CN114350126B - 一种生物降解材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种生物降解材料及其制备方法和应用。该生物降解材料包括如下组分：聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)、填料，所述填料包括金属粉，所述金属粉具有球形、类球形或者立方体状结构。本发明提供的生物降解材料像金属丝一样随外力作用而弯曲变形，失去外力作用不回弹，具有优异的形状保持能力，使用该生物降解材料制作的全塑鼻梁还具有良好的金属质感，适合于通过注塑或者挤出的方式制作一次性口罩的全塑鼻梁条。同时本发明的生物降解材料还具有良好的生物降解性能，方便对废弃口罩环保回收及再利用。

Description

一种生物降解材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种生物降解材料及其制备方法和应用。

背景技术

一次性口罩的鼻梁条主要起着将口罩固定在鼻梁上的作用。为了达到良好的固定作用以及与鼻子的良好贴合度，要求用于制作鼻梁条的材料具有良好的延展性、韧性和形状可塑性。目前，市场上应用于制作一次性口罩鼻梁条的材料主要包括：金属铝条、金属铁丝以及塑料包覆的金属铁丝等。由于一次性口罩通常采用聚烯烃材料制成，而采用全金属或者部分金属制作的鼻梁条的存在将对废弃口罩环保回收及再利用带来了巨大麻烦。此外，金属材料还存在易腐蚀、抗菌抑菌性能差等缺陷。全塑鼻梁条是一种通过挤出或者注塑工艺制备的不含金属元素的塑料鼻梁条产品。材质主要以聚乙烯PE基材为主。用PE制作的全塑鼻梁条具有后处理过程复杂、定型性差、不能生物降解等缺陷，限制了其应用范围。

生物降解型热塑性高分子材料包括聚乳酸PLA、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯PBAT、聚甲基乙撑碳酸酯PPC、聚羟基脂肪酸酯PHA等，其中PLA和PBAT的应用最为广泛，对其进行的改性技术研究也最多。相关技术公开了一种可降解鼻梁条的制作方法，选择用聚乳酸(PLA)作为基材，并加入硅油作为分散剂，钛白粉作为着色剂。这种方式得到的鼻梁条产品具有优异的刚性，但是材料的定型性和耐弯折性能非常差，无法实现自由定性和多次弯折要求。还有相关技术公开了一种PLA/PBAT复合材料的制备方法，其中包括了33％～95.9％的PLA、3％～60％的PBAT以及1％～5％的具有特殊化学结构的相容剂和扩链剂。该材料主要应用于吸管、湿纸巾盖和一次性包装夹等。另有相关技术公开一种PLA/PBAT复合材料及其制备方法，该材料由PLA、PBAT、EGMA(烯酸缩水甘油酯)与OMMT(有机改性蒙脱土)复合而得，其中EGMA和OMMT的作用在于提高PBAT和PLA之间的相容性，从而实现提高材料物理力学性能的作用。然而，这些关于PLA和PBAT复合材料的相关技术研究都集中于如何提高PLA、PBAT两种树脂材料之间的相容性，从而实现提高材料的物理力学性能方面，并不适合用于制作口罩鼻梁条。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种生物降解材料，该生物降解材料像金属丝一样具有随外力作用而弯曲变形、失去外力作用不回弹、保持已有形状不变的优异性能。

同时，本发明还提供所述生物降解材料的制备方法和应用。

具体地，本发明涉及如下的技术方案：

本发明的第一方面是提供一种生物降解材料，所述生物降解材料包括如下组分：

聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)、填料，所述填料包括金属粉，所述金属粉具有球形、类球形或者立方体状结构。

本发明的生物降解材料主要由PBAT、PLA、金属粉三个主要的组分组成，其中，PLA具有高强度、高模量的特点，起到增刚定型的作用；同时PLA可降解，赋予材料可降解性能；PBAT具有优异的延展性，用于提升材料的弯折性能。生物降解材料中不加入相容剂，能够减少定型基材PLA和耐弯折基材PBAT的相互粘连，从而保证挤出产品的定型效果，使其在受外力作用后能够弯曲变形，失去外力作用不回弹，保持已有形状不变；同时不添加任何相容剂体系，还能够避免相容剂的反应性和本身不可降解性能影响最终产品的生物降解性能。

另外，PBAT和PLA之间相容性差，挤出过程容易出现断条和起皮的问题，本发明通过采用特殊结构的金属粉体作为填料进行填充，能够提升材料挤出过程中的密实程度，从而提升材料的加工性能。而且，金属粉还可以起到补强和提供良好金属质感的作用。

在本发明的一些实例中，所述PLA、PBAT的质量比为2～4：1，优选2～3：1，更优选约2：1。通过对PLA、PBAT的质量比的科学设置，保证了材料分散相和连续相形成互穿网络结构。

