CN1315471A - 植物纤维复合材料、其制品及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种植物纤维复合材料,其包括植物纤维、聚碳酸酯树脂、食用着色剂和/或4,4’－二甲苯基甲烷二异氰酸酯,该复合材料是一种无味、无臭、无毒的生态环保型的热塑性复合材料。本发明还涉及该复合材料制品及其制造方法,该制造方法是一种可连续式的流水作业制造方法。
Description
本发明涉及一种植物纤维复合材料，尤其是一种生态环保型植物纤维复合材料，本发明还涉及该复合材料制品及其制造方法。
为消除“白色污染”，世界各地纷纷寻求塑料和发泡塑料的替代品，其中尤以植物纤维制一次性餐用具居多。目前全世界现有公开的以植物纤维为主要原料制一次性餐用具的专利技术有100多项，其中中国现有公开的专利技术有60多项，美国、日本、德国、瑞士、泰国等也均有该类专利技术公开，但只有为数较少的技术形成商品化的生产能力，该类制品尚未能大规模地进入市场，用以取代塑料和发泡塑料制品。究其原因：一是成本较高，植物纤维为原料决定了制品重量较重，以快餐饭盒为例，发泡塑料快餐饭盒每只重仅5g，纸饭盒每只重25g，植物纤维制饭盒每只重50g，物料的重量很大程度上决定了成本的高低；二是外观颜色较深，消费者不习惯或不大愿意接受；三是韧性较差，运输途中或使用过程中破损率较高。
而从现有公开的专利技术来看，各种一次性餐用具尽管其用料配方不尽相同，但其制作工艺均不外乎采用“制浆模塑工艺”、“湿法冷压工艺”和“干法热压工艺”三种制造方法。这三种工艺制造方法虽各有其优缺点，但均为间歇式流水作业，不能形成连续式流水作业。
本发明的一个目的是提供一种植物纤维复合材料，其具有可生物降解的功能，是一种生态环保型材料；
本发明的另一目的是提供该植物纤维复合材料在模制餐具和/或用具方面的应用；
本发明的再一目的是提供一种使用该植物纤维复合材料制作餐具及用具的成型加工方法，其是一种可连续式流水作业的工艺制造方法。
本发明的植物纤维复合材料，其包括按重量份计的如下组分：
植物纤维 60-80份
聚碳酸酯树脂 5-30份
食用着色剂 2-5份
其中所述碳酸酯的分子量为8000-35000。
用于本发明的植物纤维，其选自稻壳、稻草、麦麸、麦杆、豆箕、棉杆、牧草、花生壳、玉米秸、高梁秆、甘蔗渣、椰子壳、桔汁渣、麦酒渣、锯木屑、竹灰和其混合物的碎屑。所述植物纤维的用量优选70-80份。
所述的聚碳酸酯优选2,2’-双(4-羟基苯基)丙烷碳酸酯。
所述的聚碳酸酯的分子量优选为10000-15000，用量优选为15-20份。
所述的食用着色剂选自钛白粉、氧化锌、氧化铁红、颜料黄147和颜料兰15，优选钛白粉，其用量优选4-5份。
本发明的植物纤维复合材料还可进一步包括按重量份计的5-15份4,4’-二甲苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，其用量优选3-5份。
利用本发明的植物纤维复合材料制作餐具和/或用具的可连续式流水作业的成型加工方法，包括以下步骤：
1、将植物纤维放入植物纤维膨化机的料斗中，将相当于植物纤维重量10-30％的水加入膨化腔，开动植物纤维膨化机使植物纤维加工膨化为细锯末状的粉末；
2、将上述的植物纤维膨化粉末、聚碳酸酯树酯、食用着色剂和/或MDI按比例加入立式搅拌机中充分搅拌约10分钟，然后将搅拌后的混合料加入造粒机中，于120-200℃下造粒得到粒料；
3、将上述粒料加入双螺杆挤出机料斗中，控制机筒部位温度为220-250℃、连接器温度为230-280℃、口模温度为250-300℃、挤出压力为15-30MPa、挤出速度为1-10m/min，连续不断地将上述粒料挤出成型为片材；
4、将得到的挤出片材连续不断地输送至与双螺杆挤出机相连的冲床上，于150-250℃下连续不断的将片材冲压成型，即得制品。
