CN109054107A - 一种新型易降解环保材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型易降解环保材料及其制备方法，由以下成分制备而成：复合淀粉、纳米膨润土、纳米二氧化硅、植物纤维、无机填料、聚乳酸、扩链剂、表面处理剂、热塑性苯乙烯类弹性体、润滑剂、增韧剂、热稳定剂、分散剂、阻燃剂、抗氧剂、相容剂和去离子水。本发明制备的环保材料热变形温度高、应用领域广、制品强度高、加工性能优异，且聚乳酸用量少，使得制备成本降低，且原材料环保无污染。
Description
技术领域
本发明属于环保材料技术领域，具体涉及一种新型易降解环保材料及其制备方法。
背景技术
由于人口增长和经济发展，对资源的过量开采和不合理开发利用而产生的影响资源质量的一系列问题。其中，一次性发泡塑料餐具虽然给人们的生活带来方便，但是它却给环境造成了严重的白色污染，这种发泡餐具在土壤中要经过几十年至上百年才能够降解，如将其燃烧处理又产生有害气体，给人们的生存环境带来了严重的损害。
目前所应用的塑料餐具，其难降解，机械强度差，造成原料的浪费，环境造成白色污染严重。在现有技术中，植物纤维环保材料制品如食品容器、一次性餐具、礼品包装、花盆、生活装饰用品和礼品工艺制品通常是由植物纤维经磨碎加工后与粘合剂、填充剂混合再经过模具在高温高压条件下制备而成。其中，植物纤维主要是取自稻壳、稻草、麦秸、玉米秸秆、棉花秆、木屑、竹屑等农作物秸秆或其它植物的秆茎。粘合剂主要是使用天然植物胶或是甲醛系列的脲醛树脂、酚醛树脂或三聚氰胺树脂。然而，在通过模具制备植物纤维环保材料制品的过程中，由于植物纤维环保材料的韧性较差，给植物纤维环保材料制品的制备带来了一定困难，同时也降低了植物纤维环保材料制品的成品率。
聚乳酸作为一种来源于可再生植物资源的人工合成高分子材料，拥有可完全生物降解性，良好的加工成型能力及优良的力学性能，作为可降解塑料，已经受到广泛的关注与重视。但是，聚乳酸的价格偏高，并且作为一种热塑性高分子材料，由于其具有相对较高的玻璃化转化温度，较高的结晶度及较长的结晶时间，低温或常温下脆性大，高温下热稳定性不强，存在热变形温度低、容易水解、机械强度不足、热加工窗口窄等缺陷，难以直接利用。
目前，有大量的研究及专利对聚乳酸高分子材料改进进行公开报道，但仍存在聚乳酸用量大成本高、耐热性能差、回收利用困难等缺陷。如中国发明专利ZL200610010449.1中公开了一种复合无机材料补强耐高温生物降解母粒的制备方法，其采用的生物降解树脂含量较大，按重量百分比计达30％～60％，导致成本较高，并且工艺加工上较困难，经济效益低。中国发明专利ZL200410061416.0中公开了一种淀粉类可生物降解塑料母料及其制备方法，其胶粘树脂重量份达30～300份，含量较高，成本加大，而且采用了胶粘树脂接枝反应引发剂过氧化二异丙苯和过氧化氢异丙苯，使材料回收利用困难。中国发明专利ZL03135999.X中公开了一种生物可降解聚合物，其以天然淀粉和聚乳酸为原料，适用于农用塑料膜和食品包装材料，但由于大部分生物降解树脂的玻璃 化温度很低(50～70℃)，使得制成品的应用领域受到限制。
综上所述，因此需要一种更好的易降解环保材料，来改善现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型易降解环保材料及其制备方法，本发明制备的环保材料热变形温度高、应用领域广、制品强度高、加工性能优异，且聚乳酸用量少，使得制备成本降低，且原材料环保无污染。
本发明提供了如下的技术方案：
一种新型易降解环保材料，包括以下重量份的原料：复合淀粉25-31份、纳米膨润土8-14份、纳米二氧化硅7-11份、植物纤维18-22份、无机填料6-10份、聚乳酸5-9份、扩链剂3-5份、表面处理剂2-4份、热塑性苯乙烯类弹性体7-12份、润滑剂3-6份、增韧剂4-8份、热稳定剂3-6份、分散剂4-7份、阻燃剂3-6份、抗氧剂3-5份、相容剂4-7份和去离子水13-17份。
