CN110644066B

CN110644066B - 生物降解剂、生物降解纤维及制备方法

Info

Publication number: CN110644066B
Application number: CN201910861853.7A
Authority: CN
Inventors: 蒋船银; 魏志军; 陈志强; 黄石连
Original assignee: Zhongshan Shangyang Technology Co ltd
Current assignee: Zhongshan Shangyang Technology Co ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110644066A

Abstract

本发明实施例提供了生物降解剂、生物降解纤维及制备方法。本发明实施例提供的生物降解剂，原料易得，设计合理，PBST的作用是增韧改性，聚乳酸为单糖和醛糖的载体，单糖和醛糖的作用是吸引细菌并为细菌提供能量，该生物降解剂，制备方法简单，使用容易，通过将其添加到纤维中，即可加速纤维的生物降解，无需改变原纤维的生产线设备，对原纤维没有不良影响，可以根据需要，通过改变生物降解剂的添加量即可控制纤维在土壤中的降解速率。本发明实施例提供的生物降解纤维，制备过程不复杂，无需改变现有的纤维生产线设备，解决了传统PET、PBT纤维因分子链中存在苯环结构而不能降解的问题。

Description

生物降解剂、生物降解纤维及制备方法

技术领域

本发明属于聚酯纤维技术领域，具体涉及生物降解剂、生物降解纤维及制备方法。

背景技术

多种多样的高分子材料制品给我们的生活带来了前所未有的方便、舒适的同时，由产业和日常生活所产生的有机高分子废弃物已经成为当今环境污染的一个重要源头，合成纤维废弃物是一个重要的组成部分。传统的焚烧法和填埋法危害环境并占用土地资源，因此，需要从源头做起，开发和推广生物可降解合成纤维，才是治标又治本的方法。

可生物降解的高分子材料是指受到自然界中的生物，如细菌、真菌、藻类等侵蚀后可以完全降解的高聚物。使高分子材料具有能被微生物降解的性能，目前主要有两种不同的途径，一种途径是寻找合成具有可以被微生物或酶降解化学解固的大分子；另一种方法是培植专门用于降解通用塑料的微生物。后者由于会导致物种不受控制的增长以及对生物圈产生不可知的影响，因此，目前主要是以合成可降解高分子材料为主。

聚酯纤维是指分子结构中含有酯基（-COO-）的聚合物经直接纺丝或再熔融纺丝制取的合成纤维。脂肪族聚酯中包含有易受微生物水解的酯键，在通常情况下常见化学结构的生物可降解能力由强到弱一次是：脂肪族酯键、肽键>氨基甲酸酯>脂肪族醚键>亚甲基键。

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是原核微生物细胞的碳源和能源储存物资，是一种脂肪族的聚酯，其中聚羟基丁酸（PHB）是研究最为透彻的一种生物聚酯。目前，PHB的应用主要是复合材料和纤维方面，除熔纺外，PHB可通过冻胶纺制成伤口支撑材料，保护伤口、促进愈合。聚乳酸（PLA）也是一种生物可降解聚酯。乳酸是乳酸杆菌产生的一种碳水化合物，也是生物体中常见的天然化合物，人体内也有该物质。具有很好的生物降解性能，且具有良好的生物相容性和生物可吸收性。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一类已作广泛研究的生物可降解聚酯，由丁二酸和丁二醇经缩聚而得。目前用于纺织行业的生物材料主要是PLA，PLA材料由于其玻璃化温度在60-65度，热变形温度低，限制了生物材料的应用，PLA材料的高度结晶，纤维柔软性不好，也限制了PLA在纤维行业中的应用，目前在聚酯类纤维中，应用最广还是PET和PBT。

然而，传统PET、PBT纤维因分子链中存在苯环结构而降解时间长。

发明内容

为解决生物降解材料应用受限，传统材料降解时间太久的问题，本发明实施例的目的之一是提供生物降解剂。本发明实施例的目的之二是提供生物降解纤维。本发明实施例的目的之三是提供上述生物降解纤维的制备方法。

为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

生物降解剂，包括以下重量份计的组分：

PBST：3~10份，

聚乳酸：20~30份，

单糖：20~30份，

醛糖：30~40份。

上述生物降解剂中，PBST为聚丁二酸二醇-对苯二甲酸丁二醇脂，其作用是增韧改性，提升生物降解剂添加到纤维中后材料的韧性。聚乳酸为单糖和醛糖的载体。单糖和醛糖的作用是吸引细菌并为细菌提供能量。

