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威海云清--水性材料领航者

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复合生物降解塑料专用料制造技术及应用  

2011-12-26 10:50:23|  分类: 新型功能材料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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复合生物降解塑料专用料制造技术及应用
                                                                                                                                                               

       【内容摘要】
        本文介绍一种复合降解塑料专用料制造技术及其在降解塑料产品中的应用。复合降解塑料专用料是一种低成本、无污染、降解彻底的降解材料,其生产过程是对原材料品种的筛选及复合制造。通过对原材料的筛选与复合制造,既能充分利用作为再生资源的植物淀粉;同时又能制造饲料、肥料载体和具备可塑性和加工流动性的膨润土。采用该复合降解塑料专用料生产的降解塑料制品,在自然条件下可被微生物分解为对自然环境无害的物质,并且分解后在土壤中可直接转化为对植物有益的土壤有机物质,其低成本、无污染、降解彻底的特性,必然会使其成为未来降解塑料发展的领军产品。
       【关键词】
        复合降解塑料    淀粉   膨润土   助剂    制造技术   
        1.前言
        随着社会的进步,塑料制造技术的发展,越来越多的塑料制品在工业、农业、医药以及日用品等方面得到了广泛应用,但是,由于大部分塑料的不可降解性,或不彻底的降解性,导致了大量的不可降解塑料残留在了农田、大江、河流、湖泊、牧场等,形成了“白色污染”。特别是大量生产和使用不可降解的材料,不仅造成资源的巨大浪费,而且严重污染生态环境,成为可持续发展经济的绊脚石。目前,现有技术生产的光、生物降解材料,大都是以聚烯烃塑料添加淀粉或碳酸钙或滑石粉、烯烃润滑剂制得,但是这种降解塑料属于崩解型,不是全生物降解塑料。
而本文所阐述的复合生物降解塑料专用料则是通过把淀粉、膨润土与微生物合成聚合物及合成降解聚合物和能被各种微生物、光所能进攻和化学反应的增塑剂,自动氧化剂、相容剂经搅拌共混,双螺杆复合挤出造粒,进而生产成的可真正完全降解的新型的降解塑料。
        2.复合生物降解塑料专用料组分材料
        2.1 淀粉
        淀粉是由D-葡萄糖组成做的天然高分子链聚合物,其分子量可达数十万。淀粉的分子链结构可分为直链和支链两部分,其中直链淀粉可溶于水,属于一种热塑性高分子材料。降解塑料用淀粉首先要了解淀粉的分子结构,优选直链淀粉的比例大些,通过加入增塑剂进行改性达到一种热塑性天然高分子材料。
        2.2膨润土
        膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物的粘土岩,而蒙脱石是含水的层状铝硅酸盐矿物。膨润土具有很强的吸湿性、膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等等特性,因而被人们称之为“万能土”。并在动物饲料、土壤肥料等方面得到广泛应用。同时,由于膨润土具备可塑性和加工流动性,在自然条件下可被分解为对自然环境无害的物质。因此这为新型降解塑料中添加膨润土提供了理论与现实的可能性。
        2.3聚己内酯
        合成降解高分子材料脂肪族聚酯,聚己内酯(PCL),是合成降解高分子材料,它是唯一不溶于水而能被水降解的树脂。PCL可以完全生物降解,PCL可以分解的微生物广泛分布于喜氧和厌氧条件下的各种环境。PCL常作为共混材料与淀粉、聚丁烯琥珀酸酯(PBS)、聚乳酸(PLA)降解塑料、通用塑料等复合共混制成完全生物降解塑料。
        2.4微生物降解材料聚乳酸
        微生物降解材料聚乳酸(PLA),是以微生物发酵产物为单体而合成的微生物合成聚合物,在水域、土壤中可完全降解。PLA类降解材料成本低,降解效果好,在复合生物降解塑料的降解过程中具有举足轻重的地位。
        2.5聚丁烯琥珀酸酯
        聚丁烯琥珀酸酯(PBS),属于脂肪族聚酯,生物基聚丁烯琥珀酸酯(PBS)也已较多地用作购物袋和农业薄膜上,是较理想、价格低的生物降解塑料。
        3.复合降解塑料专用料助剂
        3.1增塑剂甘油、乙二醇能改善天然高分子降解材料的加工性及物理机械性能。
