CN116606538A - 基于反应增容的可降解复合材料、环保吸管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于反应增容的可降解复合材料、环保吸管及其制备方法。按质量百分数计，所述材料包括如下组分：端羧基聚乳酸35～89％，滑石粉10～60％，络合活化剂1～5％。本发明材料设计基于反应性增容原理，吸管材料各组分相容性好，尤其是滑石粉不团聚、充分分散于聚乳酸树脂中，不易被溶剂侵入分相而迁移，提高了复合材料吸管的安全性；材料选材主要来源于天然物质，对生命健康友好安全；制备工艺简单，无资源浪费与废料排放，实施环境安全可控。
Description
技术领域
本发明涉及可降解复合材料和碳减排技术领域，具体地，涉及一种基于反应增容的可降解复合材料、环保吸管及其制备方法。
背景技术
吸管是饮料消费配置的常用工具。传统吸管材料通常为石化塑料产品制备，大量使用这些无法快速降解的塑料吸管，给环境造成严重的白色污染。有鉴于此，人们开始重视研究可降解材料来替代传统的石化塑料吸管。目前市面上主要的可降解吸管多为纸吸管，这些产品多通过多层原纸缠绕式胶水粘合的方式实现，后续经过烘干定型，生产工艺复杂，胶水用量高，产品应用性能及食品安全性受胶水影响较大。中国专利CN112982010A采用用膜转移施胶的方式，将具有热封合性的表面施胶剂(含聚乙烯蜡和乙烯丙烯酸嵌段共聚物等)涂覆到纸张表面生产吸管纸，提高了吸管的耐溶胀性能，缺点是又引入了难降解的聚合物成分。
申请公开号为CN109627713A的中国专利采用生物可降解树脂聚乳酸(PLA)制备了生物降解环保吸管产品，然而，聚乳酸材料因其质地硬而脆、韧性差等问题无法满足消费者对吸管的使用体验。而利用天然材料增强PLA来制备可降解复合材料，不仅可改善PLA的性能，而且所得复合材料可完全降解，具有十分优异的环境友好性，因此这类绿色复合材料的研究，近年来引起了人们极大的兴趣【塑料科技，2019,47(11):155】。
滑石是一种含结晶水的镁硅酸盐天然矿物，分子式为Mg3Si4O10(OH)2，化学名称：水合偏硅酸镁，单斜晶系。它的基本结构单元是两层由硅原子和氧原子构成的四面体夹着一层由镁原子、氧原子和羟基构成的八面体，层与层之间以较弱的范德华力连接阳离子，使其在研磨时容易裂成薄层，而有一定的润滑性，可作为填料广泛地应用于造纸、塑料、油漆、陶瓷、化妆品、医药、橡胶、农产品、肥料等行业中，具有碳减排意义。申请公开号为CN110804287A的中国专利公开了一种含滑石粉的改性聚乳酸复合材料，包括以下原材料组分：聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚已二酸/对苯二甲酸丁二酯、芥酸酰胺、乙酰柠檬酸三丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙基甲基丙烯酸酯共聚物、抗氧剂10760、滑石粉。该发明工艺复杂，且滑石粉在共混时容易团聚而影响性能。
申请公开号为CN107868416A的中国专利公开了一种由聚乳酸、无机填料和增塑剂组成的复合材料，研究了端羧基聚乳酸的合成即羧基含量对聚乳酸材料的质量熔体指数和生物降解率的影响，但并未涉及聚乳酸与无机填料之间的作用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于反应增容的可降解复合材料及其制备方法和环保吸管。
根据本发明的第一方面，提供一种基于反应增容的可降解复合材料，按质量百分数计，所述材料包括如下组分：端羧基聚乳酸35～89％，滑石粉10～60％，络合活化剂1～5％。
可选的，所述络合活化剂采用月桂酸二乙醇酰胺、棕榈酸二乙醇酰胺、硬脂酸二乙醇酰胺和乳酸中的任意一种或几种。
根据本发明的第二方面，提供一种环保吸管，所述吸管采用上述的基于反应增容的可降解复合材料制备而成。
可选的，所述环保吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量低于1mg/L。
根据本发明的第三方面，提供一种利用上述的基于反应增容的可降解复合材料制备环保吸管的方法，所述方法包括：
将端羧基聚乳酸、滑石粉和络合活化剂加入双螺杆挤出设备中；
依次通过熔融、混炼、挤出，得到管胚；
管胚在牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，得到环保吸管。
可选的，所述依次通过熔融、混炼、挤出，得到管胚，其中：所述管胚的挤出温度为160～220℃。
可选的，所述管胚在牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，其中：牵引管胚的速度为0.5～1.5米/秒。