在本发明中，所述的膨化后的植物纤维粉末大小为10-120目，优选20-40目，该植物纤维粉末的含水量为20-50％，优选30％。
在所述的双螺杆挤出机中挤出加工本发明的植物纤维复合材料的工艺条件优选为：机筒部位温度为220℃、连接器温度为230℃、口模温度为250℃、挤出压力为25MPa。
所述的挤出片材为平板片材或开式异型材。
以下结合附图和实施例对本发明的特征加以详细地说明。
图1是本发明植物纤维复合材料制品加工的连续式流水作业示意图。
实施例1植物纤维复合材料颗粒的制备
根据如表1所示的植物纤维复合材料的组成配方，按照下述步骤对每一配方的植物纤维复合材料进行造粒：
1、膨化：干燥植物纤维，并将其送入沈阳粮油机械厂制造的DP-120型植物纤维膨化机中膨化处理成20-40目有微孔洞的粉末，此时植物纤维粉末水份含量为10％。
2、造粒：将所述配方的植物纤维膨化粉末、聚碳酸脂树脂(常州化工厂生产)、钛白粉和/或MDI加入普通的立式搅拌机1中充分搅拌混合约10分钟，然后将混合料放入常规造粒机2中造粒，造粒机温度控制在170℃，将粉料加工成米粒大小的水份含量控制在10％左右的植物纤维复合材料颗粒。
表1(单位：kg)
| 组成 | 配方一 | 配方二 | 配方三 | 配方四 | 配方五 |
| 植物纤维 | 20 | 20 | 22.5 | 12.5 | 17.5 |
| 聚碳酸酯 | 2.5 | 3.75 | 2.5 | 6.25 | 1.25 |
| 钛白粉 | 1.25 | 1.25 | 3.75 | 2.5 | |
| MDI | 1.25 | 1.25 | 2.5 | 3.75 |
实施例2植物纤维复合材料制品的制备
按照如表2所示的本发明植物纤维复合材料颗粒的挤出成型加工工艺条件将实施例1所提供的配方制得的植物纤维复合材料颗粒投入双螺杆挤出机5料斗4中，粒料从料斗进入机筒后，在机筒温度和螺杆的旋转压实及混合作用下，粒料由固态转变为具有一定流动性的均匀连续熔体，该熔体在螺杆的旋转挤压作用下，通过多孔板流入窄缝式机头6挤出为高温片状。在挤压机机头前端100mm处安装一台额定压力为一吨的冲床7，冲床的上、下模具按制品要求的形状尺寸加工制作，冲模温度为180℃，在挤出机机头将植物纤维复合材料片状推至上、下模具之间的瞬间，上模冲下，将成材冲压成制品，冲压的动作为3秒一次，冲压同时完成了切断、切边动作，制品成型后被输送带8带走固型冷却。
表2
| 分组 | 配方 | 机简部份温(℃) | 连接部分温度(℃) | 口模温度(℃) | 挤出压力(MPa) | 挤出速度(m/min) |
| 试验一 | 配方一 | 220 | 230 | 250 | 25 | 2 |
| 试验二 | 配方三 | 227.5 | 242.5 | 262.5 | 25 | 2 |
| 试验三 | 配方二 | 235 | 255 | 275 | 25 | 2 |
| 试验四 | 配方五 | 242.5 | 267.5 | 287.5 | 25 | 2 |
| 试验五 | 配方四 | 250 | 280 | 300 | 25 | 2 |
实施例3植物纤维复合材料制品的常规性能测试
样品：使用实施例1中配方一的植物纤维复合材料制成的一次性方便面碗
试验标准：1．GB 5009.60-85《食品包装用聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯成型品卫生标准的分析方法》
2．GB 9683-88《复合食品包装袋卫生标准》
3．TB/T2611-94《铁路快餐饭盒供货通用技术条件》
表3
| 检验项目 | 测定值 | 标准值 |
| 正己烷蒸发残渣mg/L | 7.2 | ≤30 |
| 4％醋酸蒸发残渣mg/L | 1.7 | ≤30 |
| 65％乙醇蒸发残渣mg/L | 6.3 | ≤30 |
| 高锰酸钾消耗量mg/L | 9.0 | ≤10 |
| 重金属(以Pb计)mg/L | ＜1 | ≤1 |
