CN114836010A - 一种生物降解包装膜料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物降解包装膜料，其是在聚乳酸树脂(PLA)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(PBAT)的混合体系中加入有作为相容改性剂的接枝包覆SiO2。本发明提供的生物降解包装膜料配方，利用在高温条件下PLA/PBAT树脂端羧基与接枝包覆SiO2分子中环氧基团开环反应，以化合键形式将相容改性剂连接到PLA/PBAT大分子链上，可有效改善PLA和PBAT的相分离问题，有效避免两相分离分子链在受力方向上的滑移，永久提高PLA和PBAT共混物的拉伸强度和冲击强度，赋予材料持久的柔韧性，提高生物降解包装膜制品的使用寿命及安全性能。

Description

一种生物降解包装膜料
技术领域
本发明涉及生物降解材料的制备领域，尤其涉及一种生物降解包装膜料及由其制备的生物降解包装膜。
背景技术
“白色污染”是指丢弃的不可降解塑料膜对于环境的污染，如对土壤结构造成的破坏、使植物吸收营养能力下降、土壤的肥沃程度降低等。面对日益严重的白色污染问题，人们希望寻找一种能替代现行塑料性能，又不造成白色污染的塑料替代品，可降解塑料应运而生，这种新型功能的塑料，其特点是在达到一定使用寿命废弃后，在特定的环境条件下，由于其化学结构发生明显变化，引起某些性能损失及外观变化而发生降解，对自然环境无害或少害。生物降解的膜袋还可以和厨余垃圾同步进入发酵工艺段，不需要把它作为残渣反复筛出来。相同发酵周期环节下，这种塑料袋可以完全降解掉，和北京市现有的耗氧堆肥工艺比较匹配。大力推行全生物降解膜袋的生产、销售和使用将成为助力垃圾分类、有效“限塑”的重要举措也是科技引领环保的有益实践。
一般而言，由生物质制造的塑料易于降解，但如果全部都以生物质来生产可降解塑料，则制造成本比石化塑料高2倍以上。现在，全球约有2/3的生物可降解塑料是依赖粮食作物作为原材料，显然这也并非可持续之道。当然，生物可降解塑料的原材料也可以用植物，但是生物可降解塑料在制造中会使用各种辅助制剂、添加剂和塑化剂。一项针对欧洲市场的生物质塑料产品的调查发现，大部分产品含有多种化学品，其中还有数量不少的有毒化学物质。
聚乳酸树脂(PLA)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(PBAT)的混合体系是现有生物降解包装膜料的常用体系之一，其相比于纯PBAT体系，因为PLA分子链引入，拉伸模量高、薄膜拉伸强度增大，应用领域更宽，如可用于对强度要求高的地膜和工业包装膜生产。但是，PLA/PBAT物理共混为一个不相容的两相体系，尤其是PLA含量超过8％的PLA/PBAT共混吹膜材料，如没有环氧扩链剂进行体系扩链，高压吹出薄膜表面粗糙，力学性能很差、节点很多，20％PLA的PLA/PBAT共混吹膜材料不能吹膜。目前市场上皆是采用巴斯夫可食品接触的环氧扩链剂4468，其价格太高，导致一次性塑料袋的成本过高。此外，PLA/PBAT共混吹膜材料经高压吹膜所得薄膜的厚度在0.03mm以下，开口很难，因此在实际生产中需要添加开口剂，如芥酸酰胺类开口剂、碳酸钙和滑石粉类开口剂、二氧化硅类开口剂。芥酸酰胺类开口剂的大量添加会导致表面析出，薄膜表面电晕差，无法印刷。碳酸钙和滑石粉类开口剂的添加会导致薄膜不能透明，无法做透明薄膜和阻隔薄膜，而且碳酸钙和滑石粉类会有重金属存在，导致薄膜不能和食物直接接触，无法用于淋膜纸杯和淋膜纸饭盒等。二氧化硅类开口剂开口较好，但是二氧化硅粒径小、表面能很高，如不提前进行表面处理，所得透明薄膜会遍布细小颗粒。目前都是通过偶联剂对二氧化硅进行表面改性处理，需要在表面改性机器或溶液反应釜中改性，工序复杂、成本高。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种生物降解包装膜料，通过在PLA/PBAT中添加无毒无害相容改性剂，对PLA/PBAT共混物进行增容改性，从而获得性能更好、更稳定的包装膜。
本发明为实现目的，采用如下技术方案：
一种生物降解包装膜料，其各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂3份～10份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂60份～80份，碳酸钙粉末10份～30份，润滑剂3份～5份，紫外线吸收剂2份～5份，相容改性剂0.5份～10份，抗氧剂0.1份～0.5份。