在本发明的一些实例中，按重量份数计，所述生物降解材料包括如下组分：

PBAT 20～50份

PLA 45～70份

填料 5～15份。

在本发明的一些优选的实例中，按重量份数计，所述生物降解材料包括如下组分：

PBAT 20～30份

PLA 50～70份

填料 10～15份。

在本发明的一些更优选的实例中，按重量份数计，所述生物降解材料包括如下组分：

PBAT 20～30份

PLA 60～70份

填料 10～15份。

在本发明的一些实例中，所述PBAT的熔体质量流动速率为2～5g/10min(230℃，2.16kg)。所述PLA的熔体质量流动速率为3～5g/10min(230℃，2.16kg)。选择具有高粘度和高熔体强度的PLA和PBAT作为树脂基材，有利于材料的顺利挤出成型。

在本发明的一些实例中，所述金属粉的粒径为1～5μm，更优选约3μm。

在本发明的一些实例中，所述金属粉包括钨粉、铜粉、铁粉中的至少一种，优选钨粉。

在本发明的一些实例中，所述生物降解材料还可包括功能助剂，所述功能助剂包括抗菌剂、抗氧剂等，但不包括任何相容剂。

在本发明的一些实例中，所述生物降解材料由PBAT、PLA、填料组成。

本发明的第二方面是提供所述生物降解材料的制备方法，包括如下步骤：

将PBAT、PLA和填料的混合物进行熔融挤出，得到所述生物降解材料。

本发明可以直接通过挤出方式得到可降解材料，无需后续处理过程即可实现良好形状保持能力(现有的全塑鼻梁条材料多采用高密度聚乙烯HDPE挤出成型制得，一方面，由于材料无法实现生物降解，废弃后对环境造成巨大污染；另外一方面为了保持HDPE材料的良好形状保持性能，挤出成型过程中需要加入一段加热拉伸取向工艺段，造成生产工艺复杂)。

更具体地，所述生物降解材料的制备方法包括如下步骤：

将PBAT、PLA和填料混合，得到混合物；对所述混合物进行熔融共混、挤出、冷却造粒，得到生物降解材料。

在本发明的一些实例中，所述将PLA、PBAT和填料混合的温度为60～100℃，优选约90℃。

在本发明的一些实例中，所述混合过程在高速混合机中进行，混合过程中的搅拌速度为100～500rpm，优选200～300rpm。所述混合的时间为1～10min，优选1～2min。

在本发明的一些实例中，所述熔融的温度为100～180℃，优选120～160℃。

在本发明的一些实例中，采用水冷的方式进行冷却，所述水冷温度为30±5℃。

在本发明的一些实例中，所述冷却造粒后还包括干燥的步骤。所述干燥的温度约为60～90℃，干燥的时间约为2～6h。

在本发明的一些实例中，采用同向双螺杆挤出机进行挤出，例如采用长径比为40/1的同向双螺杆挤出机。

在本发明的一些实例中，所述同向双螺杆挤出机从主喂料口至模头共有9个温度区，从主喂料口至模头各区加工温度分别为：90～110℃，120～140℃，130～150℃，140～160℃，120～140℃，130～150℃，140～160℃，140～160℃，130～150℃。优选地，从主喂料口至模头各区加工温度分别为：100℃，130℃，140℃，150℃，130℃，140℃，150℃，150℃，140℃。

在本发明的一些实例中，所述双螺杆挤出机中主机的螺杆转速为200～300r/min。

本发明的第三方面是提供一种鼻梁条，所述鼻梁条含有所述生物降解材料。

本发明的第四方面是提供所述鼻梁条的制备方法，包括如下步骤：对所述生物降解材料进行熔融挤出或注塑成型，得到所述鼻梁条。

本发明的第五方面是提供一种口罩，所述口罩包括所述鼻梁条。

在本发明的一些实例中，所述口罩包括一次性口罩，所述一次性口罩包括一次性医用和非医用口罩。

若无特殊说明，本发明中“约”表示误差值在±2％之间，例如约为100，表示范围为100±100×2％，即在98～102之间。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的生物降解材料像金属丝一样随外力作用而弯曲变形，失去外力作用不回弹，具有优异的形状保持能力，使用该生物降解材料制作的全塑鼻梁还具有良好的金属质感，适合于通过注塑或者挤出的方式制作一次性口罩的全塑鼻梁条。同时本发明的生物降解材料还具有良好的生物降解性能，方便对废弃口罩环保回收及再利用。

