CN103059530B - 用于生产一次性塑料制品的复合材料及制备方法 - Google Patents
用于生产一次性塑料制品的复合材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于生产一次性塑料制品的复合材料，按照重量分数计，配方组成为：聚乳酸：100份；淀粉：10-50份；纳米SiO2：0.5-6份；二元或多元醇：3-15份；聚乙二醇：3-5份；单硬脂酸甘油酯：1-3份。本发明因淀粉基纳米二氧化硅母料，聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料具有良好的力学性能和成型加工性能：具有良好的成型加工性能，转矩流变仪挤出机平台，剪切速率为50-900s-1，聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的熔体剪切粘度为700-3500Pa×s，聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
Description
技术领域
本发明涉及环境友好高分子材料的成型加工领域，具体的说，是涉及一种用于生产一次性塑料制品的复合材料及制备方法。
背景技术
聚乳酸为环境友好材料，可经生物分解为二氧化碳和水，对环境没有污染。聚乳酸替代石化基塑料，特别是一次性塑料制品，不仅可以缓解日益紧张的石油资源问题，而且可以根本上解决一次性塑料制品消费后引发的环境“白色”污染问题。
但是，聚乳酸类一次性塑料制品，价格成本很高，远高于聚乙烯、聚丙烯等同类产品。除却价格因素外，聚乳酸熔体强度低，膜泡不稳定，易于破裂，使其在采用吹塑薄膜、挤出吹塑和拉伸吹塑等吹塑成型设备制备一次性塑料制品受到限制。聚乳酸熔体呈现剪切变稀性质，并对温度具有依赖性，但在低剪切条件下对剪切速率依赖性很小，甚至表现为牛顿流体行为，使聚乳酸的成型过程只能在窄的剪切速率范围和窄的温度范围内进行。
淀粉源于可再生生物质资源，是天然的高分子化合物，来源广泛且价格低廉。聚乳酸与淀粉共混可以降低聚乳酸基塑料制品的生产成本。但淀粉大分子链间的氢键使其熔融温度高于分解温度，成型加工性能很差。而且，聚乳酸与淀粉相容性差，韧性不足，难以应***化，拉伸断裂伸长率低。因此，聚乳酸/淀粉共混物的相容性是解决其成型加工问题的另一关键因素。
聚合物/无机纳米粒子复合材料因无机纳米粒子的小尺寸效应和宏观量子隧道效应，可以产生以无机纳米粒子为主体的逾渗网络，这种网络束缚的大分子链运动可以表现出显著的剪切变稀行为。在一定剪切速率下，无机纳米粒子强烈取向，并使聚合物基体大分子链产生应变诱导硬化。因此，聚合物中加入无机纳米粒子，可以有效提高聚合物的加工性能和力学性能。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种具有良好的力学性能和良好的成型加工性能的用于生产一次性塑料制品的复合材料及制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种用于生产一次性塑料制品的复合材料，按照重量分数计，配方组成为：
聚乳酸：100份；
淀粉：10-50份；
纳米SiO2：0.5-6份；
二元或多元醇：3-15份；
聚乙二醇：3-5份；
单硬脂酸甘油酯：1-3份。
聚乳酸重均分子量为10万-30万。
所述淀粉为玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉或甘薯淀粉。
所述纳米SiO2粒径为200-500纳米。
所述二元醇或多元醇至少为乙二醇、1,2-丙二醇、甘油、木糖醇或聚醚多元醇中的一种。
所述聚乙二醇重均分子量为2 000-20000。
一种用于生产一次性塑料制品的复合材料制备方法，制备方法包括以下步骤：
（1）纳米SiO2、二元或多元醇，于60-90 oC机械搅拌180-240分钟，搅拌机转速为1000-2000 转/分钟，物料冷却至40-50 oC；
（2）淀粉、单硬脂酸甘油酯和步骤（1）所得物料，于40-60 oC机械搅拌60-90分钟，搅拌机转速为1000-2000 转/分钟，物料冷却至室温后，在双螺杆挤出机上挤出、造粒，双螺杆挤出机区段温度为110-145 oC；
（3）聚乳酸和聚乙二醇在温度为90-120 oC，搅拌机转速1000-2000 转/分钟的条件下，机械搅拌120-150分钟，物料冷却至室温；
（4）称取步骤（2）和步骤（3）物料，室温混合均匀，在双螺杆挤出机上挤出、造粒，双螺杆挤出机区段温度为130-175 oC。
本发明相对现有技术的有益效果：
本发明所述聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料，因二元或多元醇的引入，淀粉具有良好的可加工性能；因二元或多元醇预处理纳米SiO2，淀粉和纳米SiO2间具有良好的相容性能；进一步的，聚乳酸、淀粉和纳米SiO2间具有良好的相容性能。
本发明所述聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料，因淀粉基纳米二氧化硅母料，聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料具有良好的力学性能和成型加工性能。
本发明用于生产一次性塑料制品的复合材料及制备方法，复合材料表现为白色或乳白色粒料，具有以下特点：
（1）良好的力学性能。冲击强度为3.1-5.4 kJ/m2，弯曲强度为54.8-80.6 MPa，拉伸强度为36.3-57.1 MPa，断裂伸长率15.4-64.5%。
（2）良好的成型加工性能。转矩流变仪挤出机平台，剪切速率为50-900 s-1，聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的熔体剪切粘度为700-3500 Pa×s。聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
具体实施方式
实施例1
称取0.4 Kg甘油和0.08 Kg纳米SiO2，在70 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌200分钟后，物料冷却至45 oC。
称取1 Kg玉米淀粉和0.08 Kg单硬脂酸甘油酯，与上述物料混合，在50 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌80分钟后，物料冷却至室温。
上述物料通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即得淀粉基纳米SiO2母料。双螺杆挤出机各区段温度分别为115 oC、120 oC、130 oC、125 oC、120 oC、120 oC，机头温度为120 oC。螺杆转速为250转/分钟。
