專利名稱:一種完全生物降解塑料材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種能在堆肥條件下完全生物降解塑料材料及其制備方法。
背景技術(shù):
滿足堆肥條件生物降解性能的脂肪族聚酯類樹脂包括聚α -羥基烷基酸酯(如聚乳酸)、聚羥基烷基酸酯(如聚羥基丁酸酯、羥基丁酸酯羥基戊酸酯共聚物)、聚ω-羥基烷基酸酯(如聚己內(nèi)酸酯),還包括二元酸二元醇的共聚酯,后者結(jié)構(gòu)當(dāng)由偶數(shù)碳的二元酸和二元醇組成時(shí)具有較好的堆肥條件生物降解性能。另外一類具有較大成本優(yōu)勢的聚酯樹脂材料是一類脂肪族-芳香族共聚酯材料。聚乳酸經(jīng)由淀粉發(fā)酵、單體聚合等過程得到,為一類熱塑性脂肪族聚酯,力學(xué)性能與PET樹脂相當(dāng),具有強(qiáng)度高,透明性好和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn),但柔韌性不是很高,生物降解速率較低,對加工成型設(shè)備也需要特殊的要求。脂肪族-芳香族共聚酯,具有可生物降解性,可熔融加工性,耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性,但是,由于其力學(xué)強(qiáng)度不高,因而其應(yīng)用受到一定限制?,F(xiàn)有技術(shù)中,也有將聚乳酸脂肪族-芳香族共聚酯共混得到的生物降解塑料材料。如中國專利CN200910106176. 4公開了一種可完全生物降解材料,包含的成分及重量份數(shù)為100份聚酯樹脂、5 100份聚乳酸樹脂及其共聚物、10 80份復(fù)合變性淀粉、10 60份無機(jī)填料、0.1 0.9份偶聯(lián)劑。該塑料材料具有高強(qiáng)度,高模量、高斷裂伸長率、高韌性和耐熱性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是由于有淀粉填充劑的加入,在擠出機(jī)加工過程中其分散效果和塑化效果不盡理想,加工性能較差,所得制品的綜合性能也有待進(jìn)一步提高。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的首要目的在于提供一種完全生物降解塑料材料,該材料不僅具有優(yōu)越降解性能和老化性能,而且具有具有優(yōu)良力學(xué)性能和吹膜加工性能。本發(fā)明的另一目的在于提供上述完全生物降解塑料材料的制備方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種完全生物降解塑料材料,其特征在于,按重量百分比計(jì),包含以下組分 聚乳酸(PLA )20-40%
長支鏈化脂肪族聚酯或長支鏈化脂肪族一芳香族共聚酯50-60%
擴(kuò)鏈劑0. 1-3%
填充劑1-10%
增塑劑5-10%
抗氧劑0. 1-1%
潤滑劑0. 1-1%
穩(wěn)定劑0. 1-1%
4成核劑
0.1-1%。所述聚乳酸的重均分子量> 70000,其中D-乳酸含量在3 7%。所述長支鏈化脂肪族聚酯為重均分子量在80000以上,其分子鏈由重均分子量在 4000以上的脂肪族聚酯共聚物通過多元醇或多元酸等多官能團(tuán)連接而成,且其含有有機(jī)二元酸殘基和有機(jī)二元醇?xì)埢?,可由通?1)表示
其中,Rl表示碳原子數(shù)為2 12的脂肪族基,R2表示碳院子數(shù)為4 12的脂肪族基,R3
表示含有多元醇或多元酸多官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子,η表示重復(fù)單元數(shù)。
所述長支鏈化脂肪族一芳香族共聚酯為重均分子量在8萬以上,其分子鏈由重均分子量在4000以上的脂肪族一芳香族聚酯共聚物通過多元醇等多官能團(tuán)機(jī)構(gòu)連接而成,且其含有有機(jī)二元酸殘基和有機(jī)二元醇?xì)埢挥赏ㄊ?2)表示 郝I-CW卜Rz-CXMJ^jrBa-COO-RkiXWsr HS (2)
