CN115873273A - 一种生物基抗菌母粒及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物基抗菌母粒及其制备方法和应用。所述生物基抗菌母粒由载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基材组成。所述生物基抗菌母粒的制备方法是将载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基基材按比例混合拌匀，经双螺杆挤出机挤出成型后，通过冷却水冷却和风干干燥后造粒制得所述生物基抗菌母粒。所述生物基抗菌母粒应用于成型各种温度接触的塑胶件，其工艺为将所述生物基抗菌母粒与生物基材混合作为原料，经注塑机注塑成型得塑胶件。本发明所提供的生物基抗菌母粒无毒环保，其制备方法和应用中的各操作过程克服了生物基加工时加工温度过高以及加工时间过长出现严重热降解的问题，拓展了生物基的成型方式和应用。

Description

一种生物基抗菌母粒及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于化学领域，涉及一种生物基抗菌母粒及其制备方法和应用。

背景技术

生物基是以微生物发酵合成的聚羟基脂肪酸酯，化学合成的聚乳酸(PLA)、聚己内酯、二元醇二羧酸脂肪族聚酯(PBS)、脂肪族/芳香族共聚酯、CO₂/环氧化合物共聚物(APC)、聚乙烯醇(PVA)等、天然高分子淀粉基塑料及其生物降解塑料共混物主要原料聚合而成的高分子化合物，属于丙交酯生物基产品使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，即使生物基焚烧，其燃烧热值与焚化纸类相同，是焚化传统塑料(如聚乙烯)的一半，而且焚化生物基绝对不会释放出氮化物、硫化物等有毒气体污染环境，因此，生物基具有良好的生物降解性能和环境友好型特征，是一种新型的绿色环保材料。

生物基产品机械性能及物理性能良好，可加工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地垫面等等，市场前景十分看好，特别是添加无机抗菌粒子的生物基抗菌材料，更是受到追捧。目前，广泛使用的是含银离子的生物基抗菌材料，虽然抗菌效果好，但是溶出的纳米银颗粒进入人体后代谢慢，在人体累积到一定量时对人体产生危害。

生物基对温度比较敏感，加工温度在160～200℃，加工温度范围较窄，加工生物基产品的过程中避免高温，采用螺杆加工时加工温度过高以及加工时间过长都会导致原料热降解。

生物基抗菌制品中抗菌剂的添加方式采用抗菌母粒的形式添加，抗菌母粒的制作过程是先将抗菌剂和生物基体树脂混合经双螺杆挤出机加工成线状，经烘干机高温烘干，造粒得抗菌母粒，采用该方法加工生物基抗菌母粒，烘干机高温烘干会导致生物基再次发生的热降解，导致产品性能下降。

一般，生物基抗菌塑料制品多采用纺丝技术加工，极少采用传统的注塑成型方法，采用传统的注塑成型方法加工，生物基树脂粒子经螺杆剪切熔融成熔体后射入模具成型的过程中会发生严重的热降解现象，造成制品性能下降。

抗菌领域在国内一直以食品消毒为主导，抗菌行业从技术开发到初具产业规模，还有很长的时间，抗菌是在新材料上的应用依靠自主创新能力促进传统升级的一个范例，随着人们对自身健康认识水平的提高，在日常生活中的许多用品都存在大量微生物，同时滋生着大量的细菌，以往人们会通过大量使用化工性消毒洗涤用品来防止细菌的传播，但是在使用消毒洗涤产品的时候，会对环境造成二次污染，因此人们亟需具开发有抗菌功能的产品来保护自身健康。

发明内容

为了克服现有技术提出的上述缺陷，本发明的目的是提供了一种生物基抗菌母粒，用以解决抗菌银离子对人体有害的问题。本发明还提供了所述生物基抗菌母粒的制备方法和应用，用于解决生物基加工时加工温度过高以及加工时间过长出现严重热降解的问题。