优选的，所述环保材料包括以下重量份的原料：复合淀粉25-29份、纳米膨润土11-14份、纳米二氧化硅7-10份、植物纤维18-20份、无机填料7-10份、聚乳酸5-8份、扩链剂4-5份、表面处理剂2-3份、热塑性苯乙烯类弹性体8-12份、润滑剂3-5份、增韧剂4-7份、热稳定剂3-5份、分散剂4-6份、阻燃剂3-5份、抗氧剂3-4份、相容剂4-6份和去离子水15-17份。
优选的，所述环保材料包括以下重量份的原料：复合淀粉28份、纳米膨润土13份、纳米二氧化硅9份、植物纤维19份、无机填料8份、聚乳酸6份、扩链剂4份、表面处理剂2份、热塑性苯乙烯类弹性体11份、润滑剂4份、增韧剂6份、热稳定剂4份、分散剂5份、阻燃剂4份、抗氧剂3份、相容剂5份和去离子水16份。
一种新型易降解环保材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将复合淀粉置于50-55℃下烘干10-15min后，投入研磨机中研磨0.5-0.8h，再与纳米膨润土、纳米二氧化硅、增韧剂、热稳定剂、分散剂、相容剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在75-78℃下，以140-160r/min的转速搅拌20-25min，冷却后，得到混合物一；
b、将植物纤维、无机填料、热塑性苯乙烯类弹性体和润滑剂导入球磨机中球磨2.5-3h，再与聚乳酸、扩链剂和表面处理剂混合导入密炼机中，在200-220r/min的转速下密炼反应0.6-0.7h，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二导入混料机中，在超声下分散处理8-10min，再升温至80-82℃，搅拌混合15-18min，得到混合物三；
d、将混合物三、阻燃剂、抗氧剂混合导入双螺杆挤出机中，经过熔融挤出、冷却，即可得到成品。
优选的，所述步骤a的复合淀粉为醋酸酯淀粉、黄原酸酯淀粉、氨基甲酸酯淀粉、丁二酸酯淀粉和磷酸酯淀粉按质量比3:1:3:2:1混合而成。
优选的，所述步骤a的增韧剂为乙酰柠檬酸三丁酯、聚乙二醇和甘油按质量比5:2:3混合而成。
优选的，所述步骤a的相容剂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐和聚丙烯接枝甲基丙烯酸甲酯按质量比3:1混合而成。
优选的，所述步骤b的无机填料为碳酸钙、滑石粉和白炭黑按质量比7:5:2混合而成。
优选的，所述步骤b的热塑性苯乙烯类弹性体为苯乙烯-乙烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物按质量比2:2:1混合而成。
优选的，所述步骤d的阻燃剂为三氧化二锑、氧化铜和氧化镁按质量比3:1:1混合而成。
本发明的有益效果是：
本发明制备的环保材料热变形温度高、应用领域广、制品强度高、加工性能优异，且聚乳酸用量少，使得制备成本降低，且原材料环保无污染。
本发明中的复合淀粉为醋酸酯淀粉、黄原酸酯淀粉、氨基甲酸酯淀粉、丁二酸酯淀粉和磷酸酯淀粉的配比，在该比例下，形成的基料可降解性以及可塑性非常好，而加入的纳米膨润土、纳米二氧化硅成分，可实现机械强度的显著提升，并且成本低。
本发明中的增韧剂为乙酰柠檬酸三丁酯、聚乙二醇和甘油的配比，在该比例下，三者的配合，可有效改善成品的韧性，提高其拉伸强度和加工性能。
本发明中的相容剂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐和聚丙烯接枝甲基丙烯酸甲酯的配比，在该比例下，可有效改善材料间的刘工新，提高其混合分散性，促进材料分散更加均匀，使得制备的材料结构性能更加优异。
本发明中的无机填料为碳酸钙、滑石粉和白炭黑的配比，以上成分有利于配合植物纤维，协同作用下，提高成品的机械强度，并且有利于使得制备的成品色泽均匀、表面自然光滑，而植物纤维有利于使得制备的成品不易氧化、不易开裂，从而延长其使用寿命，并且其在自然环境中的降解效率更快。
本发明中的热塑性苯乙烯类弹性体为苯乙烯-乙烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物的配比，其保温隔热效果好，具优良的附着力、耐冲击性和柔韧性。