其中,Rl表示碳原子數(shù)為2 12的脂肪族基,R2表示碳原子數(shù)為4 12的脂肪族
表示含芳香族結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子,R5表示多元醇等多官能團(tuán)結(jié)構(gòu)基團(tuán),ml、m2表示重復(fù)單元數(shù),
重復(fù)單元數(shù)m2 ^ 5,重復(fù)單元數(shù)ml ^ 20。本發(fā)明優(yōu)選丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物(PBSA)。所述擴(kuò)鏈劑選自1,4 一苯基一雙O —惡哇琳)、二縮水甘油酯、雙惡哇琳)、 甲苯二異氰酸酯、均苯四酐、二苯基甲烷二異氰酸酯、二氯甲酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、間苯二酞基雙己內(nèi)酞胺、新型擴(kuò)鏈劑ADR-4370、異氰尿酸三縮水甘油酯、六亞甲基二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯中的一種或一種以上的混合物。所述填充劑為選自碳酸鈣、滑石粉、二氧化硅微粉、高嶺土、云母中的任意一種; 所述增塑劑選自環(huán)氧大豆油、聚乙二醇、己二酸二辛酯、水、甘油、偏苯三酸三辛酯、乙
酰檸檬酸三丁酯中的任意一種;
所述抗氧劑選自雙酚A、1、4_雙叔丁基過氧異丙基苯、N,N‘ -六亞甲基雙[3,5 —二叔] 基一 4 一羥基苯丙酰胺]、亞磷酸雙酚A酯、β - (3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸十八碳醇酯、四[β (3,5—二叔丁基一 4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯、亞磷酸三(2,4_ 二叔丁基苯基)酯、4’ 4’ -雙-(α α,-二甲基芐基)二苯胺、十二硫代丙酯、1、4-雙叔丁基過氧異丙基苯中的兩種或兩種以上的混合物;
所述潤滑劑選自硬酯酰胺、油酸酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸鋅、金屬皂的高分子復(fù)合酯、乙撐雙硬脂酰胺、聚乙烯蠟中的兩種或兩種以上的混合物;
所述穩(wěn)定劑選自硬脂酸鈣、氧化鋅、氧化鎂、二氧化硅、高嶺土、蒙脫土中任意一種; 所述成核劑選自碳酸鋁、對苯二甲酸、滑石粉、氫氧化鋁、氧化鋁中任意一種。本發(fā)明所提供的完全生物降解塑料材料還包括封端劑、除酸試劑、除水試劑等穩(wěn)定助劑0. 1 3%,所述穩(wěn)定助劑是含噁唑基、異氰酸酯基、異硫氰酸酯基、環(huán)氧基、活性硅烷基、或它們的混合基的有機(jī)分子物質(zhì)。
基,R4
一種完全生物降解塑料材料的制備方法,其特征在于包括以下步驟
a、將聚乳酸、長支鏈化脂肪族聚酯或長支鏈化脂肪族一芳香族共聚酯按配比在混料機(jī)中混合,干燥后得到預(yù)混料;
b、將干燥后的預(yù)混料和各種添加劑按配比在高混機(jī)中混合,得到混合料;
C、將混合料由計(jì)量稱精確計(jì)量喂入雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行熔融塑化、擠出、切粒即得; 其中,所述擠出機(jī)螺桿組合為高剪切元件、密煉元件、捏合元件、輸送原件組合排列。所述雙螺桿擠出機(jī)為同向平行雙螺桿擠出機(jī)、異向平行雙螺桿擠出機(jī)或錐形雙螺桿擠出機(jī);其長徑比為40:1、56:1或60:1 ;擠出機(jī)功率為65D、75A或75D型號。所述高速混合機(jī)為變頻高速混合機(jī),計(jì)量稱為失重式計(jì)量稱。