CN1693348A - 一种天然高分子复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种天然高分子复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于天然高分子材料技术领域，具体为一类可以完全降解的天然高分子复合材料及其制备方法和应用。该复合材料是由天然可降解的高分子木质素、纤维素、淀粉和泥炭，混合少量增塑剂等助剂在一定条件下反应得到的复合体系。成分之间彼此形成化学键合，因此该体系形成均一连续相结构，表现出优异的力学性能和加工性能。这种复合体系由于具有可完全生物降解的特点，符合环保需要，因此在包装，薄膜等多领域都有很高的应用价值。

Description

一种天然高分子复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于天然高分子材料技术领域，具体涉及一类可降解的天然高分子复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
合成高分子材料是人类的一项重要发明。由于其具有价格便宜，加工简单，性能优良等特点，在人类生活和生产中应用极其广泛。但是由于高分子材料不可降解，随着使用的日益广泛，其环境污染问题越来越突出。在大多数应用领域中，人们都希望高分子材料具有优良的抗腐蚀能力，而在使用后可以降解为小分子，以免造成大量的垃圾污染。
人工合成的高分子材料几乎都是不可降解的。但是自然界的天然高分子却可以通过各种途径降解，如光降解，生物降解等。尤其是生物降解是非常理想的降解方式，既保证了材料使用过程的耐腐蚀能力，又可以使其在在自然环境中能被微生物分解。但是人工合成的生物降解高分子材料目前在应用中还存在许多问题。最突出的是成本问题。在高分子材料大量使用的行业中，对可降解性的需求是最高的，而由于合成的降解高分子材料成本高昂，限制了其应用。而天然高分子材料虽然在降解性方面可以满足要求，但是性能却无法满足应用需要。
本发明就是在这一需求基础上提出利用某些天然高分子的反应活性，控制反应条件，使其发生反应形成均相材料，从而提高其性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种成本低、性能好的可以完全降解的天然高分子复合材料及其制备方法和应用。
本发明提出的可降解天然高分子复合材料，由天然高分子材料木质素、纤维素、淀粉和增塑剂经加热反应获得；各组分的重量配比(百分含量)如下：
纤维素：30-55％，
淀粉：25-50％，
木质素：0-17.5％，
增塑剂：2.5-10％，
总重量满足100％。
上述天然高分子复合材料，其组分增塑剂可以是聚乙烯醇、聚乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)、甘油、二乙醇胺等其中的一种或几种。
上述天然高分子复合材料，其组分中还可以加入泥炭，加入量为总量的量1-5％。该配方适用于特种黑色营养地膜。
本发明提出的可降解天然高分子复合材料的制备方法如下：
将上述各组分按照重量配比混合均匀，采用二甲亚砜/多聚甲醛(DMSO/PF)或N-甲基-N-吗啉氧化物(NMMO)作为引发剂，在100-150摄氏度下，常压反应1.5-3小时，即可获得天然可降解高分子复合材料。将该复合材料作为母料，可加工成薄膜、纤维等型材，在加工过程中应除去引发剂。如果采用DMSO/PF工艺，则需在120-180摄氏度下烘干2-5小时；如果是NMMO工艺，则型材需在水中漂洗30-60分钟。如此处理后方可定型。
由本发明制备的复合材料，可广泛用于制备薄膜、纤维等型材。调整组份配比，这些型材可用作地膜、物品包装膜、物品袋、垃圾袋等。
纤维素是一种天然的可再生的高分子材料，存在于大量的绿色植物中。纤维素对于人类来说是一种取之不尽、用之不竭的资源。与合成的生物降解材料相比较，纤维素材料有许多优势：其一，纤维素大分子链上有许多羟基，具有较强的反应性能和相互作用性能，因此，这类材料加工工艺比较简单、成本低、加工过程无污染。其二，该材料可以被微生物完全降解，这与利用淀粉与聚烯烃共混所制得的生物降解材料不同，因为对于后者，淀粉可以被生物降解，但聚烯烃却不能或很难被生物降解。其三，纤维素材料本身无毒。因此，纤维素为基质材料的潜在使用范围将非常广泛。
淀粉是一种天然廉价的再生资源，也是一种天然生物高分子，但由于分子间存在强氢键作用，难于成型加工；若采用一定方法使淀粉分子间强作用力降低，使其具有热塑性能，则淀粉是一种理想的热塑性全生物降解材料。
木质素是一大类尚未充分开发利用的天然高分子。具有较长的降解时间。降解产物中含有大量的腐殖酸。腐殖酸的自由基属于半醌结构，既能氧化为醌，又能还原为酚，在植物体的氧化还原中起着重要作用，具有较高的生物活性、生理刺激作用和较强的抗旱、抗病、抗低温、抗盐渍的作用。
这几种高分子材料在自然界都表现出较高的稳定性。但是在适当条件下又可以表现出很高的反应活性。通过采用适当的化学引发条件，可以激活各组分的活性官能团，使其彼此之间形成化学键，得到具有均一连续相结构的材料。该类生物降解材料的开发会取得明显的社会效益：(1)消除废弃塑料对环境的污染，维护生态平衡。(2)大大减少以石油资源为原料的塑料用量。
具体实施方式
实施例1(透明地膜)：各组份的重量配比如下：
            纤维素：55
            淀粉：25
            木质素：17.5
            增塑剂(聚乙烯醇)：2.5
上述原料与引发剂在115摄氏度下，反应2小时。引发剂用量一般为原料重量的15-30倍。采用常规挤出工艺成膜。采用DMSO/PF引发剂时，膜需要在120-180摄氏度下烘干；采用NMMO时，膜需要水洗以去处多余的NMMO，在60度下烘干。
其力学性能如下：
DMSO/PF工艺：拉伸强度：12.69MPa
             断裂伸长率：159.7％
             弹性模量：111.8MPa
NMMO工艺：拉伸强度：12.18MPa
