CN112341650A - 一种可堆肥化全降解薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可堆肥化全降解薄膜及其制备方法,涉及生物降解材料。原料组成为:脂肪族聚酯树脂、填料、相容剂、扩链剂、引发剂、接枝单体、润滑剂,抗氧剂。将所需填料与相容剂备好,置于高速混合机内进行混料处理;将处理好的填料和所需原料通过连续密炼机中,于90~140℃密炼;用锥双强制喂料机喂料到双螺杆挤出机,120~160℃拉条造粒,得到所需配方粒料,通过吹膜机120~160℃吹塑成型,得到薄膜。在制备各种购物袋、背心袋、包装袋等中应用。将PBS、PBAT、PLA结合使用,取长补短,获得较好综合性能。在弃用后可以完全生物降解,无毒无刺激性,安全环保性能高。
Description
技术领域
本发明涉及生物降解材料,尤其是涉及一种可堆肥化全降解薄膜及其制备方法。
背景技术
中国是世界化工产值第一大国,这几年化工增长率占全球一半以上。自上世纪五十年代塑料诞生以来,大约生产出83亿吨塑料,其中63亿吨变成垃圾,只有9%得到回收。塑料袋和农膜等薄膜制品是最广泛应用的塑料制品之一,全球范围内一年至少使用50000亿只,大部分都是用完丢弃的。塑料农业薄膜本来应当可以回收,但是由于要降低成本,越做越薄,以至于在农田里就成碎片,很难回收利用。塑料袋之类的膜袋制品成为“白色污染”的只要来源。开发可全生物降解的膜袋制品迫在眉睫。
可降解材料(或称可降解塑料)可以分为两类:生物降解和光降解。以往生物降解塑料多半是聚乙烯和淀粉或其他生物质的共混物;这种生物降解塑料只是部分降解,不是真正意义上的全降解,虽然淀粉被细菌消化了,但还残余大量聚乙烯成为微球状或微片状存在于土壤中造成土壤板结,或进入江河湖海的水体中而无法排除,造成海洋的污染和海洋生物的死亡。
全球至少已有67个国家和地区对一次性塑料制品采取限制措施。早在2007年我国就发限塑令,禁止生产、销售、使用厚度小于25μm的塑料购物袋。2020.1.19国家发改委、生态环境部公布“关于进一步加强塑料污染治理的意见”的“升级版限塑令”中,明令禁止“用于盛装及携提物品的不可降解塑料购物袋”。
可堆肥降解塑料是全降解塑料,是指在有氧堆肥条件下经过一定的时间跨度能够最终完全转化成二氧化碳、水和矿物质的一类材料。根据我国2006年“降解塑料的定义、分类、标志和降解性能要求”标准,规定可控堆肥材料在有氧堆肥条件下最长12周内必须瓦解成90%以上可通过2mm筛网的碎片,最终完全转化成二氧化碳、水和矿物质。世界发达国家都有类似的标准。
根据2020年9月8日中国轻工业联合会在国家有关部委的指导下制定和印发的“可降解塑料制品的分类与标识规范指南”,本发明的制品属“可堆肥化降解”类,是六个降解塑料类型(根据降解环境分类)的主要的一种。指南列出的材质缩写的举例中就明确包括本发明所用的PBS、PBAT和PLA。
发明内容
本发明的目的在于为了减少白色污染,提供绿色环保的可堆肥化全降解薄膜。
本发明的另一目的在于提供工艺简单且可实现连续化生产,薄膜的力学性能超过聚乙烯,可以代替不可降解的通用塑料制成可全生物降解的购物袋、农业薄膜等薄膜制品的一种可堆肥化全降解薄膜的制备方法。
所述可堆肥化全降解薄膜按质量比的原料组成为:脂肪族聚酯树脂100份、填料0~50份、相容剂0.5~5份、扩链剂0.5~3份、引发剂0.01~1份、接枝单体0.5~3份、润滑剂1~3份,抗氧剂0.3~0.6份。
所述脂肪族聚酯树脂以PBAT为主,添加适量的PBS和PLA;其中,PBAT 50~100份PBS 0~30份和PLA 0~20份。
更为优选的,所述脂肪族聚酯树脂的熔融指数MI值(190℃,2160g)范围为3.0~10.0g/10min。
所述填料可选自碳酸钙、滑石粉中的至少一种。
所述相容剂可选自硬脂酸、钛酸酯、铝酸酯、硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570等中的至少一种。
所述扩链剂可采用巴斯夫BASF Joncryl ADR系列、铨盛化工X-U系列中的至少一种。
所述引发剂可选自过氧化二异丙苯(DCP)、过氧化甲乙酮(MEKP)、2,2,二(叔丁基过氧化)丁烷(DBPB)、过氧化苯甲酸叔丁酯(BPB)等中的至少一种。
所述接枝单体可采用马来酸酐(MHA)。
所述润滑剂可选自石蜡、白油、聚乙烯蜡、上海壮景化工STRUKTOL TPW604等中的至少一种。
所述抗氧剂可选自抗氧剂1010、防老剂MB等中的至少一种。
所述可堆肥化全降解薄膜的制备方法,包括如下步骤:
