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CN110204794B - 一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法 - Google Patents

一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法 Download PDF

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CN110204794B CN201910539927.5A CN201910539927A CN110204794B CN 110204794 B CN110204794 B CN 110204794B CN 201910539927 A CN201910539927 A CN 201910539927A CN 110204794 B CN110204794 B CN 110204794B
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Abstract

本发明提出一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法，所述减震发泡包装材料是将淀粉糊化后与解束的秸秆纤维高速搅拌形成絮状料，同时将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油与水混合后螺杆挤出并粉碎为颗粒，接着将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，经单螺杆机挤出发泡而制得。本发明提供的减震包装材料，可实现完全降解，成本低廉，具有优异的回弹性，同时表面光泽均匀，耐水、耐潮性能好，具有适中的硬度、恰当的弹性和柔软的表面，应用前景广阔。

Description

一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法
技术领域
本发明涉及包装材料技术领域，特别是涉及一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法。
背景技术
近年来，随着商品经济，特别是电商行业的发展，为避免商品运输过程中的破损，包装材料的作用日益突出，包装市场规模急速扩大，特别是各种电子产品、陶瓷产品、玻璃产品、精密器具进入了电商物流行业，使得缓冲包装材料需求量加大。其中泡沫塑料由于其良好的缓冲性能和吸振性能成为近代广泛使用的缓包装冲材料。
然后，泡沫塑料包装材料的广泛应用对资源还是环境都造成了巨大的压力。为了减少包装对环境的压力，已有技术提出采用生物降解塑料替代传统塑料，然而，大部分生物降解塑料成本高，使得使用者难以接受。因此，寻求低成本的绿色环保发泡塑料成为各国研究的关注点。
淀粉是绿色植物光合作用的最终产物，是生物合成的最丰富的可再生资源，具有品种多、价格便宜等特点。此外，淀粉还具有挤出膨胀性能和抗静电作用 ，可以用于包装运输等领域。淀粉易受微生物侵蚀，具有优 良的生物降解性能。因此，开发淀粉基可降解泡沫塑料不仅为更好地利用丰富的天然资源开辟了一条新的途径，而且还可以解决“白色污染”，给我们现有的生活环境和可持续发展提供良好的“沃土”，另外还能缓解生化能源紧缺的危机。因此淀粉发泡塑料在包装领域具有可持续发展前景，在用于家电产品、3C电子、易碎品包装行业可以普遍替代EPE、EPS等发泡塑料。
中国发明专利申请号201810477566.1公开了一种淀粉共混可降解型包装材料，成分的质量配比包括：聚乙烯10份、树脂3-5份、玉米淀粉2-4份、土豆淀粉2-4份、乙烯-丙烯酸共聚物2-4份、乙烯-乙烯醇共聚物2-4份、聚乙烯醇2-4份、纤维素1-2份、木质素1-2份、光敏剂1-2份。中国发明专利申请号201811295553.9公开了一种淀粉基发泡缓冲材料以及包装材料，该淀粉基发泡缓冲材料主要由以下重量份计的原料制备得到：无机强碱11-17份、丙烯酸29-34份、丙烯酰胺12-24份、淀粉6-15份、引发剂0.4-0.6份、增塑剂0.4-0.6份以及交联剂0.4-0.6份。
为了解决淀粉发泡材料普遍存在的回弹性较差、发泡倍率低、密度低、韧性较差的问题，而同时改善淀粉发泡材料容易受潮而影响回弹性能的缺陷，有必要提出一种新型淀粉基发泡包装材料，进而提升淀粉发泡材料的综合性能。
发明内容
