CN110527189A - 全生物降解pp材料及其制备方法，及应用 - Google Patents

全生物降解pp材料及其制备方法，及应用 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种全生物降解PP材料及其制备方法，其中，全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：聚丙烯80～100份和生物降解剂1～10份，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为0.1～10:0.1～10:1，谷氨酸组合物包含谷氨酸、戊二酸和聚乳酸。谷氨酸组合物和生物酶能够吸引土壤中的微生物附着于全生物降解PP制品，周围的pH值会受一定量的微生物影响，将氧转化为二氧化碳和水。生物膨胀剂受外界温度升高的影响，使制品中的材料分子变大，分子外层越来越薄，微生物菌群汲取谷氨酸组合物以及酶为养分，而将大分子逐渐分解为小分子。全生物降解PP材料，降解速度快，降解效率高，增加成本低、具有很高的社会效益和经济效益。

Description

全生物降解PP材料及其制备方法，及应用
技术领域
本申请属于PP材料技术领域，具体涉及一种全生物降解PP材料及其制备方法，及其在PP制品中的应用。
背景技术
塑料制品、橡胶制品和纤维制品在工业上被大批量生产，且同时被广泛地用于日常生活和工业领域中。许多制品在自然环境中不降解或降解时间过长，因此，造成越来越严重的环境污染。
聚丙烯(Polypropylene，简称PP)是一种半结晶的热塑性塑料。具有较高的耐冲击性，机械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀。在工业界有广泛的应用，是常见的高分子材料之一。主要用于各种长、短丙纶纤维的生产，用于生产聚丙烯编制袋、打包袋、注塑制品等用于生产电器、电讯、灯饰、照明设备、手机配件及保护套、电视机的阻燃零部件、包装材料。据统计：废旧料中聚丙烯(PP)所占比例约为20％，可见，废旧塑料中PP占有相当大的比例，所以聚丙烯材料的回收处理成了大家关注的热点。
在以往，废旧聚丙烯材料的处理方法主要是随同其他垃圾一起掩埋(城市处理方法)、随意丢弃于自然环境中(农村处理方法)，或者就地燃烧，这些处理方法不仅浪费资源，重要的是对环境造成极大的污染。虽然，目前出现了一些水解、热氧化降解等化学降解方式，使制品降解为对环境无害的碎片或变成 CO2和水，回归自然循环，但是这些降解方式成本较高，且时间过于漫长。
申请内容
本申请的目的在于提供一种全生物降解PP材料及其制备方法，其降解速度快、降解率高。
为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：聚丙烯80～100份和生物降解剂1～10份，所述生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，所述生物膨胀剂、所述谷氨酸组合物和所述生物酶的重量比为0.1～10:0.1～10:1，所述谷氨酸组合物包含谷氨酸、戊二酸和聚乳酸。
与现有技术相比，本申请提供的全生物降解PP材料，当将PP材料在厌氧条件中或者进行填埋后，其中含有的谷氨酸组合物和生物酶能够吸引土壤中的微生物附着于全生物降解PP材料，当材料周围的微生物达到一定数量时，周围的pH值会受微生物影响，将周围的氧转化为二氧化碳和水。随着填埋后土壤温度的升高，材料内部的生物膨胀剂受外部条件影响，使材料中分子变大，分子外层越来越薄，与此同时，微生物菌群汲取材料中的谷氨酸组合物以及生物酶为养分，分泌出的酶或酸性物质将大分子逐渐分解为小分子，直至降解过程结束。本申请提供的全生物降解PP材料，降解速度快，降解效率高，增加成本低、具有很高的社会效益和经济效益。
较佳的，聚丙烯为粒状或粉状，有利于各组分之间的混合均匀。
较佳地，生物酶为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶和连接酶中的至少一种。
较佳地，制备原料还包含1～10份生物质纤维，更优选的，所述生物质纤维为竹浆纤维、PTT纤维、PHA纤维、Lyocell纤维、牛奶蛋白纤维和甲壳素纤维中的至少一种。添加生物质纤维不仅可提高PP材料的强度，且生物质纤维为生物降解材料，在生物降解剂的作用下可快速降解。其中，优选为竹浆纤维、PHA 纤维、牛奶蛋白纤维和甲壳素纤维，这些生物质纤维的降解速度和降解率更高。
较佳的，制备原料还包括0.1～5份云母粉和0.1～5份硅烷偶联剂。添加云母粉可改善PP材料的物理机械性能。硅烷偶联剂可起到桥梁作用从而改善聚丙烯和云母粉之间的结合。
本申请第二方面提供了一种全生物降解PP材料的制备方法，称取配方量的所述制备原料的各组分于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得全生物降解PP材料。较佳的，所述制备原料中所述聚丙烯于混合前先经预热、干燥、密炼处理。先将聚丙烯预热、干燥并密炼成熔融状态时，再加入其他组分有利于各组分的混合均匀。
本申请第三方面提供一种上述可降解PP材料在PP制品中的应用。
具体实施方式
为更好地说明本申请的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本申请作进一步说明。需说明的是，下述实施所述方法是对本申请做的进一步解释说明，不应当作为对本申请的限制。
本申请的全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：聚丙烯80～100 份和生物降解剂1～10份，所述生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，所述生物膨胀剂、所述谷氨酸组合物和所述生物酶的重量比为 0.1～10:0.1～10:1，所述谷氨酸组合物包含谷氨酸、戊二酸和聚乳酸。较佳地，聚丙烯具体但不限为80份、83份、85份、88份、90份、93份、95份、97份、 100份；生物降解剂具体但不限为1份、3份、5份、7份、9份、10份。生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比具体但不限为0.1:0.1:1，0.1:5:1、0.1:10:1、 1:0.1:1，5:5:1、10:10:1。
