CN117887229A - 一种生物降解塑料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物降解塑料，原料包括聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙；将各组分混合均匀后加入双螺杆挤出机，熔融共混挤出制备得到改进的生物降解塑料。使用该改进的生物降解塑料，能够进一步改善其降解性能。
Description
技术领域
本发明属于生物降解塑料技术领域；涉及一种生物降解塑料。
背景技术
可生物降解塑料是指在如土壤、沙土等自然条件下，或堆肥化、厌氧消化、水性培养液等特定条件下，可以在微生物如细菌、真菌、藻类或酶的作用下被分解，并最终完全降解变成二氧化碳和甲烷、水及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质的一类降解塑料。
生物降解塑料按其制备方式不同可分为微生物产生型、人工合成高分子型、天然高分子型三类。
在众多的降解材料中，聚乳酸以其优良的生物相容性和生物降解性在各个行业中的应用前景脱颖而出。由于聚乳酸树脂的来源性，其又称“玉米塑料”，是由植物玉米经过生物发酵作用生产出乳酸，再经过一定的化学方法合成而制备到的。由于其优异的力学性能在塑料中较高的强度和模量、可制造加工性能易于加压加热成形、挤出、吹塑和注塑成形、生物体内外相容性、生物再生可降解性和较好的化学惰性，是非常有前途的生物降解高分子材料之一。聚乳酸作为一种环保绿色高分子材料。可以说，对其的研究和应用可以看作是社会经济节省和自然循环的一部分。因此，在以环境和可再生发展为主题的今天，聚乳酸受到人们越来越多的重视。
中国发明专利申请CN114213643A公开了一种改性聚乳酸的制备方法及可降解塑料组合物，涉及聚乳酸技术领域。通过在丙交酯单体开环聚合制备过程中采用侧链含有巯基的引发剂，获得了侧链接枝有巯基的改性聚乳酸。该可降解塑料组合物包含100份上述改性聚乳酸、5~25份的双端乙烯基聚合物和0.1~5份的光引发剂，可降解塑料组合物挤出成型后在紫外光照射下进行巯基-烯点击化学反应，双端乙烯基聚合物与改性聚乳酸形成交联结构，既对聚乳酸起到增韧效果，又能尽量减少对拉伸强度的影响，以及提高耐热性。
中国发明专利申请CN114517006A公开了一种生物基可降解塑料，属于可降解塑料领域，包括以下重量份的原料：聚乳酸树脂82-90份、牡蛎壳粉12-18份、丙烯酸酯接枝玉米芯粉21-26份和共聚物增容剂2-6份。通过将牡蛎壳粉和丙烯酯接枝玉米芯粉混合搅拌，然后加入聚乳酸树脂和共聚物增容剂在35-45℃下继续混合搅拌，得到混合料，将混合料加热共混、挤出、造粒，得到生物基可降解塑料。该生物基可降解塑料具有降低聚乳酸材料对环境的影响，同时提高聚酸材料的韧性的效果。
聚乳酸降解塑料经常使用淀粉进行改性。研究表明淀粉的添加并不会影响聚乳酸的热力学性能，但共混物样品的拉伸强度和断裂伸长均随淀粉含量的提高而降低。双螺杆挤压设备具备良好的混合、剪切、捏合作用，能够更好地使淀粉均匀地分散在聚乳酸体系中，在适量温度、压力和水的其同作用下，淀粉更易糊化，淀粉颗粒结构被破坏，从而提高了淀粉和聚乳酸两相结合力，同时又没有损失材料的其他优势性能。
然而，现有技术中的聚乳酸生物降解塑料的降解性能仍然不能令人满意。
发明内容
为了解决现有技术的上述缺陷，本发明目的是提供一种生物降解塑料。与现有技术相比，使用本发明所述的生物降解塑料，能够进一步改善其降解性能。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种生物降解塑料，原料包括聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙；聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙的质量比100：(1-20)：(4-12)：(1-9)：(1-9)；将各组分混合均匀后加入双螺杆挤出机，熔融共混挤出制备得到生物降解塑料。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙的质量比100：(5-15)：(6-10)：(2-8)：(2-8)。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙的质量比100：(8-12)：(7-9)：(4-6)：(4-6)。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，聚乳酸的重均分子量Mw为(0.2-2.4)×105。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，所述含丝氨酸的四肽为精-甘-天冬-丝氨酸。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，所述二元羧酸锡盐为乙二酸锡。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，所述改性淀粉为改性玉米淀粉。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，所述改性淀粉的制备方法为：
