生物降解塑料的生產和用於其生產的裝置的製作方法
2023-05-29 22:15:41
專利名稱：生物降解塑料的生產和用於其生產的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及由作為原材料的乳酸製得的生物降解塑料的生產方法和用於其生產的裝置。
背景技術：
使用乳酸作為原材料的聚乳酸——生物降解塑料的主要組分——的生產方法是公知的，並且如圖1所示，常規方法一般由這樣的合成工藝組成，其中在高的溫度和壓力下，由脫水通過乳酸的縮聚，經過交酯將乳酸轉化成聚乳酸。
生物降解塑料具有作為通常用途塑料的功能和性能，且特徵在於當在使用之後丟棄時，塑料容易分解和在自然環境中變成無害的和並不汙染自然環境。因此希望所述塑料在近期用於每一個領域並且是特別有用的材料。
然而，由於上述通常生產方法的生產成本較高，塑料僅用於堆肥袋、用於農業的多膜等，並且所述塑料具有這樣的缺點與通用塑料相比不能達到足夠的強度和性能，但是由於它的優良的生物降解性，它開始用於醫藥領域，如外科縫線。
發明內容
本發明涉及在低成本下提供這樣生物降解塑料的目的，其中，不採用從上述的乳酸通過交酯得到的聚乳酸合成方法，而是提供如圖2所示的從乳酸製得聚乳酸的直接合成方法和用於該方法的裝置，因此顯著縮短聚乳酸合成要求的時間以及降低生產成本。
圖1說明顯示聚乳酸常規合成途徑的化學公式；圖2說明顯示根據本發明聚乳酸合成途徑的化學公式；圖3是顯示在排出出口關閉狀態下，用於本發明生物降解塑料生產方法的裝置的橫截面視圖；和圖4是顯示在排出出口開啟狀態下上述裝置的橫截面視圖。
具體實施例方式
在此方法中，通過由玉米澱粉代表的澱粉的乳酸發酵獲得乳酸。使用此乳酸作為原材料，在高的溫度和壓力下，在金屬催化劑存在下通過脫水，由乳酸的縮聚獲得為生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
將通過脫水在縮聚期間產生的水汽釋放到系統外部和通過測量釋放的水汽數量而確定反應的終點；因此獲得為生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
對於上述的金屬催化劑，優選是氯化鋅、或/和氯化亞錫。即，使用乳酸作為原材料，在高的溫度和壓力下，在氯化鋅或/和氯化亞錫存在下，通過加速由脫水的上述乳酸縮聚而獲得為生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
在其中以氯化鋅和氯化亞錫結合用作催化劑的情況下，優選氯化鋅的加入量選自0.1-0.3wt％和上述氯化亞錫的加入量選自0.1-1wt％。
此外，由脫水的上述縮聚溫度優選選自180-220℃和在由脫水的縮聚時的真空度為-0.05～-0.08Mpa。
在採用上述結合的情況下，如果氯化鋅和氯化亞錫加入量的總重量小於0.4wt％，由脫水的縮聚可顯著變緩慢。另一方面，如果總數量超過1wt％，僅可進行脫水反應，導致反應物的碳化。為避免此情況，當提高裝置中的真空度時，加速縮聚反應，同時增強交酯的形成和可發生如聚乳酸收率下降的麻煩。
為此原因，當氯化鋅和氯化亞錫結合使用時，總加入量優選為0.4-1wt％；氯化鋅的加入量優選是0.1-0.3wt％和氯化亞錫的加入量優選是0.3-0.7wt％。