进一步地，所述相容改性剂为接枝包覆SiO2。所述接枝包覆SiO2的制备方法为：先将SiO2倾倒入反应釜中，再加入水、十二烷基硫酸钠SDS和聚乙烯醇PVA，90～95℃下以800～1200r/min的速度均匀搅拌1～2h，使SDS和PVA溶解；再向反应釜中加入丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和过氧化苯甲酰BPO，60～80℃下以800～1200r/min的速度均匀搅拌6～8h，所得产物经过滤、干燥，即获得接枝包覆SiO2。
更进一步地，在上述接枝包覆SiO2的制备方法中：水的添加量与SiO2质量比为10～50:1，SDS的添加量为SiO2质量的0.5％～1％，PVA的添加量为SiO2质量的0.1％～0.5％，丙烯酸丁酯的添加量为SiO2质量的30％～50％，甲基丙烯酸缩水甘油酯的添加量为SiO2质量的15％～25％，BPO的添加量为丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯总质量的0.3％～0.5％。
进一步地，所述聚乳酸树脂为吹膜级别，熔融指数在3～7g/10min(190℃，2.16kg)，可选用LX175、L175、FY801和FY804中的至少一种。
进一步地，所述聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂为吹膜级别，熔融指数在3～5g/10min(190℃，2.16kg)，可选用TH801T、KHB21AP11中的至少一种。
进一步地：所述紫外线吸收剂为苯酮类(如2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮)、单苯甲酸间苯二酚酯、2-(2＇-羟基-5＇-甲基苯基)苯并三氮唑和二氧化钛中的至少一种；所述碳酸钙粉末为纳米碳酸钙，目数如5000目、8000目等；所述抗氧剂可选用抗氧剂1010和抗氧剂168中的至少一种；所述润滑剂为硬脂酸类(如硬脂酸钡、硬脂酸钙、硬脂酸丁酯、硬脂酸甘油酯)和油酸酰胺中的至少一种。
最优选的，本发明生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂6份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂74份，碳酸钙粉末20份，0.1份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，润滑剂油酸酰胺1.5份，润滑剂硬脂酸钙3份，紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮3份，3～8份接枝包覆SiO2。
本发明所述的生物降解包装膜料可采用如下方法加工为所需包装膜制品：按配比称取各原料并加入高速混合机中充分混合，所得混合料送入双螺杆挤出机中挤出造粒，然后输送到干燥机经反复干燥，再经过金属检测仪确定无重金属残留后，送入吹膜机中吹膜成型(引出→吹膜→纵向拉伸→冷却→卷取)，即得到一定厚度的生物降解包装膜制品。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明提供了一种生物降解包装膜料的配方，其是在聚乳酸树脂(PLA)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(PBAT)的混合体系中加入有作为相容改性剂的接枝包覆SiO2。该体系在后续通过双螺杆高温挤出造粒时(挤出温度165-210℃)，PLA和PBAT与接枝包覆SiO2分子中环氧基团在高温条件下开环反应，以化合键形式将相容改性剂连接到PLA/PBAT大分子链上，可有效改善PLA和PBAT的相分离问题，有效避免两相分离分子链在受力方向上的滑移，PLA/PBAT之间扩链反应形成的增容层可很好的解决两相不相容和无机物分散差的问题，此体系熔体强度高，在高压吹膜机器的纵向拉伸下所得薄膜强度更高、撕裂性能更好，热封合也更好，永久提高了PLA和PBAT共混物的拉伸强度和冲击强度，赋予材料持久的柔韧性，提高生物降解包装膜制品的使用寿命及安全性能。
2、本发明所用相容改性剂为无毒无害的环保类接枝物。本发明将开口剂纳米二氧化硅接枝具有扩链基团的环氧基甲基丙烯酸缩水甘油酯/丙烯酸丁酯，不仅接枝率高，而且水溶液中引发聚合，不引进有毒溶剂，产品没有二甲苯、甲苯、重金属等残留，更加环保，做出的制品可接触食品。本发明接枝包覆SiO2的制备方法，避免了偶联剂、分散剂、活性剂等不能与食品接触的化学助剂和含金属成分的改性剂的使用。同时，二氧化硅原位接枝扩链基团的环氧基甲基丙烯酸缩水甘油酯，即解决了纳米二氧化硅的表面处理问题，又可以直接对PLA/PBAT扩链，避免了高价格扩链剂的使用，操作简单，工序少。
3、本发明所涉及的生物降解包装膜料可广泛用于垃圾袋、购物袋、地膜、工业包装膜、气泡膜等领域。
4、本发明的生物降解包装膜料绿色环保、成本低，有望工业化生产，其推广应用将带来较大的经济和社会效益。
