3；所述PEG-2000的加入量为氯化铁质量的0.3～0.4倍。
本发明的可光氧降解的聚丙烯复合材料是通过以下方法制备得到，该方法包括以下步骤：
S1：将聚丙烯、壳聚糖纤维、竹粉、光氧降解母粒和降解促进剂搅拌混合，得到混合料；
S2：将S1得到的混合料置于双螺旋挤出机中共混熔融挤出后冷却、干燥、切粒，制得可光氧降解的聚丙烯复合材料。
上述的可光氧降解的聚丙烯复合材料的制备方法中，所述的双螺杆挤出机的工艺参数设置如下：喂料口室温50～70℃，喂料段180～185℃，压缩段185～190℃，计量段190～195℃，适配器195～200℃，模头段195～200℃；主机螺杆转速为150～220rpm，输送螺杆转速为20～40rpm，料筒喂料速度为15～20rpm。
本发明的可光氧降解的聚丙烯复合材料可应用于制备食品包装材料或餐饮具。
一种可光氧降解的餐饮具，是由上述的可光氧降解的聚丙烯复合材料制备而成。
本发明通过大量的试验发现，添加由富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁反应制得的含富勒烯复合物作为降解促进剂，与光氧降解母粒BD93470复配性佳，可加快聚丙烯复合材料的降解进程，达到充分、快速降解的目的，并且对产品的性能影响小。加入的壳聚糖纤维和竹粉可调节聚丙烯的刚性和脆度，使聚丙烯复合材料获得优异的力学性能，其拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度和弯曲弹性模量均得到明显的提升，使聚丙烯复合材料易于加工成型。同时，壳聚糖纤维和竹粉均易于生物降解，不会给环境造成任何负担，且竹粉中具有多种矿物质和大量的纤维素，经过微生物的转化，分解出大量的糖类、酵素等，促进有益微生物的生长繁殖，进一步促进聚丙烯复合材料的生物降解。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的可光氧降解的聚丙烯复合材料具有很好的降解性，降解周期短，降解充分迅速，降解之后的残余物不会对动物、植物及土壤有任何影响；并且力学性能较佳，具有较高的拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度和弯曲弹性模量，便于加工使用；同时安全无毒，不会释放有害、有毒成分，可应用于制备食品包装材料或餐饮具。
(2))本发明的聚丙烯复合材料制备工艺简单，质量可控，可规模化生产。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
下述实施例中配方的组分，若无特别说明，均为常规市售产品，其中，聚丙烯购自深圳市科聚材料有限公司；壳聚糖纤维购自青岛海蓝生物制品有限公司；竹粉购自东莞市鸿润木粉有限公司。
实施例1降解促进剂制备
(1)富勒烯羧酸衍生物制备：
S1：将富勒烯C60加入甲苯中，制成10-3mol/L的溶液，然后将1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)、溴代丙二酸二乙酯逐滴加入C60的甲苯溶液，所述的C60：DBU：溴代丙二酸二乙酯的摩尔比为1:3:3，室温搅拌1h进行加成反应，反应结束后在硅胶柱上进行分离提纯得到富勒烯C60的三加成羧酸酯；
S2：将S1得到的富勒烯C60的三加成羧酸酯加入到NaH中，所述的富勒烯C60的三加成羧酸酯：NaH的质量比为1:100，于70℃下水解8h，最后加入水萃取，取下层水溶液得到C60的羧酸钠，最后加入HCl和甲醇酸化后，过滤，将滤液真空干燥，得到富勒烯羧酸衍生物C60(C(COOH)2)3。
(2)羟基氧化铁制备：将氯化铁、尿素和PEG-2000置于反应釜中，加入水，在120℃反应24h，冷却至室温，过滤，得到黄褐色固体，将固体分别用无水乙醇、去离子水清洗，真空干燥，即得羟基氧化铁；其中，所述氯化铁与尿素的摩尔比为1:0.2；所述PEG-2000的加入量为氯化铁质量的0.3倍。
(3)含富勒烯复合物的制备：称取步骤(1)制得的C60(C(COOH)2)3 1g，将C60(C(COOH)2)3加入到体积比为35:65的甲醇/水混合溶液中，超声分散15min，制成质量浓度为5％的溶液，在搅拌作用下加入质量浓度为2％的羟基氧化铁乙醇悬浮液(将100g步骤(2)制得的羟基氧化铁分散于5000mL无水乙醇，制得)，混匀后于水热釜中180℃反应10h，将反应产物真空干燥，即得含富勒烯复合物。