| 负重试验(％) | 0.8 | ≤5 |
| 冷餐油脱色试验 | 阴性 | 阴性 |
| 乙醇脱色试验 | 阴性 | 阴性 |
| 耐油试验 | 无渗漏 | 无渗漏 |
| 耐水试验 | 无渗漏 | 无渗漏 |
| 对折试验 | 合格 | 20次不断裂 |
| 荧光检查(254nm及365nm) | 合格 | ≤5cm2/100cm2 |
试验结果如表3所示，可见本发明产品的常规性能已达到了相关试验标准的要求，特别是其正己烷蒸发残渣、4％醋酸蒸发残渣及65％乙醇蒸发残渣的值大大低于标准值。
实施例4植物纤维复合材料制品的生物降解性试验
检测单位：中国环境科学研究院固体所
试验方法：按照测定塑料在受控堆肥化条件下需氧生物降解的美国ASTM D5338-92标准的试验方法，测试塑料和稻壳制餐具一定时间内单位重量样品产生CO2的数量。
试验模型：选择由实施例1中配方一制得的一次性餐具为试验组、可降解PE塑料膜和可降解性PS塑料餐盒作为对照组。
试验结果：试验组的每克一次性餐具32天产生CO2量为590毫克而对照组的每克可降解PE塑料膜32天后产生CO2量为480毫克，每克可降解性PS塑料餐盒产生CO2量290毫克。因此，本发明的植物纤维复合材料制成的一次性餐具与可降解性塑料膜、餐盒相比具有明显较好的可降解性，同时在试验过程中和结束后在试验组餐具样品中可见很多白色霉菌斑且强度明显降低。
实施例5植物纤维复合材料制品的急性毒性试验
样品：选择由实施例1中配方一制得的一次性餐具
检测单位：中国国家环境保护局北京环境医学研究所
试验标准：参照中华人民共和国铁道部行业标准“铁路快餐饭盒供货通用技术条件”(TB/2611-94)中5.8毒理检验的要求，将样品进行前处理：称取样品四份，每份重30g，剪成0.5cm×0.5cm的碎片，将该四份样品的碎片分别置于4个索式抽提器中，于每个抽提器中分别加入300ml的蒸馏水，300m 14％醋酸，300ml 65％乙醇和300ml正己烷，将其加热至各自的沸点并回流2小时(其中加入水和4％醋酸的抽提器置于石蜡浴中加热，加入65％乙醇和正己烷的抽提器置于水浴中加热)。然后将四种回流液均匀地混合后置于旋转蒸发器70-75℃减压浓缩，将浓缩液定容至100ml，加2克淀粉加热成糊状，供实验用。
试验方法：实验动物为中国医学科学院动物中心提供的昆明种小鼠，体重为13-22克。
(1)预试验：雌雄9只小鼠，各随机分成三组，每组3只小鼠。染毒剂量为20g/Kg,19g/Kg,5g/Kg。经口一次灌胃染毒。
(2)正式试验：雌雄40只小鼠，各随机分为四组，每组10只动物。根据预试验结果，染毒剂量为20g/kg、10g/kg/、5g/kg、2.5g/kg。经口一次灌胃染毒。灌胃前禁食12小时，给药最大体积为0.4ml/20g体重。染毒后观察一周，记录动物中毒症状和死亡时间。如LD50大于10g/kg，可不必测算LD50；如LD50小于10g/kg，用概率单位-图解法重新试验测定LD50。
实验结果：
(1)预试验：雌雄三个剂量组的动物均未见死亡，也未见动物有任何中毒症状。
(2)正式试验：雌雄四个剂量组，每组各10只动物均未见死亡，也未见有任何中毒症状。
测得送检样品的LD50大于20g/kg。
结果：稻壳制一次性餐具经前处理后浓缩液的半数致死量(LD50)＞20g/kg，参照急性毒性(LD50)分级标准，属实际无毒级。
本发明的植物纤维复合材料是一种无味、无臭、无毒的热塑性复合材料，是一种生态环保型的复合材料，其制品能耐冷、耐热、耐酸、耐碱，且最大的优点是耐冲击、韧性高、蠕变小、制品尺寸稳定，该制品长期浸入水中会水解破裂脆化，长期埋入土中会崩解成粉粒，不会对土壤造成污染。目前使用本发明的植物纤维复合材料制成的的一次性餐具已开始大批生产，产品销往日本等国。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的范围，任何本领域的熟练技术人员在不背离本发明精神和范围内，所做的任何润饰与更改，均属于本发明权利要求书的保护范围。