将所需填料与相容剂备好,置于高速混合机内进行混料处理,高速混合机内温度为50~90℃,捏合10~30min后排出;将处理好的填料和所需原料通过连续密炼机中,于90~140℃密炼;用锥双强制喂料机喂料到双螺杆挤出机,120~160℃拉条造粒,得到所需配方粒料,通过吹膜机120~160℃吹塑成型,得到薄膜。
本发明所制备的可堆肥化全降解薄膜可在制备各种购物袋、背心袋、食品袋、快递袋、包装袋、庭院垃圾(草、落叶)袋、农用薄膜、保鲜膜、防水用具、医疗卫生用品等中应用。也可以单轴拉伸生产扁丝,用于水果包装编织袋等,也可用制作热收缩薄膜,用于各类贴体包装。
由于脂肪族聚酯熔体强度差,吹膜时容易出现熔体破裂断料等问题,除了用扩链剂外,本发明还通过直接在双螺杆挤出机中对加入自由基引发剂和单体对树脂进行熔融接枝。
本发明将PBS、PBAT和PLA结合使用,取长补短,可以获得较好的综合性能。
PBS(聚丁二酸丁二醇酯)是一种热塑性全生物降解树脂,容易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解。其原料来源可以是石油资源也可以通过生物资源发酵得到。20世纪90年代进入研究领域,近年来在我国开始大量生产。PBS不仅力学性能可以满足通用塑料的使用要求,而且只有在堆肥等接触微生物的条件下才降解,在正常储存和使用过程中性能非常稳定。PBS可以耐热100℃,能满足日常用品的耐热需求。其用途极广,比如包装材料、一次性用具等等。PBS的缺点是刚性大,比较硬和脆。
PBAT也是一种热塑性全生物降解树脂,是1,4丁二醇、己二酸和对苯二甲酸的三元共聚物。脂肪族部分提供良好的生物降解性能,而芳香族部分提供优良的力学性能。只有在堆肥等接触微生物的条件下才降解,在正常储存和使用过程中性能非常稳定。由于共聚结构使得它的结晶度低于PBS,从而比较柔软,韧性好。它的抗撕裂强度是聚乙烯的120%,冲击强度是聚乙烯的130%。这些性能是生产高性能膜材的必备条件。PBS同样可以耐热100℃,能满足日常用品的耐热需求。
PLA是聚乳酸,又称聚丙交酯。从玉米淀粉发酵得到的乳酸为单体聚合而成。它是最早大量工业化生产的可全生物降解的脂肪族聚酯。由于价格贵,早先主要应用于自吸收手术缝线等医学领域,现在越来越多用做生物降解塑料。它强度高,力学性能很接近PET;由于结晶速度慢,结晶度低,透明性好;具有生物相容性和生物降解性。但缺点是软化温度只有60℃,而且它不稳定,单独使用时在储存和使用过程中有可能就会逐渐降解,影响使用性能。
为了减少白色污染,本发明提出了一种可堆肥化全生物降解薄膜的制备方法,薄膜的力学性能超过聚乙烯,可以代替不可降解的通用塑料制成可全生物降解的购物袋、农业薄膜等薄膜制品。工艺简单且可实现连续化生产,通过连续密炼机实现粉体分散和双螺杆及塑化混合达到连续化生产,解决现有分散机组耗能高生产流程长的技术难题。能提供一种绿色环保,可纤维填充的全降解复合材料,工艺简单可连续化生产,利于工厂化大量安全节能生产及推广。
本发明提供的一种可堆肥化全降解薄膜的制备方法,与现有技术相比具备以下优点:
1、本发明的可堆肥化全降解薄膜在弃用后可以完全生物降解,在有氧堆肥条件下最长12周内瓦解成90%以上可通过2mm筛网的碎片,最终完全转化成二氧化碳、水和矿物质。
2、本发明的可堆肥化全降解薄膜在使用时能够像聚乙烯等薄膜那样牢靠。具有通用塑料类似的使用性能。储存、上架和使用过程中性质稳定。
3、制备的材料不含甲醛、增塑剂、有机溶剂等有害物质,更没有氯化物产生二噁英的可能,无毒无刺激性,安全环保性能高。
4、本发明的可堆肥化全降解薄膜耐寒耐热(﹣50℃~100℃),农业薄膜可以在北方使用。
5、由于极性,与聚乙烯、聚丙烯相比,薄膜具有非常好的印刷性能。
6、薄膜与聚乙烯一样有很好的焊接封口性能。
7、由于脂肪族聚酯熔体强度差,吹膜时容易出现熔体破裂断料等问题。除了用扩链剂外,本发明还通过直接在双螺杆挤出机中对加入自由基引发剂和单体对树脂进行熔融接枝。
8、制备方法可直接在通用塑料生产线上使用,不增加工艺流程,适合工业化生产;降低生产改进成本。加工温度(120~160℃)比聚乙烯低,耗能减少一半。
具体实施方式
以下实施例将对本发明作进一步的说明。
实施例1:
