CN110014706A - 一种可降解复合包装材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可降解复合包装材料的制备方法，属于包装材料技术领域。本发明采用液体石蜡和蔗髓对玉米淀粉进行共混交联，制备出一种复合膜作为可降解复合包装材料的中间膜，聚碳酸亚丙酯作为内层膜和外层膜，采用热压技术制备出一种三明治结构的三层复合膜，即为可降解复合包装材料；聚碳酸亚丙酯链段与玉米淀粉互相形成氨键，氮键阻止了聚碳酸亚丙酯分子链的旋转，降低了链的柔初性，使玻璃化转变温度上升；使用的蔗髓、玉米淀粉、聚碳酸亚丙酯都是可降解材料，能够在自然界中被微生物或光降解为水和二氧化碳，用此类可降解材料制备出的可降解复合包装材料来代替传统的不可降解塑料材料，对环境友好，不会造成环境污染。

Description

一种可降解复合包装材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种可降解复合包装材料的制备方法，属于包装材料技术领域。
背景技术
近年来，包装已成为人们生活和世界贸易活动中必不可少的重要组成部分，凡是商品，件件均有包装。尤其是塑料材料，因其质轻、机械性能好，具备良好的加工性能和装饰性能，广泛应用于食品、医药、日杂用品等的包装。而包装多为一次性使用，大量的塑料包装在用后即成为废弃物，由于塑料包装材料自然降解时间长，导致其长期存在于自然环境中，形成了“白色污染”的主要来源，例如：用作运输包装的聚苯乙烯（EPS）发泡材料无法有效回收利用，生活包装用塑料垃圾的无法处理等等。
目前消除废弃塑料带来的污染问题的主要方法包括掩埋和焚烧。掩埋只是暂时处理方法，因为随着时间延长，塑料制品中的助剂、填料等有毒物质会分解，导致严重的土壤污染问题。而焚烧过程中释放的包括二氧化硫在内的多种有毒害作用的气体又会形成新的污染。另一方面，大多数塑料包装制品来源于不可再生的石油资源。所以人们急需寻找一种新的行之有效的方法来处理塑料包装材料引起的污染问题，同时摆脱对石油基材料的过度依赖。为此，采用可再生的生物质资源为原料，研制具有降解性能的生物质包装材料与制品成为近年来各国的研究热点。
包装材料广泛运用于包装容器、包装装潢、包装印刷、包装运输等领域，其对于工业生产、人们日常生活具有重要作用。随着我国工业化的不断发展，工业产品的种类和生产量的逐年提高，包装材料的年消耗量也越来越大，因而，我国社会对包装材料的需求量急剧上升。然而，现有的包装材料虽然种类繁多，但是其耐磨性能以及强度均难以取得较大突破，并且难以满足工业生产的需求。
高分子材料其诸多优点在食品、农业、工业、医药等各个领域发展迅速。然而，虽然它方便了人们生活、提高了人们的生活质量，但其残留的许多废弃物也随之而来，给我们生活的多方面都带来压力，而且其对石油的消耗致使石油资源日趋枯竭。因此寻找对环境友好的新材料是急需解决的问题。而生物可降解材料能解决这一难题，它使用后的废弃物能被光照、微生物、酶等分解成CO2、H2O和低分子物质。这种生物可降解材料很好的弥补了有些废弃物不可降解的缺点，找到了从根源解决问题的办法。高分子材料的分解主要经历4个过程，生物降解不是单一的反应，而是多种因素相互作用的复杂历程。生物可降解材料包括完全生物可降解材料和部分生物可降解材料两大类。根据加工方式将完全可降解材料分为天然材料和合成材料，前者包括像废糖蜜、纤维素、淀粉等天然物质，后者包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）、聚碳酸亚丙醋（PPC）、聚丁二酸丁二醋（PBS）等。
可降解材料的应用己涉及医学、包装、农业等许多领域，且受到各行各业的广泛关注，但这些材料还存在许多不足，比如，价格昂贵，材料的重复性、稳定性、耐久性方面的缺陷。所以，目前对可降解材料的探究应该从来源、价格、加工性能等方面着手。对可降解材料的改性通常是经过简单的物理化学变化，改变工艺条件，生产出能循环利用的材料，比如，不同材料之间的共混或复合、对分子链自身的改性，从而获得广泛的性能来满足众多领域的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有塑料包装材料自然降解时间长，导致其长期存在于自然环境中，形成了“白色污染”的问题，提供了一种可降解复合包装材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理，即得糊化淀粉；将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理，即得混合乳液；
（2）取糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液，将糊化淀粉、蔗髓和混合乳液混合均匀，即得反应液，在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理，即得前驱体溶液；
（3）将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理，冷却至室温，即得铸模液，将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理，冷却至室温，揭膜，即得复合膜；
（4）将聚碳酸亚丙酯和氯仿混合均匀，即得混合溶液，将混合溶液均匀涂布在干净玻璃板上，室温下自然干燥，即得基体膜，将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理，冷却至室温，即得可降解复合包装材料。
步骤（1）所述的将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理步骤为：按质量比1∶3将玉米淀粉和去离子水混合，在温度为80～90℃，搅拌速度为200～300r/min下匀速搅拌10～20min。
步骤（1）所述的复合乳化剂的制备步骤为：按质量比1∶1将司盘80和吐温80混合均匀，即得复合乳化剂。
步骤（1）所述的将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理步骤为：按质量比1∶10将复合乳化剂和液体石蜡混合，在水浴温度为80～90℃，搅拌速度为400～480r/min下搅拌20～30min。
步骤（2）所述的糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份糊化淀粉、1～10份蔗髓、1～10份混合乳液、1～3份质量分数为2%戊二醛溶液。
步骤（2）所述的在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理步骤为：在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液，在搅拌速度为800～900r/min下搅拌反应40～60min。