称取4 Kg聚乳酸和0.16 Kg相对平均分子质量为10000的聚乙二醇，在100 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌150分钟。物料冷却至室温后，与淀粉基纳米SiO2母料混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即可得到白色聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料。双螺杆挤出机各区段温度分别为155 oC、165 oC、155 oC、145 oC、145 oC、140 oC，机头温度为140 oC。螺杆转速为300转/分钟。
上述所得聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的冲击强度为5.3 kJ/m2，弯曲强度为67.0 MPa，拉伸强度为48.8 MPa，断裂伸长率38.7 %。该复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
实施例2
称取0.4 Kg甘油和0.08 Kg纳米SiO2，在70 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌200分钟后，物料冷却至45 oC。
称取1.6 Kg玉米淀粉和0.08 Kg单硬脂酸甘油酯，与上述物料混合，在50 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌80分钟后，物料冷却至室温。
上述物料通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即得淀粉基纳米SiO2母料。双螺杆挤出机各区段温度分别为115 oC、120 oC、130 oC、125 oC、120 oC、120 oC，机头温度为120 oC。螺杆转速为250转/分钟。
称取4 Kg聚乳酸和0.16 Kg相对平均分子质量为10 000的聚乙二醇，在100 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌150分钟。物料冷却至室温后，与淀粉基纳米SiO2母料混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即可得到白色聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料。双螺杆挤出机各区段温度分别为155 oC、165 oC、155 oC、145 oC、145 oC、140 oC，机头温度为140 oC。螺杆转速为300转/分钟。
上述所得聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的冲击强度为4.5 kJ/m2，弯曲强度为72.3MPa，拉伸强度为53.9 MPa，断裂伸长率61.2 %。该复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
实施例3
称取0.3 Kg木糖醇、0.1 Kg乙二醇和0.08 Kg纳米SiO2，在70 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌180分钟后，物料冷却至45 oC。
称取1 Kg玉米淀粉和0.08 Kg单硬脂酸甘油酯，与上述物料混合，在50 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌90分钟后，物料冷却至室温。
上述物料通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即得淀粉基纳米SiO2母料。双螺杆挤出机各区段温度分别为120 oC、125 oC、135 oC、125 oC、120 oC、120 oC，机头温度为120 oC。螺杆转速为250转/分钟。
称取4 Kg聚乳酸和0.16 Kg相对平均分子质量为10 000的聚乙二醇，在100 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌150分钟。物料冷却至室温后，与淀粉基纳米SiO2母料混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即可得到白色聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料。双螺杆挤出机各区段温度分别为155 oC、165 oC、155 oC、145 oC、145 oC、140 oC，机头温度为140 oC。螺杆转速为300转/分钟。
上述所得聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的冲击强度为4.9 kJ/m2，弯曲强度为58.7 MPa，拉伸强度为43.8 Mpa，断裂伸长率31.6 %。该复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
实施例4
称取0.2 Kg甘油、0.2Kg聚醚多元醇和0.08 Kg纳米SiO2，在90 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌240分钟后，物料冷却至50 oC。
称取1 Kg玉米淀粉和0.08 Kg单硬脂酸甘油酯，与上述物料混合，在50 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌90分钟后，物料冷却至室温。
上述物料通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即得淀粉基纳米SiO2母料。双螺杆挤出机各区段温度分别为120 oC、125 oC、135 oC、130 oC、125 oC、120 oC，机头温度为120 oC。螺杆转速为250转/分钟。
称取4 Kg聚乳酸和0.16 Kg相对平均分子质量为10 000的聚乙二醇，在100 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌150分钟。物料冷却至室温后，与淀粉基纳米SiO2母料混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即可得到白色聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料。双螺杆挤出机各区段温度分别为155 oC、165 oC、155 oC、145 oC、145 oC、140 oC，机头温度为140 oC。螺杆转速为300转/分钟。
上述所得聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的冲击强度为4.8 kJ/m2，弯曲强度为59.1 MPa，拉伸强度为41.8 MPa，断裂伸长率25.4%。该复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