所述切粒的方式為拉條過水槽進(jìn)入白鋼刀切粒機(jī)造粒、水下切粒或水環(huán)切粒。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)本發(fā)明將聚乳酸與脂肪族-芳香族共聚酯共混,輔佐以各種添加劑,改善了PBSA制品的力學(xué)特性,同時(shí)改善了聚乳酸的柔韌性和降解速率,制備得到的完全生物降解塑料具有優(yōu)越降解性能和老化性能。其生物降解性能符合生物降解塑料Enl3432的使用要求,且在進(jìn)行吹膜成型加工后能保證優(yōu)良的膜材力學(xué)性能;
(2)本發(fā)明關(guān)鍵技術(shù)更在于在同一配方基礎(chǔ)上引用了三套螺桿組合,實(shí)現(xiàn)了在65D機(jī)型和75D機(jī)型上的加工,并且通過螺桿組合的調(diào)整實(shí)現(xiàn)了不同長徑比(40 1 ;56:1 ;60 1) 的生產(chǎn),改善了其加工性能,從而得到具有優(yōu)良力學(xué)性能和吹膜加工性能的完全生物降解塑料;
(3)本發(fā)明所提供的完全生物降解塑料材料可以通過吹塑成型的方法來制備優(yōu)良物理化學(xué)性能的膜制品。該膜制品的生物降解是在堆肥條件下降解,在1年內(nèi)膜材的物理化學(xué)性能滿足日常使用需求,廣泛應(yīng)用于包裝行業(yè),及農(nóng)用產(chǎn)品。
圖1為實(shí)施例1用的螺桿組合的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2為實(shí)施例2用的螺桿組合的結(jié)構(gòu)示意圖3為實(shí)施例2用的螺桿組合A部分的放大圖; 圖4為實(shí)施例2用的螺桿組合B部分的放大圖; 圖5為實(shí)施例3用的螺桿組合的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本發(fā)明,以下實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受下述實(shí)施例的限制。實(shí)施例1
按下列重量百分比稱取各組分
PLA 40
PBSA 50
碳酸鈣5
DOA3甲苯二異氰酸酯1
亞磷酸雙酚A酯0. 1
十二硫代丙酯0. 1
硬脂酸鋅0. 1
油酸酰胺0. 1
乙撐雙硬脂酰胺0. 2
硬脂酸鈣0. 1
滑石粉0. 3 制備工藝如下
將聚乳酸PLA與PBSA按照配比混合后放入烘箱,在50-80°C條件下進(jìn)行除濕干燥8小
時(shí);
將干燥后的混合料和各種添加助劑按照配比投入高混機(jī)中高速混合30s ; 使用計(jì)量稱精確計(jì)量喂入擠出機(jī); 擠出機(jī)長徑比為40:1 ;
擠出機(jī)功率和型號65D機(jī)型,同向平行雙螺桿擠出機(jī);
混煉溫度如下一段90-100°C; 二段130-140°C ;三段190-200°C ;四段 210-2200C ;五段 225-235V ;六段 225-235V ;七段 225-235V ;八段 210-220°C ;九段 190-2000C ;機(jī)頭 180-190°C ;
螺桿組合見圖1所示,1為導(dǎo)程56,長度56大螺紋輸送塊;2為導(dǎo)程72,長度72輸送塊;3為導(dǎo)程56,長度56輸送塊;4為為6片捏合片組成的30度,長度56的左向剪切螺紋塊;5為5片捏合片組成的45度,長度56的剪切螺紋塊;6為5片捏合片組成的45度,長度56的左向剪切螺紋塊;7為5片捏合片組成的45度,長度36的剪切螺紋塊;為5片捏合片組成的45度,長度36的左向剪切螺紋塊;9為導(dǎo)程44,長度44輸送塊;10為導(dǎo)程44,長度22左向輸送塊;11為5片捏合片組成的90度,長度56的剪切螺紋塊;12為導(dǎo)程44,長度22輸送塊;13為下料口 ; 14為排氣口 ;
選用水下切粒制得制品。獲得制品按照GB進(jìn)行測試的性能結(jié)果見表1。
