CN112210198A - 一种生物降解复合材料及其制备方法和在生产地膜中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物降解复合材料及其制备方法,按重量百分比计,该生物降解复合材料的原料组成包括:聚对苯二甲酸‑己二酸‑丁二醇酯30~60%;植物淀粉10~30%;表面改性的棉纤维20~40%;沸石粉1~15%;水溶性高分子材料2~10%;表面活性剂0.2~3%;偶联剂0.2~2%;环氧官能团接枝甲基丙烯酸甘油酯0.2~1%;加工助剂0.2~5%。本发明公开的生物降解复合材料,不仅力学性能优异,生产成本低廉、且具有较佳的保温与锁水保湿功能,并可以实现完全降解,尤其适用于在生产地膜中的应用。

Description

一种生物降解复合材料及其制备方法和在生产地膜中的应用
技术领域
本发明属于可生物降解材料的制造领域,具体涉及生物降解复合材料及其制备方法和在生产地膜中的应用。
背景技术
地膜即地面覆盖薄膜,通常是透明或黑色薄膜,用于地面覆盖,以提高土壤温度、保持土壤水分,维持土壤结构,防止害虫侵袭作物和某些微生物引起的疾病等,促进植物生长。
聚氯乙烯地膜和聚乙烯地膜是目前农业生产中用量最大的两种地膜,但由于两种地膜被废弃后处理起来相当麻烦,燃烧会产生有毒气体,污染大气;若采用填埋处理,至其完全降解需要一两百年,对土地资源造成严重的破坏,根据权威报导,有一些残留在土壤里的废弃塑料微粒甚至可以通过食物积留在人体内,对身体健康造成一定的威胁,所以开发可完全生物降解的地膜材料已经势在必行。
聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯(PBAT)作为生物降解材料受到越来越多的关注,但由于其机械性能较差、阻隔性能较差,导致其无法单独作为用于制备地膜的基材。目前多通过将PBAT与其它可生物降解材料,如聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)等共混后用于制备地膜,但由于PBS与PLA的价格较高,导致地膜的生产成本提高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题,本发明公开了一种生物降解复合材料,不仅力学性能优异,生产成本低廉、且具有较佳的保温与锁水保湿功能,并可以实现完全降解,尤其适用于在生产地膜中的应用。
具体技术方案如下:
一种生物降解复合材料,按重量百分比计,原料组成包括:
Figure BDA0002742044070000021
本发明公开了一种生物降解复合材料,所有的原料均为环境友好型,可以在自然界中彻底分解。本发明的核心,一方面在于采用表面改性的棉纤维为特殊助剂,显著改善该生物降解复合材料的保温性能;另一方面在于采用沸石粉与水溶性高分子的组合,利用两者的协同作用不仅提高了生物降解复合材料的力学性能,还进一步改善了其锁水保湿效果。通过进一步对比试验还发现,表面改性的棉纤维、沸石粉与水溶性高分子三者同时加入时,制备的生物降解复合材料的保温性能与锁水保湿性能均更佳,但若将沸石粉或水溶性高分子中的任一去掉,不仅锁水保湿性能下降,保温性能也会损失,说明表面改性的棉纤维、沸石粉与水溶性高分子三者间也存在协同作用。基于降低生产成本的实际要求,本发明仅采用PBAT为基材,通过加入植物淀粉和沸石粉,可以进一步降低成本,利用环氧官能团接枝甲基丙烯酸甘油酯中的环氧官能团可以分别与生物降解塑料中的酯基、植物淀粉中的羟基等发生交联反应,进一步提升地膜的强度,韧性和相容性;而沸石粉与水溶性高分子的组合也较大程度地提高了生物降解塑料的力学性能,从而弥补PBAT基材力学性能上的劣势。
所述水溶性高分子材料选自聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或几种。
优选的:
所述沸石粉的目数为800~2500目;
所述水溶性高分子材料的重均分子量为20000~100000。
经实验发现,采用上述参数下的原料制备的生物降解塑料的力学性能与锁水保湿性能均较佳。
进一步优选:
所述水溶性高分子材料选自聚丙烯酰胺和/或聚乙烯基吡咯烷酮;
所述水溶性高分子材料的重均分子量为20000~70000。
再优选:
所述水溶性高分子材料选自重均分子量为70000的聚乙烯基吡咯烷酮。
经试验发现,采用上述进一步优选参数下的原料制备的生物降解塑料的力学性能与锁水保湿性能均达到最佳。
优选的:
