一種可生物降解的聚乳酸複合材料、其製備方法及應用與流程
2023-07-23 11:07:36 4
本發明屬於新材料技術領域，具體涉及一種可生物降解的聚乳酸複合材料、其製備方法及應用。
背景技術：
目前市場上的化妝刷刷柄通常是以木材、竹子、工程塑料和金屬為原料。然而，木材和竹子雖然易於降解，但是由於其生長周期長，總需求量大，容易對生態環境造成不可逆的破壞；工程塑料和金屬材料降解周期長，難以回收再利用，不利於社會的可持續性發展。在這樣的情況下，必須尋找到可替代的可生物降解的材料。
聚乳酸是一種可以由農作物發酵所得的乳酸聚合而成的高分子材料，因此，聚乳酸是一種環境友好高分子材料。同時，由於聚乳酸還具有生物可降解性，較好的機械性能和加工性能。在堆肥的情況下可在較短的時間內完全生物降解，降解的產物為二氧化碳和水，可以被可再生農作物通過光合作用吸收，完成一次循環，整個過程對環境的影響較小。但是，純聚乳酸的玻璃化溫度較低，只有50～65℃，再者聚乳酸結晶速度慢，導致聚乳酸成型製品的耐熱性(熱變形溫度)較低，在很大程度上限制了聚乳酸的應用範圍。
農業廢棄物(即天然植物纖維)的加入，對於提高整個聚乳酸複合材料的綜合性能也有明顯的效果。然而，由於聚乳酸與農業廢棄物複合材料性質硬且脆，抗衝擊性差等缺點，阻礙了聚乳酸與農業廢棄物複合材料的應用範圍。
技術實現要素：
針對現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種可生物降解的聚乳酸複合材料、其製備方法及應用。本發明採用納米碳酸鈣來增強可降解聚乳酸與農業廢棄物複合材料的穩定性、硬度和剛性，同時改善塑料的加工性能、耐熱性和散光性能。本發明的聚乳酸複合材料可用作化妝刷刷柄。
為了實現上述目的，本發明採用以下方案來實現：
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，所述聚乳酸複合材料包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸40-60％，
農業廢棄物15-30％，
碳酸鈣25-30％。
優選地，所述聚乳酸複合材料包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸45-50％，
農業廢棄物20-25％，
碳酸鈣27-30％。
優選地，所述聚乳酸複合材料包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸47-50％，
農業廢棄物20-23％，
碳酸鈣29-30％。
優選地，所述聚乳酸的重均分子量為10萬-30萬，其為聚-l-乳酸和聚-d-乳酸共混物，其中聚-d-乳酸所佔比例小於6％。
優選地，所述聚乳酸為美國natureworks公司注塑標準級。
優選地，所述農業廢棄物選自秸稈、稻殼、米糠中的至少一種。
進一步優選地，所述秸稈選自水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、棉花秸稈、甘蔗秸稈、薯類秸稈中的至少一種。
優選地，所述碳酸鈣為納米級碳酸鈣，其平均粒徑範圍為0.04～0.1微米。進一步優選，所述納米碳酸鈣為廣州振威化工科技有限公司i型。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將農業廢棄物進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過50-60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的農業廢棄物與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料注塑成型，製成製品。
優選地，步驟(3)中注塑成型在溫度為150-250℃，壓力為15-30mpa的條件下進行。優選地，步驟(3)中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為200-400r/min,螺杆的長徑比為30:1-50:1。
上述聚乳酸複合材料的應用，將所述可生物降解的聚乳酸複合材料製備成化妝刷刷柄。
目前市面上的聚乳酸均是線性分子結構，缺少支鏈結構，導致聚乳酸自身熔體強度較低，難以穩定地吹塑成型加工。同時，由於聚乳酸結晶速度慢，球晶尺寸大，導致材料硬且脆，其撕裂強度差，斷裂伸長率不足5％。納米碳酸鈣與聚乳酸和農業廢棄物複合材料的基質間存在強的化學作用，不存在界面軟化現象，同時納米碳酸鈣粒子能形成鏈狀結構，使聚乳酸和農業廢棄物複合材料的物理纏結能力增強。納米碳酸鈣的添加大大提高了聚乳酸和農業廢棄物複合材料的強度，對聚乳酸和農業廢棄物複合材料應用於化妝刷的發展具有很重大的意義。
本發明的有益效果：
(1)聚乳酸作為植物提取可降解材料，來源廣泛，綠色環保；農業廢棄物生長周期短，成本低廉，加工簡便，由聚乳酸和農業廢棄物製備的複合材料在自然條件下可實現有機物百分百降解；
(2)納米碳酸鈣有效的解決了聚乳酸和農業廢棄物複合材料性質脆和軟的特性，可完全取代工程塑料和傳統材料，實現了資源的可持續發展；
(3)由本發明的聚乳酸複合材料製備得到的化妝刷刷柄具有易降解，強度高，手感好，不變形的特點。
具體實施方式
為了使本實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述發明。
實施例1
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸50％，
小麥秸稈20％，
納米碳酸鈣30％。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)將小麥秸稈進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的小麥秸稈與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，其中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為300r/min,螺杆的長徑比為40:1，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料在溫度為200℃、壓力為20mpa的條件下，注塑成型，製成製品。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的應用，將上述可生物降解的聚乳酸複合材料製備成化妝刷刷柄經外部修整，紫外消毒後包裝。
