CN103642185B - 聚乳酸泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚乳酸泡沫材料，其由混合物经过发泡得到，所述混合物包括100重量份的聚乳酸，0.5～15重量份的水，1～90重量份的载体，0～20重量份的增塑剂，0～15重量份的成核剂，0～3重量份的抗水解剂，0～5重量份的扩链剂。本申请的聚乳酸泡沫材料以水作为发泡剂，而未采用有机发泡剂，使聚乳酸的发泡是安全环保的，并且本申请采用聚乳酸为泡沫材料的基体，其具有较好的生物降解性，因此使聚乳酸泡沫材料可实现生物降解。本申请还提供了所述聚乳酸泡沫材料的制备方法。

Description

聚乳酸泡沫材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫材料技术领域，尤其涉及一种聚乳酸泡沫材料及其制备方法。

背景技术

泡沫塑料是一种新型材料，它以塑料为基本组分，含有大量气泡，因此泡沫塑料也可是以气体为填料的复合材料。由于泡沫塑料具有质轻、热导率低、隔热性能好、能吸收冲击载荷、缓冲性能优良、隔音性能好、比强度高等可贵的性能，在家庭日常用品、交通工具、绝缘材料、包装材料、电器、运动设施、电子产品和化学以及纺织等行业中广泛应用。

目前多数发泡材料，如聚苯乙烯泡沫材料、聚乙烯泡沫材料和聚丙烯泡沫材料等，由于回收利用的可操作性差以及价格低等方面的原因，绝大部分使用后被作为废弃物扔掉。但是泡沫材料质轻、体积大且难于腐烂降解，给环境带来了严重的冲击，造成“白色污染”。解决上述问题的有效途径是将可生物降解材料通过发泡得到泡沫材料，以适应市场和应用的需要。因此，开发和使用可生物降解发泡材料日益成为发泡材料领域的重要发展趋势。

大多数发泡材料是在特定的聚合体系黏度范围内通过气体发泡制备而成。发泡剂添加到聚合物基体中，通过加热分解，或者直接注入提供气体，使聚合物在加工条件下能够形成泡孔结构的助剂类型。因此，发泡剂是发泡材料不可或缺的重要加工助剂。依据在发泡过程中产生气体的方式不同，发泡剂一般分为物理发泡剂和化学发泡剂两大类。物理发泡剂包括惰性压缩气体与可溶于树脂的低沸点液体。惰性压缩气体主要包括空气、氮气和二氧化碳等；低沸点液体主要是脂肪烃或卤代烃，如戊烷、己烷或氯氟烃等。低沸点液体对环境容易产生污染，并且由于其易燃，给生产带来了很大的安全隐患。化学发泡剂通常指具有粉状特征的热分解型化学发泡剂，其能够均匀的分散于塑料和橡胶中，在加工温度下迅速分解，产生大量气体，从而使树脂发泡。在化学发泡剂中，偶氮二甲酰胺是主力品种，其用量占化学发泡剂之首。但是，化学发泡剂分解的气体组成中含有的一氧化碳、氨气等有害气体对环境和操作人员产生极大的危害，分解后的残渣以及未反应的化学发泡剂会造成污染等问题。

目前制备可降解的聚乳酸泡沫塑料使用的发泡剂主要包含上述的物理发泡剂或化学发泡剂。如申请号为201010290724中国发明专利公开了一种植物纤维增强聚乳酸泡沫材料，该材料由以下成分制备而成：聚乳酸20%～95%，植物纤维粉1%～60%，发泡剂1%～5%，成核剂1%～5%，抗氧剂1%～5%，增容剂1%～5%。该专利的发泡材料具有表观密度低、可生物降解，可代替聚烯烃类发泡材料广泛的应用于绝热、缓冲和包装领域且制备工艺简单、生产效率高。但是，使用的发泡剂为化学发泡剂，如偶氮二异丁腈，偶氮二甲酰胺和偶氮二甲酸钡等。再如申请号为200510104903中国发明专利提供了一种可生物降解组合物含有淀粉、聚乳酸、多元醇和发泡剂，其中，所述淀粉为取代度为0.1～3的酯化淀粉和/或醚化淀粉。该专利中提供的组合物得到的发泡类制品具有良好的发泡倍率和压缩强度，而且还具有较高的生物降解率和霉菌降解级。但是，使用的发泡剂为N-亚硝化合物发泡剂、偶氮类发泡剂和酰肼类化学发泡剂，其分解后也会造成环境的污染。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种无环境污染且可生物降解的聚乳酸泡沫材料及其制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种聚乳酸泡沫材料，由混合物经过发泡得到，所述混合物包括：