作為具體的實施例，當氯化鋅和氯化亞錫結合使用時，聚乳酸的重均分子量是110,000，和氯化鋅和氯化亞錫分別是0.1wt％和0.4wt％。當氯化鋅和氯化亞錫分別是0.2wt％和0.5wt％時，聚乳酸的重均分子量是120,000。
在其中僅使用氯化鋅作為催化劑的情況下，加入量優選為0.2-0.8wt％，和形成聚乳酸的重均分子量為80,000-100,000。
在其中僅使用氯化亞錫作為催化劑的情況下，加入量優選為0.3-1wt％，和形成聚乳酸的重均分子量為100,000-120,000。
當獨立地使用這些氯化鋅和氯化亞錫任一種時，發現聚合必須的時間變得更長。因此，如果不考慮反應時間，可以單獨使用這些催化劑。
從上述內容，確認氯化鋅和氯化亞錫作為催化劑的結合使用可縮短聚合時間，使形成聚乳酸的分子量較高和增加聚乳酸的收率。
然後，基於圖3和4解釋用於上述生物降解塑料生產方法的裝置。
此裝置具有氣密容器1，向該容器中放入原材料乳酸和金屬催化劑，降低氣密容器1內部壓力的壓力降低單元2，加熱氣密容器1的加熱設備3，和混合氣密容器1中乳酸的混合設備4。
例如，上述的氣密容器1由向上開啟的容器主體1a和可開啟的覆蓋體1b組成，該覆蓋體開啟和緊密地覆蓋所述主體的開啟部分。
例如，在上述容器1的頂部板，即覆蓋體1b上提供用於放入原材料乳酸和催化劑的入口5，和連接到壓力降低單元2的排氣口6。
另外，採用電加熱器形成上述的加熱設備3，該加熱器接觸氣密容器上述主體1a的外周圍表面，且布置該加熱器以圍繞主體1a。
此外，在上述氣密容器1的頂部板，即容器主體1a的底部板上提供一排出缸7，連接該缸以連通氣密容器1的內部空間，以排出合成的聚乳酸；和一在排出缸7外端的產物出口8。
而且在上述排出缸7中，同軸提供螺杆軸9，並且當出口8開啟時，螺杆軸9允許氣密容器1中的聚乳酸通過上述產物出口8排出。
圖3和4顯示上述螺杆軸9操作結構的實施例。如所示，採用混合葉片4a形成上述混合設備4，混合葉片4a的軸4b的上端連接到電機4c，及軸4b和混合葉片4a由電機4c旋轉。
例如，在容器頂部的上部上，即在覆蓋體1b的上部上，在氣密容器1的外部放置電機4c，和上述軸4b直接連接到電機4c的驅動軸和垂直布置在氣密容器1中的中心部分。
上述軸4b的下端具有同軸地以連接排布置的上述螺杆軸9，並且將螺杆軸9插入排出缸7中。
另一方面，將上述電機4c支撐在支架10上，支架10由流體壓力缸11支撐，和如圖3所示，支架10和電機4c由流體壓力缸11的收縮運動而下降，伴隨著上述螺杆軸9與軸4b和混合葉片4a一起的下降。換言之，將螺杆軸9在排出缸7中向產物出口8推動，因此倚靠在連接到產物出口8的部分上形成的區段12而止擋於螺杆軸9的端面，並關閉出口8。
在關閉上述出口8的狀態下，混合葉片4a按向前的方向由電機4c驅動旋轉，在容器中的乳酸被混合，並且通過壓力降低單元2和加熱設備3，在高溫和減壓下上述的脫水縮聚被加速。
如圖4所示，上述支架10和電機4c由上述流體壓力缸11的伸長運動提起，它伴隨著上述螺杆軸9與軸4b和混合葉片4a一起的上述移動。即，將螺杆杆在排出缸7內提起以從區段12離開，因此釋放產物出口8。
在開啟上述出口8的情況下，在相反方向通過反轉電機4c而旋轉軸4b，允許螺杆軸9逆向旋轉。因此，將合成的聚乳酸向產物出口8輸送並從相同的出口8排出。
如重複地提及，將預定數量的乳酸和催化劑放入聚合裝置(氣密容器1)。在操作混合設備4的同時，將容器1的內部使用壓力降低單元2降低壓力並同時由加熱設備3加熱到180-220℃。當反應進行時，在容器1中產生水，即水汽，並將此水汽由壓力降低單元2釋入到系統外部，因此允許更高比例聚乳酸和更低比例交酯的形成。