步骤（3）所述的将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理步骤为：将前驱体溶液置于超声仪中，在功率为250～300W下超声分散10～15min。
步骤（3）所述的将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理步骤为：将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面，并置于温度为40～50℃的烘箱中干燥至恒重。
步骤（4）所述的聚碳酸亚丙酯和氯仿之间的质量比为1∶10。
步骤（4）所述的将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理步骤为：将复合膜置于两层基体膜之间，在温度为40～50℃，压力为3～5MPa下热压3～5min。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明采用液体石蜡和蔗髓对玉米淀粉进行共混交联，制备出一种复合膜作为可降解复合包装材料的中间膜，聚碳酸亚丙酯作为内层膜和外层膜，采用热压技术制备出一种三明治结构的三层复合膜，即为可降解复合包装材料；液体石蜡又称石蜡油、凡士林等，是一种无色、无味的油状液体物质，不用于水和酒精，性质稳定、成膜致密性强，具有良好的反水性能，其阻隔性能较好；聚碳酸亚丙酯由二氧化碳和环氧丙烷共聚合成，将导致温室效应的二氧化碳转化为完全可降解材料的新领域；该聚合反应耗能不大，且不会发生碳的还原反应，通过化学反应固定二氧化碳不仅有利于缓减“温室效应”，而且减少了部分石油衍生物的消耗，因此，聚碳酸亚丙酯其独特的优势在绿色材料领域表现出很大的应用价值；通过热压技术聚碳酸亚丙酯链段与玉米淀粉互相形成氨键，氮键阻止了聚碳酸亚丙酯分子链的旋转，降低了链的柔初性，使玻璃化转变温度上升；
（2）本发明中蔗髓薄壁细胞呈海绵状规律排列，大大增加了蔗髓的孔隙率和比表面积，这种结构能够提高蔗髓与聚合物基体或者胶黏剂之间的接触面积，蔗髓的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木素，可以与其化学结构同质的聚合物基体形成良好的相容性，将蔗髓作为增强相，在可降解复合包装材料起到了一定的骨架作用，使得制备的可降解复合包装材料的力学性能得到提高；采用生物质与聚合物通过物理、化学或机械的方法加工处理得到的，不但具有生物质和合成高聚物的双重优点，而且被赋予了新的功能，利用生物质作为增强相以缩短结晶时间，提高聚合物结晶度，提高其强度，同时降低成本；蔗髓具有密度小、成本低、来源丰富等特点，作为增强材料（或填充材料）加入，不仅可以改善可降解复合包装材料的性能，还能够降低可降解复合包装材料的成本；
（3）本发明中使用的蔗髓、玉米淀粉、聚碳酸亚丙酯都是可降解材料，能够在自然界中被微生物或光降解为水和二氧化碳或通过堆肥作为肥料再利用的天然聚合物，用此类可降解材料制备出的可降解复合包装材料来代替传统的不可降解塑料材料，对环境友好，不会造成环境污染。
具体实施方式
按质量比1∶3将玉米淀粉和去离子水混合，在温度为80～90℃，搅拌速度为200～300r/min下匀速搅拌10～20min，即得糊化淀粉；按质量比1∶1将司盘80和吐温80混合均匀，即得复合乳化剂，按质量比1∶10将复合乳化剂和液体石蜡混合，在水浴温度为80～90℃，搅拌速度为400～480r/min下搅拌20～30min，即得混合乳液；按重量份数计，分别称取20～30份糊化淀粉、1～10份蔗髓、1～10份混合乳液、1～3份质量分数为2%戊二醛溶液，将糊化淀粉、蔗髓和混合乳液混合均匀，即得反应液，在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液，在搅拌速度为800～900r/min下搅拌反应40～60min，即得前驱体溶液；将前驱体溶液置于超声仪中，在功率为250～300W下超声分散10～15min，冷却至室温，即得铸模液，将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面，并置于温度为40～50℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，揭膜，即得复合膜；按质量比1∶10将聚碳酸亚丙酯和氯仿混合均匀，即得混合溶液，将混合溶液均匀涂布在干净玻璃板上，室温下自然干燥，即得基体膜，将复合膜置于两层基体膜之间，在温度为40～50℃，压力为3～5MPa下热压3～5min，冷却至室温，即得可降解复合包装材料。
将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理，即得糊化淀粉；将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理，即得混合乳液；取糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液，将糊化淀粉、蔗髓和混合乳液混合均匀，即得反应液，在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理，即得前驱体溶液；将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理，冷却至室温，即得铸模液，将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理，冷却至室温，揭膜，即得复合膜；将聚碳酸亚丙酯和氯仿混合均匀，即得混合溶液，将混合溶液均匀涂布在干净玻璃板上，室温下自然干燥，即得基体膜，将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理，冷却至室温，即得可降解复合包装材料。将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理步骤为：按质量比1∶3将玉米淀粉和去离子水混合，在温度为80℃，搅拌速度为200r/min下匀速搅拌10min。复合乳化剂的制备步骤为：按质量比1∶1将司盘80和吐温80混合均匀，即得复合乳化剂。将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理步骤为：按质量比1∶10将复合乳化剂和液体石蜡混合，在水浴温度为80℃，搅拌速度为400r/min下搅拌20min。糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20份糊化淀粉、1份蔗髓、1份混合乳液、1份质量分数为2%戊二醛溶液。