针对目前淀粉发泡包装材料存在回弹率低、发泡倍率低、容易受潮的缺陷，本发明提出一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法，从而在保证了淀粉发泡材料的低成本和生物降解性的同时，提高了材料回弹性、发泡倍率和耐水性，具有优良的减震缓冲作用。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，具体制备方法如下：
（1）将淀粉与水加入高速混合机中，加热至60-100℃并以500-700rpm的转速搅拌12-18min，使得淀粉糊化形成浆状糊，然后加入解束的秸秆纤维，继续搅拌20-30min，使得淀粉糊完全粘附秸秆纤维并形成团状，接着出料、冷却、粉碎，得到蓬松的絮状料；
（2）将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油加入高速混合机中，在室温条件下分散均匀，然后加入水，继续搅拌至半干态，得到半干态料；
（3）将半干态料送入单螺杆挤出机，控制螺杆挤出温度为80-110℃，转速为45-60Hz，使得挤出的物料呈白片状，并使部分聚乙烯醇塑化，然后自然冷却，接着粉碎并过5目筛网，得到粉碎颗粒；
（4）将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，然后经短长经比单螺杆机挤出发泡，所述单螺杆机的转速为300-500r/min，压力为30-60MPa，得到低成本高回弹性生物降解减震包装材料。
淀粉糊化过程中，充足的水分是保证淀粉糊化的关键因素，因此提高用水量可以加深淀粉的糊化效果，进而提高淀粉塑化性能，因此本发明的用水量优选为淀粉质量的60%；淀粉糊化过程中，搅拌可助长淀粉粒的崩裂，因此搅拌速度也是提高淀粉糊化的重要因素；由于淀粉在浆状条件下糊化较为完全，因此本发明得到的淀粉浆状糊易于完全粘附秸秆纤维，具有一定的塑化加工性能，不但可实现完全降解和降低发泡材料的成本，同时在纤维发泡后实现分散均匀，赋予发泡材料优异的回弹性，防止发泡体坍塌，提高韧性。优选的，步骤（1）中，淀粉、水、秸秆纤维的质量比例为10:6:15-30。
优选的，所述秸秆纤维由小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆、谷类秸秆、油菜杆、麻杆、芦苇杆、棉花杆、豆类杆中的一种或两种以上的组合加工而得到，长度为0.9-2mm。
优选的，步骤（2）中，淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油、水的质量比例为100:70-100:5-15:12-18:12；控制水的加入量为淀粉质量的12%，以保证在室温混合时淀粉为半干态，防止成团，影响后续加料。
优选的，所述淀粉为绿豆淀粉、木薯淀粉、甘薯淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、菱角淀粉、藕淀粉、玉米淀粉中的一种或两种以上的组合。
优选的，所述成核剂为纳米滑石粉、纳米二氧化硅中的一种。
进一步的，通过控制用水量和淀粉质量的比例，有效保证了在室温混合时淀粉为半干态，可防止成团而影响后续加料；通过加入硅油，不但使淀粉发泡流动性增加，而且使得淀粉发泡材料表面光泽均匀，提高材料的耐水、耐潮性能；在利用无机头压力的单螺杆挤出机时，必须良好控制螺杆转速，因为转速过慢会导致聚乙烯醇完全塑化，影响发泡倍率，而转速过快会造成提前发泡，因此本发明将转速控制在45-60Hz，进一步优选为50Hz，螺杆挤出的温度为100℃，可使物料较佳地呈现为白片状。
优选的，步骤（4）中絮状料、粉碎颗粒的质量比例为1:3-5。
更进一步的，在最后的短长经比单螺杆机挤出发泡过程中，为了保证发泡时在模头建立高压力，使得混合物料中残留的水分在短长经比单螺杆机挤出机的高速剪切、高压力作用下迅速发泡，得到具有适中的硬度、恰当的弹性和柔软的表面的减震发泡材料。优选的，步骤（4）中所述短长经比单螺杆机的长径比为10-15:1，单螺杆螺筒截面积与模头开孔截面积的比大于30，模头开孔形状可为圆柱状、片状、弓形状、齿形状中的一种。
本发明还提供一种所述制备方法制备得到的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料，所述减震发泡包装材料是将淀粉糊化后与解束的秸秆纤维高速搅拌形成絮状料，同时将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油与水混合后螺杆挤出并粉碎为颗粒，接着将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，经单螺杆机挤出发泡而制得。
