CN118146622A - 一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环保包装材料技术领域，具体涉及一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，包括以下步骤：S1：按预设比例选取聚乳酸、竹纤维以及生物基可降解塑化剂；S2：对竹纤维进行碱化处理；S3：向聚乳酸中添加纳米级二氧化硅颗粒，进行改性处理；S4：将改性后的聚乳酸与碱化处理后的竹纤维进行混合处理；S5：将生物基可降解塑化剂加入到初步的复合材料中；S6：将混合物A进行热压；S7：包装材料在成型后立即进行快速冷却；S8：在定型处理的包装材料表面涂覆一层生物蜡。本发明，通过引入生物基可降解塑化剂和生物蜡涂层，实现了优异的机械强度、增强的柔韧性和改善的防水性，同时维持了材料的环保和生物降解特性。
Description
技术领域
本发明涉及环保包装材料技术领域，尤其涉及一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺。
背景技术
随着环境保护意识的增强和塑料污染问题的日益严重，生物降解材料作为一种环保替代品受到了广泛关注，特别是在包装领域，传统塑料包装的环境问题促使科研人员和工业界寻求可持续、生物降解的替代材料，生物降解包装材料不仅需要满足环保要求，同时也需要具备足够的机械强度、耐水性和加工性能，以适应不同的包装需求。
尽管生物降解材料如聚乳酸（PLA）和天然纤维（如竹纤维）在理论上可用作环保包装材料，但在实际应用中仍面临若干挑战，首先，单一材料往往难以兼顾机械强度和柔韧性，例如，纯PLA虽然具有一定的机械强度，但易脆，而且加工性能有限，此外，天然纤维与PLA等聚合物之间的相容性较差，这限制了复合材料性能的提升，再者，现有生物降解材料的防水性和耐久性也未能完全满足实用标准。
发明内容
基于上述目的，本发明提供了一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺。
一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，包括以下步骤：
S1：按预设比例选取聚乳酸、竹纤维以及生物基可降解塑化剂；
S2：对竹纤维进行碱化处理；
S3：向聚乳酸中添加纳米级二氧化硅颗粒，进行改性处理；
S4：将改性后的聚乳酸与碱化处理后的竹纤维进行混合处理，形成初步的复合材料；
S5：在预设的温度下，将生物基可降解塑化剂加入到初步的复合材料中，形成混合物A；
S6：将混合物A在预设的温度和压力下进行热压，以形成预定的包装材料形状；
S7：包装材料在成型后立即进行快速冷却，然后在室温下进行定型处理；
S8：在定型处理的包装材料表面涂覆一层生物蜡，以增强其防水性和耐久性。
进一步的，所述S1中预设比例为聚乳酸占35-55%、竹纤维占20-30%、生物基可降解塑化剂占25-35%。
进一步的，所述S2中对竹纤维进行碱化处理具体包括：
S21：配制碱溶液，该碱溶液包括1-5%的氢氧化钠，其余为水，所述以碱溶液与竹纤维比例为10-20:1；
S22：将竹纤维浸泡在所配制的碱溶液中，浸泡时间为1-3小时；
S23：在浸泡过程中，保持溶液的温度为50-80℃；
S24：碱化处理完成后，将竹纤维从碱溶液中取出，并先用清水冲洗至中性，以去除残留的碱，接着将经过冲洗的竹纤维进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为3小时，直至竹纤维完全干燥。
进一步的，所述S3中进行改性处理包括：
S31：预备纳米级二氧化硅颗粒，所述二氧化硅颗粒平均粒径为20-100纳米；
S32：将纳米二氧化硅颗粒在适宜介质中进行预分散处理，所述介质选择为乙醇或去离子水，预分散时间为30-60分钟；
S33：将预分散的纳米二氧化硅颗粒与聚乳酸进行高剪切混合，混合温度控制在180-220℃，混合时间为1-3小时；
S34：混合后的材料进行冷却处理，冷却至室温，然后进行固化，以稳定材料结构。
进一步的，所述S4具体包括：