一种可堆肥化全降解的薄膜,包括如下以重量计算的制备原料:含有PBAT 65份、PBS 30份、PLA5份、碳酸钙20份、硬脂酸0.5份、扩链剂0.5份、白油1份,抗氧剂1010 0.3份。PBS选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-803S,其熔融指数为4.0g/10min。PBAT选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-801T,其熔融指数为4.5g/10min。PLA选用NatureWorks 2003D,熔融指数MI值(210℃,2160g)范围为6.0g/10min。扩链剂选用BASF Joncryl ADR 4468。
制备方法按以下步骤:
1)将碳酸钙置于高速混合机中在转速800rpm下混合10min进行干燥除湿,再加入硬脂酸、抗氧剂1010继续在高速混合机转速800rpm下混合加热5min,得到共混粉料。
2)将PBAT、PBS、PLA、扩链剂、白油投入高速混合机中,转速600rpm,温度70℃混合8min,得到混合粒料。
3)将步骤1)得到的共混粉料和步骤2)得到的混合粒料在高速混合机转速500rpm中再混合3min得到混合料。
4)将步骤3)中的混合料投入到连续密炼机中,设定转速220rpm,连续密炼机含有二段密炼段,一段温度设定110,二段温度设定130,密炼完成后落入锥双强制喂料机进入双螺杆挤出机。
5)共混料进入双螺杆挤出机,温度135℃,转速260rpm,挤出拉条造粒,制得所需配方粒料。
6)将步骤5)制得的配方粒料通过吹膜机(120~160℃)吹塑成型,得到薄膜。
实施例2:
一种可堆肥化全降解的薄膜,包括如下以重量计算的制备原料:含有PBAT 65份、PBS 30份、PLA5份、滑石粉30份、硅烷偶联剂KH550 2份、扩链剂3份、TPW604 3份,白油0.6份。PBS选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-803S,其熔融指数为4.0g/10min。PBAT选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-801T,其熔融指数为4.5g/10min。PLA选用TOTAL Corbion-LX175,熔融指数MI值(190℃,2160g)范围为3.0g/10min。扩链剂选用铨盛化工X-U992
制备方法按以下步骤:
1)将滑石粉置于高速混合机中在转速800rpm下混合10min进行干燥除湿,再加入硅烷偶联剂KH550、TPW604继续在高速混合机转速800rpm下混合加热5min,得到共混粉料。
2)将PBAT、PBS、PLA、扩链剂、白油投入高速混合机中,转速600rpm,温度70℃混合8min,得到混合粒料。
3)将步骤1)得到的共混粉料和步骤2)得到的混合粒料在高速混合机转速500rpm中再混合3min得到混合料。
4)将步骤3)中的混合料投入到连续密炼机中,设定转速220rpm,连续密炼机含有二段密炼段,一段温度设定110,二段温度设定130,密炼完成后落入锥双强制喂料机进入双螺杆挤出机。
5)共混料进入双螺杆挤出机,温度135℃,转速260rpm,挤出风冷拉条造粒,制得所需配方粒料。
6)将步骤5)制得的配方粒料通过吹膜机(120~160℃)吹塑成型,得到薄膜。
实施例3:
一种可堆肥化全降解的薄膜,包括如下以重量计算的制备原料:含有PBAT 65份、PBS 30份、PLA5份、碳酸钙50份、钛酸酯5份、过氧化二异丙苯(DCP)1份、马来酸酐(MHA)3份、聚乙烯蜡3份,抗氧剂1010 0.6份。PBS选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-803S,其熔融指数为4.0g/10min。PBAT选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-801T,其熔融指数为4.5g/10min。PLA选用NatureWorks 2003D,熔融指数MI值(210℃,2160g)范围为6.0g/10min。
制备方法按以下步骤:
1)将碳酸钙置于高速混合机中在转速800rpm下混合10min进行干燥除湿,再加入填料钛酸铝、抗氧剂1010、聚乙烯蜡继续在高速混合机转速800rpm下混合加热5min,得到共混粉料。
2)将PBAT、PBS、PLA、过氧化二异丙苯(DCP)、马来酸酐(MHA)投入连续密炼机中,转速180rpm,温度120℃密炼进入单螺杆挤出造粒得到混合树脂粒料。
3)将步骤1)得到的共混粉料和步骤2)得到的混合树脂粒料在高速混合机转速500rpm中再混合3min得到混合料。
4)将步骤3)中的混合料投入到连续密炼机中,设定转速220rpm,连续密炼机含有二段密炼段,一段温度设定110,二段温度设定130,密炼完成后落入锥双强制喂料机进入双螺杆挤出机。