优选的，所述聚乳酸泡沫材料不包括有机发泡剂。

优选的，所述载体为蒙脱土、硅藻土、纤维素、聚丙烯酰胺和淀粉中的一种或多种。

优选的，所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛脂、柠檬酸三丁酯、乙酰化柠檬酸三丁酯、环氧大豆油和甘油中的一种或多种。

优选的，所述成核剂为氧化锌、碳酸钙、偶氮二甲酰胺、滑石粉和二氧化硅中的一种或多种。

优选的，所述抗水解剂为碳化二亚胺和聚碳化二亚胺中的一种或两种。

优选的，所述扩链剂为甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种。

优选的，所述聚乳酸的重均分子量为5～20万。

本发明还提供了所述聚乳酸泡沫材料的制备方法，包括：

将以下原料搅拌后挤出发泡，得到聚乳酸泡沫材料；

优选的，所述挤出发泡的温度区间为：

一区温度为50～90℃，二区温度为50～100℃，三区温度为100～160℃，四区温度为120～190℃，五区温度为130～190℃，六区温度为130～180℃，七区温度为120～150℃。

本发明提供了一种聚乳酸泡沫材料，所述聚乳酸泡沫材料由混合物发泡得到，所述混合物包括：聚乳酸、水、载体、增塑剂、成核剂、抗水解剂和扩链剂，本申请的聚乳酸泡沫材料以水作为发泡剂，而未采用有机发泡剂，避免了制备泡沫材料的过程中分解出污染性气体，因而使聚乳酸泡沫材料的制备过程是安全环保的，并且本申请采用聚乳酸为泡沫材料的基体，其具有较好的生物降解性，因此聚乳酸泡沫材料可实现生物降解。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种聚乳酸泡沫材料，由以下混合物经过发泡得到，所述混合物包括：

本发明所述聚乳酸泡沫材料由原料经过发泡得到，发泡材料是聚合物基体通过气体发泡制备而成的。在标准大气压下，水的沸点为100℃，气化潜热为40.8千焦/摩尔，1克水完全气化后可产生1.24升水蒸气，与其它物质如二氧化碳相比，水的产气量很大。本发明以水作为聚乳酸的发泡剂，具有易得、廉价、不污染环境、对人体无刺激、蒸汽量大等优点，从而解决现有物理或化学发泡剂带来的诸多问题。

按照本发明，所述聚乳酸为本领域技术人员熟知的树脂材料，其具有生物降解性，因此使泡沫材料也具有生物降解性。所述聚乳酸的重均分子量优选为5万～20万，优选为8万～15万。若所述聚乳酸的重均分子量低于5万，则制备的聚乳酸泡沫材料太脆无法使用。

本发明以水为发泡剂，其在加热的情况下能够产生大量的水蒸气，从而使聚乳酸形成泡孔结构，得到泡沫材料。所述水的含量为0.5重量份～15重量份，优选为1重量份～12重量份，更优选为5重量份～10重量份。本申请所述聚乳酸泡沫塑料中不包括有机发泡剂。

按照本发明，所述聚乳酸泡沫材料的原料中包括载体，所述载体优选为蒙脱石、硅藻土、纤维素、聚丙烯酰胺和淀粉中的一种或多种。所述载体的含量为1～90重量份，优选为5～80重量份，更优选为10～60重量份。

为了使聚乳酸泡沫材料的性能更好，本申请所述聚乳酸泡沫材料中还包括增塑剂，所述增塑剂可以有效改善聚乳酸泡沫材料力学性能。所述增塑剂优选为邻苯二甲酸二辛脂、柠檬酸三丁酯、乙酰化柠檬酸三丁酯、环氧大豆油和甘油中的一种或多种，所述增塑剂的含量为0～20重量份，优选为5～15重量份。

