摘 要：本发明属于生物降解材料技术领域，提供一种苎麻纤维基生物降解材料及制备方法。本发明将苎麻粉，与PBAT、相容剂混合均匀，然后密炼、破碎、成型得到苎麻纤维基生物降解材料。本发明提供的苎麻纤维基生物降解材料中苎麻纤维基填充量可达50％，力学性能优良，透光性好，可应用于工厂化吹胀成型。
技术要点
1.一种苎麻纤维基生物降解材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将PBAT、苎麻粉和相容剂混合，得到混合原料；将所述混合原料进行密炼，得密炼物料；将所述密炼物料破碎，得到颗粒料，将所述颗粒料制备成型，得到苎麻纤维基生物降解材料；
所述相容剂为马来酸酐接枝PBAT；
所述相容剂添加量为PBAT和苎麻粉总质量的2～6wt％；所述苎麻粉添加量为PBAT和苎麻粉总质量的30～50wt％；所述密炼的温度为140～160℃，密炼的转速为30～50rpm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相容剂的制备方法包括：将过氧化二苯甲酰、马来酸酐和PBAT熔融进行接枝反应，得到所述相容剂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述苎麻粉的粒度在600目以上。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合的转速为700～1000rpm，时间为5～10min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述密炼物料为长度10～20cm、宽度3～5cm的片状物；所述颗粒料的直径为0.5～1.5cm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成型为注射成型。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述注射成型的工艺参数包括：温度160～180℃，注射压力8Mpa，注射时间20s，合模时间10s，冷却时间10s。
8.一种苎麻纤维基生物降解材料，包括PBAT、苎麻粉和相容剂，所述苎麻粉的含量为PBAT和苎麻粉总量的30～50wt％，所述相容剂的量为PBAT和苎麻粉总质量的2～6wt％。
技术领域
本发明涉及的是生物降解材料技术领域，具体涉及苎麻纤维基生物降解材料及制备方法。
背景技术
可降解塑料是指在生产过程中加入一定量的添加物(如淀粉、改性淀粉或其他维生素、光敏剂、生物降解剂等)，使其稳定性下降，易在自然环境中降解的塑料，其中生物可降解塑料是主要应用形式。PBAT、PLA、PHA和PPC等是全生物可降解塑料，可广泛应用于超市购物袋、外卖餐盒、农用地膜等领域。但全生物可降解塑料在力学性能、热性能、阻隔性能及生产成本等方面存在不足，为扩大其应用范围，应进行一系列的改性。
宁平等人对淀粉填充改性PBAT进行了研究(宁平，陈明月，等.淀粉填充改性PBAT的结构与性能研究[J]，化工新型材料，2010，38(7)：116?119.)，研究表明淀粉填充改性PBAT增强了其拉伸强度和断裂伸长率，但淀粉填充量不超过15％，超过15％时淀粉填充改性PBAT的拉伸强度和断裂伸长率大幅降低。然而填充量低又致使全生物降解材料的生产成本居高不下，制约了全生物降解产品在社会面的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种填充量高同时又具有高的拉伸强度和断裂伸长率的苎麻纤维基生物降解材料。
本发明提供了一种苎麻纤维基生物降解材料的制备方法，包括以下步骤：
将PBAT、苎麻粉和相容剂混合，得到混合原料；将所述混合原料进行密炼，得密炼物料；
将所述密炼物料破碎，得到颗粒料，将所述颗粒料制备成型，得到苎麻纤维基生物降解材料；
所述相容剂为马来酸酐接枝PBAT；
所述相容剂添加量为PBAT和苎麻粉总质量的2～6wt％；所述苎麻粉添加量为PBAT和苎麻粉总质量的30～50wt％；所述密炼的温度为140～160℃，密炼的转速为30～50rpm。
优选的，所述相容剂由过氧化二苯甲酰、马来酸酐、PBAT熔融制得。
优选的，所述苎麻粉在600目以上。
优选的，所述混合均匀具体为：在700～1000rpm的条件下混合5～10分钟。
优选的，所述密炼温度为140～160℃，密炼转速为30～50rpm。
优选的，所述密炼物料为长度10～20cm、宽度3～5cm的片状物；所述颗粒料的直径为0.5～1.5cm。
优选的，所述成型为注射成型。
优选的，所述注射成型的工艺参数包括：温度160～180℃，注射压力8Mpa，注射时间20s，合模时间10s，冷却时间10s。
本发明还提供了一种苎麻纤维基生物降解材料，包括PBAT、苎麻粉、相容剂，所述相容剂添加量为PBAT和苎麻粉总质量的2～6wt％；所述苎麻粉添加量为PBAT和苎麻粉总质量的30～50wt％；所述密炼的温度为140～160℃，密炼的转速为30～50rpm。
本发明提供的苎麻纤维基生物降解材料，以苎麻纤维为填充体，针对纤维分子的特有晶型结构，本发明通过调节密炼的转速、温度，使苎麻中的纤维素、半纤维素和木质素中的氢键充分打开，从而有利于与聚合物相容；以及添加马来酸酐接枝物做相容剂，引入强极性反应基团马来酸酐，促进苎麻粉和PBAT表面的润湿性；并且借助分子间的键合力，增加苎麻粉和PBAT之间的粘合性，降低两者间的界面能，使两相间能更好地分散和稳定，使纤维素分子能够完美与基体树脂PBAT实现两相界面的共混共熔，可实现苎麻纤维素的高含量填充、降低成本的同时，还改善了复合物的力学性能，进而提高了苎麻纤维基生物降解材料的拉伸强度和断裂伸长率。实施例结果显示，本发明提供的苎麻纤维基生物降解材料中苎麻粉的填充量可达50％，且拉伸强度可达18.24MPa，断裂伸长率可达13.04％。
附图说明
图1为马来酸酐接枝PBAT的结构示意图。
图1
具体实施方式
本发明提供了一种苎麻纤维基生物降解材料的制备方法，包括以下步骤：
取PBAT、苎麻粉和相容剂混合，得到混合原料；将所述混合原料进行密炼，得密炼物料；