可选的，所述管胚在牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，其中：所述水冷装置的温度为30～50℃。
与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
1)本发明材料设计基于反应性增容原理，通过络合活化剂的络合活化作用，促进端羧基聚乳酸和滑石粉之间的界面融合，使其相容性提高，尤其使滑石粉不团聚、充分分散于聚乳酸树脂中，不易被溶剂侵入分相而迁移，能够提高复合材料吸管的安全性。
2)本发明的材料选材主要来源于天然物质，对生命健康友好安全；
3)本发明的吸管制备工艺简单，无资源浪费与废料排放，实施环境安全可控。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为端羧基聚乳酸和滑石粉在络合活化剂作用下的反应性增容示意方程式；
图2为实施例1中吸管的扫描电镜图；
图3为对比例1中吸管的扫描电镜图；
图4为实施例1-3与对比例1-2中环保吸管的滑石粉迁移量对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于反应增容的可降解复合材料，按质量百分数计，该材料包括如下组分：端羧基聚乳酸35～89％，滑石粉10～60％，络合活化剂1～5％。
在一些实施方式中，络合活化剂采用月桂酸二乙醇酰胺、棕榈酸二乙醇酰胺、硬脂酸二乙醇酰胺和乳酸中的任意一种或几种，上述作为络合活化剂的材料对端羧基聚乳酸和滑石粉都有良好的界面相容性，可促进羧基与滑石粉上的镁的络合反应。
在一些实施方式中，按质量百分数计，材料包括如下组分：端羧基聚乳酸50％，滑石粉47％，络合活化剂3％。
本发明实施例提供的可降解复合材料，其材料设计系基于反应性增容(Reactivecompatibilization)，即端羧基聚乳酸和滑石粉在络合活化剂的作用下，在高温挤出加工中羧基与滑石粉中的镁离子发生络合反应而得到分子级复合材料，反应方程式如图1所示。基于这种反应性增容原理，复合材料各组分相容性好，尤其是滑石粉不团聚、充分分散于聚乳酸树脂中，不易被溶剂侵入分相而迁移，从而能够提高复合材料的安全性。
本发明另一实施例提供一种环保吸管，该环保吸管采用上述的基于反应增容的可降解复合材料制备而成。环保吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量低于1mg/L，从而能够提高吸管的安全性。
本发明另一实施例还提供一种利用上述的基于反应增容的可降解复合材料制备环保吸管的方法，该方法包括：
S1、将端羧基聚乳酸、滑石粉和络合活化剂加入双螺杆挤出设备中；
S2、依次通过熔融、混炼、挤出，得到管胚；
S3、管胚在牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，得到环保吸管。
在一些实施方式中，在步骤S2中，管胚的挤出温度为160～220℃。
在一些实施方式中，在步骤S3中，牵引管胚的速度为0.5～1.5米/秒。
在一些实施方式中，在步骤S3中，水冷装置的温度为30～50℃。
通过上述各步骤以及各工艺参数的相互配合作用，促进络合活化作用，从而提高复合材料吸管的安全性，且制备工艺简单，无资源浪费与废料排放，实施环境安全可控。
以更加具体的实施例以及对比例，对本申请的技术方案作进一步地说明。
下列实施例中所使用的端羧基聚乳酸通过市售途径购得，重均分子量为15万，末端酸基值为30mg KOH/g；滑石粉(3000目)通过市售途径购得；其它材料均为化学纯市售品。
环保吸管中的滑石粉迁移率测量，参照文献方法【中国塑料,2021,35(7):91】。
实施例1
本实施例提供的基于反应增容的可降解复合材料，按质量百分数计，包括如下组分：端羧基聚乳酸50％、滑石粉47％、月桂酸二乙醇酰胺3％。
采用该材料制备的环保吸管，其制备步骤为：
将端羧基聚乳酸、滑石粉和月桂酸二乙醇酰胺所组成的混合料加入双螺杆挤出设备中，通过熔融、混炼、挤出吸管管胚，管胚在牵引设备牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，得到环保吸管。
其中，吸管管胚的挤出温度为200℃，牵引管胚的速度为1.0米/秒，水冷装置的水冷温度为40℃。
制备所得环保吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量为0.3mg/L，如图2所示的电镜表征结果显示，滑石粉粒子被聚乳酸树脂紧密包裹，无明显分相。
实施例2