本发明所述聚乳酸泡沫材料的原料中还包括成核剂，所述成核剂能够降低发泡材料的泡孔尺寸。所述成核剂优选为氧化锌、碳酸钙、偶氮二甲酰胺、滑石粉和二氧化硅中的一种或多种。所述成核剂的含量为0～15重量份，优选为2～10重量份，更优选为5～8重量份。

按照本发明，所述抗水解剂与所述扩链剂均能够降低聚乳酸在制备泡沫材料过程中的水解。所述抗水解剂优选为碳化二亚胺和聚碳化二亚胺中的一种或两种，所述抗水解剂的含量为0～3重量份，优选为1～2重量份。所述扩链剂优选为甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种。所述扩链剂的含量为0～5重量份，优选为2～4重量份。

本发明提供了一种聚乳酸泡沫材料，其由混合物经过发泡得到，所述混合物包括聚乳酸、水、载体、增塑剂、成核剂、抗水解剂与扩链剂。本申请通过采用水作为发泡剂，其在加热过程中能够形成大量的气泡，使聚乳酸发泡，从而得到聚乳酸泡沫材料；以水代替有机发泡剂，使聚乳酸泡沫材料的制备过程安全、环保；同时本申请以聚乳酸作为发泡原料，其具有生物降解性，因此使制备的泡沫材料也具有生物降解性。

本发明还提供了所述聚乳酸泡沫材料的制备方法，包括：

将以下原料搅拌后挤出发泡，得到聚乳酸泡沫材料；

按照本发明，所述聚乳酸泡沫材料采用直接挤出的方法直接制备。在制备聚乳酸泡沫的过程中，首先将聚乳酸、水、载体、增塑剂、成核剂、抗水解剂与扩链剂混合后搅拌，所述搅拌的时间优选为3～5min，使上述原料能够混合均匀。

在将上述物料搅拌完成后，将得到的混合物直接挤出发泡，得到聚乳酸泡沫材料。本申请优选在双螺杆挤出机中挤出发泡。在所述挤出发泡的过程中，双螺杆挤出机的加热***分为不同的区域，以使发泡材料挤出后性能较好。按照本发明，所述挤出发泡的温度区间优选分为七个区域，一区的温度优选为50℃～90℃，二区的温度优选为50℃～100℃，三区的温度优选为100℃～160℃，四区的温度优选为120℃～190℃，五区的温度优选为130℃～190℃，六区的温度优选为130℃～180℃，七区的温度优选为120℃～150℃。在上述区域中，前三个区域的基础温度较低，可以有效防止发泡剂水逆流，而后四个区域温度极高，使发泡剂水处于过热状态，能够满足发泡的需要。

本申请提供了一种聚乳酸泡沫材料的制备方法，在制备聚乳酸泡沫材料的过程中，以聚乳酸作为发泡材料的原料，水作为发泡剂，采用直接挤出的方法制备聚乳酸泡沫材料，使制备过程安全环保。另外，本申请在挤出发泡的过程中还通过控制挤出发泡的温度区间，使制备的聚乳酸泡沫材料具有较好的压缩强度与发泡倍率。实验结果表明，本申请制备的聚乳酸泡沫材料的发泡倍率为1～40倍，压缩强度为0.05MPa～10MPa。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的聚乳酸泡沫材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下实施例中所采用的原料均为市售产品，所采用的设备双螺杆挤出机为南京科亚塑料设备有限公司提供的TE-35型双螺杆挤出机。

实施例1

按下列重量份数称取各组份：重均分子量为5万的聚乳酸100份，水0.5份，淀粉1份，将上述各组分在混合机里搅拌3分钟后，在双螺杆上直接挤出发泡，得到聚乳酸泡沫塑料；挤出发泡***的温度区间为：一区：50℃，二区：50℃，三区：100℃，四区：120℃，五区：130℃，六区：130℃，七区：120℃，模头的温度为100℃。本实施例制备的聚乳酸泡沫塑料的发泡倍率为1倍，压缩强度为10MPa。

实施例2

按下列重量份数称取各组份：重均分子量为20万的聚乳酸100份，水15份，淀粉90份，邻苯二甲酸二辛酯20份，氧化锌15份，碳化二亚胺3份，甲苯二异氰酸酯5份。将上述各组分在混合机里搅拌3分钟后，在双螺杆上直接挤出发泡，得到聚乳酸泡沫塑料；挤出发泡***的温度区间为：一区：90℃，二区：100℃，三区：160℃，四区：190℃，五区：190℃，六区：180℃，七区：150℃，模头温度为150℃。本实施例制备的聚乳酸泡沫材料的发泡倍率为40倍，压缩强度为0.05MPa。