          断裂伸长率：162.7％
          弹性模量：141.0MPa
实施例2(透明地膜)：各组份的重量配比如下：
                纤维素：30
                淀粉：50
                木质素：15
                增塑剂(甘油)：5
制备方法同实例1。
其力学性能如下：
DMSO/PF工艺：拉伸强度：11.53MPa
             断裂伸长率：126.9％
             弹性模量：136.3Mpa
NMMO工艺：拉伸强度：11.02MPa
          断裂伸长率：122.4％
          弹性模量：125.2Mpa
实施例3(透明地膜)：各组份的重量配比如下：
                    纤维素：50
                    淀粉：30
                    木质素：15
                    增塑剂(甘油)：5
制备方法同实例1。
其力学性能如下：
DMSO/PF工艺：拉伸强度：12.77MPa
             断裂伸长率：156.2％
             弹性模量：104.2Mpa
NMMO工艺：拉伸强度：12.72MPa
          断裂伸长率：152.9％
          弹性模量：105.2Mpa
实施例4(黑色地膜)：各组份的重量配比如下：
                    纤维素：50
                    淀粉：25
                    泥炭：5
                    木质素：12.5
                    增塑剂(二乙醇胺)：7.5
采用DMSO/PF为引发剂。力学性能如下：
拉伸强度：13.31MPa
断裂伸长率：112％
弹性模量：107.1Mpa
实施例5(黑色地膜)：各组份的重量配比如下：
                    纤维素：50
                    淀粉：25
                    泥炭：1
                    木质素：14
                    增塑剂(EVOH)：10
采用DMSO/PF为引发剂。力学性能如下：
拉伸强度：14.68MPa
断裂伸长率：158％
弹性模量：100.9Mpa
实施例6(黑色地膜)：各组份的重量配比如下：
                    纤维素：50
                    淀粉：30
                    泥炭：2.5
                    木质素：10
                    增塑剂(EVOH)：7.5
采用DMSO/PF为引发剂。力学性能如下：
拉伸强度：13.97MPa
断裂伸长率：126％
弹性模量：104.9MPa
实施例7(包装用膜，低抗水性)：各组份的重量配比如下：
                    纤维素：30
                    淀粉：50
                    木质素：12.5
                    增塑剂(甘油)：7.5
采用NMMO为引发剂。力学性能如下：
拉伸强度：13.44MPa
断裂伸长率：116％
弹性模量：141.0Mpa
实施例8(包装用膜，高抗水性)：各组份的重量配比如下：
                    纤维素：55
                    淀粉：25
                    木质素：10
                    增塑剂(EVOH)：10
采用NMMO为引发剂。力学性能如下：
拉伸强度：16.84MPa
断裂伸长率：171％
弹性模量：101.2Mpa
配方7、8适用于如食品、药品和化妆品等对安全性要求较高的包装材料。
实施例9：各组份的重量配比如下：
                纤维素：55
                淀粉：40
                木质素：0
                增塑剂(二乙醇胺)：5
采用为采用DMSO/PF为引发剂。力学性能如下：
拉伸强度：18.13MPa
断裂伸长率：122％
弹性模量：171.5Mpa
实施例10：各组份的重量配比如下：
                纤维素：45
                淀粉：50
                木质素：0
                增塑剂(EVOH)：5
采用为采用DMSO/PF为引发剂。力学性能如下：
拉伸强度：13.20MPa
断裂伸长率：101.0％
弹性模量：195.5Mpa
配方9、10降解迅速，适用于一次性用具，如商场购物袋，生活垃圾袋等。

Claims (5)

1、一种天然可降解高分子复合材料，其特征在于由天然高分子材料木质素、纤维素、淀粉和增塑剂经加热反应获得；各组分的重量配比如下：
纤维素：30-55％，
淀粉：25-50％，
木质素：0-17.5％，
增塑剂：2.5-10％，
总重量满足100％。
2、根据权利要求1所述的天然可降解高分子复合材料，其特征在于所述增塑剂为聚乙烯醇、聚乙烯乙烯醇共聚物、甘油、二乙醇胺中的一种或几种。
3、根据权利要求1所述的天然可降解高分子复合材料，其特征在于组份中还包含泥炭，泥炭用量为总重量的1-5％。
4、一种如权利要求1所述的天然可降解高分子复合材料的制备方法，其特征在于将上述各组分按照重量配比混合均匀，采用二甲亚砜/多聚甲醛或N-甲基-N-吗啉氧化物作为引发剂，在100-150摄氏度下，常压反应1.5-3小时，即可获得天然可降解高分子复合材料。
5、一种如权利要求1所述的天然可降解高分子复合材料用于制备薄膜、纤维型材。
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