本发明提供了一种生物基抗菌母粒，所述生物基抗菌母粒包含载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基基材。

其中，所述生物基抗菌母粒的各组分含量如下：

优选地，所述生物基抗菌母粒的各组分含量如下：

进一步优选地，所述生物基抗菌母粒的各组分含量如下：

本发明中，所述载锌硅酸盐抗菌剂具体指以无机锌粒子复合物为活性成分的广谱抗菌剂。本发明中，所述生物基基材具体是生物基塑料、生物可降解塑料或同时是生物基和生物可降解的塑料，它具有传统高分子材料不具备的绿色、环境友好、原料可再生以及可生物降解的再生原料通过生物转化获得生物高分子材料或单体，然后进一步聚合形成的高分子材料生物塑料，如聚羟基烷酸酯(PHAs)和聚乳酸(PLA)，生物聚丙烯(bio-PP)和生物聚对苯二甲酸乙二醇酯(bio-PET)等。生物基材料包括生物基平台化合物、生物塑料、功能糖产品、木塑复合材料等，它具有传统高分子材料不具备的绿色、环境友好、原料可再生以及可生物降解的特性。其制品既包括日常生活中经常能见到的生活用品，如包装材料、一次性日用品等，也包括技术含量高、附加值高的药物控制释放材料和骨固定材料，以及人体组织修复材料等生物医用材料等。

本发明中，所述分散剂为无机分散剂，包括但不限于：白油、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、硬脂酸、石蜡、EBS等。

本发明分散剂的作用是确保锌离子抗菌剂减少完成分散过程所需要的时间和能量，使锌离子抗菌剂均匀分散并不再凝聚，使锌离子抗菌剂和生物基材料有很好的相容性，一定的热稳定性；以便熔融。在母粒生产过程中调整锌离子的运动性，阻止锌离子抗菌剂和生物基材料在相融过程中已碎颗粒凝聚而保持分散体稳定。

进一步地，本发明所述生物基抗菌母粒还可以包含生物基抗菌高分子材料。

本发明所述生物基抗菌母粒粒径为：5毫米左右的直径圆形或者半圆形，颜色可根据产品不同要求变化。

现有抗菌产品母粒基本以银离子为主，因为银离子活跃易氧化的特性，造成抗菌母粒加工成型不稳定，颜色容易发生变化，给下游生产厂家造成不便，其次银离子的价格偏高，造成产品成本增加，同时抗菌产品均和人们生活息息相关为主，由于大量使用银离子抗菌产品会造成银沉淀，因此给人们的生活带来负面影响等从而导致抗菌市场萎缩。本发明制备的生物基抗菌母粒为含锌离子抗菌母粒，因锌离子独有性能的稳定、价格低廉、安全，可以广泛应用到各种高分子材料中，并赋予产品优异的抗菌性能，为人们的健康生活竖起保护屏障。

本发明还提供了一种生物基抗菌母粒的制备方法，其包括如下步骤：

(A)将载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基基材倒入高速拌料机中混合拌匀；

具体地，步骤(A)步骤为：按配比将载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基基材倒入高速拌料机中，每次加入重量不得超过拌料机规定重量，闭合电源后，低速启动，调制400-600转/分，高速运行一分钟后，停止再启动进入混合工作状态，拌料机工作温度控制在120-140℃，直至混合拌匀；

(B)将所述步骤(A)中混合拌匀获得的混合物倒入双螺杆挤出机的料斗中，经双螺杆挤出机挤出成线状，经过0-5℃的循环冷却水槽冷却后，经过热切后，进入震动筛，同时振动筛下部的吹风机出风口温度保持在10-20℃，经过管道获得所述生物基抗菌母粒。

步骤(A)中，所述载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基材的重量百分比为(3-10％)：(3-5％)：(10-20％)：(65-84％)；优选地，为(4-6％)：(3-4％)：(10-15％)：(74-83％)；进一步优选地，为4％：5％：15％：76％。

