CN113150520A - 一种用于一次性勺子的生物降解塑料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于一次性勺子的生物降解塑料，属于生物基高分子材料领域。本发明采用一步法，将聚乳酸、PBAT、竹粉、扩链剂、环氧大豆油和癸二酸六个组分复合制备高韧性的生物降解材料。优点在于通过简单的调控PBAT的含量来实现复合材料由脆到韧的转变，同时解决聚乳酸/竹粉复合材料相容性差、冲击强度低及加工流动性差等问题，可制备出高抗冲聚乳酸/竹粉复合材料，该材料的拉伸强度为20～38MPa、断裂伸长率为2～20％、冲击强度为10～20KJ/m2，与未改性的聚乳酸/竹粉复合材料相比，改性后冲击强度提高了3倍。此外，由于加工流动性的改善，采用添加后的配方注塑成型的勺子，不会出现空穴、气泡等缺陷。

Description

一种用于一次性勺子的生物降解塑料
技术领域
本发明公开了一种用于一次性勺子的生物降解塑料的制备方法，属于绿色生物降解材料领域。
背景技术
聚乳酸是一种由可再生资源合成的热塑性生物基高分子材料，具有优异的生物相容性和堆肥可降解性，广泛应用于包装材料和生物医用材料。但聚乳酸的热变形温度低、脆性大、成本高及冲击强度不足等问题限制了其大规模的工业应用。高性能、低成本化聚乳酸材料的研究受到广泛关注。聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)兼具PBA和PBT的特性，既有较好的延展性和断裂伸长率，也有较好的耐热性和冲击性能；此外，还具有优良的生物降解性，是生物降解塑料研究中非常活跃和市场应用最好降解材料之一。竹材属于速生材，由竹材得到的竹纤维粉膜具有强度高、超细纤维夹角窄、成本低等优点。因此，可采用竹粉作为聚乳酸的增强纤维，提高聚乳酸的冲击强度和热变形温度，并在一定程度上降低材料成本。但是，竹粉表面含有大量的醇羟基和酚羟基亲水基团，导致其极性和亲水性较大，当与非极性聚乳酸复合时，竹粉会聚集在一起，难以在聚乳酸基质中均匀分散。此外，未经改性的竹粉颗粒之间摩擦阻力大，造成熔体流动性差，加工成型困难。因此，开发高性能聚乳酸/竹粉复合材料的难点是改善聚乳酸基体与竹粉之间的界面相容性，以获得综合性能优异的产品。
改善界面相容性的方法包括竹粉表面预处理(物理或化学改性)和添加增容剂(反应性和非反应性)。竹粉表面预处理可以改变纤维的表面形态，去除对界面结合强度有负面影响的组分(如果胶、半纤维素、木质素、薄壁细胞等)。而增容剂的加入可以改善组分间的界面结合力，提高组分的相容性。目前，竹粉表面预处理最常用的方法是碱处理。虽然能有效地改善高炉与聚乳酸基体的接触面积，但碱解会产生更多的亲水基团，且操作过程费时、繁琐，且会产生大量废液，对环境造成一定的污染。添加增容剂(包括反应性和非反应性增容剂)可以减少加工流程，简单高效。因此添加合适的增容剂种类及用量是改善聚乳酸/竹粉复合材料性能的主要研究和开发方向。
植物油是一种来源丰富、价格低廉的“绿色”原料，将环氧大豆油直接与聚乳酸/竹粉共混得到的材料相容性有一定提升，但由于环氧大豆油小分子会随着时间延长，迁移到材料表面，造成制品表面发黏等现象，不利于产品的长期使用。癸二酸为一类长链脂肪酸，是采用催化水解蓖麻油得到，与环氧大豆油一样，是一种来源于可再生资源的生物基单体。将环氧大豆油、癸二酸和聚乳酸三者同时加入密炼机中混合，得到的聚乳酸材料拉伸性能得到很大的改善。
发明内容
基于以上原因，本发明采用一步法，将PLA、PBAT、竹粉(BF)、扩链剂(ADR)、环氧大豆油(ESO)和癸二酸(SA)六个组分混合制备高韧性的生物降解复合材料。优点在于通过简单的调控PBAT的含量来实现复合材料由脆到韧的转变，从而可以得到适合注塑一次性勺子的复合材料。
一种用于一次性勺子的全降解复合材料，由以下重量百分比的原料构成：
聚乳酸：40～80份；
竹粉：10～50份；
PBAT：10～40份；
扩链剂：0～2份；
环氧大豆油：0～5份；
癸二酸：0～2份。
其中聚乳酸、竹粉、PBAT重量之和为100份。
所述的一种用于一次性勺子的全降解复合材料，其制备工艺如下：首先将聚乳酸PLA、聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯PBAT、竹粉、扩链剂ADR、环氧大豆油和癸二酸全部加入到高混机中在常温下混合均匀，接着加入双螺杆挤出机熔融挤出、拉条、风冷、造粒，得到全生物降解复合材料。
上述所述的双螺杆挤出机温度控制在180～190℃，转速控制在80～150rpm；螺杆长径比为32:1～45:1。
本发明所制备的用于一次性勺子的全降解复合材料具有优异的力学性能及加工性能，由于原料的可再生性和可降解性，并具有无毒绿色的特点，可用于刀叉勺等食品接触材料领域。