按照质量比100：(80-120)：(1-10)：(1-10)，将玉米淀粉、水、六偏磷酸钠和聚乙二醇配制成淀粉乳液，调节pH值=9-11，在85-100°C的恒温水浴中搅拌反应，得到均匀的糊化溶液；干燥后粉碎得到改性淀粉。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，所述聚乙二醇的数均分子量Mn为200-1000。
根据本发明所述的生物降解塑料，其中，所述双螺杆挤出机各区间温度设定为100-120°C、110-130°C、120-140°C、120-140°C、140-160°C、140-160°C、140-160°C。
本发明具有以下有益技术效果：
与现有技术相比，使用本发明所述的生物降解塑料，能够进一步改善其降解性能。
具体实施方式
必须指出的是，除非上下文另外明确规定，否则如本申请文本中所用，单数形式“一”、“一个/种”和“该/所述”既可包括一个指代物，又可包括多个指代物（即两个以上，包括两个）。
除非另外指明，否则本发明中的数值范围为大约的，并且因此可以包括在所述范围外的值。所述数值范围可在本发明表述为从“约”一个特定值和/或至“约”另一个特定值。当表述这样的范围时，另一个方面包括从所述一个特定值和/或至另一个特定值。相似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，所述特定值形成另一个方面。还应当理解，数值范围中每一个的端点在与另一个端点的关系中均是重要的并独立于另一个端点。
在本申请文本中提及组合物或制品中特定元素或组分的重量份是指组合物或制品中该元素或组分与任何其它元素或组分之间以重量份表述的重量关系。
在本发明中，除非具体指出有相反含义，或基于上下文的语境或所属技术领域内惯用方式的暗示，否则本发明中提及的溶液均为水溶液；当水溶液的溶质为液体时，所有分数以及百分比均按体积计，且组分的体积百分比基于包含该组分的组合物或产品的总体积；当水溶液的溶质为固体时，所有分数以及百分比均按重量计，且组分的重量百分比基于包含该组分的组合物或产品的总重量。
本发明中提及的“包含”、“包括”、“具有”以及类似术语并不意欲排除任何可选组分、步骤或程序的存在，而无论是否具体公开任何可选组分、步骤或程序。为了避免任何疑问，除非存在相反陈述，否则通过使用术语“包含”要求的所有方法可以包括一个或多个额外步骤、设备零件或组成部分以及/或物质。相比之下，术语“由……组成”排除未具体叙述或列举的任何组分、步骤或程序。除非另外说明，否则术语“或”是指单独以及以任何组合形式列举的成员。
此外，本发明中任何所参考的专利文献或非专利文献的内容都以其全文引用的方式并入本发明，尤其关于所属领域中公开的定义（在并未与本发明具体提供的任何定义不一致的情况下）和常识。
在本发明中，除非另外指明，否则份数均为重量份，温度均以°C表示或处于环境温度下，并且压力为大气压或接近大气压。室温表示20-30°C。存在反应条件（例如组分浓度、所需的溶剂、溶剂混合物、温度、压力和其它反应范围）以及可用于优化通过所述方法得到的产物纯度和收率的条件的多种变型形式和组合。将只需要合理的常规实验来优化此类方法条件。
下面通过实施例和比较例来进一步说明本发明的技术方案相对于现有技术具有的技术优势。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
作为实施例和比较例使用的原料，具体来源如下：
玉米淀粉，购自秦皇岛鹏远淀粉有限公司，纯度≥99%。
六偏磷酸钠，购自重庆川东化工集团有限公司，总磷酸盐含量（以P2O5计）≥67.0%，非活性磷酸盐含量（以P2O5计）＜7.5%。
聚乙二醇600，购自陶氏化学(中国)有限公司，纯度≥99%。
PLA，购自美国Nature Works公司，4032D型；Mw=1.2×105。
精-甘-天冬-丝氨酸，购自湖北宥仑丰生物科技有限公司，纯度≥98%。
乙二酸锡，购自上海倍卓生物科技有限公司，纯度≥98.5%。
纳米碳酸钙，购自中科金研(北京)科技有限公司，平均粒径为20nm，纯度99.9%。
实施例1
按照质量比100：100：5：5，将玉米淀粉、水、六偏磷酸钠和聚乙二醇600配制成淀粉乳液，调节pH值=10，在95°C的恒温水浴中搅拌反应0.5h，得到均匀的糊化溶液。将溶液置于50°C干燥箱干燥48h，高速粉碎得到改性淀粉。
将PLA（Mw=1.2×105）、改性淀粉、精-甘-天冬-丝氨酸、乙二酸锡和纳米碳酸钙分别在70°C干燥箱干燥8h。按照质量比100：10：8：5：5，将各组分加入高速混料机，室温下混合均匀后加入双螺杆挤出机，熔融共混挤出制备生物降解材料。挤出机各区间温度设定为110°C、120°C、130°C、130°C、150°C、150°C、150°C；螺杆转速为100r/min。挤出的颗粒经注塑机注塑成拉伸实验样条，注塑机各区间温度为170°C、180°C、170°C。