具体实施方式
实施例1
一种新型易降解环保材料，包括以下重量份的原料：复合淀粉31份、纳米膨润土8份、纳米二氧化硅11份、植物纤维22份、无机填料6份、聚乳酸5份、扩链剂5份、表面处理剂4份、热塑性苯乙烯类弹性体7份、润滑剂3份、增韧剂4份、热稳定剂3份、分散剂4份、阻燃剂6份、抗氧剂5份、相容剂4份和去离子水17份。
一种新型易降解环保材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将复合淀粉置于55℃下烘干10min后，投入研磨机中研磨0.6h，再与纳米膨润土、纳米二氧化硅、增韧剂、热稳定剂、分散剂、相容剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在78℃下，以140r/min的转速搅拌25min，冷却后，得到混合物一；
b、将植物纤维、无机填料、热塑性苯乙烯类弹性体和润滑剂导入球磨机中球磨2.5h，再与聚乳酸、扩链剂和表面处理剂混合导入密炼机中，在220r/min的转速下密炼反应0.6h，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二导入混料机中，在超声下分散处理8min，再升温至80℃，搅拌混合15min，得到混合物三；
d、将混合物三、阻燃剂、抗氧剂混合导入双螺杆挤出机中，经过熔融挤出、冷却，即可得到成品。
步骤a的复合淀粉为醋酸酯淀粉、黄原酸酯淀粉、氨基甲酸酯淀粉、丁二酸酯淀粉和磷酸酯淀粉按质量比3:1:3:2:1混合而成。
步骤a的增韧剂为乙酰柠檬酸三丁酯、聚乙二醇和甘油按质量比5:2:3混合而成。
步骤a的相容剂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐和聚丙烯接枝甲基丙烯酸甲酯按质量比3:1混合而成。
步骤b的无机填料为碳酸钙、滑石粉和白炭黑按质量比7:5:2混合而成。
步骤b的热塑性苯乙烯类弹性体为苯乙烯-乙烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物按质量比2:2:1混合而成。
步骤d的阻燃剂为三氧化二锑、氧化铜和氧化镁按质量比3:1:1混合而成。
实施例2
一种新型易降解环保材料，包括以下重量份的原料：复合淀粉29份、纳米膨润土11份、纳米二氧化硅7份、植物纤维20份、无机填料7份、聚乳酸5份、扩链剂5份、表面处理剂3份、热塑性苯乙烯类弹性体8份、润滑剂3份、增韧剂7份、热稳定剂5份、分散剂4份、阻燃剂3份、抗氧剂3份、相容剂6份和去离子水17份。
一种新型易降解环保材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将复合淀粉置于50℃下烘干15min后，投入研磨机中研磨0.7h，再与纳米膨润土、纳米二氧化硅、增韧剂、热稳定剂、分散剂、相容剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在78℃下，以160r/min的转速搅拌25min，冷却后，得到混合物一；
b、将植物纤维、无机填料、热塑性苯乙烯类弹性体和润滑剂导入球磨机中球磨3h，再与聚乳酸、扩链剂和表面处理剂混合导入密炼机中，在220r/min的转速下密炼反应0.7h，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二导入混料机中，在超声下分散处理10min，再升温至82℃，搅拌混合18min，得到混合物三；
d、将混合物三、阻燃剂、抗氧剂混合导入双螺杆挤出机中，经过熔融挤出、冷却，即可得到成品。
步骤a的复合淀粉为醋酸酯淀粉、黄原酸酯淀粉、氨基甲酸酯淀粉、丁二酸酯淀粉和磷酸酯淀粉按质量比3:1:3:2:1混合而成。
步骤a的增韧剂为乙酰柠檬酸三丁酯、聚乙二醇和甘油按质量比5:2:3混合而成。
步骤a的相容剂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐和聚丙烯接枝甲基丙烯酸甲酯按质量比3:1混合而成。