本发明所制备的用于一次性勺子的全降解复合材料，与现有技术相比具有如下突出优势：本发明用到的所有原料均具有生物降解性，具有绿色环保、废弃后可降解的特点，对环境和社会可持续发展有积极促进意义。环氧大豆油、癸二酸二者在双螺杆挤出过程中形成的环氧大豆油-接枝-癸二酸低聚物兼具增韧剂、相容剂和抗冲改性剂的作用，从而增加PLA及PBAT与竹粉的相容性；扩链剂的加入可有效解决PLA和PBAT的相容性。本发明简单高效的解决了PLA与PBAT之间，及二者与竹粉之间相容性差、冲击强度低及加工流动性差等难题。
该材料的拉伸强度为20～38MPa、断裂伸长率为2～20％、冲击强度为10～20KJ/m2，与未改性的聚乳酸/竹粉复合材料相比，改性后冲击强度提高了3倍。此外，由于加工流动性的改善，采用添加后的配方注塑成型的勺子，不会出现空穴、气泡等缺陷。
具体实施方式
下面将对本发明的对比例和优选实施例进行详细的说明。
表1本发明中各组分的配比
Figure BDA0003039355570000031
对比例1
对比例1为未添加PBAT、环氧大豆油、癸二酸和扩链剂的聚乳酸/竹粉复合材料体系。具体制备方法如下：将聚乳酸与竹粉按重量比为70:30的比例加入双螺杆挤出机熔融挤出、拉条、风冷、造粒，得到聚乳酸/竹粉复合材料，其中双螺杆挤出机温度控制在180～190℃。对比例1的拉伸强度为38.32MPa，断裂伸长率为1.65％，简支梁无缺口冲击强度为5.8KJ/m2。可以看出，改性前聚乳酸/竹粉复合材料的脆性大，抗冲击强度低，不适合用于注塑件的生产。
以下实施例为通过添加不同组分的PBAT来改善聚乳酸/竹粉复合材料的韧性及抗冲击性能，同时添加0.7份的扩链剂、2.7份的环氧大豆油和0.3份的癸二酸作为相容剂。
实施例1
将PLA、竹粉、PBAT、ADR、ESO和SA按重量比60:10:30:0.7:2.7:0.3共混之后加入双螺杆熔融挤出、拉条、风冷、造粒，得到全降解复合材料，双螺杆挤出机温度控制在180～190℃。实施例1的模量为3746.4MPa，拉伸强度为37.45MPa，断裂伸长率为9.83％，简支梁无缺口冲击强度为10.91KJ/m2。
实施例2
将PLA、竹粉、PBAT、ADR、ESO和SA按重量比50:20:30:0.7:2.7:0.3共混之后加入双螺杆熔融挤出、拉条、风冷、造粒，得到全降解复合材料，双螺杆挤出机温度控制在180～190℃。实施例2的模量为3012.6MPa，拉伸强度为31.25MPa，断裂伸长率为13.62％，简支梁无缺口冲击强度为12.31KJ/m2。
实施例3
将PLA、竹粉、PBAT、ADR、ESO和SA按重量比50:20:30:0.7:2.7:0.3共混之后加入双螺杆熔融挤出、拉条、风冷、造粒，得到全降解复合材料，双螺杆挤出机温度控制在180～190℃。实施例3的模量为1940.8MPa，拉伸强度为24.21MPa，断裂伸长率为19.06％，简支梁无缺口冲击强度为18.55KJ/m2。
实施例1～实施例3的所有力学性能数据如表2所示。从结果可以看出，随着PBAT含量的增加，复合材料的拉伸模量和拉伸强度逐渐降低，断裂伸长率和冲击强度逐渐提高。表2为实施例1～3的熔融指数，熔融指数越高，注塑过程中溶体流动性好，随着实施例中PBAT含量的增加，加工流动性变化不大，但所有添加PBAT的复合材料的熔指都大于未添加的。说明PBAT的加入使得注塑件不会出现空穴、气泡等缺陷。因此，PBAT、环氧大豆油、癸二酸和扩链剂的加入明显改善了聚乳酸/竹粉体系的界面相容性，同时起到增韧剂、相容剂和抗冲改性剂的作用。
表2不同配方复合材料的力学性能
Figure BDA0003039355570000041
Figure BDA0003039355570000051
表3不同配方复合材料的熔指
Figure BDA0003039355570000052
最后说明的是，以上优选实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各样的改变，而不偏离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种用于一次性勺子的生物降解塑料，其特征在于，由以下重量百分比的原料构成：
聚乳酸：40～80份；
竹粉：10～50份；
PBAT：10～40份；
扩链剂：0～2份；
环氧大豆油：0～5份；
癸二酸：0～2份；
聚乳酸、竹粉、PBAT重量之和为100份。
2.权利要求1所述的一种用于一次性勺子的生物降解塑料的制备方法，其特征在于，其制备工艺如下：首先将聚乳酸、PBAT、竹粉、扩链剂、环氧大豆油和癸二酸全部加入到高混机中在常温下混合均匀，接着加入双螺杆挤出机熔融挤出、拉条、风冷、造粒，得到全降解复合材料。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，双螺杆挤出机温度控制在180～190℃，转速控制在80～150rpm；螺杆长径比为32:1～45:1。
4.权利要求1所述的全降塑料在制备一次性勺子食品接触材料中的应用。
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