5、本发明通过在PLA/PBAT共混体系中加入接枝包覆SiO2，所得膜料经高压吹膜后，纵向和横向薄膜的断裂伸长率、撕裂、热封合优异，断裂伸长率从200％(未加接枝包覆SiO2进行扩链)升高到600％。
附图说明
图1为本发明实施例1所用的50nm SiO2原料的TEM图片。
图2为本发明实施例1得到的接枝包覆SiO2的TEM图片。
图3为利用本发明对比例1的生物降解包装膜料所加工的购物袋的SEM图；
图4为利用本发明实施例2的生物降解包装膜料所加工的购物袋的SEM图；
图5为利用本发明实施例2的生物降解包装膜料所加工的购物袋的照片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练的人可根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例按如下步骤制备接枝包覆SiO2，作为后续实施例所用的相容改性剂：
先将10kg粒径为50nm的SiO2(其TEM图如图1所示)倾倒入反应釜中，再加入100kg水、0.05kg SDS、0.03kg PVA，90℃下搅拌1h，使SDS和PVA溶解；再向反应釜中加入3kg丙烯酸丁酯、2.5kg甲基丙烯酸缩水甘油酯和0.02kg BPO加入反应釜中混合搅拌，80℃搅拌反应8h，所得产物经过滤、干燥，即获得接枝包覆SiO2，其TEM图如图2所示。
实施例2
本实施例生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂(FY804)6份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(TH801T)74份，碳酸钙粉末20份，0.1份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，润滑剂油酸酰胺1.5份，润滑剂硬脂酸钙3份，紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮3份，3份接枝包覆SiO2。
实施例3
本实施例生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂(FY804)6份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(TH801T)74份，碳酸钙粉末20份，0.1份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，润滑剂油酸酰胺1.5份，润滑剂硬脂酸钙3份，紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮3份，5份接枝包覆SiO2。
实施例4
本实施例生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂(FY804)6份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(TH801T)74份，碳酸钙粉末20份，0.1份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，润滑剂油酸酰胺1.5份，润滑剂硬脂酸钙3份，紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮3份，8份接枝包覆SiO2。
实施例5
本实施例生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂(FY804)6份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(TH801T)74份，碳酸钙粉末30份，0.1份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，润滑剂油酸酰胺1.5份，润滑剂硬脂酸钙3份，紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮3份，3份接枝包覆SiO2。
对比例1
本对比例生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂(FY804)6份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂(TH801T)74份，碳酸钙粉末20份，0.1份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，润滑剂油酸酰胺1.5份，润滑剂硬脂酸钙3份，紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮3份。