S41：将改性后的聚乳酸和碱化处理后的竹纤维按照预定比例进行高剪切混合，混合温度控制为180-220℃，混合时间为1-2小时；
S42：完成混合后，将混合物进行冷却至室温，以形成初步的复合材料。
进一步的，所述S5具体包括：
S51：先将初步的复合材料加热至150-180℃；
S52：然后将生物基可降解塑化剂加入到加热的初步复合材料中，并使用搅拌设备进行均匀混合，混合时间为30-60分钟，搅拌转速控制为200-500转/分钟，形成均匀的混合物A；
S53：完成混合后，将混合物A冷却至室温。
进一步的，所述S6具体包括：
S61：准备热压模具，该热压模具的设计和尺寸符合预定的包装材料的要求；
S62：调整热压的温度为160-200℃，压力为5-20兆帕；
S63：将混合物A放入热压模具中，进行热压处理，热压时间控制为5-15分钟；
S64：热压完成后，保持模具关闭状态下冷却至室温，随后进行脱模，形成预定的包装材料形状。
进一步的，所述S7具体包括：
S71：成型后的包装材料立即从模具中取出，并置于预先设置好的冷却环境中，所述冷却环境的温度控为10-25℃，冷却时间为5-10分钟；
S72：冷却后的包装材料放置在室温环境中，进行定型处理，具体将室温环境的温度维持在25℃，定型时间为30-60分钟。
进一步的，所述S8具体包括：
S81：选取适宜的生物蜡备用，并调整生物蜡浓度为40-60%，所述生物蜡为蜂蜡或植物源蜡；
S82：将选取的生物蜡融化至液态，融化过程中温度控制为60-80℃；
S83：使用喷涂装置，将融化的生物蜡喷涂在定型处理后的包装材料表面，所述喷涂生物蜡层厚度控制为0.1-0.5毫米；
S84：涂覆后的包装材料放置在温度为30℃的环境中，干燥30-50分钟。
本发明的有益效果：
本发明，通过改性处理和材料的创新组合，显著提高了最终包装材料的机械强度和耐水性，改性聚乳酸（PLA）与纳米级二氧化硅（二氧化硅）颗粒的结合显著增强了材料的机械性能，而对竹纤维的碱化处理和生物基塑化剂的添加改善了这些天然纤维与PLA的相容性，进而提升了整体复合材料的耐水性，这些改进使得本发明的包装材料在保持生物降解性的同时，更适合应对多样化的包装需求，尤其是在需要更高强度和防水性的应用场合。
本发明，通过在复合材料中加入生物基可降解塑化剂，该包装材料不仅在机械强度上得到增强，同时也获得了更好的柔韧性，这使得材料在加工过程中更易于成型和处理，此外，生物基塑化剂的使用确保了材料的生物降解特性不会受到影响，这是在现有技术中难以实现的平衡。
本发明，通过使用生物降解的聚乳酸、天然的竹纤维以及生物基塑化剂，制成的包装材料完全基于可再生资源，此外，最终产品的生物蜡涂层进一步增强了其环保性能，提供了良好的防水性能和耐久性，同时保证了材料的完全生物降解能力，这些特性使得本发明的包装材料在环保和可持续性方面远超传统塑料包装材料，为包装行业提供了一种更加环保、可持续的选择。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的环保包装材料制备工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
如图1所示，一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，包括以下步骤：
S1：按预设比例选取聚乳酸、竹纤维以及生物基可降解塑化剂；
S2：对竹纤维进行碱化处理，以提高其与聚乳酸的相容性；
S3：向聚乳酸中添加纳米级二氧化硅颗粒，进行改性处理，以提高材料的机械强度和热稳定性；
S4：将改性后的聚乳酸与碱化处理后的竹纤维进行混合处理，形成初步的复合材料；
S5：在预设的温度下，将生物基可降解塑化剂加入到初步的复合材料中，形成混合物A，这一步用于改善材料的加工性能和柔韧性；
S6：将混合物A在预设的温度和压力下进行热压，以形成预定的包装材料形状；
S7：包装材料在成型后立即进行快速冷却，然后在室温下进行定型处理；
S8：在定型处理的包装材料表面涂覆一层生物蜡，以增强其防水性和耐久性。
S1中预设比例为聚乳酸占45%、竹纤维占25%、生物基可降解塑化剂占30%。
S2中对竹纤维进行碱化处理具体包括：