步骤(A)中，所述分散剂为无机分散剂，包括但不限于：白油、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、硬脂酸、石蜡、EBS等。

步骤(B)中，所述双螺杆挤出机的温度依次调节为：

1区：150-170℃，

2区：170-180℃，

3区：180-190℃，

4区：190-200℃，

5区：195-205℃，

6区：190-205℃，

7区：185-195℃，

8区：180-190℃，

9区：170-180℃，

10区：150-170℃。

步骤(B)中，所述循环冷却水的温度优选为0℃。

步骤(B)中，所述吹风机出风口温度优选保持在10℃。

现有技术中采用传统水下拉条切粒，易造成黏结、缠刀，导致生产不稳。本发明采用0-5℃的冷却水水下模头切粒的方式，通过水下输送管道的长短和切粒水的温度来控制切片粒子的成型和结晶程度，同时由于生物基易降解的特性，生产的切片粒子输送至干燥塔进行干燥后续经吹风机风干，所述吹风机出风口温度保持在10-20℃，最后造粒获得所述生物基抗菌母粒。然后冲氮气进行保护和包装。

本发明还提供了由上述方法制备得到的生物基抗菌母粒。

本发明还提供了所述生物基抗菌母粒在制备塑胶件中的应用，采用所述生物基抗菌母粒和生物基基材为原料，用注塑成型加工方法成型可耐温度(温度不高于200℃)接触的塑胶件，所述注塑成型加工方法如下：

将所述生物基抗菌母粒和生物基基材按比例混合，将混合好的材料加入装有成型模具的注塑机中注塑成型，注塑机温度控制在160-200℃(优选170-190℃)，注塑成型模具采用冷流道设计，设有排气系统，且模具内腔设置冷却管道，混合料熔体进入注塑模具后，所述注塑模具中无加热系统，避免对混合料熔体再次高温加热，减少高温加热时间，防止生物基发生热降解。

其中，所述生物基抗菌母粒和生物基基材按重量计的比例为：(3:7)～(1:9)。

其中，所述排气系统由多个排气口组成，所述排气口设置在模具型腔边缘，所述排气口之间相隔1～2mm，分布密集，所述排气口能够及时排除模具内的气体，减小模具压力，不仅促进了混合料熔体流动，还可以减少因模具排气不畅造成的产品起泡、变形现象。

其中，所述冷却管道以S型、U型、X型或Z型排列在模具内腔里，增大换热面积。

其中，所述冷却管道内通有0-10℃(优选0-5℃)的循环水，并在外部加载冷却塔，保证冷却管道流动，保持模具温度在15℃，能够及时冷却产品，防止产品发生热降解等现象。

其中，所述塑胶件为塑料菜板、可降解的保鲜盒、可降解一次性餐具、可降解垃圾桶等中的一种或多种。

其中，所述塑胶件可以显著抗菌。

所述菌包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、李斯特菌等。

进一步地，所述塑胶件还可以有效抑制甲型流感病毒。

其抗菌原理为：抗菌母粒和生物基材料混炼后挤出成型的产品能够缓慢释放锌离子。由于细菌表面带有负电荷，因此带有正电荷的金属离子被吸附在细菌表面，进而破坏其电解质平衡，导致细菌由于细胞壁受损而死亡。同时，金属离子进入细菌内部，与细菌的细胞酶反应并化合，抑制了细胞酶的活性和细菌的繁殖再生，达到杀灭细菌的作用，便于保护各种高分子材料等制品表面受细菌等微生物侵蚀，并能给予表面活性已提高制品表面抗菌的效果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的生物基抗菌母粒采用载锌抗菌剂代替载银抗菌剂，使生物基抗菌母粒无毒环保，克服了银离子抗菌材料会对人体造成伤害的缺点，本发明提供的生物基抗菌母粒的制备方法，经双螺杆挤出机挤出成型后，通过冷却水冷却和风干干燥，避免了烘干时再次升温导致材料降解，在注塑成型塑料菜板的过程中，通过模具内冷流道、排气孔及独特的冷却管道设计有效的控制了成型过程的温度，最大限度的防止生物基在成型中发生热降解，拓展了生物基的成型方式和应用。