實(shí)施例2
按下列重量百分比稱取各組分PLA 20PBSA 60碳酸鈣9DOA7甲苯二異氰酸酯1亞磷酸雙酚A酯0.5十二硫代丙酯0.4硬脂酸鋅0.1油酸酰胺0.4乙撐雙硬脂酰胺0.6硬脂酸鈣0.5滑石粉0. 5
制備工藝如下
將聚乳酸PLA與PBSA按照配比混合后放入烘箱,在50-80°C條件下進(jìn)行除濕干燥8小
時(shí);
將干燥后的混合料和各種添加助劑按照配比投入高混機(jī)中高速混合30s ; 使用計(jì)量稱精確計(jì)量喂入擠出機(jī); 擠出機(jī)長徑比為60:1;
擠出機(jī)功率和型號75D機(jī)型,同向平行雙螺桿擠出機(jī);
混煉溫度如下一段 80-90°C ;二段 80-90°C ;三段 90-100°C ;四段 90-100°C ; 五段 100-110°C;六段 140-150°C;七段 180_190°C ;八段 200_210°C ;九段 200-210°C;十段 200-2100C H^一段 200_210°C ;十二段 200_210°C ;十三段 190-200°C ; 十四段 180-190°C ;機(jī)頭 180-190°C ;
螺桿組合如圖2-4所示,1為導(dǎo)程56,長度56大螺紋輸送塊;2為導(dǎo)程96,長度96輸送塊;3為導(dǎo)程72,長度72輸送塊;4為導(dǎo)程56,長度56輸送塊;5為為6片捏合片組成的30 度,長度72的三頭和雙頭混合剪切螺紋塊;6為5片捏合片組成的45度,長度56的剪切螺紋塊;7為為5片捏合片組成的45度,長度56的左向剪切螺紋塊;8為5片捏合片組成的 45度,長度36的剪切螺紋塊;9為5片捏合片組成的45度,長度36的左向剪切螺紋塊;10 為5片捏合片組成的90度,長度56的剪切螺紋塊;11為下料口 ;12為排氣口 ;
選用水環(huán)切粒制得制品。獲得制品按照GB進(jìn)行測試的性能結(jié)果見表1。
實(shí)施例3
按下列重量百分比稱取各組分 PLA PBSA 碳酸鈣 DOA
甲苯二異氰酸酯亞磷酸雙酚A酯十二硫代丙酯硬脂酸鋅油酸酰胺乙撐雙硬脂酰胺硬脂酸鈣滑石粉
制備工藝如下
將聚乳酸PLA與PBSA按照配比混合后放入烘箱,在50-80°C條件下進(jìn)行除濕干燥8小
時(shí);
將干燥后的混合料和各種助劑填料按照配比投入高混機(jī)中高速混合30s ; 使用計(jì)量稱精確計(jì)量喂料如擠出機(jī);
30 55 2 6 1
0. 1 0. 4 0. 4 0. 4 0. 5 0. 4 0. 5擠出機(jī)長徑比為40:1 ;
擠出機(jī)功率和型號65D機(jī)型,同向平行雙螺桿擠出機(jī);
混煉溫度如下 一段90-100°C ;二段130-140°C ;三段190-200°C ;四段 210-2200C ;五段 225-235V ;六段 225-235V ;七段 225-235V ;八段 210-220°C ; 九段 190-200°C ;機(jī)頭 180-190°C ;
螺桿組合如圖5所示,1為導(dǎo)程56,長度56大螺紋輸送塊;2為導(dǎo)程96,長度96輸送塊;3為導(dǎo)程72,長度72輸送塊;4為導(dǎo)程72,長度36輸送塊;5為導(dǎo)程56,長度56輸送塊; 6為7片捏合片組成的30度,長度72的剪切螺紋塊;7為5片捏合片組成的45度,長度56 的剪切螺紋塊;8為為5片捏合片組成的45度,長度56的左向剪切螺紋塊;9為5片捏合片組成的45度,長度36的剪切螺紋塊;10為5片捏合片組成的45度,長度36的左向剪切螺紋塊;11為導(dǎo)程36,長度96的齒形盤;12為導(dǎo)程72,長度36的左向輸送塊;13為下料口 ; 14為排氣口 ;
選用拉條過15米水槽進(jìn)入白鋼刀切粒機(jī)造粒制得制品。獲得制品按照GB進(jìn)行測試的性能結(jié)果見表1。 表1實(shí)施例廣3性能測試結(jié)果
權(quán)利要求