在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理步骤为：在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液，在搅拌速度为800r/min下搅拌反应40min。将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理步骤为：将前驱体溶液置于超声仪中，在功率为250W下超声分散10min。将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理步骤为：将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面，并置于温度为40℃的烘箱中干燥至恒重。聚碳酸亚丙酯和氯仿之间的质量比为1∶10。将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理步骤为：将复合膜置于两层基体膜之间，在温度为40℃，压力为3MPa下热压3min。
将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理，即得糊化淀粉；将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理，即得混合乳液；取糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液，将糊化淀粉、蔗髓和混合乳液混合均匀，即得反应液，在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理，即得前驱体溶液；将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理，冷却至室温，即得铸模液，将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理，冷却至室温，揭膜，即得复合膜；将聚碳酸亚丙酯和氯仿混合均匀，即得混合溶液，将混合溶液均匀涂布在干净玻璃板上，室温下自然干燥，即得基体膜，将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理，冷却至室温，即得可降解复合包装材料。将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理步骤为：按质量比1∶3将玉米淀粉和去离子水混合，在温度为85℃，搅拌速度为250r/min下匀速搅拌15min。复合乳化剂的制备步骤为：按质量比1∶1将司盘80和吐温80混合均匀，即得复合乳化剂。将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理步骤为：按质量比1∶10将复合乳化剂和液体石蜡混合，在水浴温度为85℃，搅拌速度为440r/min下搅拌25min。糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取25份糊化淀粉、5份蔗髓、5份混合乳液、2份质量分数为2%戊二醛溶液。在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理步骤为：在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液，在搅拌速度为850r/min下搅拌反应50min。将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理步骤为：将前驱体溶液置于超声仪中，在功率为270W下超声分散12min。将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理步骤为：将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面，并置于温度为45℃的烘箱中干燥至恒重。聚碳酸亚丙酯和氯仿之间的质量比为1∶10。将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理步骤为：将复合膜置于两层基体膜之间，在温度为45℃，压力为4MPa下热压4min。
将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理，即得糊化淀粉；将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理，即得混合乳液；取糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液，将糊化淀粉、蔗髓和混合乳液混合均匀，即得反应液，在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理，即得前驱体溶液；将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理，冷却至室温，即得铸模液，将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理，冷却至室温，揭膜，即得复合膜；将聚碳酸亚丙酯和氯仿混合均匀，即得混合溶液，将混合溶液均匀涂布在干净玻璃板上，室温下自然干燥，即得基体膜，将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理，冷却至室温，即得可降解复合包装材料。将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理步骤为：按质量比1∶3将玉米淀粉和去离子水混合，在温度为90℃，搅拌速度为300r/min下匀速搅拌20min。复合乳化剂的制备步骤为：按质量比1∶1将司盘80和吐温80混合均匀，即得复合乳化剂。将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理步骤为：按质量比1∶10将复合乳化剂和液体石蜡混合，在水浴温度为90℃，搅拌速度为480r/min下搅拌30min。糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取30份糊化淀粉、10份蔗髓、10份混合乳液、3份质量分数为2%戊二醛溶液。在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理步骤为：在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液，在搅拌速度为900r/min下搅拌反应60min。将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理步骤为：将前驱体溶液置于超声仪中，在功率为300W下超声分散15min。将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理步骤为：将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面，并置于温度为50℃的烘箱中干燥至恒重。聚碳酸亚丙酯和氯仿之间的质量比为1∶10。将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理步骤为：将复合膜置于两层基体膜之间，在温度为50℃，压力为5MPa下热压5min。