5)共混料进入双螺杆挤出机,温度135℃,转速260rpm,挤出风冷拉条造粒,制得所需配方粒料。
6)将步骤5)制得的配方粒料通过吹膜机(120~160℃)吹塑成型,得到薄膜。
实施例4:
一种可堆肥化全降解的薄膜,包括如下以重量计算的制备原料:含有PBAT 65份、PBS 30份、PLA5份、滑石粉40份、铝酸酯3份、过氧化甲乙酮(MEKP)0.01份、马来酸酐(MHA)0.5份、石蜡1.5份、防老剂MB 0.4份。PBS选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-803S,其熔融指数为4.0g/10min。PBAT选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-801T,其熔融指数为4.5g/10min。PLA选用浙江海正生物材料股份有限公司REVODE117,熔融指数MI值(190℃,2160g)范围为10.0g/10min。
制备方法按以下步骤:
1)将滑石粉置于高速混合机中在转速800rpm下混合10min进行干燥除湿,再加入填料铝脂酸、石蜡、防老剂MB继续在高速混合机转速800rpm下混合加热5min,得到共混粉料。
2)将PBAT、PBS、PLA、过氧化甲乙酮(MEKP)、马来酸酐(MHA)投入连续密炼机中,设定转速220rpm,连续密炼机含有二段密炼段,一段温度设定110,二段温度设定130,密炼完成后落入锥双强制喂料机进入双螺杆挤出机。
3)共混料进入双螺杆挤出机,温度135℃,转速260rpm,挤出风冷拉条造粒,制得所需配方粒料。
4)将步骤2)制得的配方粒料通过吹膜机(120~160℃)吹塑成型,得到薄膜。
实施例5:
一种可堆肥化全降解的薄膜,包括如下以重量计算的制备原料:含有PBAT 75份、PLA25份、硅烷偶联剂KH560 1份、2,2,二(叔丁基过氧化)丁烷(DBPB)0.5份、马来酸酐(MHA)2份、聚乙烯蜡2份、抗氧剂1010 0.3份。PBAT选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-801T,其熔融指数为4.5g/10min,其熔融指数为4.5g/10min。PLA选用TOTAL Corbion-LX175,熔融指数MI值(190℃,2160g)范围为3.0g/10min。
制备方法按以下步骤:
1)将PBAT、PLA、2,2,二(叔丁基过氧化)丁烷(DBPB)、马来酸酐(MHA)、聚乙烯蜡、抗氧剂1010混合后投入连续密炼机中,设定转速220rpm,连续密炼机含有二段密炼段,一段温度设定110,二段温度设定130,密炼完成后落入锥双强制喂料机进入双螺杆挤出机。
2)共混料进入双螺杆挤出机,温度140℃,转速350rpm,挤出风冷拉条造粒,制得所需配方粒料。
3)将步骤2)制得的配方粒料通过吹膜机(120~160℃)吹塑成型,得到薄膜。
实施例6:
一种可堆肥化全降解的薄膜,包括如下以重量计算的制备原料:含有PBAT 75份、PBS 25份、硅烷偶联剂KH570 2份、过氧化苯甲酸叔丁酯(BPB)0.2份、马来酸酐(MHA)1份、白油3份、防老剂MB0.6份。PBS选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-803S,其熔融指数为4.0g/10min。PBAT选用新疆蓝山屯河聚酯有限公司TH-801T,其熔融指数为4.5g/10min,其熔融指数为4.5g/10min。
制备方法按以下步骤:
1)将PBAT、PBS、过氧化苯甲酸叔丁酯(BPB)、马来酸酐(MHA)、白油、防老剂MB混合后投入连续密炼机中,设定转速220rpm,连续密炼机含有二段密炼段,一段温度设定110,二段温度设定130,密炼完成后落入锥双强制喂料机进入双螺杆挤出机。
2)共混料进入双螺杆挤出机,温度140℃,转速320rpm,挤出风冷拉条造粒,制得所需配方粒料。
3)将步骤2)制得的配方粒料通过吹膜机(120~160℃)吹塑成型,得到薄膜。
对比例:
LDPE粒料选用壳牌2426GH,其熔融指数为2.0g/10min。制备方法为直接通过吹膜机(120~160℃)吹塑成型,得到薄膜。
薄膜性能测定方法如下:拉伸强度和断裂伸长率按GB/T104013-2006标准方法测定;直角撕裂负荷按GB/T/16578.1-2008标准方法测定;维卡软化点按GB/T1633-2000标准方法测定。结果见表1。