附图说明

图1为不同生物降解材料的形状保持性测试图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。以下实施例中所用的原料，如无特殊说明，均可从常规商业途径得到；所采用的工艺，如无特殊说明，均采用本领域的常规工艺。如无特殊说明，各实施例或对比例中的同向双螺杆挤出机从主喂料口至模头均共有9个温度区，从主喂料口至模头各区加工温度均分别为：100℃，130℃，140℃，150℃，130℃，140℃，150℃，150℃，140℃。

实施例1

本实施例制备了一种生物降解材料，具体过程为：

S1.将PBAT树脂(2～5g/10min，230℃，2.16kg)，20wt％，PLA树脂(PLA110，浙江海正，3～5g/10min，230℃，2.16kg)70wt％，金属粉体(钨粉，类球形，粒径约3μm，上海在邦)10wt％经过高速搅拌机混合2min(200rpm，温度90℃)；

S2.将步骤S1所得混合物加入同向双螺杆挤出机，以上材料通过熔融共混(160℃)、拉条、水冷(30±5℃)、切粒、干燥(80℃，4h)得到目标产品。

实施例2

本实施例制备了一种生物降解材料，具体过程与实施例1的区别为：

步骤S1中，PBAT树脂的添加量为30wt％，PLA树脂的添加量为60wt％；钨粉的添加量为10％。

对比例1

本实施例制备了一种生物降解材料，具体过程与实施例1的区别为：

步骤S1中不包括PBAT树脂，为满足添加量为100％，PLA树脂的添加量为90wt％。

对比例2

本实施例制备了一种生物降解材料，具体过程与实施例1的区别为：

步骤S1中不包括PLA树脂，为满足添加量为100％，PBAT树脂的添加量为90wt％。

对比例3

本实施例制备了一种生物降解材料，具体过程与实施例1的区别为：

步骤S1中用具有片状结构的滑石粉替代原来的金属粉体。

具体地，PBAT树脂的添加量为30wt％，PLA树脂的添加量为55wt％；滑石粉的添加量为15％。

性能测试

将各实施例和对比例的生物降解材料通过注塑制成口罩用鼻梁条尺寸的样条，具体为长50mm，宽3mm，厚0.8mm长条后，进行性能测试。测试方法为：

(1)形状保持性：将样条弯折90度后，停留10秒后观察样条的形状保持性；

(2)耐弯折性：将样条弯折至180度，5次试验后观察样条的断裂情况。

作为比较，选用市售普通一次性口罩用的聚乙烯包覆铁丝作为参比样品。

测试结果如下图1和表1所示。

表1生物降解材料的性能

项目	形状保持性	耐弯折性
			实施例1	不变形	不断裂
实施例2	不变形	不断裂
			参比样品	不变形	不断裂
对比例1	轻微回弹	彻底断裂
			对比例2	明显回弹	不断裂
对比例3	轻微回弹	轻微裂痕

从图1和表1可以看出，采用实施例1和实施例2的生物降解材料制成的口罩用鼻梁条尺寸的长条后，弯折90度后不发生任何变形，具有很好的形状保持性，同时弯折180度后不断裂，具有很好的耐弯折性，达到铁丝鼻梁条相同的形状保持能力和耐弯折性。相比之下，当材料不含PLA或不含PBAT时，长条在弯折90度后发生不同程度的回弹，难以定型，而弯折180度后出现断裂的情况；同时，将近球形填料替换为片状填料后，即使进一步增加填料的用量，也无法避免样条出现回弹和裂痕，说明非球形的填料难以解决因PLA与PBAT相容性不好导致的开裂问题。

测试结果显示，通过采用PLA、PBAT、金属粉制成的生物降解材料具有良好的形状保持性和耐弯折性，可应用于制备口罩用全塑鼻梁条。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种鼻梁条，其特征在于：所述鼻梁条含有生物降解材料；

所述生物降解材料包括如下质量份的组分：

聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20～50份

聚乳酸45～70份

填料5～15份；

所述填料包括金属粉，所述金属粉具有球形、类球形或者立方体状结构；

所述金属粉为钨粉；

所述聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯的质量比为2～4：1。

2.根据权利要求1所述鼻梁条，其特征在于：

所述聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯的质量比为2～3：1。

3.根据权利要求1所述鼻梁条，其特征在于：

所述金属粉的粒径为1～5µm。

4.根据权利要求1～3任一项所述鼻梁条，其特征在于：

所述生物降解材料的制备方法包括如下步骤：将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸和填料的混合物进行熔融挤出，得到所述生物降解材料。

5.权利要求1～4任一项所述鼻梁条的制备方法，其特征在于：所述鼻梁条的制备方法包括如下步骤：对所述生物降解材料进行熔融挤出或注塑成型，得到所述鼻梁条。

6.一种口罩，其特征在于：所述口罩包括权利要求1～4任一项所述鼻梁条。

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