1. 一種完全生物降解塑料材料,其特征在于,按重量百分比計(jì),包含以下組分聚乳酸20-40%長支鏈化脂肪族聚酯或長支鏈化脂肪族一芳香族共聚酯50-60%擴(kuò)鏈劑0. 1-3% 填充劑 1-10%增塑劑5-10%抗氧劑0. 1-1%潤滑劑0. 1-1%穩(wěn)定劑0. 1-1%成核劑0. 1-1%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全生物降解塑料材料,其特征在于所述聚乳酸的重均分子量> 70000,其中D-乳酸含量在3 7%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全生物降解塑料材料,其特征在于所述長支鏈化脂肪族聚酯為重均分子量在80000以上,其分子鏈由重均分子量在4000以上的脂肪族聚酯共聚物通過多元醇或多元酸等多官能團(tuán)連接而成,且其含有有機(jī)二元酸殘基和有機(jī)二元醇?xì)埢?可由通式(1)表示..f R 卜 Γ< H >-R2 — ,0O +; Κ3 (1)其中,Rl表示碳原子數(shù)為2 12的脂肪族基,R2表示碳院子數(shù)為4 12的脂肪族基,R3表示含有多元醇或多元酸多官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子,η表示重復(fù)單元數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全生物降解塑料材料,其特征在于所述長支鏈化脂肪族一芳香族共聚酯為重均分子量在8萬以上,其分子鏈由重均分子量在4000以上的脂肪族一芳香族聚酯共聚物通過多元醇等多官能團(tuán)機(jī)構(gòu)連接而成,且其含有有機(jī)二元酸殘基和有機(jī)二元醇?xì)埢?;由通?2)表示—Rl-COO-IO-COO·!^·—COO-RW(M)^jf R5 (2)其中,Rl表示碳原子數(shù)為2 12的脂肪族基,R2表示碳原子數(shù)為4 12的脂肪族基,R4表示含芳香族結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子,R5表示多元醇等多官能團(tuán)結(jié)構(gòu)基團(tuán),ml、m2表示重復(fù)單元數(shù),重復(fù)單元數(shù)m2 ^ 5,重復(fù)單元數(shù)ml ^ 20。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全生物降解塑料材料,其特征在于所述擴(kuò)鏈劑選自1,4 一苯基一雙O —惡哇琳)、二縮水甘油酯、雙O —惡哇琳)、甲苯二異氰酸酯、均苯四酐、二苯基甲烷二異氰酸酯、二氯甲酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、間苯二酞基雙己內(nèi)酞胺、新型擴(kuò)鏈劑ADR-4370、異氰尿酸三縮水甘油酯、六亞甲基二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯中的一種或一種以上的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全生物降解塑料材料,其特征在于所述填充劑為選自碳酸鈣、滑石粉、二氧化硅微粉、高嶺土、云母中的任意一種;所述增塑劑選自環(huán)氧大豆油、聚乙二醇、己二酸二辛酯、水、甘油、偏苯三酸三辛酯、乙酰檸檬酸三丁酯中的任意一種;所述抗氧劑選自雙酚A、1、4-雙叔丁基過氧異丙基苯、N,N ‘ -六亞甲基雙[3,5 — 二叔]基一 4 一羥基苯丙酰胺]、亞磷酸雙酚A酯、β - (3,5- 二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸十八碳醇酯、四 [β (3,5—二叔丁基一 4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯、亞磷酸三(2,4_ 