谷氨酸组合物包含谷氨酸、戊二酸和聚乳酸，谷氨酸参与微生物体内的众多反应，是微生物代谢的重要营养物质，可吸引土壤中的微生物聚集；生物复合酶包含氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、连接酶中的一种或多种。生物复合酶促进自然界中物质的分解代谢，其中，氧化还原酶催化氧化还原反应，转移酶催化化学功能团转移，水解酶催化水解反应，裂解酶催化增加双键反应，异构酶催化异构反应，连接酶催化使用ATP形成新建。生物复合酶为蛋白质，在某些情况下可水解为氨基酸，作为营养物质被吸收利用。生物膨胀剂为聚氨酯和植物蛋白的混合物，且两者的重量比为1:1。
下面将结合具体实施例对本申请的全生物降解PP材料作进一步详细说明，但其并不构成对本申请保护范围的限制。
实施例1
一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份和生物降解剂3份，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为1:1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物降解剂于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
实施例2
一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯80份和生物降解剂8份，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为5:3:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物降解剂于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
实施例3
一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：粉状聚丙烯90份和生物降解剂3份，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为1:1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的水解酶、裂解酶和连接酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粉状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物降解剂于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
实施例4
一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份、生物降解剂3份和5份PTT纤维，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为1:1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物降解剂和PTT纤维于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
实施例5
一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份、生物降解剂3份和5份PHA纤维，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为1:1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物降解剂和PHA纤维于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
实施例6
一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份、生物降解剂3份、3份云母粉和2份硅烷偶联剂，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为1:1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物降解剂、云母粉和硅烷偶联剂于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
实施例7
一种全生物降解PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份、生物降解剂3份、3份竹浆纤维、3份云母粉和2份硅烷偶联剂，生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶的重量比为1:1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物降解剂、竹浆纤维、云母粉和硅烷偶联剂于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
对比例1
其制备方法为：将90份粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得PP材料。
对比例2