S21：配制碱溶液，该碱溶液包括3%的氢氧化钠，其余为水，以碱溶液与竹纤维比例为15:1；
S22：将竹纤维浸泡在所配制的碱溶液中，浸泡时间为2小时，以确保竹纤维充分与碱溶液接触；
S23：在浸泡过程中，保持溶液的温度为70℃，以提高碱化处理的效率；
S24：碱化处理完成后，将竹纤维从碱溶液中取出，并先用清水冲洗至中性，以去除残留的碱，接着将经过冲洗的竹纤维进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为3小时，直至竹纤维完全干燥。
S3中进行改性处理包括：
S31：预备纳米级二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒平均粒径为60纳米，保证颗粒大小的一致性以实现更好的分散效果；
S32：将纳米二氧化硅颗粒在适宜介质中进行预分散处理，介质选择为乙醇，预分散时间为45分钟，以改善颗粒在后续混合过程中的分散性；
S33：将预分散的纳米二氧化硅颗粒与聚乳酸进行高剪切混合，混合温度控制在200℃，混合时间为2小时，以确保纳米颗粒在聚乳酸基体中的均匀分布；
S34：混合后的材料进行冷却处理，冷却至室温，然后进行固化，以稳定材料结构。
S4具体包括：
S41：将改性后的聚乳酸和碱化处理后的竹纤维按照预定比例进行高剪切混合，混合温度控制为200℃，混合时间为1.5小时，以确保两种材料的均匀分布和有效结合；
S42：完成混合后，将混合物进行冷却至室温，以形成初步的复合材料。
S5具体包括：
S51：先将初步的复合材料加热至165℃，以确保材料处于适宜的加工状态；
S52：然后将生物基可降解塑化剂加入到加热的初步复合材料中，并使用搅拌设备进行均匀混合，混合时间为45分钟，搅拌转速控制为350转/分钟，以确保塑化剂与初步复合材料充分融合，形成均匀的混合物A；
S53：完成混合后，将混合物A冷却至室温，以稳定其结构。
S6具体包括：
S61：准备热压模具，该热压模具的设计和尺寸符合预定的包装材料的要求；
S62：调整热压的温度为180℃，压力为15兆帕；
S63：将混合物A放入热压模具中，进行热压处理，热压时间控制为10分钟，以确保混合物完全填充模具并形成所需形状；
S64：热压完成后，保持模具关闭状态下冷却至室温，以避免成型产品在高温下变形，随后进行脱模，形成预定的包装材料形状。
S7具体包括：
S71：成型后的包装材料立即从模具中取出，并置于预先设置好的冷却环境中，冷却环境的温度控为18℃，冷却时间为7分钟，以快速降低材料的温度并避免内部应力的产生；
S72：冷却后的包装材料放置在室温环境中，进行定型处理，具体将室温环境的温度维持在25℃，定型时间为45分钟，以确保材料完全冷却并稳定其形状。
S8具体包括：
S81：选取适宜的生物蜡备用，并调整生物蜡浓度为50%（体积比），生物蜡为蜂蜡；
S82：将选取的生物蜡融化至液态，融化过程中温度控制为70℃；
S83：使用喷涂装置，将融化的生物蜡喷涂在定型处理后的包装材料表面，喷涂生物蜡层厚度控制为0.3毫米；
S84：涂覆后的包装材料放置在温度为30℃的环境中，干燥40分钟。
实施例2
S1：原料准备，首先按照预定比例准备原料，包括聚乳酸占55%，竹纤维占20%，以及生物基可降解塑化剂占25%；
S2：竹纤维碱化处理，将竹纤维以10:1的比例浸泡在含1%氢氧化钠的碱溶液中，持续1小时，确保溶液温度维持在50℃，处理完毕后，用清水冲洗至中性并在80℃下干燥3小时；
S3：聚乳酸改性处理，先向聚乳酸中加入平均粒径为20纳米的纳米级二氧化硅颗粒，采用去离子水作为介质进行30分钟的预分散处理，随后在180℃下进行高剪切混合1小时，混合后的材料冷却至室温并固化；
S4：初步复合材料制备，将改性后的聚乳酸与碱化处理后的竹纤维按预定比例高剪切混合，混合温度控制在180℃，时间为1小时，然后冷却至室温，形成初步的复合材料；
S5：生物基可降解塑化剂添加，先将初步复合材料加热至150℃，接着加入生物基可降解塑化剂，使用搅拌设备以200转/分钟的速度均匀混合30分钟，然后冷却至室温，形成均匀的混合物A；