Claims (19)
1、一种植物纤维复合材料，其包括按重量份计的如下组分：
植物纤维 60-80份
聚碳酸酯树脂 5-30份
食品着色剂 2-5份
其中聚碳酸酯的分子量为8000-35000。
2、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其中所述的植物纤维选自稻壳、稻草、麦麸、麦杆、豆箕、棉杆、牧草、花生壳、玉米秸、高梁秆、甘蔗渣、椰子壳、桔汁渣、麦酒渣、锯木屑、竹灰和其混合物的碎屑。
3、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其中所述植物纤维的用量为70-80份。
4、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其中所述聚碳酸酯为2,2’-双(4-羟基苯基)丙烷碳酸酯。
5、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其中所述聚碳酸酯的用量为15-20份。
6、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其中所述聚碳酸酯的分子量为10000-15000。
7、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其中所述食用着色剂选自钛白粉、氧化锌、氧化铁红、颜料黄147和颜料兰15。
8、根据权利要求7的植物纤维复合材料，其中所述食用着色剂为钛白粉。
9、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其中所述食用着色剂的用量为2-5份。
10、根据权利要求1的植物纤维复合材料，其进一步包括按重量份计的5-15份MDI。
11、根据权利要求10的植物纤维复合材料，其中MDI的用量为3-5份。
12、一种将根据权利要求1的植物纤维复合材料制备成餐用具的加工方法，其包括以下步骤：
(1)将植物纤维放入植物纤维膨化机的料斗中，将相当于植物纤维重量10-30％的水加入膨化腔，开动植物纤维膨化机使植物纤维产生加工膨化为大小为10-120目的细锯末状的粉末；
(2)将上述的植物纤维膨化粉末、聚碳酸酯和食用着色剂和/或MDI按比例加入搅拌机中充分搅拌约10分钟，然后将搅拌后的混合料加入造粒机中，于120-200℃下造粒得到粒料；
(3)将上述粒料加入双螺杆挤出机料斗中，控制机筒部位温度为220-250℃、连接器温度为230-280℃、口模温度为250-300℃、挤出压力为15-30MPa、挤出速度为1-10m/min，连续不断地挤出成型为片材；
(4)将上述挤出片材连续不断地输送至与双螺杆挤出机相连的冲床上，于150-250℃下连续不断的将片材冲压成型，即得制品。
13、根据权利要求12的加工方法，其中所述的膨化后的植物纤维粉末大小为10-120目，优选20-40目。
14、根据权利要求12的加工方法，其中所述的膨化后的植物纤维粉末的水含量为20-50％，优选30％。
15、根据权利要求12的加工方法，其中所述的双螺杆挤出机的机筒部位温度为220℃、连接器温度为230℃、口模温度为250℃、挤出压力为25MPa。
16、根据权利要求12的加工方法，其中所述挤出片材为平板片材或开式异型片材。
17、根据权利要求12的加工方法，其中所述冲床的模具的温度为180C。
18、根据权利要求1-11任意之一的植物纤维复合材料在成型制造餐具和/或用具方面的应用。
19、使用权利要求1-11任意之一的植物纤维复合材料制得的餐具和/或用具，其是无毒、可降解的。
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