一种PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份和生物降解剂3份，生物降解剂包括生物膨胀剂和谷氨酸组合物，生物膨胀剂和谷氨酸组合物的重量比为1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物膨胀剂和谷氨酸组合物于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
对比例3
一种PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份和生物降解剂3份，生物降解剂包括谷氨酸组合物和生物酶，谷氨酸组合物和生物酶的重量比为1:1，谷氨酸组合物为含量相等的谷氨酸、戊二酸和聚乳酸的混合，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与谷氨酸组合物和生物酶于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
对比例4
一种PP材料，以重量份计，制备原料包括：粒状聚丙烯90份和生物降解剂3份，生物降解剂包括生物膨胀剂和生物酶，生物膨胀剂和生物酶的重量比为1:1，生物酶为含量相等的氧化还原酶、转移酶和水解酶的混合，生物膨胀剂为重量比为1:1的聚氨酯和植物蛋白的混合物。
其制备方法为：称取配方量的各组分，先将粒状聚丙烯经预热、干燥、密炼处理后，再与生物膨胀剂和生物酶于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得。
将实施例1～7的全生物降解PP材料和对比例1～4的PP材料制作成PP制品，填埋于模拟垃圾土壤填埋环境260天后，并按ASTM-D5511标准进行降解率测试，其降解结果如表1所示。
表1实施例1～7和对比例1～3中的降解率测试结果
由表1可知，加入生物质纤维，尤其是加入竹浆纤维和PHA纤维，PP制品的降解率更高。
将实施例7和对比例1中的PP制品在降解280后进行成分检测，其结果如表2所示。
表2实施例7和对比例1的PP制品的降解结果
降解后成分 实施例7 对比例1
总气体体积(mL) 11634.6 3871.5
CH<sub>4</sub>含量(％) 54.6 37.7
CH<sub>4</sub>体积(mL) 6350.6 1457.7
CH<sub>4</sub>质量(g) 4.54 1.04
CO<sub>2</sub>含量(％) 41.8 42.7
CO<sub>2</sub>体积(mL) 4867.1 1654.8
CO<sub>2</sub>质量(g) 9.56 3.25
测试样品质量(g) 10 10
理论样品质量(g) 8.4 8.4
生物降解质量(g) 6.01 1.67
由表2可知，本申请中的全生物降解PP材料填埋后可降解为甲烷和二氧化碳，甲烷可作为新型能源再生利用。
本申请的全生物降解PP材料，在不影响传统PP的各项物理及化学性能、不改变原有的加工工艺及机器设备的基础上，在配方技术上做了改良，制作出一种新型的高效低成本全生物降解PP配方，比传统PP降解效率快800倍(传统降解时长为800年，本申请中降解时长约260天)。
本申请提供的全生物降解PP材料，当将其制品置于厌氧条件中或者垃圾场填埋后，其中含有的谷氨酸组合物和生物酶能够吸引土壤中的微生物附着于全生物降解材料制品，当周围的微生物达到一定数量时，周围的pH值会受微生物影响，将周围的氧转化为二氧化碳和水。随着填埋后土壤温度的升高，材料内部的生物膨胀剂受外界条件影响，使材料中分子变大，分子外层越来越薄，与此同时，微生物菌群汲取材料中的谷氨酸组合物以及酶为养分，分泌出的酸性物质将大分子逐渐分解为小分子，直至降解过程结束。本申请提供的全生物降解PP材料，降解速度快、降解效率高、增加成本低具有很高的社会效益和经济效益。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种全生物降解PP材料，其特征在于，以重量份计，制备原料包括：聚丙烯80～100份和生物降解剂1～10份，所述生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶，所述生物膨胀剂、所述谷氨酸组合物和所述生物酶的重量比为0.1～10:0.1～10:1，所述谷氨酸组合物包含谷氨酸、戊二酸和聚乳酸。
2.如权利要求1所述的全生物降解PP材料，其特征在于，所述聚丙烯为粒状或粉状。
3.如权利要求1所述的全生物降解PP材料，其特征在于，所述生物酶为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶和连接酶中的至少一种。
4.如权利要求1所述的全生物降解PP材料，其特征在于，所述制备原料还包含1～10份生物质纤维。
5.如权利要求4所述的全生物降解PP材料，其特征在于，所述生物质纤维为竹浆纤维、PTT纤维、PHA纤维、Lyocell纤维、牛奶蛋白纤维和甲壳素纤维中的至少一种。
6.如权利要求1所述的全生物降解PP材料，其特征在于，所述制备原料还包括0.1～5份云母粉和0.1～5份硅烷偶联剂。
7.如权利要求1～6任一项所述的全生物降解PP材料的制备方法，其特征在于，称取配方量的所述制备原料的各组分于挤出机中进行混合，并经挤出、定型、冷却、牵引、切割可制得全生物降解PP材料。
8.如权利要求7所述的全生物降解PP材料的制备方法，其特征在于，所述制备原料中所述聚丙烯于混合前先经预热、干燥、密炼处理。
9.如权利要求1～6任一项所述的全生物降解PP材料或权利要求7～8任一项所述的全生物降解PP材料的制备方法制备的全生物降解PP材料在PP制品中的应用。
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IT202100029519A1 (it) * 2021-11-23 2023-05-23 Plasta Rei S R L Materiale polimerico con componente di origine biologica

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