S6：热压成型，将混合物A放入热压模具中，调整热压的温度至160℃，压力为5兆帕，热压5分钟，热压完成后，在模具闭合状态下冷却至室温，随后进行脱模，形成预定的包装材料形状；
S7：快速冷却和定型，将成型后的包装材料立即从模具中取出，并在10℃的冷却环境中冷却5分钟，随后放置在25℃的室温环境中进行定型处理，定型时间为30分钟；
S8：生物蜡涂覆，选取植物源蜡，调整浓度至40%，将其融化至液态，控制温度在60℃，使用喷涂装置将融化的生物蜡以0.1毫米的厚度均匀喷涂在定型处理后的包装材料表面，然后在30℃的环境中干燥30分钟。
实施例3
S1：原料准备，首先按照预定比例准备原料，包括聚乳酸占35%，竹纤维占30%，以及生物基可降解塑化剂占35%；
S2：竹纤维碱化处理，将竹纤维以20:1的比例浸泡在含5%氢氧化钠的碱溶液中，持续3小时，确保溶液温度维持在80℃，处理完毕后，用清水冲洗至中性并在80℃下干燥3小时；
S3：聚乳酸改性处理，先向聚乳酸中加入平均粒径为100纳米的纳米级二氧化硅颗粒，采用乙醇作为介质进行60分钟的预分散处理，随后在220℃下进行高剪切混合3小时，混合后的材料冷却至室温并固化；
S4：初步复合材料制备，将改性后的聚乳酸与碱化处理后的竹纤维按预定比例高剪切混合，混合温度控制在220℃，时间为2小时，然后冷却至室温，形成初步的复合材料；
S5：生物基可降解塑化剂添加，先将初步复合材料加热至180℃，接着加入生物基可降解塑化剂，使用搅拌设备以500转/分钟的速度均匀混合60分钟，然后冷却至室温，形成均匀的混合物A；
S6：热压成型，将混合物A放入热压模具中，调整热压的温度至200℃，压力为20兆帕，热压15分钟，热压完成后，在模具闭合状态下冷却至室温，随后进行脱模，形成预定的包装材料形状；
S7：快速冷却和定型，将成型后的包装材料立即从模具中取出，并在25℃的冷却环境中冷却10分钟，随后放置在25℃的室温环境中进行定型处理，定型时间为60分钟；
S8：生物蜡涂覆，选取蜂蜡，调整浓度至60%，将其融化至液态，控制温度在80℃，使用喷涂装置将融化的生物蜡以0.5毫米的厚度均匀喷涂在定型处理后的包装材料表面，然后在30℃的环境中干燥50分钟。
表1环保包装材料成品性能对比
从上述表1可以看出，实施例1的聚乳酸和竹纤维的比例以及改性处理使得其抗压强度和抗拉强度都优于其他两个实施例，高强度表明该材料更适合承载重物，适用于多种包装需求，实施例1的热稳定性较高，说明在较高温度下其性能变化较小，适合于不同的存储和运输环境，实施例1表现出更高的水解稳定性，这意味着在潮湿环境中其性能下降的速度较慢，实施例1的生物降解速率最高，确保了环保性，实施例1的成本略高于实施例2但低于实施例3，考虑到其性能优势，这一成本是合理的。
表2其他方面性能参数对比
从上述表2可以看出，实施例1的材料具有最低的水分吸收率，仅为2%，这表示其在防水性能方面表现最佳，适用于需要防潮的包装场合，实施例1在抵御紫外线方面的表现最优，其UV抵抗指数高达90，这有助于防止材料在长期暴露于阳光下退色或老化，实施例1的材料密度最低，为1.2 g/cm³，意味着它更轻便，有利于降低运输成本和提高使用方便性，实施例1的材料具有85%的回收利用率，这表示它更环保，易于循环使用，实施例1的抗磨损指数为80，显示出较高的耐用性，有利于长期使用，虽然实施例2的透气性最高，但实施例1的透气性表现也相当不错，达到3000 g/m²·24hr，适合需要一定透气性的包装应用。
综上所述，实施例1在多项关键性能指标上均展现出优越性，因此实施例1为最佳实施例。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按预设比例选取聚乳酸、竹纤维以及生物基可降解塑化剂；
S2：对竹纤维进行碱化处理；
S3：向聚乳酸中添加纳米级二氧化硅颗粒，进行改性处理；
S4：将改性后的聚乳酸与碱化处理后的竹纤维进行混合处理，形成初步的复合材料；
S5：在预设的温度下，将生物基可降解塑化剂加入到初步的复合材料中，形成混合物A；
S6：将混合物A在预设的温度和压力下进行热压，以形成预定的包装材料形状；
S7：包装材料在成型后立即进行快速冷却，然后在室温下进行定型处理；