具体实施方式

下面结合具体实施例，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应用范围。

实施例中所用的组分原料均为市购，各操作方法均为本领域技术人员从现有技术中能够得到的操作方法。

一种生物基抗菌母粒，由载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂和生物基基材组成，各组分含量如表1中实施例1-4所述。

表1

实施例	载锌硅盐酸抗菌剂％	分散剂％	硫酸钡％	生物基基材％
					1	4	5	15	76
2	10	5	20	65
					3	3	3	10	84
4	6	3	12	79

所述生物基抗菌母粒采用载锌硅盐酸抗菌剂代替目前广泛使用的银离子抗菌剂，锌离子不但有优异的抗菌效果，且是人体必需的微量元素，能够在人体内正常代谢，不对人体造成伤害。并且载锌硅盐酸抗菌剂还具有调节生物基高温降解的功效，可以改善生物基加工过程中高温降解的状况。

实施例1-4制备生物基抗菌母粒

包括以下步骤：

(A)将载锌硅盐酸抗菌剂、分散剂聚乙烯蜡、硫酸钡、生物基基材按表1列举的配方称取后倒入拌料机，常温下混合拌料2分钟后，从排料口出料，常温拌料可以防止生物基热降解；

(B)将混合物倒入双螺杆挤出机的料斗中，打开下料控制开关，下料的速度与混炼的速度成正比，混合物进入双螺杆机器挤出成线状，经过0℃的冷却水槽冷却后，吹风机风干，吹风机出风口温度保持在10℃，最后混合物塑料条进入切粒机造粒，即成最后的生物基抗菌母粒。

塑炼时，双螺杆挤出机的温度依次调节为：

1区：150-170℃，

2区：170-180℃，

3区：180-190℃，

4区：190-200℃，

5区：195-205℃，

6区：190-205℃，

7区：185-195℃，

8区：180-190℃，

9区：170-180℃，

10区：150-170℃。

实施例5

将本发明实施例1-4获得的所述生物基抗菌母粒添加于生物基基材中，采用注塑成型方法成型耐温接触的塑胶件，特别适用于成型保鲜盒，其加工过程如下：

将本发明实施例1-4制备的生物基抗菌母粒和生物基基材混合，将混合好的材料加入装有成型模具的注塑机中，用于注塑成型。将注塑机温度调至160-200℃，混合料经过螺杆搅拌、溶解，经过注塑机一区、二区、三区、四区、五区的加温，射入模具中，经过二级保压后成型，产品在模具中冷却后立即取出，放在冰水中再次冷却3分钟后拿出即得成品。

所述生物基抗菌母粒和生物基基材按重量计的比例为：(3:7)～(1:9)。

注塑模具中采用冷流道设计，并且模具上设置排气系统，模具型腔边缘每隔1～2mm设置一个排气口，分布密集，所述排气口能够及时排除模具内腔的气体，减小模具内腔的压力，不仅能促进混合料熔体流动，还可以减少因模具排气不畅造成的产品起泡、变形现象。模具内腔还设置冷却管道，所述冷却管道以S型、U型、X型或Z型排列在模具内腔里，所述冷却管道与外界冷冻机相连，保持冷却管道内温度在0℃，能够及时冷却产品，防止产品发生热降解等现象，注塑模具内无加热系统，避免对混合料熔体再次高温加热，减少高温加热时间，防止生物基发生热降解。

本发明提供的生物基抗菌母粒原料简单，其制备方法易行，运用范围广，适用于生产耐常温接触的家居、办公产品等，如牙刷杯、牙刷柄、洗菜篮、塑料盆、手机外壳、键盘、鼠标外壳和文件篮等。