實施例2
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸60％，
玉米秸稈15％，
納米碳酸鈣25％。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)將玉米秸稈進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的玉米秸稈與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，其中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為300r/min,螺杆的長徑比為40:1，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料在溫度為150-250℃、壓力為15-30mpa的條件下，注塑成型，製成化妝刷刷柄。
實施例3
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸40％，
米糠30％，
納米碳酸鈣30％。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)將米糠進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的米糠與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，其中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為400r/min,螺杆的長徑比為50:1，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料在溫度為250℃、壓力為15mpa的條件下，注塑成型，製成化妝刷刷柄。
實施例4
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，包括以下按重量百分比計的原料：
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)將小麥秸稈、稻殼進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過50-60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的小麥秸稈、稻殼與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，其中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為200r/min,螺杆的長徑比為30:1，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料在溫度為150℃、壓力為30mpa的條件下，注塑成型，製成化妝刷刷柄。
實施例5
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸50％，
小麥秸稈25％，
納米碳酸鈣25％。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)將小麥秸稈進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的小麥秸稈與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，其中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為300r/min,螺杆的長徑比為40:1，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料在溫度為200℃、壓力為20mpa的條件下，注塑成型，製成化妝刷刷柄。
對比例1
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸70％，
小麥秸稈20％，
納米碳酸鈣10％。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)將小麥秸稈進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的小麥秸稈與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，其中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為300r/min,螺杆的長徑比為40:1，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料在溫度為200℃、壓力為20mpa的條件下，注塑成型，製成化妝刷刷柄。
對比例2
一種可生物降解的聚乳酸複合材料，包括以下按重量百分比計的原料：
聚乳酸50％，
小麥秸稈40％，
納米碳酸鈣10％。
上述可生物降解的聚乳酸複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)將小麥秸稈進行清理，除去泥沙以及腐物，曬乾後粉碎，並將得到的粉末過60目篩，再放入烘乾機中烘乾至水分含量在1％-3％；
(2)將經過步驟(1)處理後的小麥秸稈與聚乳酸在80-90℃下乾燥3-4h，控制溼度在250ppm以下，得到混合物；
(3)將經過步驟(2)處理得到的混合物與納米碳酸鈣在雙螺杆擠出機中，擠出制粒，其中擠出溫度為175-200℃，螺杆轉速為300r/min,螺杆的長徑比為40:1，形成顆粒狀半成品材料，形成顆粒狀半成品材料；
(4)將步驟(3)得到的顆粒狀半成品材料在溫度為200℃、壓力為20mpa的條件下，注塑成型，製成化妝刷刷柄。
對實施例1-5和對比例1-2的聚乳酸複合材料進行力學性能測試，其結果見表1.
表1實施例1-5和對比例1-2的聚乳酸複合材料力學性能測試
以上所述僅為本發明的優選實施方式，本發明並不限定於上述實施方式，只要以基本相同手段實現本發明的的技術方案都屬於本發明的保護範圍。