实施例2
按照质量比100：100：5：5，将玉米淀粉、水、六偏磷酸钠和聚乙二醇600配制成淀粉乳液，调节pH值=10，在95°C的恒温水浴中搅拌反应0.5h，得到均匀的糊化溶液。将溶液置于50°C干燥箱干燥48h，高速粉碎得到改性淀粉。
将PLA（Mw=1.2×105）、改性淀粉、精-甘-天冬-丝氨酸、乙二酸锡和纳米碳酸钙分别在70°C干燥箱干燥8h。按照质量比100：10：10：2：8，将各组分加入高速混料机，室温下混合均匀后加入双螺杆挤出机，熔融共混挤出制备生物降解材料。挤出机各区间温度设定为110°C、120°C、130°C、130°C、150°C、150°C、150°C；螺杆转速为100r/min。挤出的颗粒经注塑机注塑成拉伸实验样条，注塑机各区间温度为170°C、180°C、170°C。
实施例3
按照质量比100：100：5：5，将玉米淀粉、水、六偏磷酸钠和聚乙二醇600配制成淀粉乳液，调节pH值=10，在95°C的恒温水浴中搅拌反应0.5h，得到均匀的糊化溶液。将溶液置于50°C干燥箱干燥48h，高速粉碎得到改性淀粉。
将PLA（Mw=1.2×105）、改性淀粉、精-甘-天冬-丝氨酸、乙二酸锡和纳米碳酸钙分别在70°C干燥箱干燥8h。按照质量比100：10：6：8：2，将各组分加入高速混料机，室温下混合均匀后加入双螺杆挤出机，熔融共混挤出制备生物降解材料。挤出机各区间温度设定为110°C、120°C、130°C、130°C、150°C、150°C、150°C；螺杆转速为100r/min。挤出的颗粒经注塑机注塑成拉伸实验样条，注塑机各区间温度为170°C、180°C、170°C。
对照例
不加入精-甘-天冬-丝氨酸、乙二酸锡和纳米碳酸钙，其余同实施例1。
比较例1
不加入精-甘-天冬-丝氨酸，其余同实施例1。
比较例2
不加入乙二酸锡，其余同实施例1。
比较例3
不加入纳米碳酸钙，其余同实施例1。
降解性能测试
为研究生物降解材料的生物降解性能，采用酶降解方法进行评估。所用样品均取自注塑样条，尺寸为1cm×1cm×0.1mm，不同注塑样条的重量误差在2%以内。将样品放入pH=8.0磷酸盐缓冲溶液（Tris-HCl缓冲体系）中，缓冲溶液中含有1mg/L的蛋白酶K和1mg/L的叠氮化钠，在工作温度37°C和转速140rpm的条件下进行降解性能实验；实验时间为10天。每个样品均平行3次，来计算重量损失，取平均值作为实验数据，并以相对于对照例重量损失的相对百分比评价各样品的生物降解性能，计算公式为：相对百分比=Δ样品重量损失/Δ对照例重量损失×100%。
结果如表1所示。
表1
此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出各种改动、替换、删减、修正或调整，这些等价技术方案同样落于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种生物降解塑料，原料包括聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙；其特征在于，聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙的质量比100：(1-20)：(4-12)：(1-9)：(1-9)；将各组分混合均匀后加入双螺杆挤出机，熔融共混挤出制备得到生物降解塑料；
其中，所述含丝氨酸的四肽为精-甘-天冬-丝氨酸；
所述改性淀粉为改性玉米淀粉；所述改性淀粉的制备方法为：
按照质量比100：(80-120)：(1-10)：(1-10)，将玉米淀粉、水、六偏磷酸钠和聚乙二醇配制成淀粉乳液，调节pH值=9-11，在85-100°C的恒温水浴中搅拌反应，得到均匀的糊化溶液；干燥后粉碎得到改性淀粉。
2.根据权利要求1所述的生物降解塑料，其中，聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙的质量比100：(5-15)：(6-10)：(2-8)：(2-8)。
3.根据权利要求2所述的生物降解塑料，其中，聚乳酸、改性淀粉、含丝氨酸的四肽、二元羧酸锡盐和纳米碳酸钙的质量比100：(8-12)：(7-9)：(4-6)：(4-6)。
4.根据权利要求1所述的生物降解塑料，其中，聚乳酸的重均分子量Mw为(0.2-2.4)×105。
5.根据权利要求1所述的生物降解塑料，其中，所述二元羧酸锡盐为乙二酸锡。
6.根据权利要求1所述的生物降解塑料，其中，所述聚乙二醇的数均分子量Mn为200-1000。
7.根据权利要求1所述的生物降解塑料，其中，所述双螺杆挤出机各区间温度设定为100-120°C、110-130°C、120-140°C、120-140°C、140-160°C、140-160°C、140-160°C。
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