所述表面改性的棉纤维,改性方法包括依次进行的蓬松处理和表面浸润处理,具体为:
棉纤维束在牵引下经过沿牵引方向依次布置的若干金属圆柱杆进行蓬松处理,再通过硅烷偶联剂浸润。
本发明中首次提出了采用棉纤维为助剂用于制备地膜以提高其保温性能,更为重要的是,相较于现有技术中常规的表面改性手段(表面贵硅烷偶联剂改性),本发明中采用先蓬松处理后浸润处理的两步工序。经试验发现,采用上述两步处理工艺最终制备的地膜的保温性能明显高于仅通过硅烷偶联剂改性处理工艺制备的地膜。
所述蓬松处理工艺中,金属圆柱杆的排布方式还会对棉纤维的处理效果产生影响。
优选的:
所述金属圆柱杆沿牵引方向进行上、下间隔放置;
所述金属圆柱杆为至少4根,连续三根金属圆柱杆形成的夹角选自30~120°。
进一步优选:
所述金属圆柱杆为5~7根,连续三根金属圆柱杆形成的夹角选自60~120°。
再进一步优选,所述连续三根金属圆柱杆形成的夹角选自90°。
经试验发现,采用上述再进一步优选的排布方式,可以保证蓬松完全且不断丝,最终制备的地膜表面更均匀、光泽性好,力学性能更加稳定。
所述环氧官能团接枝甲基丙烯酸甘油酯可通过市售获得,如选择上海佳易容生产的SG-20。
除上述原料之外,其它原料均为本领域的常规选择。
所述植物淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、番薯淀粉中的一种或几种。
所述表面活性剂选自烷基糖苷、脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯中的至少一种;或者,上述四者中的至少一种与聚氧乙烯的缩合产物;
所述脂肪酸的碳数选自12~36;
所述脂肪醇的碳数选自12~36。
所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锡酸酯偶联剂中的一种或多种。
所述加工助剂包括抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
所述抗氧剂包括主抗氧剂与辅抗氧剂。优选的,所述主抗氧剂选自(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯中的一种或几种。所述的辅抗氧剂为亚磷酸酯。
所述润滑剂选自季戊四醇硬脂酸酯、芥酸酰胺、乙烯丙烯酸共聚物中的一种或者几种。
进一步优选,按重量百分比计,所述生物降解复合材料的原料组成包括:
Figure BDA0002742044070000051
通过对配方中的原料用量与种类的进一步优选,制备得到的复合材料的综合性能更佳。
本发明还公开了所述的生物降解复合材料的制备方法,包括如下步骤:
S1、将除表面改性的棉纤维以外的所有原料共混后从主喂料口加入挤出机中;
S2、将表面改性的棉纤维从玻纤孔加入到挤出机中,经挤出造粒得到所述的生物降解复合材料。
优选的,步骤S1中:
先将植物淀粉、沸石粉、表面活性剂、偶联剂及加工助剂共混得到混合材料A;再将生物降解塑料、水溶性高分子材料、环氧官能团接枝甲基丙烯酸甘油酯与混合材料A共混后从主喂料口加入挤出机中。
先将所有粉体与表面活性剂、偶联剂共混得到混合材料A,再与其他原料共混,可以提高表面活性剂与偶联剂的处理效果,保证最终制备的生物降解复合材料的综合性能更佳。经过上述特定的配方与工艺制备得到的生物降解复合材料不仅力学性能优异,生产成本低廉、且具有较佳的保温与锁水保湿功能,并可以实现完全降解,尤其适用于生产地膜。具体为:
将所述生物降解复合材料进行高温熔融吹膜,制备得到生物降解地膜。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明公开了一种生物降解复合材料,配方的核心在于采用特殊工艺制备的表面改性的棉纤维、沸石粉与水溶性高分子三者的协同作用,获得了力学性能优异、同时具有较佳的保温与锁水保湿功能的复合材料。再通过配方中的植物淀粉和沸石粉进一步降低生产成本,并利用配方中的环氧官能团接枝甲基丙烯酸甘油酯与基材与植物淀粉的交联反应,进一步提升复合材料的力学性能。从而制备得到可完全降解、综合性能优异且生产成本低廉的复合材料。
以该复合材料为原料制备得到的地膜,180d降解率即可达到80%以上,且具有优异的拉伸强度与断裂伸长率,尤其是其保温与锁水保湿性能优异。
附图说明
图1为表面改性的棉纤维的改性工艺流程示意图,图中箭头方向代表棉纤维束的移动方向;
图中,1-棉纤维束,2-金属圆柱杆,3-盛有硅烷偶联剂的盒子,4-热风烘干装置。