现有的淀粉发泡材料存在回弹率低、发泡倍率低、容易受潮的缺陷，限制了其在包装材料领域的应用。鉴于此，本发明提出一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法，将淀粉与水加入高速混合机中，加热并高速搅拌糊化，形成浆状糊，然后将解束的秸秆纤维加入高速混合机，继续搅拌，直至淀粉糊完全粘附秸秆纤维，形成团状，然后出料、冷却、粉碎为蓬松的絮状料；将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油在室温条件下，在高速混合机中分散均匀，然后加入水，搅拌至半干态；将半干态料送入无机头压力的单螺杆挤出机，挤出后冷却，粉碎为颗粒；将絮状物与粉碎颗粒混合均匀，经短长经比单螺杆机挤出发泡，制得减震发泡材料。本发明提供的减震包装材料，可实现完全降解，成本低廉，具有优异的回弹性，同时表面光泽均匀，耐水、耐潮性能好，具有适中的硬度、恰当的弹性和柔软的表面，应用前景广阔。
本发明提出一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明通过预先在解束秸秆纤维裹覆糊化淀粉，得到的发泡材料不但可实现完全降解，并降低了发泡材料的成本，而且使得纤维发泡后分散均匀，赋予发泡材料优异的回弹性，可防止发泡体坍塌。
2、本发明的发泡材料中通过添加硅油，不但使淀粉发泡流动性增加，而且使得淀粉发泡材料表面光泽均匀，改善了耐水、耐潮性能。
3、本发明得到的减震包装材料具有适中的硬度、恰当的弹性和柔软的表面，同时具有环保无污染，成本低廉，可再生等优点。
附图说明
附图1：实施例1发泡的发泡体照片，发泡疏松，倍率高，表面光泽好。
附图2：对比例1未使用糊化淀粉预先包秸秆纤维，发泡倍率低，表面光泽差。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将淀粉与水加入高速混合机中，加热至90℃并以580rpm的转速搅拌16min，使得淀粉糊化形成浆状糊，然后将解束的秸秆纤维加入高速混合机，继续搅拌24min，使得淀粉糊完全粘附秸秆纤维并形成团状，接着出料、冷却、粉碎，得到蓬松的絮状料；淀粉为绿豆淀粉；其中，淀粉、水、秸秆纤维的质量比例为10:6:23；
（2）将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油加入高速混合机中，在室温条件下分散均匀，然后加入水，继续搅拌至半干态，得到半干态料；淀粉为绿豆淀粉；秸秆纤维由小麦秸秆加工而得到；成核剂为纳米滑石粉；其中，淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油、水的质量比例为100:90:9:16:12；
（3）将半干态料送入无机头压力的单螺杆挤出机，控制螺杆挤出温度和转速，使得挤出的物料呈白片状，并使部分聚乙烯醇塑化，然后自然冷却，接着粉碎并过5目筛网，得到粉碎颗粒；单螺杆挤出机为无机头压力的单螺杆挤出机，螺杆挤出的温度为100℃，转速控制在50Hz；
（4）将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，然后经短长经比单螺杆机挤出发泡，得到低成本高回弹性生物降解减震包装材料；其中，絮状料、粉碎颗粒的质量比例为1:4；短长经比单螺杆机的长径比为13:1，单螺杆螺筒截面积与模头开孔截面积的比为33，转速为400r/min，压力为45MPa，模头开孔形状为圆柱状。
测试方法：
将本实施例制备获得的减震包装材料进行回弹性能测试，采用游标卡尺测试本发明减震包装材料试样的直径，然后用卡尺夹住试样压缩至直径的1/2处，5s后松开，1min后再用卡尺测被压处的直径，计算回弹率的公式：回弹率=（回弹后的尺寸-1/2直径）/（1/2直径）×100%，得到结果如表1所示；
将本实施例制备获得的减震包装材料进行发泡倍率测试，参照GB/T6342-1996标准测试本发明的减震包装材料在螺杆挤出发泡过程中径向膨胀率，进而计算发泡倍率：发泡倍率=泡沫样品横截面半径/口模横截面半径，得到结果如表1所示；发泡倍率高，而且发泡体饱满。如附图1所示。
将本实施例制备获得的减震包装材料进行耐水性测试，将减震包装材料制成直径为3cm的球状发泡体，首先将样品首先在真空烘箱中70℃烘24小时，然后称重，记下此时的重量W0，然后在室温下置于水中，12h后去除去表面的水后重新称重得Wt，重复六次测试后计算吸水率：吸水率= (Wt-W0)/W0×100% ，得到结果如表1所示。