将所述密炼物料破碎，得到颗粒料，将所述颗粒料制备成型，得到苎麻纤维基生物降解材料；
所述相容剂为马来酸酐接枝PBAT；
所述相容剂添加量为PBAT和苎麻粉总质量的2～6wt％；所述苎麻粉添加量为PBAT和苎麻粉总质量的30～50wt％；所述密炼的温度为140～160℃，密炼的转速为30～50rpm。
本发明将PBAT、苎麻粉和相容剂混合，得到混合原料。本发明以PBAT做基质，苎麻粉作为填充物。本发明对PBAT的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述PBAT购自新疆屯河TH801T，PBAT的分子量限定为分子量14.2万，对苯二甲酸丁二醇(BT)含量55％，己二酸丁二醇(BA)含量45％。
本发明对所述苎麻粉的获取方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的技术方案将苎麻原料制备成苎麻粉即可。在本发明的实施例中，所述苎麻粉的制备方法可以为：将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成苎麻粉。
本发明中，所述苎麻粉的添加量优选为PBAT、苎麻粉总量的30～50wt％，在本发明的实施例中，所述苎麻粉的添加量可具体为30、35、40、45或50wt％。
在本发明中，所述苎麻粉的粒度优选为600目以上。
在本发明的实施例中，所述相容剂为马来酸酐接枝PBAT，优选的，PBAT的分子量限定为14.2万，接枝率为0.9％。
在本发明中，所述相容剂的制备方法优选包括：
将过氧化二苯甲酰、马来酸酐和PBAT熔融进行接枝反应，得到所述相容剂。
在发明中，过氧化二苯甲酰为引发剂，引发马来酸酐对PBAT的接枝。PBAT是对苯二甲酸丁二醇/己二酸丁二醇，分子量为14.2万。马来酸酐在引发剂过氧化二苯甲酰的作用下，接枝PBAT，得到相容剂马来酸酐接枝PBAT。
在本发明中，过氧化二苯甲酰的用量优选0.05％?1％，浓度优选99％；马来酸酐用量优选1?2％、PBAT的用量优选98％
在本发明中，熔融在双螺杆中进行，熔融的过程中发生接枝反应，在本发明中，双螺杆转速优选为150rpm，熔融温度优选为150℃。
本发明中，相容剂的添加量优选为PBAT和苎麻粉总质量的2～6wt％，在本发明的实施例中，所述相容剂的添加量可具体为2wt％，3wt％，4wt％，5wt％或6wt％。
在本发明中，将PBAT、苎麻粉和相容剂混合，得到混合原料。在本发明中，所述混合的转速优选为700～1000rpm，更优选为1000rpm；时间优选为5～10min，更优选为10min。本发明对所述混合的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的高速混合机即可。
得到混合原料后，本发明将所述混合原料进行密炼得密炼物料。本发明中，所述密炼的温度优选为140～160℃，在本发明的实施例中，所述密炼的温度可具体为140℃，145℃，150℃，155℃或160℃；所述密炼转速优选为30～50rpm，在本发明的实施例中，所述密炼的转速可具体为30rpm，35rpm，40rpm，45rpm或50rpm；优选的，所述密炼物料为片状物，其尺寸为长度10～20cm、宽度3～5cm，更优选的所述片状物的尺寸为长度15cm、宽度4cm。
本发明对所述密炼的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的密炼机即可。在本发明中，所述密炼装置为转矩流变仪。
得到密炼物料后，本发明将所述密炼物料破碎成颗粒料，在本发明中，所述颗粒料的直径优选为0.5～1.5cm。本发明对所述破碎的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的设备即可，如所述破碎可以采用破碎机进行。
得到颗粒料后，本发明将所述颗粒料制备成型，得到苎麻纤维基生物降解材料。在本发明中，所述制备成型优选为注射成型，更优选的注射成标准哑铃型条状样品。本发明中，所述注射成型的工艺参数优选包括：温度160～180℃，注射压力8Mpa，注射时间20s，合模时间10s，冷却时间10s。
本发明对所述成型的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的机器即可，如所述成型装置可以为注射机。
本发明还提供了一种苎麻纤维基生物降解材料，包括PBAT、苎麻粉、相容剂，所述相容剂添加量为PBAT和苎麻粉总质量的2～6wt％；所述苎麻粉添加量为PBAT和苎麻粉总质量的30～50wt％。
本发明制得的苎麻纤维基生物降解材料，具有力学性能优良，透光性好可为工厂化吹胀成型。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
相容剂制备实施例：
将0.005?0.01质量份过氧化二苯甲酰、0.1?0.2质量份马来酸酐和98?99质量份PBAT，均匀混合，然后将混合物加入双螺旋挤出机料斗中，在转速100‐200rpm，温度150‐160℃下，进行熔融挤出，得到相容剂马来酸酐接枝PBAT。见附图1，表明成功合成了马来酸酐接枝PBAT。
实施例1
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成目数大于600目的苎麻粉，取30质量份的苎麻粉与70质量份的PBAT、2质量份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀；将混合得到的混合原料在140℃温度和30rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒料，利用注射机将颗粒料在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s的工艺条件下注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例2