为测试实施例2～5及对比例1中生物降解包装膜料的性能，将其按如下方法加工成全生物可降解购物袋：490mm×(300+80)mm×0.025mm：按配比称取各原料并加入高速混合机中充分混合(速度为500r/min，时间为6min)，所得混合料送入双螺杆挤出机中挤出造粒(温度165-210℃，转速为330r/min)，然后输送到干燥机经反复干燥，再经过金属检测仪确定无重金属残留后，送入吹膜机中吹膜成型(引出→吹膜→纵向拉伸→冷却→卷取)，即得到一定厚度的生物降解包装膜制品。
按照GB/T1040.2-2006、GB/T38082-2019测试实施例2～5及对比例1所得薄膜的纵向拉伸强度、横向拉伸强度、落镖冲击、漏水性和封合强度，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003560461280000041
Figure BDA0003560461280000051
由表1可以看出，实施例2～5加入有相容改性剂的生物降解膜具有较好的抗穿刺强度、拉伸强度、断裂伸长率，耐撕裂、热封合也均得到改善，可以满足购物袋、垃圾袋、气泡膜、农业地膜、工业包装用PLA降解膜材料的使用要求。
图3为利用本发明对比例1的生物降解包装膜料所加工的购物袋的SEM图，图4为利用本发明实施例2的生物降解包装膜料所加工的购物袋的SEM图，对比可以看出，接枝包覆SiO2的加入显著改善了PLA/PBAT共混体系的相容性。
上述说明显示出本发明的优选实施例，如上所述，应该理解本发明并非局限于本文所做实验的形式，不应看作是对其它实施例的排除，而可以看作各种组合、修改和环境，并且能够在本文所述发明涵盖范围内，通过上述相关领域的技术进行变动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种生物降解包装膜料，其特征在于：所述生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂3份～10份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂60份～80份，碳酸钙粉末10份～30份，润滑剂3份～5份，紫外线吸收剂2份～5份，相容改性剂0.5份～10份，抗氧剂0.1份～0.5份。
2.根据权利要求1所述的一种生物降解包装膜料，其特征在于：所述相容改性剂为接枝包覆SiO2。
3.根据权利要求1所述的一种生物降解包装膜料，其特征在于，所述接枝包覆SiO2的制备方法为：
先将SiO2倾倒入反应釜中，再加入水、十二烷基硫酸钠SDS和聚乙烯醇PVA，90～95℃下以800～1200r/min的速度均匀搅拌1～2h，使SDS和PVA溶解；再向反应釜中加入丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和过氧化苯甲酰BPO，60～80℃下以800～1200r/min的速度均匀搅拌6～8h，所得产物经过滤、干燥，即获得接枝包覆SiO2。
4.根据权利要求3所述的一种生物降解包装膜料，其特征在于：水的添加量与SiO2质量比为10～50:1，SDS的添加量为SiO2质量的0.5％～1％，PVA的添加量为SiO2质量的0.1％～0.5％，丙烯酸丁酯的添加量为SiO2质量的30％～50％，甲基丙烯酸缩水甘油酯的添加量为SiO2质量的15％～25％，BPO的添加量为丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯总质量的0.3％～0.5％。
5.根据权利要求1所述的一种生物降解包装膜料，其特征在于：所述聚乳酸树脂为吹膜级别，熔融指数在3～7g/10min。
6.根据权利要求1所述的一种生物降解包装膜料，其特征在于：所述聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂为吹膜级别，熔融指数在3～5g/10min。
7.根据权利要求1所述的一种生物降解包装膜料，其特征在于：所述生物降解包装膜料的各原料按重量份的构成为：聚乳酸树脂6份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯树脂74份，碳酸钙粉末20份，0.1份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，润滑剂油酸酰胺1.5份，润滑剂硬脂酸钙3份，紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮3份，3～8份接枝包覆SiO2。
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