表1:实施例1~6和对比例的薄膜性能
从表1可见,本发明制备的可堆肥化全降解薄膜的性能接近于聚乙烯薄膜的综合性能,比聚乙烯有更好的强度和抗撕裂性,特别是具有可堆肥化全生物降解性能,很适合作为代替聚乙烯薄膜,用于各种购物袋、背心袋、食品袋、快递袋、包装袋、庭院垃圾(草、落叶)袋、农用薄膜、托盘用包装薄膜、保鲜膜、防水用具、医疗卫生用品等。还可以像LDPE一样单轴拉伸生产扁丝,拉伸倍数6倍的扁丝可以用于水果包装编织袋等,也可用制作热收缩薄膜,用于各类贴体包装。
本发明制备的可堆肥化全降解薄膜在使用时具有通用塑料薄膜类似的使用性能。弃用后可以完全生物降解,最终转化成二氧化碳、水和矿物质。本发明的PBAT、PBS、PLA母粒可完全生物降解,通过自由基接枝改变生物降解树脂的溶体强度低的问题,生产工艺简单,可大规模生产。可堆肥化全降解薄膜可直接在通用塑料生产线上生产,不增加工艺流程和设备。加工温度低,耗能减少一半;很适合用于代替聚乙烯薄膜,用于各种购物袋、背心袋、食品袋、快递袋、包装袋、农用薄膜、保鲜膜、防水用具、医疗卫生用品等等。也可以单轴拉伸生产扁丝,用于水果包装编织袋等,也可用制作热收缩薄膜,用于各类贴体包装。
Claims (10)
1.一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于其按质量比的原料组成为:脂肪族聚酯树脂100份、填料0~50份、相容剂0.5~5份、扩链剂0.5~3份、引发剂0.01~1份、接枝单体0.5~3份、润滑剂1~3份,抗氧剂0.3~0.6份。
2.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于所述脂肪族聚酯树脂以PBAT为主,添加适量的PBS和PLA;其中,PBAT 50~100份、PBS 0~30份、PLA 0~20份。
3.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于所述脂肪族聚酯树脂的熔融指数MI值范围为3.0~10.0g/10min。
4.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于所述填料选自碳酸钙、滑石粉中的至少一种;所述相容剂可选自硬脂酸、钛酸酯、铝酸酯、硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570等中的至少一种。
5.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于所述扩链剂采用巴斯夫BASF Joncryl ADR系列、铨盛化工X-U系列中的至少一种。
6.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于所述引发剂可选自过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、2,2,二(叔丁基过氧化)丁烷、过氧化苯甲酸叔丁酯中的至少一种。
7.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于所述接枝单体采用马来酸酐。
8.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜,其特征在于所述润滑剂选自石蜡、白油、聚乙烯蜡、TPW604中的至少一种;所述抗氧剂可选自抗氧剂1010、防老剂MB中的至少一种。
9.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜的制备方法,其特征在于包括如下步骤:将所需填料与相容剂备好,置于高速混合机内进行混料处理,高速混合机内温度为50~90℃,捏合10~30min后排出;将处理好的填料和所需其他原料通过连续密炼机中,于90~140℃密炼;用锥双强制喂料机喂料到双螺杆挤出机,120~160℃拉条造粒,得到所需配方粒料,通过吹膜机120~160℃吹塑成型,得到薄膜。
10.如权利要求1所述一种可堆肥化全降解薄膜在制备各种购物袋、背心袋、食品袋、快递袋、包装袋、庭院垃圾袋、农用薄膜、保鲜膜、防水用具、医疗卫生用品中应用;也可以单轴拉伸生产扁丝,用于水果包装编织袋等,也可用制作热收缩薄膜,用于各类贴体包装。
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2020
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