具体实施方式
下面结合图1与具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明,而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明的内容之后,技术人员可以对本发明作各种改动和修改,这些等价形式同样属于本发明限定的范围内。
图1为本发明中表面改性的棉纤维的改性工艺流程示意图,该工艺流程包含三个工序,a工序为蓬松处理工序,棉纤维束1在牵引下经过沿牵引方向依次布置的若干金属圆柱杆2进行蓬松处理;b工序为浸渍处理工序,蓬松处理后的棉纤维束1再通过盛有硅烷偶联剂的盒子3进行浸润,该工序中采用的金属圆柱杆仅起到支撑功能;c工序为烘干处理工序,棉纤维束1在牵引下最终经烘干装置进行干燥。
以下实施例中提到的金属圆柱杆的根数仅指蓬松处理工序中的根数,而不包含b工序和c工序的根数。
实施例1
将玉米淀粉(中粮,食用玉米淀粉)15wt%、沸石粉(目数为800目)7wt%、表面活性剂(山梨醇月桂酸酯)0.5wt%、硅烷偶联剂(KH550)0.5wt%、抗氧剂(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.2wt%与亚磷酸酯0.2wt%、季戊四醇硬脂酸酯1wt%在高速搅拌机中搅拌10分钟得到混合材料A。
将聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯(蓝山屯河801T)40wt%、聚乙烯基吡咯烷酮(重均分子量为70000)7wt%、环氧团能团接枝甲基丙烯酸甘油酯(佳易容SG-20)0.3wt%与混合材料A,通过搅拌机混合均匀,从双螺杆挤出机主喂料加入,然后将表面改性的棉纤维30wt%从挤出机玻纤孔加入,经140~180℃挤出造粒得到用于生产地膜的可生物降解复合材料。
本实施中,制备改性的棉纤维采用的硅烷偶联剂为KH550、浓度为10wt%,溶剂为蒸馏水。
下表1中研究了金属圆柱杆的不同排布方式对于蓬松处理效果的影响,包括不同的根数与连续三根金属圆柱杆形成的不同夹角的影响。
图1
Figure BDA0002742044070000081
对比图1中数据可知,当连续三根金属圆柱杆形成的夹角为90°,且根数为5~7时,棉纤维的蓬松效果最好且不断丝。经过进一步的试验发现若棉纤维蓬松不完全,制备的地膜表面光泽性差,力学性能不稳定。
本实施例以及以下各实施例与对比例中,如无特殊说明,均采用连续三根金属圆柱杆形成的夹角为90°,且根数为5时的工艺制备得到的改性的棉纤维。
实施例2
将小麦淀粉(华丰粉业、食用小麦淀粉)10wt%、沸石粉(目数为2500目)7wt%、表面活性剂(山梨醇月桂酸酯)0.5wt%、硅烷偶联剂(KH550)0.5wt%、抗氧剂(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.2wt%与亚磷酸酯0.2wt%、季戊四醇硬脂酸酯1wt%在高速搅拌机中搅拌10分钟得到混合材料A。
将聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯(蓝山屯河801T)44wt%、聚乙烯醇(重均分子量为20000)7wt%、环氧团能团接枝甲基丙烯酸甘油酯(佳易容SG-20)0.3wt%与混合材料A,通过搅拌机混合均匀,从双螺杆挤出机主喂料加入,然后将表面改性的棉纤维30wt%从挤出机玻纤孔加入,经140~180℃挤出造粒得到用于生产地膜的可生物降解复合材料。
实施例3
本实施例中采用的原料与制备工艺与实施例1中基本相同,区别仅在于将聚乙烯基吡咯烷酮替换为聚丙烯酰胺(重均分子量为70000)。
实施例4~5
实施例4~5中采用的原料与制备工艺与实施例1中基本相同,区别仅在于将聚乙烯基吡咯烷酮的重均分子量依次替换为20000和100000。
对比例1
本对比例中采用的原料与制备工艺与实施例1中基本相同,区别在于未加入沸石粉,而是将聚乙烯基吡咯烷酮的加入量增加至14wt%。
对比例2
本对比例中采用的原料与制备工艺与实施例1中基本相同,区别在于未加入聚乙烯基吡咯烷酮,而是将沸石粉的加入量增加至14wt%。
对比例3
本对比例中采用的原料与制备工艺与实施例1中基本相同,区别仅在于将沸石粉替换为7wt%的碳酸钙(目数为800目)。
对比例4