将本发明制备的可降解复合包装材料进行检测，具体检测结果如下：
力学性能测定：按照GB/T1040.2-2006将样品裁成哑铃型样条，用CMT4204型微机控制电子万能试验机测试的拉伸强度和断裂伸长率。拉伸速度50mm/min，拉伸时环境温度保持在23±2℃，相对湿度50±5%。
水蒸气透过性能测试：薄膜的水蒸气透过性测试根据GB/T26253-2010中的测试标准完成。选择没有破洞、无皱纹、无裂痕且厚度比较均匀、表面光滑的薄膜剪成10cm2大小的圆，在圆形材料的周围涂抹密封胶将其整齐的粘到测试面罩上。然后将其放入测试腔中密封，测试。设置相对湿度（RH）为65%，温度为23℃。
降解性能测定：按照ASTM G21-70（1980）所述方法进行降解性能测试实验，将测试试样切成长方形（40mmｘ20mmｘ2mm）的样品。用浓度为75%酒精溶液对试样进行消毒处理，然后将试样放入干燥箱，干燥至恒重（M）。将测试试样放在无碳源培养基中。将接种完青霉菌的培养皿放在28℃的培养箱中，进行为期4周（28天）的降解性能测试试验。每周（7天）取出一个培养皿进行测试。取出试样，用浓度为75%的酒精溶液对试样进行消毒，再用蒸馏水清洗3次，然后放入恒温干燥箱干燥至恒重（M）。在测试前和测试后分别测试了试样的质量，质量损失率（WL）通过式所示公式计算得到。
WL=(M0-M1)/M0×100%
具体测试结果如表1。
表1性能表征对比表
检测项目 实例1 实例2 实例3
拉伸强度（MPa） 98.75 97.66 96.98
断裂伸长率（%） 11.3 16.2 19.8
水蒸气透过率（g/m<sup>2</sup>·d） 29.88 31.27 30.63
质量损失率（%） 66.23 65.63 65.89
由表1可知，本发明制备的可降解复合包装材料具有良好的力学性能和可降解性能，具有广阔的市场价值和应用前景。

Claims (10)

1.一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理，即得糊化淀粉；将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理，即得混合乳液；
（2）取糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液，将糊化淀粉、蔗髓和混合乳液混合均匀，即得反应液，在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理，即得前驱体溶液；
（3）将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理，冷却至室温，即得铸模液，将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理，冷却至室温，揭膜，即得复合膜；
（4）将聚碳酸亚丙酯和氯仿混合均匀，即得混合溶液，将混合溶液均匀涂布在干净玻璃板上，室温下自然干燥，即得基体膜，将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理，冷却至室温，即得可降解复合包装材料。
2.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的将玉米淀粉和去离子水混合，进行糊化处理步骤为：按质量比1∶3将玉米淀粉和去离子水混合，在温度为80～90℃，搅拌速度为200～300r/min下匀速搅拌10～20min。
3.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的复合乳化剂的制备步骤为：按质量比1∶1将司盘80和吐温80混合均匀，即得复合乳化剂。
4.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的将复合乳化剂和液体石蜡混合，进行水浴搅拌处理步骤为：按质量比1∶10将复合乳化剂和液体石蜡混合，在水浴温度为80～90℃，搅拌速度为400～480r/min下搅拌20～30min。
5.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的糊化淀粉、蔗髓、混合乳液、质量分数为2%戊二醛溶液之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份糊化淀粉、1～10份蔗髓、1～10份混合乳液、1～3份质量分数为2%戊二醛溶液。
6.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液进行搅拌处理步骤为：在反应液中加入质量分数为2%戊二醛溶液，在搅拌速度为800～900r/min下搅拌反应40～60min。
7.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的将前驱体溶液置于超声仪中进行超声分散处理步骤为：将前驱体溶液置于超声仪中，在功率为250～300W下超声分散10～15min。
8.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面进行干燥处理步骤为：将铸模液浇注在干净的玻璃器皿表面，并置于温度为40～50℃的烘箱中干燥至恒重。
9.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的聚碳酸亚丙酯和氯仿之间的质量比为1∶10。
10.根据权利要求1所述的一种可降解复合包装材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的将复合膜置于两层基体膜之间进行热压处理步骤为：将复合膜置于两层基体膜之间，在温度为40～50℃，压力为3～5MPa下热压3～5min。
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