        3.2自动氧化剂为不饱和聚酯类,如玉米油、油酸乙酯等。它是一类可与土壤中金属盐反应生成过氧化物,从而促进末降解的小分子分子链发生断裂,进而降解成小分子化合物。
        3.3改性、相容剂,甲叉琥珀酸、EEA-乙烯/丙烯酸共聚物,主要用于天然高分子降解材料与树脂复合共混中,加入的目的是对天然高分子降解材料改性,和增加复合共混降解塑料专用料原材料之间的相容性。
        4.制造设备与工艺
        4.1制造设备
        混炼搅拌机、同向平行双螺杆挤出机是制造复合降解塑料专用料的重要组成部分。
        4.2生产工艺
        混炼搅拌机与搅拌工艺是制造复合降解塑料专用料的重点,它直接影响复合降解塑料专用料组分复合的均匀性、流动性、接枝改性等因素。调整混炼搅拌机搅拌温度,并保证材料有顺序的投放,才能得到高质量的复合降解塑料专用料的预混合料。双螺杆挤出机才能均衡的对预混合料捏合——反应——混炼——出粒然后检验、包装,并最终得到复合降解塑料专用料。其具体的工艺流程为:
        4.2.1天然高分子降解材料淀粉中含有大量羟基,分子间存在极强的氢键,分子结构中既有直链又有支链,热塑性差,物理机械性能硬而脆,为此淀粉必需复合改性处理。淀粉改性的第一步是在混炼搅拌机中进行,搅拌工艺的关键是确定搅拌温度和搅拌时间。因为搅拌是靠人控制的,随意性大,灵活性大,非常容易出现每锅/次的偏差,质量极不稳定。搅拌温度设定70℃~135℃,淀粉在高速、高剪切的作用下,疏水干燥,使其含水率由10%~17%下降到1%以下。加入增塑剂甘油、膨润土,甲叉琥珀酸进行改性,使其由亲水性变为疏水性淀粉。
        4.2.2改性淀粉与聚己内酯在搅拌机中物理反应,高速搅拌8分钟,物料温度大约在125℃左右,使聚己内酯全部熔融在改性淀粉中。第三步加入聚乳酸、聚丁烯琥珀酸酯、EEA-乙烯/丙烯酸共聚物,高速搅拌5分钟,然后加入玉米油、乙二醇,搅拌3分钟,使玉米油、乙二醇全部均匀的将改性淀粉、聚乳酸、聚丁烯琥珀酸酯、EEA-乙烯/丙烯酸共聚物稀释,放料冷却即成预混合料。
        4.2.3预混合料的冷却很重要,有条件的可用冷却搅拌机来冷却,也可人工不停顿的搅拌,使预混合料温度达到40℃以下,喂料于双螺杆挤出造粒。
        4.2.4双螺杆挤出造粒机在生产复合降解塑料专用料中,挤出机长径比、捏合块、螺纹原件的排列,对物料的复合共混、剪切和挤出质量非常重要。为了减少物料的分解和保持物料的物理性能,要因地制宜的控制和把握双螺杆挤出造粒机的喂料转数、温度、主机转数、机头压力等加工工艺。正常生产复合降解塑料专用料时,选择适当的低温95℃~138℃挤出工艺,两级真空排气,挤出拉条——履带输送冷却——自动切料——过筛——包装即得复合降解塑料专用料。
        5.复合降解塑料专用料的应用
        该复合降解塑料低成本、无污染、降解彻底的特性,决定了它具有广泛的应用领域例如:一次性水产用材料(钩鱼丝、渔网、渔具)、包装薄膜、垃圾袋、食品包装容器、一次性降解餐饮具、一次性购物袋、农业地膜。林业用一次性降解材料(苗钵、草坪基)、建筑、土木用一次性降解膜、文体用品(高尔夫球具、钩鱼竿、登山等野外制品)。功能材料:医疗用一次性降解材料(包扎带、医用薄)等等。在它广泛的应用领域当中,农用地膜与工业包装容器的应用显的更为突出。
        5.1农用塑料薄膜
传统工艺与原料生产的农用地膜,因为其厚度十分薄,只有0.1μm以下,废弃于农田中,十分难于回收,又无法完成降解。埋于土壤中的废地膜影响土壤的透气性及水分的流动性,从而给来年农业种植造成减产。而该新型复合降解塑料生产的农用薄膜,由于其完全彻底的可降解性,进而解决了农用薄膜污染农田,影响农作物产量的问题。
        5.2包装容器
各类传统包装用塑料袋、塑料瓶及吸塑制品等包装物,在完成其使用寿命后,往往被弃于野外,无法完成降解,进而影响了生态环境,造成严重的污染。复合降解塑料生产的包装容器,在使用性上与普通材料生产的产品相同,甚至优于传统的包装容器,同时由于它可完全降解的环保特性,使它在与同类产品相比中,具有更强的市场竞争力,与广阔的市场前景。
        6 结束语
        生物降解塑料作为一种“绿色塑料”,其概念提出了很久,市场上所谓的“生物降解塑料”也有不少,但真正能够做到彻底完全降解的却很少,要么降解性不彻底或性脆,要么因为制品成本高,还停留在实验室阶段,无法实现工业上的大生产,和应用的全面化。本文从当前塑料产业中普遍存在的“污染”和“降解”问题入手,通过对“复合生物降解塑料”“原料的选择”,“应用助剂”,“制造设备与工艺”,“产品应用”等几个方面的阐述与论证,希望能在降解塑料的探索与研究方面,发挥积极作用,进而推进经济的可以持续发展。

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