同理，可参照上述步骤，制备富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁以0.1:100的质量比组成的含富勒烯复合物。
下述实施例2-5和对比例4的降解促进剂(含富勒烯复合物)为实施例1制备得到的。
实施例2聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯73.5％、壳聚糖纤维15％、竹粉10％、光氧降解母粒1％和降解促进剂0.5％。
制备步骤：
S1：将聚丙烯、壳聚糖纤维、竹粉、光氧降解母粒和降解促进剂搅拌混合，得到混合料；
S2：将S1得到的混合料置于双螺旋挤出机中共混熔融挤出后冷却、干燥、切粒，制得可光氧降解的聚丙烯复合材料；其中，双螺杆挤出机的工艺参数设置如下：喂料口室温50～70℃，喂料段180～185℃，压缩段185～190℃，计量段190～195℃，适配器195～200℃，模头段195～200℃；主机螺杆转速为150～220rpm，输送螺杆转速为20～40rpm，料筒喂料速度为15～20rpm。
实施例3聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯73.5％、壳聚糖纤维20％、竹粉5％、光氧降解母粒0.5％和降解促进剂1％。
制备步骤参考实施例2。
实施例4聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯80％、壳聚糖纤维10％、竹粉8％、光氧降解母粒1.5％和降解促进剂0.5％。
制备步骤参考实施例2。
实施例5聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯70％、壳聚糖纤维14％、竹粉15％、光氧降解母粒0.6％和降解促进剂0.4％。
制备步骤参考实施例2。
对比例1聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯73.5％、壳聚糖纤维15％、竹粉10％、光氧降解母粒1％和羟基氧化铁0.5％。
制备步骤参考实施例2。
对比例2聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯73.5％、壳聚糖纤维15％、竹粉10％、光氧降解母粒1％和C60(C(COOH)2)3 0.5％。
制备步骤参考实施例2。
对比例3聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯74％、壳聚糖纤维15％、竹粉10％和光氧降解母粒1％。
制备步骤参考实施例2。
对比例4聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯83.5％、竹粉15％、光氧降解母粒1％和降解促进剂0.5％。
制备步骤参考实施例2。
对比例5聚丙烯复合材料的制备
聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯98.5％、光氧降解母粒1％和降解促进剂0.5％。
制备步骤参考实施例2。
试验例一、根据塑料降解标准ASTMD6954-04对聚丙烯复合材料进行检测
塑料降解标准ASTMD6954-04是国际上对光氧降解的标准测试方法，主要评估塑料产品在配合氧化反应及生物降解的情况下能否在自然环境下被生物降解后达到无公害的情况，其测试内容主要分成三部分：
1、降解性
这是测试能否把分子量达十万的塑料降低其分子量，在这个部分的测试，塑料会破碎成小块，再变成碎粉，而合格指标是分子量需降至500/mol或以下。道具最多只容许10％或以下的塑胶化出现，凝胶的出现是因为塑料在模拟加速日照测试时用上过强的光源，例如疝气灯。会出现的塑料分子胶黏现象，凝胶化会使塑胶难以分解，扯断伸指长率的要求是5％以下。
2、生物降解
基于第一部分的降解物来测试材料能不能进行生物降解。这部分需要60％或以上有机碳转化为二氧化碳才达标。
3、毒性测试
在第二阶段留下来的泥土样本，会用于评估它会不会影响小虫及种子的生长，要完成通过以上测试方可符合ASTMD6954-04的规格标准。
根据上述的标准，分别对实施例2-5和对比例1-5制得的聚丙烯复合材料进行评价，结果显示本发明实施例2-5和对比例1-5制得的可光氧降解的聚丙烯复合材料符合ASTMD6954-04的规格标准。
试验例二、根据GB4806.7-2016《食品安全国家标准：食品接触用塑料材料及制品》对聚丙烯复合材料进行检测