步骤b的无机填料为碳酸钙、滑石粉和白炭黑按质量比7:5:2混合而成。
步骤b的热塑性苯乙烯类弹性体为苯乙烯-乙烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物按质量比2:2:1混合而成。
步骤d的阻燃剂为三氧化二锑、氧化铜和氧化镁按质量比3:1:1混合而成。
实施例3
一种新型易降解环保材料，包括以下重量份的原料：复合淀粉28份、纳米膨润土13份、纳米二氧化硅9份、植物纤维19份、无机填料8份、聚乳酸6份、扩链剂4份、表面处理剂2份、热塑性苯乙烯类弹性体11份、润滑剂4份、增韧剂6份、热稳定剂4份、分散剂5份、阻燃剂4份、抗氧剂3份、相容剂5份和去离子水16份。
一种新型易降解环保材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将复合淀粉置于50℃下烘干10min后，投入研磨机中研磨0.5h，再与纳米膨润土、纳米二氧化硅、增韧剂、热稳定剂、分散剂、相容剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在78℃下，以160r/min的转速搅拌25min，冷却后，得到混合物一；
b、将植物纤维、无机填料、热塑性苯乙烯类弹性体和润滑剂导入球磨机中球磨3h，再与聚乳酸、扩链剂和表面处理剂混合导入密炼机中，在200r/min的转速下密炼反应0.6h，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二导入混料机中，在超声下分散处理10min，再升温至80℃，搅拌混合18min，得到混合物三；
d、将混合物三、阻燃剂、抗氧剂混合导入双螺杆挤出机中，经过熔融挤出、冷却，即可得到成品。
步骤a的复合淀粉为醋酸酯淀粉、黄原酸酯淀粉、氨基甲酸酯淀粉、丁二酸酯淀粉和磷酸酯淀粉按质量比3:1:3:2:1混合而成。
步骤a的增韧剂为乙酰柠檬酸三丁酯、聚乙二醇和甘油按质量比5:2:3混合而成。
步骤a的相容剂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐和聚丙烯接枝甲基丙烯酸甲酯按质量比3:1混合而成。
步骤b的无机填料为碳酸钙、滑石粉和白炭黑按质量比7:5:2混合而成。
步骤b的热塑性苯乙烯类弹性体为苯乙烯-乙烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物按质量比2:2:1混合而成。
步骤d的阻燃剂为三氧化二锑、氧化铜和氧化镁按质量比3:1:1混合而成。
对比例1
采用现有技术中的普通环保材料进行检测对比。
检测以上实施例和对比例制备的成品，得到以下检测数据：
表一：
| 检测项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 |
| 90天降解率（%） | 64 | 66 | 67 | 42 |
| 密度（g/cm³） | 1.16 | 1.15 | 1.17 | 0.88 |
| 热变形温度（℃） | 113 | 114 | 119 | 104 |
| 拉伸强度（MPa） | 36 | 35 | 38 | 29 |
| 断裂伸长率（%） | 580 | 610 | 620 | 550 |
由表一所得的实验数据，可以得出，本发明的制备方法制备的成品的各项性能显著优异于现有技术中的普通产品，并且在本发明的实施例3中优选的制备方案，其得到的成品性能最为优异。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型易降解环保材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：复合淀粉25-31份、纳米膨润土8-14份、纳米二氧化硅7-11份、植物纤维18-22份、无机填料6-10份、聚乳酸5-9份、扩链剂3-5份、表面处理剂2-4份、热塑性苯乙烯类弹性体7-12份、润滑剂3-6份、增韧剂4-8份、热稳定剂3-6份、分散剂4-7份、阻燃剂3-6份、抗氧剂3-5份、相容剂4-7份和去离子水13-17份。