实施例2
（1）将淀粉与水加入高速混合机中，加热至60℃并以500rpm的转速搅拌18min，使得淀粉糊化形成浆状糊，然后将解束的秸秆纤维加入高速混合机，继续搅拌20min，使得淀粉糊完全粘附秸秆纤维并形成团状，接着出料、冷却、粉碎，得到蓬松的絮状料；淀粉为木薯淀粉；其中，淀粉、水、秸秆纤维的质量比例为10:6:15；
（2）将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油加入高速混合机中，在室温条件下分散均匀，然后加入水，继续搅拌至半干态，得到半干态料；淀粉为木薯淀粉；秸秆纤维由水稻秸秆加工而得到；成核剂为纳米二氧化硅；其中，淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油、水的质量比例为100:70:5:12:12；
（3）将半干态料送入无机头压力的单螺杆挤出机，控制螺杆挤出温度和转速，使得挤出的物料呈白片状，并使部分聚乙烯醇塑化，然后自然冷却，接着粉碎并过5目筛网，得到粉碎颗粒；单螺杆挤出机为无机头压力的单螺杆挤出机，螺杆挤出的温度为80℃，转速控制在45Hz；
（4）将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，然后经短长经比单螺杆机挤出发泡，得到低成本高回弹性生物降解减震包装材料；其中，絮状料、粉碎颗粒的质量比例为1:3；短长经比单螺杆机的长径比为10:1，单螺杆螺筒截面积与模头开孔截面积的比为31，转速为350r/min，压力为60MPa，模头开孔形状为片状。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
实施例3
（1）将淀粉与水加入高速混合机中，加热至100℃并以700rpm的转速搅拌12min，使得淀粉糊化形成浆状糊，然后将解束的秸秆纤维加入高速混合机，继续搅拌30min，使得淀粉糊完全粘附秸秆纤维并形成团状，接着出料、冷却、粉碎，得到蓬松的絮状料；淀粉为甘薯淀粉；其中，淀粉、水、秸秆纤维的质量比例为10:6: 30；
（2）将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油加入高速混合机中，在室温条件下分散均匀，然后加入水，继续搅拌至半干态，得到半干态料；淀粉为甘薯淀粉；秸秆纤维由玉米秸秆加工而得到；成核剂为纳米滑石粉；其中，淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油、水的质量比例为100:100: 15: 18:12；
（3）将半干态料送入无机头压力的单螺杆挤出机，控制螺杆挤出温度和转速，使得挤出的物料呈白片状，并使部分聚乙烯醇塑化，然后自然冷却，接着粉碎并过5目筛网，得到粉碎颗粒；单螺杆挤出机为无机头压力的单螺杆挤出机，螺杆挤出的温度为110℃，转速控制在60Hz；
（4）将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，然后经短长经比单螺杆机挤出发泡，得到低成本高回弹性生物降解减震包装材料；其中，絮状料、粉碎颗粒的质量比例为1:5；短长经比单螺杆机的长径比为15:1，单螺杆螺筒截面积与模头开孔截面积的比为35，转速为500r/min，压力为30MPa，模头开孔形状为弓形状。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
实施例4
（1）将淀粉与水加入高速混合机中，加热至80℃并以600rpm的转速搅拌15min，使得淀粉糊化形成浆状糊，然后将解束的秸秆纤维加入高速混合机，继续搅拌25min，使得淀粉糊完全粘附秸秆纤维并形成团状，接着出料、冷却、粉碎，得到蓬松的絮状料；淀粉为玉米淀粉；其中，淀粉、水、秸秆纤维的质量比例为10:6:25；
（2）将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油加入高速混合机中，在室温条件下分散均匀，然后加入水，继续搅拌至半干态，得到半干态料；淀粉为玉米淀粉；秸秆纤维由高粱秸秆加工而得到；成核剂为纳米滑石粉、纳米二氧化硅；其中，淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油、水的质量比例为100:85:10:15:12；
（3）将半干态料送入无机头压力的单螺杆挤出机，控制螺杆挤出温度和转速，使得挤出的物料呈白片状，并使部分聚乙烯醇塑化，然后自然冷却，接着粉碎并过5目筛网，得到粉碎颗粒；单螺杆挤出机为无机头压力的单螺杆挤出机，螺杆挤出的温度为100℃，转速控制在50Hz；