此外，通過在到壓力降低單元2的管線中間插入水汽傳感器13且然後由測量設備14測量產生的水汽數量，而確定反應的進展，並且在當產生計算量的水汽量時的時刻終止反應。
將這樣獲得的聚乳酸——生物降解塑料的主要組分通過上述排出缸7和產物出口8排出到外部。如何從此排出的聚乳酸回收金屬催化劑的方法是基於已知技術。
根據本發明，如圖2所示可以直接從上述乳酸合成聚乳酸，而不採用常規途徑，其中如圖1所示從乳酸通過交酯合成聚乳酸，和因此，顯著縮短聚乳酸合成要求的時間和降低生產成本。
此外，由於在聚合裝置中氧氣分壓低，即使加熱溫度變化到一定的程度，與常規聚合方法中的反應時間相比，反應時間節省約50％以及獲得具有高質量的聚乳酸而沒有產物的碳化。
字母和數字的解釋1 氣密容器1a 容器主體1b 覆蓋體2 壓力降低單元3 加熱設備4 混合設備4a 混合葉片4b 軸4c 電機5 乳酸和催化劑的入口6 排氣口7 排出缸8 產物出口9 螺杆軸10 電機支架11 流體壓力缸12 區段13 水汽傳感器14 水汽測量設備
權利要求
1.生物降解塑料的生產方法，包括使用乳酸作為原材料；在高溫和減壓下，在金屬催化劑存在下通過脫水，將乳酸進行縮聚；和獲得生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
2.生物降解塑料的生產方法，包括使用乳酸作為原材料；在高溫和減壓下，在金屬催化劑存在下通過脫水將乳酸進行縮聚；將通過脫水在縮聚期間產生的水汽釋放到系統外部；通過在釋放水汽的同時測量水汽釋放量而確定反應的終點；和獲得生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
3.根據權利要求1或2所述的生物降解塑料的生產方法，其中，所述金屬催化劑是氯化鋅和/或氯化亞錫。
4.根據權利要求3所述的生物降解塑料的生產方法，其中，當氯化鋅和氯化亞錫的組合物用作催化劑時，氯化鋅的加入量是0.1至0.3wt％和氯化亞錫的加入量是0.1至1wt％。
5.根據權利要求1或2所述的生物降解塑料的生產方法，其中，脫水縮聚的溫度是180至220℃，且在脫水縮聚時的真空度為-0.05至-0.08Mpa。
6.生物降解塑料的生產裝置，包括用於放入作為原材料的乳酸的氣密容器；用於降低氣密容器內部壓力的壓力降低單元；用於加熱氣密容器的加熱設備；和用於混合氣密容器中乳酸的混合設備。
7.根據權利要求6所述的生物降解塑料的生產裝置，其中，在所述氣密容器中設置有一具有出口的排出缸，在所述排出缸中同軸設置有一螺杆軸，以及在所述出口開啟時，通過所述出口由所述螺杆軸排出在所述氣密容器中的聚乳酸。
全文摘要
本發明提供生物降解塑料的生產方法，其中，從乳酸直接合成聚乳酸而不採用從乳酸通過交酯的常規聚乳酸合成途徑，並提供其生產的裝置。以此方式，顯著縮短聚乳酸合成要求的時間和降低生產成本。在生物降解塑料的生產方法中，在高溫和減壓下，在金屬催化劑存在下，由原材料，乳酸的脫水，通過縮聚獲得聚乳酸，生物降解塑料的主要組分。
文檔編號C08G63/06GK1631932SQ20031012358
公開日2005年6月29日 申請日期2003年12月25日 優先權日2003年12月25日
發明者山田純二, 金柬伯, 高村孝次 申請人:J公司株式會社