上述生物降解剂适用的纤维包括PBT、PET和PTT等聚酯纤维，通过将其添加到纤维中，即可加速纤维的生物降解，无需改变原纤维的生产线设备，对原纤维没有不良影响。可以根据需要，通过改变上述生物降解剂的添加量即可控制纤维在土壤中的降解速率。

优选地，上述生物降解剂的制备方法为：按配比称取所述PBST、聚乳酸、单糖和醛糖，熔融混匀即得所述生物降解剂，冷却后高压压合即得所述生物降解剂颗粒。熔融的温度为160~180℃。

生物降解纤维，包括以下重量份计的原料：

聚酯纤维：90~100份，

无机填充物：2~4份，

上述生物降解剂：1~5份。

当上述生物降解纤维被丢弃掩埋在垃圾掩埋区，生物降解剂便会开始作用，吸引不同微生物来侵蚀和消化聚合物，同时促进纤维的分子链断裂，分解成小于5千分子量的聚合物，从而便于微生物分解并最终转换成二氧化碳、水、有机物和其他物质。传统塑料虽然可以降解，但降解需要的时间是300~500年，本发明实施例的生物降解纤维通过吸引微生物，微生物释放酶，分解了聚合物分子链，加速了塑料的分解，分解的时间仅为1~10年。

优选地，所述聚酯纤维包括PBT、PET和PTT中的至少一种。

进一步优选地，所述PBT、PET和PTT为拉丝级聚酯纤维。

优选地，所述无机填充物为碳酸钙和二氧化硅中的至少一种。

进一步优选地，所述无机填充物的颗粒粒径大于2000目。

无机填充物的作用是提升纤维的回弹性。

生物降解纤维的制备方法，步骤为：按配比称取所述聚酯纤维、无机填充物和生物降解剂，搅拌混匀后熔融纺丝，即得所述生物降解纤维。

进一步优选地，还包括对所述聚酯纤维进行干燥处理。

更进一步优选地，所述干燥处理的温度为120~130℃。

更进一步优选地，所述干燥处理的时间为6~8 h。

优选地，所述搅拌混匀的时间为至少30 min。

优选地，所述搅拌混匀的转速为300~400 rpm。

进一步优选地，所述熔融纺丝的温度为一区180-220℃、二区220-240℃、三区230-250℃、四区240-260℃、五区250-270℃、洁兰240-260℃、泵240-260℃、模头240-260℃。

化纤油在纤维从喷丝板中喷出时在滚筒处添加，添加量根据纤维牵引速度决定，通常为50~400g/min。化纤油包括矿物油、植物油、脂肪酸一元醇酯、多元醇酯、脂肪酸双酯、脂肪酸多元醇酯、脂肪酸三羟甲基丙酯、脂肪酸季戊四醇酯中的一种或多种。主要作用是调节化学纤维的摩擦性能，防止或消除静电积累，赋予纤维平滑、集束、抗静电、柔软等性能。

熔融纺丝后得到的纤维直径为0.06~0.12 mm之间。

生物降解纤维的制备方法中，还包括在熔融纺丝后，对纺丝进行切毛、磨峰、烘干、整理刷毛和包装处理。

其中，切毛的长度根据用途在30~70 cm之间。

磨峰使用NaOH溶液，浓度为20~45 %，温度为120~140 ℃，磨峰处理的时间为10~50min。

本发明的有益效果

1、本发明实施例提供的生物降解剂，原料易得，设计合理，PBST的作用是增韧改性，聚乳酸为单糖和醛糖的载体，单糖和醛糖的作用是吸引细菌并为细菌提供能量；

2、本发明实施例提供的生物降解剂，制备方法简单，使用容易，通过将其添加到纤维中，即可加速纤维的生物降解，无需改变原纤维的生产线设备，对原纤维没有不良影响；

3、本发明实施例提供的生物降解剂，可以根据需要，通过改变生物降解剂的添加量即可控制纤维在土壤中的降解速率；

4、本发明实施例提供的生物降解纤维，制备过程不复杂，无需改变现有的纤维生产线设备，解决了传统PET、PBT纤维因分子链中存在苯环结构而降解时间长的问题。

附图说明

图1是本发明检测例的纤维生物降解试验曲线。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本例提供了一种生物降解剂，包括以下重量份计的组分：