本实施例提供的基于反应增容的可降解复合材料，按质量百分数计，包括如下组分：端羧基聚乳酸35％、滑石粉60％、棕榈酸二乙醇酰胺5％。
采用该材料制备的环保吸管，其制备步骤为：
将端羧基聚乳酸、滑石粉和棕榈酸二乙醇酰胺所组成的混合料加入双螺杆挤出设备中，通过熔融、混炼、挤出吸管管胚，管胚在牵引设备牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，得到环保吸管。
其中，吸管管胚的挤出温度为220℃，牵引管胚的速度为1.5米/秒，水冷装置的水冷温度为50℃。
制备所得环保吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量为0.5mg/L，电镜表征结果显示，滑石粉粒子被聚乳酸树脂紧密包裹，无明显分相。
实施例3
本实施例提供的基于反应增容的可降解复合材料，按质量百分数计，包括如下组分：端羧基聚乳酸89％、滑石粉10％、乳酸1％。
采用该材料制备的环保吸管，其制备步骤为：
将端羧基聚乳酸、滑石粉和乳酸所组成的混合料加入双螺杆挤出设备中，通过熔融、混炼、挤出吸管管胚，管胚在牵引设备牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，得到环保吸管。
其中，吸管管胚的挤出温度为160℃，牵引管胚的速度为0.5米/秒，水冷装置的水冷温度为30℃。
制备所得环保吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量为0.1mg/L，电镜表征结果显示，滑石粉粒子被聚乳酸树脂紧密包裹，无明显分相。
对比例1
该对比例提供的复合材料，与实施例1的区别在于使用普通聚乳酸。按质量百分数计，复合材料包括如下组分：聚乳酸50％；滑石粉47％；月桂酸二乙醇酰胺3％。
采用该对比例中的符合材料制备吸管，吸管的制备步骤同实施例1。
制备所得吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量为4mg/L，如图3所示的电镜表征结果显示，滑石粉粒子与聚乳酸树脂呈分相状态，颗粒感明显。
对比例2
该对比例提供的复合材料，与实施例1的区别在于无络合活化剂。按质量百分数计，复合材料包括如下组分：端羧基聚乳酸50％；滑石粉50％。
采用该对比例中的符合材料制备吸管，吸管的制备步骤同实施例1。
制备所得吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量为3mg/L，电镜表征结果显示，滑石粉粒子与聚乳酸树脂呈分相状态，颗粒感明显。
图4示出了实施例1-3与对比例1-2的迁移量数据对比，由图4可见，采用了滑石粉和络合活化剂后，吸管滑石粉迁移量普遍降低，即耐饮料浸泡安全性能得以改善。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
Claims (8)
1.一种基于反应增容的可降解复合材料，其特征在于，按质量百分数计，包括如下组分：端羧基聚乳酸35～89％，滑石粉10～60％，络合活化剂1～5％。
2.根据权利要求1所述的基于反应增容的可降解复合材料，其特征在于，所述络合活化剂采用月桂酸二乙醇酰胺、棕榈酸二乙醇酰胺、硬脂酸二乙醇酰胺和乳酸中的任意一种或几种。
3.一种环保吸管，其特征在于，采用权利要求1或2所述的基于反应增容的可降解复合材料制备而成。
4.根据权利要求3所述的环保吸管，其特征在于，所述环保吸管在50％乙醇中滑石粉迁移量低于1mg/L。
5.一种利用权利要求1或2所述的基于反应增容的可降解复合材料制备环保吸管的方法，其特征在于，包括：
将端羧基聚乳酸、滑石粉和络合活化剂加入双螺杆挤出设备中；
依次通过熔融、混炼、挤出，得到管胚；
管胚在牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，得到环保吸管。
6.根据权利要求5所述的环保吸管的制备方法，其特征在于，所述依次通过熔融、混炼、挤出，得到管胚，其中：所述管胚的挤出温度为160～220℃。
7.根据权利要求5所述的环保吸管的制备方法，其特征在于，所述管胚在牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，其中：牵引管胚的速度为0.5～1.5米/秒。
8.根据权利要求5所述的环保吸管的制备方法，其特征在于，所述管胚在牵引下依次通过水冷装置、风冷装置、除水装置和切割装置，其中：所述水冷装置的温度为30～50℃。
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