二叔丁基苯基)酯、4’ 4’-雙-(α α,_二甲基芐基)二苯胺、十二硫代丙酯、1、4-雙叔丁基過氧異丙基苯中的兩種或兩種以上的混合物;所述潤滑劑選自硬酯酰胺、油酸酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸鋅、 金屬皂的高分子復(fù)合酯、乙撐雙硬脂酰胺、聚乙烯蠟中的兩種或兩種以上的混合物;所述穩(wěn)定劑選自硬脂酸鈣、氧化鋅、氧化鎂、二氧化硅、高嶺土、蒙脫土中任意一種;所述成核劑選自碳酸鋁、對苯二甲酸、滑石粉、氫氧化鋁、氧化鋁中任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全生物降解塑料材料,其特征在于還包括封端劑、除酸試劑、除水試劑等穩(wěn)定助劑0. 1 3%,所述穩(wěn)定助劑是含噁唑基、異氰酸酯基、異硫氰酸酯基、環(huán)氧基、活性硅烷基、或它們的混合基的有機(jī)分子物質(zhì)。
8.權(quán)利要求廣7任一項(xiàng)所述的完全生物降解塑料材料的制備方法,其特征在于包括以下步驟a、將聚乳酸、長支鏈化脂肪族聚酯或長支鏈化脂肪族一芳香族共聚酯按配比在混料機(jī)中混合,干燥后得到預(yù)混料;b、將干燥后的預(yù)混料和各種添加劑按配比在高混機(jī)中混合,得到混合料;c、將混合料由計(jì)量稱精確計(jì)量喂入雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行熔融塑化、擠出、切粒即得;其中,所述擠出機(jī)螺桿組合為高剪切元件、密煉元件、捏合元件、輸送原件組合排列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的淀粉類完全生物降解材料的制備方法,其特征在于所述雙螺桿擠出機(jī)為同向平行雙螺桿擠出機(jī)、異向平行雙螺桿擠出機(jī)或錐形雙螺桿擠出機(jī);其長徑比為 40:1、56:1 或 60:1。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的淀粉類完全生物降解材料的制備方法,其特征在于所述切粒的方式為拉條過水槽進(jìn)入白鋼刀切粒機(jī)造粒、水下切粒或水環(huán)切粒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種完全生物降解塑料材料,按重量百分比計(jì),包含聚乳酸 20-40%;長支鏈化脂肪族聚酯或長支鏈化脂肪族-芳香族共聚酯50-60%;擴(kuò)鏈劑0.1-3%;填充劑 1-10%;增塑劑5-10%;抗氧劑0.1-1%;潤滑劑0.1-1%;穩(wěn)定劑0.1-1%;成核劑0.1-1%。其制備方法是將各組分在高速混合機(jī)中混合后由計(jì)量稱精確計(jì)量喂料入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出造粒而制得,本發(fā)明通過螺桿組合的調(diào)整,經(jīng)過反應(yīng)性混煉擠出,改善了PBSA制品的力學(xué)特性,同時(shí)改善了聚乳酸的柔韌性和降解速率,得到的完全生物降解塑料材料不僅具有優(yōu)異的生物降解性能和老化性能,而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能和吹膜加工性能。
文檔編號C08L67/04GK102492271SQ20111039473
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者夏世勇, 徐依斌, 曾祥斌, 焦建, 苑仁旭, 蔡彤旻, 趙崴, 鐘宇科 申請人:上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司, 珠海萬通化工有限公司, 金發(fā)科技股份有限公司