S8：在定型处理的包装材料表面涂覆一层生物蜡，以增强其防水性和耐久性。
2.根据权利要求1所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S1中预设比例为聚乳酸占35-55%、竹纤维占20-30%、生物基可降解塑化剂占25-35%。
3.根据权利要求2所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S2中对竹纤维进行碱化处理具体包括：
S21：配制碱溶液，该碱溶液包括1-5%的氢氧化钠，其余为水，所述以碱溶液与竹纤维比例为10-20:1；
S22：将竹纤维浸泡在所配制的碱溶液中，浸泡时间为1-3小时；
S23：在浸泡过程中，保持溶液的温度为50-80℃；
S24：碱化处理完成后，将竹纤维从碱溶液中取出，并先用清水冲洗至中性，以去除残留的碱，接着将经过冲洗的竹纤维进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为3小时，直至竹纤维完全干燥。
4.根据权利要求3所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S3中进行改性处理包括：
S31：预备纳米级二氧化硅颗粒，所述二氧化硅颗粒平均粒径为20-100纳米；
S32：将纳米二氧化硅颗粒在适宜介质中进行预分散处理，所述介质选择为乙醇或去离子水，预分散时间为30-60分钟；
S33：将预分散的纳米二氧化硅颗粒与聚乳酸进行高剪切混合，混合温度控制在180-220℃，混合时间为1-3小时；
S34：混合后的材料进行冷却处理，冷却至室温，然后进行固化，以稳定材料结构。
5.根据权利要求4所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S4具体包括：
S41：将改性后的聚乳酸和碱化处理后的竹纤维按照预定比例进行高剪切混合，混合温度控制为180-220℃，混合时间为1-2小时；
S42：完成混合后，将混合物进行冷却至室温，以形成初步的复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S5具体包括：
S51：先将初步的复合材料加热至150-180℃；
S52：然后将生物基可降解塑化剂加入到加热的初步复合材料中，并使用搅拌设备进行均匀混合，混合时间为30-60分钟，搅拌转速控制为200-500转/分钟，形成均匀的混合物A；
S53：完成混合后，将混合物A冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S6具体包括：
S61：准备热压模具，该热压模具的设计和尺寸符合预定的包装材料的要求；
S62：调整热压的温度为160-200℃，压力为5-20兆帕；
S63：将混合物A放入热压模具中，进行热压处理，热压时间控制为5-15分钟；
S64：热压完成后，保持模具关闭状态下冷却至室温，随后进行脱模，形成预定的包装材料形状。
8.根据权利要求7所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S7具体包括：
S71：成型后的包装材料立即从模具中取出，并置于预先设置好的冷却环境中，所述冷却环境的温度控为10-25℃，冷却时间为5-10分钟；
S72：冷却后的包装材料放置在室温环境中，进行定型处理，具体将室温环境的温度维持在25℃，定型时间为30-60分钟。
9.根据权利要求8所述的一种生物降解材料的环保包装材料制备工艺，其特征在于，所述S8具体包括：
S81：选取适宜的生物蜡备用，并调整生物蜡浓度为40-60%，所述生物蜡为蜂蜡或植物源蜡；
S82：将选取的生物蜡融化至液态，融化过程中温度控制为60-80℃；
S83：使用喷涂装置，将融化的生物蜡喷涂在定型处理后的包装材料表面，所述喷涂生物蜡层厚度控制为0.1-0.5毫米；
S84：涂覆后的包装材料放置在温度为30℃的环境中，干燥30-50分钟。
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