PBST：3份，

聚乳酸：20份，

单糖：20份，

醛糖：30份。

实施例2

本例提供了一种生物降解剂，包括以下重量份计的组分：

PBST：10份，

聚乳酸：30份，

单糖：30份，

醛糖：40份。

实施例3

本例提供了一种生物降解剂，包括以下重量份计的组分：

PBST：6份，

聚乳酸：25份，

单糖：25份，

醛糖：35份。

实施例4

本例提供了生物降解剂的制备方法，具体为：按配比称取所述PBST、聚乳酸、单糖和醛糖，熔融混匀即得所述生物降解剂，冷却后高压压合即得所述生物降解剂颗粒。熔融的温度为160~180℃。

实施例5

本例提供了一种生物降解纤维，包括以下重量份计的原料：

聚酯纤维：90份，

无机填充物：2份，

生物降解剂：1份。

其中，聚酯纤维为PBT。为拉丝级聚酯纤维。

无机填充物为碳酸钙，颗粒粒径大于2000目。

实施例6

本例提供了一种生物降解纤维，包括以下重量份计的原料：

聚酯纤维：100份，

无机填充物：4份，

生物降解剂：5份。

其中，聚酯纤维为PTT。为拉丝级聚酯纤维。

无机填充物为碳酸钙，颗粒粒径大于2000目。

实施例7

本例提供了一种生物降解纤维，包括以下重量份计的原料：

聚酯纤维：95份，

无机填充物：3份，

生物降解剂：3份。

其中，聚酯纤维为PET。为拉丝级聚酯纤维。

无机填充物为碳酸钙，颗粒粒径大于2000目。

实施例8

本例提供了生物降解纤维的制备方法，步骤为：按配比称取所述聚酯纤维、无机填充物和生物降解剂，搅拌混匀后熔融纺丝，即得所述生物降解纤维。

上述制备方法还包括对所述聚酯纤维进行干燥处理，干燥处理的温度为120~130℃，干燥处理的时间为6~8 h。

其中，搅拌混匀的时间为至少30 min，搅拌混匀的转速为300~400 rpm。

熔融纺丝的温度为230~280℃。熔融纺丝后得到的纤维直径为0.06~0.12 mm之间。

其中，切毛的长度根据用途在30~70 cm之间。

检测例

使用实施例3的生物降解剂，根据实施例8的方法制备得到了配比复合实施例7的PET纤维，得到的样品编号为样品A。使用实施例3的生物降解剂，对相同条件下制备的未添加生物降解剂的PET纤维进行表面涂抹处理，得到的样品编号为样品B。相同条件下制备的未添加生物降解剂的PET纤维样品编号为样品C。天然植物纤维编号为样品D。

根据标准ASTM D5511-2018对样品A~D进行生物降解的标准试验，结果如图1和表1所示。图1中，曲线1为样品A的测试结果；曲线2为样品B的测试结果；曲线3为样品C的测试结果；曲线4为样品D的测试结果。

表1 生物降解试验结果

从表1中可以看出，制备过程中添加了生物降解剂的纤维生物降解率最高，达到了94.5 %，此外，仅在纤维表面涂抹生物降解剂也能够促进纤维的生物降解，其生物降解率达到了28.8 %，而相同条件下制备的未添加生物降解剂的PET纤维样品在试验期间生物降解率仅为1.1 %，几乎未发生降解。作为对照组的天然植物纤维样品的降解率为70.7 %。说明本发明实施例的生物降解剂可以有效促进聚酯纤维PET的降解，其降解率超过了天然植物纤维样品的降解率。

Claims

1.一种生物降解纤维，其特征在于，包括以下重量份计的原料：

聚酯纤维：95份，

无机填充物：3份，

生物降解剂：3份；

所述生物降解剂包括以下重量份计的组分：

PBST：6份，

聚乳酸：25份，

醛糖：35份，

单糖：25份。

2.根据权利要求1所述的生物降解纤维，其特征在于，所述聚酯纤维包括PBT、PET和PTT中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的生物降解纤维，其特征在于，所述无机填充物为碳酸钙和二氧化硅中的至少一种。

4.根据权利要求1~3任一项所述生物降解纤维的制备方法，其特征在于，步骤为：按配比称取所述聚酯纤维、无机填充物和生物降解剂，搅拌混匀后熔融纺丝，即得所述生物降解纤维。

5.根据权利要求4所述生物降解纤维的制备方法，其特征在于，还包括对所述聚酯纤维进行干燥处理。

6.根据权利要求5所述生物降解纤维的制备方法，其特征在于，所述干燥处理的温度为120~130℃。

7.根据权利要求6所述生物降解纤维的制备方法，其特征在于，所述干燥处理的时间为6~8 h。

8.根据权利要求4所述生物降解纤维的制备方法，其特征在于，所述熔融纺丝的温度为230~280℃。