根据GB4806.7-2016对实施例2-5和对比例1-5制得的聚丙烯复合材料进行检测，结果显示，本发明实施例2-5和对比例1-5制得的可光氧降解的聚丙烯复合材料的所有检验项目均达到标准要求，具体检测结果见表1。
表1聚丙烯复合材料性能检测结果
Figure GDA0002897497480000091
Figure GDA0002897497480000101
试验例三、降解效果试验
在专用的测试箱，温度分别设定为30℃、70℃，检测实施例2-5和对比例1-5制得的聚丙烯复合材料的降解效果，结果见表2。
表2聚丙烯复合材料降解效果检测结果
Figure GDA0002897497480000102
Figure GDA0002897497480000111
由对比例1-3可知，聚丙烯复合材料分别不含富勒烯羧酸衍生物、羟基氧化铁、含富勒烯复合物，均会影响PP复合材料的降解效果，延缓PP复合材料降解，尤其以不含降解促进剂(含富勒烯复合物)的PP复合材料降解效果最差。由对比例4和5可知，缺乏壳聚糖纤维、竹粉会延长PP复合材料的降解延缓期。
试验例四、力学性能检测
分别对实施例2和对比例1-5的聚丙烯复合材料进行力学性能检测，结果见表3。
表3聚丙烯复合材料的力学性能检测结果
Figure GDA0002897497480000112
Figure GDA0002897497480000121
由对比例1-3可知，富勒烯羧酸衍生物、羟基氧化铁对聚丙烯复合材料的力学性能影响较小；由对比例4和5可知，壳聚糖纤维和竹粉对聚丙烯复合材料的力学性能影响较大，配方中单独缺乏壳聚糖纤维或同时缺乏壳聚糖纤维和竹粉，均会降低聚丙烯复合材料的拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度和弯曲弹性模量。以上结果表明，壳聚糖纤维和竹粉可调节聚丙烯的刚性和脆度，使聚丙烯复合材料获得优异的力学性能，其拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度和弯曲弹性模量均得到明显的提升。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可光氧降解的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯70～80％、壳聚糖纤维10～20％、竹粉5～15％、光氧降解母粒0.5～1.5％和降解促进剂0.4～1％；
所述的光氧降解母粒为英国Wells Plastics Ltd公司生产的BD93470；
所述的降解促进剂为含富勒烯复合物，所述的含富勒烯复合物为富勒烯羧酸衍生物和羟基氧化铁以0.1～1:100的质量比组成；
所述的含富勒烯复合物的制备包括以下步骤：将富勒烯羧酸衍生物加入到体积比为35:65的甲醇/水混合溶液中，超声分散10～20min，制成质量浓度为5～10％的溶液，在搅拌作用下加入质量浓度为1～2％的羟基氧化铁乙醇悬浮液，混匀后于水热釜中180～200℃反应6～10h，将反应产物真空干燥，即得含富勒烯复合物。
2.根据权利要求1所述的可光氧降解的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯复合材料包括以下重量百分比计的组分：聚丙烯73.5％、壳聚糖纤维15％、竹粉10％、光氧降解母粒1％和降解促进剂0.5％。
3.一种制备权利要求1所述的可光氧降解的聚丙烯复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将聚丙烯、壳聚糖纤维、竹粉、光氧降解母粒和降解促进剂搅拌混合，得到混合料；
S2：将S1得到的混合料置于双螺旋挤出机中共混熔融挤出后冷却、干燥、切粒，制得可光氧降解的聚丙烯复合材料。
4.根据权利要求3所述的可光氧降解的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的双螺杆挤出机的工艺参数设置如下：喂料口室温50～70℃，喂料段180～185℃，压缩段185～190℃，计量段190～195℃，适配器195～200℃，模头段195～200℃；主机螺杆转速为150～220rpm，输送螺杆转速为20～40rpm，料筒喂料速度为15～20rpm。
5.权利要求1所述的可光氧降解的聚丙烯复合材料在制备食品包装材料或餐饮具中的应用。
6.一种可光氧降解的餐饮具，其特征在于，由权利要求1所述的可光氧降解的聚丙烯复合材料制备而成。
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