将聚对苯二甲酸-乙二酸-丁二醇酯(蓝山屯河801T)70%,表面改性玉米淀粉20%,沸石粉(1200目)5%,聚乙烯基吡咯烷酮(重均分子量70000)5%,抗氧剂(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.2%,亚磷酸酯0.2%,季戊四醇硬脂酸酯1%,环氧团能团接枝甲基丙烯酸甘油酯(佳易容SG-20)0.3%,通过搅拌机混合均匀,从双螺杆挤出机主喂料加入,经140~180℃挤出造粒得到用于生产地膜的可生物降解复合材料。
对比例5
本对比例中采用的原料与制备工艺与实施例1中基本相同,区别仅在于表面改性的棉纤维仅采用了硅烷偶联剂浸渍处理,未进行蓬松处理。
将聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯(蓝山屯河801T)基材、以及实施例1~5与对比例1~5制备的复合材料分别作为原料,挤出温度为130~150℃,制备出厚度为1mm的地膜。地膜的各项性能数据列于下表2中,每项数据均为重复测试10组后获得的平均值。
性能测试:
1、180d生物降解率,按照ISO 14855-1:2012标准进行测试;
2、拉伸力学性能,按照ISO 527标准进行测试;
3、锁水保湿测试,由湿度计测量;
4、保温测试,由温度计测量。
表2
Figure BDA0002742044070000101
Figure BDA0002742044070000111
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物降解复合材料,其特征在于,按重量百分比计,原料组成包括:
Figure FDA0002742044060000011
2.根据权利要求1所述的生物降解复合材料,其特征在于:
所述植物淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、番薯淀粉中的一种或多种;
所述水溶性高分子材料选自聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的生物降解复合材料,其特征在于:
所述沸石粉的目数为800~2500目;
所述水溶性高分子材料的重均分子量为10000~100000。
4.根据权利要求1所述的生物降解复合材料,其特征在于:
所述表面活性剂选自烷基糖苷、脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯中的至少一种;或者,上述四者中的至少一种与聚氧乙烯的缩合产物;
所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锡酸酯偶联剂中的一种或多种;
所述加工助剂包括抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的生物降解复合材料,其特征在于,所述表面改性的棉纤维,改性方法包括依次进行的蓬松处理和表面浸润处理,具体为:
棉纤维束在牵引下经过沿牵引方向依次布置的若干金属圆柱杆进行蓬松处理,再通过硅烷偶联剂浸润。
6.根据权利要求5所述的生物降解复合材料,其特征在于,所述金属圆柱杆沿牵引方向进行上、下间隔放置;
所述金属圆柱杆为至少4根,连续三根金属圆柱杆形成的夹角选自30~120°。
7.根据权利要求6所述的生物降解复合材料,其特征在于,所述金属圆柱杆为5~7根,连续三根金属圆柱杆形成的夹角选自60~120°。
8.一种根据权利要求1~7任一权利要求所述的生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、将除表面改性的棉纤维以外的所有原料共混后从主喂料口加入挤出机中;
S2、将表面改性的棉纤维从玻纤孔加入到挤出机中,经挤出造粒得到所述的生物降解复合材料。
9.根据权利要求8所述的生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,步骤S1中:
先将植物淀粉、沸石粉、表面活性剂、偶联剂及加工助剂共混得到混合材料A;再将生物降解塑料、水溶性高分子材料、环氧官能团接枝甲基丙烯酸甘油酯与混合材料A共混后从主喂料口加入挤出机中。
10.一种根据权利要求1~7任一权利要求所述的生物降解复合材料在生产地膜中的应用,其特征在于,将所述生物降解复合材料进行熔融吹膜,制备得到生物降解地膜。
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