将全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取30质量份的苎麻粉与70质量份的PBAT、4质量份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在150℃温度和40rpm转速下进行密炼，得长15cm，宽5cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例3
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取30质量份的苎麻粉与70份的PBAT、6份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在160℃温度和50rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例4
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取40质量份的苎麻粉与60份的PBAT、2份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在160℃温度和50rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例5
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取40质量份的苎麻粉与60份的PBAT、4份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在160℃温度和30rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例6
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取40质量份的苎麻粉与60份的PBAT、6份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在150℃温度和40rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例7
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取50质量份的苎麻粉与50份的PBAT、2份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在160℃温度和40rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例8
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取50质量份的苎麻粉与50份的PBAT、4份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在150℃温度和50rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
实施例9
将成熟的全株苎麻平土刹割，切断、利用研磨机械磨成大于600目的苎麻粉，取50质量份的苎麻粉与50份的PBAT、6份相容剂，在高速混合机中于700rpm的条件下混合5分钟，使各物料混合均匀混合均匀；将混合后的物料在150℃温度和30rpm转速下进行密炼，得长10cm，宽3cm的片状物；将片状物料放入破碎机中破碎成直径为1cm的颗粒状，利用注射机在160℃，8Mpa，注射20s，合模10s，冷却10s，注射成标准哑铃型，即得苎麻纤维基生物降解材料。
对实施例1～9进行含水率测试(％)，如表1所示。
表1 苎麻纤维基生物降解材料的含水率测试(％)
从表1可以看出，改性料的总体含水率比较低，其含水率范围为1.36～1.94％。由于苎麻粉中纤维素上含有大量的亲水性羟基，容易从空气中吸收水分，所以，随着苎麻粉在改性料中的比例增加，其含水率也相应增加。
对实施例1～9进行熔融指数的测定，熔融指数(MFR)是衡量热塑性树脂在一定温度下流变特性的一项重要指标。按照GB3682?83热塑性塑料熔体流动速率试验方法对本实验中制备的物料进行MFR测试。测试条件如下：温度220℃，载荷10.0kg，标准口模内径2.095mm，口模系数2146g.mm2。结果如表2所示。
表2 苎麻纤维基生物降解材料的熔融指数的测定(MFR，g/10min)
注：测试条件：220℃，10kg。
由表2可以看出，苎麻纤维基生物降解材料的熔融指数总体随相容剂的含量增加会逐渐减小。可能是相容剂不仅可以交联纤维素大分子，同时，部分相容剂分子与PBAT的端羧基产生了反应，致使其流动性变差。
对实施例1～9进行机械性能测定，如表3所示。
表3 苎麻纤维基生物降解材料的机械性能测定
由表3可以看出，本申请制得的苎麻纤维基生物降解材料拉伸强度和断裂伸长率均有提高，且当组合为苎麻粉40％，相容剂含量为6％，密炼温度为150℃，螺杆转速为40rpm，制得的苎麻纤维基生物降解材料拉伸强度18.24MPa，断裂伸长率可达13.04％。
对实施例1～9进行拉伸强度/极差分析，如表4所示。
表4 苎麻纤维基生物降解材料的拉伸强度/极差分析表
由表4可以看出，本申请制得的苎麻纤维基生物降解材料的拉伸强度与苎麻粉含量、相容剂含量、密炼转速和密炼温度有关；且影响力大小依次为相容剂含量、密炼转速、苎麻粉含量和密炼温度。
由以上实施例可以看出，本发明提供的或按照本发明制备方法制备的苎麻纤维基填充量高达50％的纤维素基全生物降解改性材料。可为工厂化吹胀成型，制备具有力学性能优良，透光性好的特点的全生物降解的薄膜产品提供技术支撑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
摘自国家发明专利，发明人：汪红武、杨勇、徐敏、王维、熊伟、张奥深、陈炼等，申请号：202310447230.1，申请日：2023.04.24