（4）将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，然后经短长经比单螺杆机挤出发泡，得到低成本高回弹性生物降解减震包装材料；其中，絮状料、粉碎颗粒的质量比例为1:4；短长经比单螺杆机的长径比为12:1，单螺杆螺筒截面积与模头开孔截面积的比为32，转速为450r/min，压力为50MPa，模头开孔形状为齿形状。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
对比例1
对比例1与实施例1相比，未预先在解束秸秆纤维裹覆糊化淀粉，而是直接加入解束的秸秆纤维，制得的减震包装材料采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。发泡体发泡倍率低，而且疏松性差，表面不圆润。如附图2所示。
表1：
性能指标 回弹率（%） 发泡倍率 12h吸水率（%）
实施例1 96.5 16.6 19.2
实施例2 96.7 17.3 12.5
实施例3 96.2 17.2 13.6
实施例4 96.4 16.9 12.1
对比例1 63.3 10.8 23.2

Claims (9)

1.一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，具体制备方法如下：
（1）将淀粉与水加入高速混合机中，加热至60-100℃并以500-700rpm的转速搅拌12-18min，使得淀粉糊化形成浆状糊，然后加入解束的秸秆纤维，继续搅拌20-30min，使得淀粉糊完全粘附秸秆纤维并形成团状，接着出料、冷却、粉碎，得到蓬松的絮状料；
（2）将淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油加入高速混合机中，在室温条件下分散均匀，然后加入水，继续搅拌至半干态，得到半干态料；
（3）将半干态料送入单螺杆挤出机，控制螺杆挤出温度为80-110℃，转速为45-60Hz，使得挤出的物料呈白片状，并使部分聚乙烯醇塑化，然后自然冷却，接着粉碎并过5目筛网，得到粉碎颗粒；
（4）将絮状料与粉碎颗粒混合均匀，然后经短长径比单螺杆机挤出发泡，所述单螺杆机的转速为300-500r/min，压力为30-60MPa，得到低成本高回弹性生物降解减震包装材料；所述短长径比单螺杆机的长径比为10-15:1，单螺杆螺筒截面积与模头开孔截面积的比大于30，模头开孔形状可为圆柱状、片状、弓形状、齿形状中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，淀粉、水、秸秆纤维的质量比例为10:6:15-30。
3.根据权利要求1所述的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，所述秸秆纤维由小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆、油菜杆、麻杆、芦苇杆、棉花杆、豆类杆中的一种或两种以上的组合加工而得到，长度为0.9-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，淀粉、聚乙烯醇、成核剂、硅油、水的质量比例为100:70-100:5-15:12-18:12。
5.根据权利要求1所述的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，所述淀粉为绿豆淀粉、木薯淀粉、甘薯淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、菱角淀粉、藕淀粉、玉米淀粉中的一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，所述成核剂为纳米滑石粉、纳米二氧化硅中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述单螺杆挤出机为无机头压力的单螺杆挤出机，螺杆挤出的温度为100℃，转速控制在50Hz。
8.根据权利要求1所述的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中絮状料、粉碎颗粒的质量比例为1:3-5。
9.如权利要求1-8任一权项所述制备方法制备得到的一种低成本高回弹性生物降解减震包装材料。
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