实施例5
称取0.4 Kg乙二醇和0.08 Kg纳米SiO2，在70 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌200分钟后，物料冷却至45 oC。
称取1 Kg玉米淀粉和0.08 Kg单硬脂酸甘油酯，与上述物料混合，在50 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌80分钟后，物料冷却至室温。
上述物料通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即得淀粉基纳米SiO2母料。双螺杆挤出机各区段温度分别为125 oC、130 oC、140 oC、135 oC、130 oC、130 oC，机头温度为130 oC。螺杆转速为250转/分钟。
称取4 Kg聚乳酸和0.16Kg相对平均分子质量为10 000的聚乙二醇，在100 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌150分钟。物料冷却至室温后，与淀粉基纳米SiO2母料混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即可得到白色聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料。双螺杆挤出机各区段温度分别为160 oC、170 oC、160 oC、155 oC、150 oC、145 oC，机头温度为145 oC。螺杆转速为300转/分钟。
上述所得聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的冲击强度为5.1 kJ/m2，弯曲强度为79.7 MPa，拉伸强度为49.3 MPa，断裂伸长率59.4%。该复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
实施例6
称取0.3 Kg 1,2-丙二醇、0.1 Kg木糖醇和0.08 Kg纳米SiO2，在70 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌200分钟后，物料冷却至45 oC。
称取1 Kg玉米淀粉和0.08 Kg单硬脂酸甘油酯，与上述物料混合，在50 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌80分钟后，物料冷却至室温。
上述物料通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即得淀粉基纳米SiO2母料。双螺杆挤出机各区段温度分别为125 oC、130 oC、140 oC、135 oC、130 oC、130 oC，机头温度为130 oC。螺杆转速为250转/分钟。
称取4 Kg聚乳酸和0.16 Kg相对平均分子质量为10 000的聚乙二醇，在100 oC、搅拌机转速为1200±20 转/分钟条件下，机械搅拌150分钟。物料冷却至室温后，与淀粉基纳米SiO2母料混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，即可得到白色聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料。双螺杆挤出机各区段温度分别为165 oC、175 oC、165 oC、155 oC、145 oC、145 oC，机头温度为145 oC。螺杆转速为300转/分钟。
上述所得聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的冲击强度为4.8 kJ/m2，弯曲强度为59.9 MPa，拉伸强度为44.5 MPa，断裂伸长率43.2 %。该复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
本发明用于生产一次性塑料制品的复合材料及制备方法，复合材料表现为白色或乳白色粒料，具有以下特点：
（1）良好的力学性能。冲击强度为3.1-5.4 kJ/m2，弯曲强度为54.8-80.6 MPa，拉伸强度为36.3-57.1 MPa，断裂伸长率15.4-64.5%。
（2）良好的成型加工性能。转矩流变仪挤出机平台，剪切速率为50-900 s-1，聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料的熔体剪切粘度为700-3500 Pa×s。聚乳酸/淀粉/SiO2复合材料可以在通用的塑料加工设备上通过挤出吹塑、挤出拉伸制备包装薄膜、大口或小口塑料容器。
Claims (6)
1.一种用于生产一次性塑料制品的复合材料，其特征在于：按照重量分数计，配方组成为：
聚乳酸：100份；
淀粉：10-50份；
纳米SiO2：0.5-6份；
二元或多元醇：3-15份；
聚乙二醇：3-5份；
单硬脂酸甘油酯：1-3份；
所述纳米SiO2粒径为200-500纳米。
2.根据权利要求书1所述用于生产一次性塑料制品的复合材料，其特征在于：聚乳酸重均分子量为10万-30万。
3.根据权利要求1所述用于生产一次性塑料制品的复合材料，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉或甘薯淀粉。
4.根据权利要求1所述用于生产一次性塑料制品的复合材料，其特征在于，所述二元醇或多元醇至少为乙二醇、1,2-丙二醇、甘油、木糖醇或聚醚多元醇中的一种。
5.根据权利要求1所述用于生产一次性塑料制品的复合材料，其特征在于，所述聚乙二醇重均分子量为2 000-20000。
6.一种如权利要求1所述用于生产一次性塑料制品的复合材料制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
（1）纳米SiO2、二元或多元醇，于60-90 oC机械搅拌180-240分钟，搅拌机转速为1000-2000 转/分钟，物料冷却至40-50 oC；
（2）淀粉、单硬脂酸甘油酯和步骤（1）所得物料，于40-60 oC机械搅拌60-90分钟，搅拌机转速为1000-2000 转/分钟，物料冷却至室温后，在双螺杆挤出机上挤出、造粒，双螺杆挤出机区段温度为110-145 oC；
（3）聚乳酸和聚乙二醇在温度为90-120 oC，搅拌机转速1000-2000 转/分钟的条件下，机械搅拌120-150分钟，物料冷却至室温；
（4）称取步骤（2）和步骤（3）物料，室温混合均匀，在双螺杆挤出机上挤出、造粒，双螺杆挤出机区段温度为130-175 oC。
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