实施例3

按下列重量份数称取各组份：重均分子量为8万的聚乳酸100份，水10份，蒙脱土20份，柠檬酸三丁酯10份，碳酸钙2份，碳化二亚胺1份，甲苯二异氰酸酯2份。将上述各组分在混合机里搅拌3分钟后，在双螺杆上直接挤出发泡，得到聚乳酸泡沫塑料；挤出发泡***的温度区间为：一区：90℃，二区：100℃，三区：150℃，四区：160℃，五区：160℃，六区：150℃，七区：140℃，模头温度为130℃本实施例制备的聚乳酸泡沫塑料的发泡倍率为30倍，压缩强度为0.08MPa。

实施例4

按下列重量份数称取各组份：重均分子量为15万的聚乳酸100份，水5份，硅澡土10份，滑石粉5份，碳化二亚胺2份，六次甲基二异氰酸酯2份。将上述各组分在混合机里搅拌3分钟后，在双螺杆上直接挤出发泡，得到聚乳酸泡沫塑料；挤出发泡***温度区间为：一区：90℃，二区：100℃，三区：150℃，四区：160℃，五区：160℃，六区：150℃，七区：140℃，模头的温度为130℃。本实施例制备的聚乳酸泡沫塑料的发泡倍率为16倍，压缩强度为1MPa。

实施例5

按下列重量份数称取各组份：重均分子量为15万的聚乳酸100份，水5份，纤维素10份，环氧大豆油10份，偶氮二甲酰胺5份，碳化二亚胺2份，多亚甲基多苯基多异氰酸酯2份。将上述各组分在混合机里搅拌3分钟后，在双螺杆上直接挤出发泡，得到聚乳酸泡沫塑料；挤出发泡***温度区间为：一区：90℃，二区：100℃，三区：140℃，四区：150℃，五区：150℃，六区：140℃，七区：140℃，模头的温度为130℃。本实施例制备的聚乳酸泡沫塑料的发泡倍率为14倍，压缩强度为1.2MPa。

实施例6

按下列重量份数称取各组份：重均分子量为10万的聚乳酸100份，水7份，聚丙烯酰胺10份，甘油10份，二氧化硅10份，碳化二亚胺2份，二苯基甲烷二异氰酸酯2份。将上述各组分在混合机里搅拌3分钟后，在双螺杆上直接挤出发泡，得到聚乳酸泡沫塑料；挤出发泡***温度区间为：一区：90℃，二区：100℃，三区：140℃，四区：150℃，五区：150℃，六区：140℃，七区：140℃，模头的温度为130℃。本实施例制备的泡沫塑料的发泡倍率为25倍压缩强度为0.9MPa。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种聚乳酸泡沫材料，由混合物经过发泡得到，所述混合物包括：

所述抗水解剂为碳化二亚胺；所述扩链剂为甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的聚乳酸泡沫材料，其特征在于，所述聚乳酸泡沫材料不包括有机发泡剂。

3.根据权利要求1所述的聚乳酸泡沫材料，其特征在于，所述载体为蒙脱土、硅藻土、纤维素、聚丙烯酰胺和淀粉中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的聚乳酸泡沫材料，其特征在于，所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛脂、柠檬酸三丁酯、乙酰化柠檬酸三丁酯、环氧大豆油和甘油中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的聚乳酸泡沫材料，其特征在于，所述成核剂为氧化锌、碳酸钙、偶氮二甲酰胺、滑石粉和二氧化硅中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的聚乳酸泡沫材料，其特征在于，所述聚乳酸的重均分子量为5～20万。

7.权利要求1～6任一项所述聚乳酸泡沫材料的制备方法，包括：

将以下原料搅拌后挤出发泡，得到聚乳酸泡沫材料；

所述抗水解剂为碳化二亚胺；所述扩链剂为甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出发泡的温度区间为：

一区温度为50～90℃，二区温度为50～100℃，三区温度为100～160℃，四区温度为120～190℃，五区温度为130～190℃，六区温度为130～180℃，七区温度为120～150℃。