实施例6

将本发明实施例5制备的塑胶件(送检样)和标准PE(对照样)进行抗菌检测：

(1)检测用菌：大肠杆菌(Escherichia coil)ATCC 25922

(2)检测依据：JIS Z 2801:2012《抗菌制品抗菌性能的检测与评价》

(3)检测数据见表2

表2

(4)检测结果见表3

表3

名称	菌种	抗菌活性值(R)
			送检样	大肠杆菌	>6.5

与对照样相比，本发明实施例5制备的塑胶件抗菌效果显著。

实施例7

将本发明实施例5制备的塑胶件(送检样)和标准PE(对照样)进行抗菌检测：

(1)检测用菌：金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)ATCC 6538p

(2)检测依据GB/T31402-2015/ISO 22196-2007《塑料塑料表面抗菌性能试验方法》

(3)检测数据见表4

表4

(4)检测结果见表5

表5

名称	菌种	抗菌活性值(R)
			送检样	金黄色葡萄球菌	>3.3

与对照样相比，本发明实施例5制备的塑胶件抗菌效果显著。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种生物基抗菌母粒，其特征在于，所述生物基抗菌母粒包含载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基材。

2.根据权利要求1所述的生物基抗菌母粒，其特征在于，所述生物基抗菌母粒的各组分含量如下：

3.根据权利要求2所述的生物基抗菌母粒，其特征在于，所述生物基抗菌母粒的各组分含量如下：

4.根据权利要求1-3之任一项所述的生物基抗菌母粒，其特征在于，所述分散剂包括阴离子分散剂、阳离子分散剂、非离子分散剂。

5.一种生物基抗菌母粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(A)将载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡、生物基材倒入高速拌料机中混合拌匀；

(B)将所述步骤(A)中混合拌匀获得的混合物倒入双螺杆挤出机的料斗中，经双螺杆挤出机挤出成线状，经过0-5℃的循环冷却水槽冷却后，经过热切后，进入震动筛，同时振动筛下部的吹风机出风口温度保持在10-20℃，经过管道获得所述生物基抗菌母粒。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机的温度依次调节为：

1区：150-170℃，

2区：170-180℃，

3区：180-190℃，

4区：190-200℃，

5区：195-205℃，

6区：190-205℃，

7区：185-195℃，

8区：180-190℃，

9区：170-180℃，

10区：150-170℃。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述载锌硅酸盐抗菌剂、分散剂、硫酸钡和生物基材的重量百分比为(3-10％)：(3-5％)：(10-20％)：(65-84％)；

和/或，所述分散剂包括无机分散剂。

8.根据权利要求5-7之任一项所述的方法制备得到的生物基抗菌母粒。

9.根据权利要求1或8所述的生物基抗菌材料在制备塑胶件中的应用，其特征在于，将根据权利要求1或8所述的生物基抗菌母粒添加到生物基材中，采用注塑成型方法成型温度不高于200℃接触的塑胶件，所述注塑成型方法如下：

将所述生物基抗菌母粒和生物基基材按比例混合，将所述混合好的材料加入装有成型模具的注塑机中注塑成型，所述注塑机的温度控制在160-200℃，所述注塑成型模具采用冷循环流道设计，设有排气系统，且所述注塑成型模具内腔设置冷却管道。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述生物基抗菌母粒和生物基基材按重量计的比例为：(3:7)～(1:9)；

和/或，所述排气系统由多个排气口组成，所述排气口设置在模具型腔边缘，所述排气口之间相隔1～2mm；

和/或，所述冷却管道以S型、U型、X型或Z型排列在模具内腔里；

和/或，所述冷却管道内通有0-5℃的循环水，并在外部加载冷却塔；

和/或，所述塑胶件为可降解的保鲜盒、塑料菜板、可降解一次性餐具、可降解垃圾桶中的一种或多种。