2.根据权利要求1所述的一种新型易降解环保材料，其特征在于，所述环保材料包括以下重量份的原料：复合淀粉25-29份、纳米膨润土11-14份、纳米二氧化硅7-10份、植物纤维18-20份、无机填料7-10份、聚乳酸5-8份、扩链剂4-5份、表面处理剂2-3份、热塑性苯乙烯类弹性体8-12份、润滑剂3-5份、增韧剂4-7份、热稳定剂3-5份、分散剂4-6份、阻燃剂3-5份、抗氧剂3-4份、相容剂4-6份和去离子水15-17份。
3.根据权利要求1所述的一种新型易降解环保材料，其特征在于，所述环保材料包括以下重量份的原料：复合淀粉28份、纳米膨润土13份、纳米二氧化硅9份、植物纤维19份、无机填料8份、聚乳酸6份、扩链剂4份、表面处理剂2份、热塑性苯乙烯类弹性体11份、润滑剂4份、增韧剂6份、热稳定剂4份、分散剂5份、阻燃剂4份、抗氧剂3份、相容剂5份和去离子水16份。
4.权利要求1-3任一项所述的一种新型易降解环保材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
a、将复合淀粉置于50-55℃下烘干10-15min后，投入研磨机中研磨0.5-0.8h，再与纳米膨润土、纳米二氧化硅、增韧剂、热稳定剂、分散剂、相容剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在75-78℃下，以140-160r/min的转速搅拌20-25min，冷却后，得到混合物一；
b、将植物纤维、无机填料、热塑性苯乙烯类弹性体和润滑剂导入球磨机中球磨2.5-3h，再与聚乳酸、扩链剂和表面处理剂混合导入密炼机中，在200-220r/min的转速下密炼反应0.6-0.7h，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二导入混料机中，在超声下分散处理8-10min，再升温至80-82℃，搅拌混合15-18min，得到混合物三；
d、将混合物三、阻燃剂、抗氧剂混合导入双螺杆挤出机中，经过熔融挤出、冷却，即可得到成品。
5.根据权利要求4所述的一种新型易降解环保材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的复合淀粉为醋酸酯淀粉、黄原酸酯淀粉、氨基甲酸酯淀粉、丁二酸酯淀粉和磷酸酯淀粉按质量比3:1:3:2:1混合而成。
6.根据权利要求4所述的一种新型易降解环保材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的增韧剂为乙酰柠檬酸三丁酯、聚乙二醇和甘油按质量比5:2:3混合而成。
7.根据权利要求4所述的一种新型易降解环保材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的相容剂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐和聚丙烯接枝甲基丙烯酸甲酯按质量比3:1混合而成。
8.根据权利要求4所述的一种新型易降解环保材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b的无机填料为碳酸钙、滑石粉和白炭黑按质量比7:5:2混合而成。
9.根据权利要求4所述的一种新型易降解环保材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b的热塑性苯乙烯类弹性体为苯乙烯-乙烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物按质量比2:2:1混合而成。
10.根据权利要求4所述的一种新型易降解环保材料的制备方法，其特征在于，所述步骤d的阻燃剂为三氧化二锑、氧化铜和氧化镁按质量比3:1:1混合而成。
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