可降解餐具及其制备方法与流程

1.本发明涉及可降解餐具技术领域，特别是涉及一种可降解餐具及其制备方法。


背景技术：

2.可降解餐具在日常生活中应用广泛，且使用后可被自然界微生物完全分解成二氧化碳、水以及其他对环境无害的低分子化合物，主要分为生物基可降解餐具和石油基可降解塑料，其中生物基降解塑料包括聚乳酸(pla)、聚乙醇酸(pga)等，虽然这两种材料均可完全生物降解，但制备的餐具颜色单一，且使用时降解速度快，保存时间短。
3.现有技术中，一般采用添加着色剂来改善可降解塑料的颜色，添加着色剂会影响降解材料的性能；针对降解过快问题，通常利用改性涂料处理餐具表面，但操作过程复杂，且降解后仍会生产有害物质，例如金属污染等。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决可降解塑料颜色单一以及保存时间较短问题，提供了一种餐具以及制备方法，采用硅单质对餐具进行表面镀膜，改变餐具的颜色，而且镀膜层还能起到阻隔氧气和水份的作用，有助于延长餐具的使用寿命。
5.本发明提供的可降解餐具，包括由可降解塑料制成的基体，所述基体的全部表面覆有由硅单质构成的镀膜层，所述镀膜层的厚度为20～140nm。
6.基于光学干涉原理，即光经薄膜反射和折射产生的两列或几列光波在空间相遇时会相互叠加，导致在某些区域始终加强，在另一区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。本发明中，基体表面硅单质形成的镀膜层会产生光学干涉，且不同厚度的镀膜层造成的光学干涉效果不同，即不同区域叠加加强，可见光条件下，人的视觉上能够观察到可降解餐具呈现不同的颜色。
7.可降解餐具的基体一般采用生物基降解塑料，通过注塑可形成各种形状的餐具，目前常用的主要为聚乳酸(pla)或聚乙醇酸(pga)材料，pla和pga均为可完全生物降解的高分子材料，因此具有良好的应用与产业化前景，但它们存在明显缺点：颜色单一、降解速度过快，例如聚乳酸(pla)是一种天然有机酸，由可再生生物质资源中获得的糖通过发酵产生，利用其制备的可降解餐通常为白色，且在60℃、高湿土壤条件下，半年内会被微生物所降解，保存时间较短。聚乙醇酸(pga)通常由煤炭产物中的一氧化碳等气体经过一系列加工形成，在温度60℃和80％湿度下会开始崩解，在微生物作用下完全降解时间为1～3个月；以聚乙醇酸为原料制备的可降解餐具，呈黄灰色，且存储时间短。
8.随着镀膜层厚度的增大，可降解餐具呈现的颜色渐变。由于受基体本底颜色的影响，不同基材镀膜后呈现的颜色会有一些区别，以聚乳酸和聚乙醇酸为例，镀膜厚度≥70nm，两种餐具呈现的颜色基本相同；若镀膜厚度小于70nm，两种餐具呈现的颜色不同，例如镀膜厚度为30nm时，聚乳酸制备的餐具呈黄色，聚乙醇酸制备的餐具呈黄银色。因此，实际应用时，需根据基体本底颜色和预期呈现的颜色，选择合适的镀膜厚度。
9.本发明中，使用聚乳酸(pla)或聚乙醇酸(pga)制造可降解餐具的基体，保证废弃后仍能被降解的性能，而为了延长可将解餐具的使用寿命，基体全部表面覆有硅单质镀膜层，一方面可以改善餐具的颜色，另一方面起到阻隔空气和水分的作用。
10.为了更好地满足使用时和废弃后两方面的要求，镀膜层的厚度为50～100mm。
11.可降解餐具的镀膜方法有很多，例如蒸发镀膜、真空镀膜等，本发明中，通过磁控溅射法对所述基体进行镀膜，包括以下步骤：
12.步骤s100：将所述基体置于镀膜腔中，充入惰性气体并施加电压使惰性气体发生电离，产生的离子轰击所述基体以清洗其表面；
13.步骤s200：清洗结束后，进行抽真空；
14.步骤s300：往镀膜腔中再次充入惰性气体，将硅靶材接地或接负极，基体接阳极，在两极施加电压使惰性气体发生电离，将硅原子溅射至基体的表面，沉积形成镀膜层。
15.整个镀膜过程在一个镀膜腔内完成，包括基体表面清洗和溅射镀膜，考虑到基体的温度特性，尤其是对由pla和pga材料制备的基体，磁控溅射过程的温度为30～60℃，温度太低会影响基体的镀膜效率，而温度太高会导致基体变软而变形。
16.步骤s100中，基体接地或接负极，利用气体离子对基体表面进行清洗，可有效去除表面颗粒和污渍，使表面附着力达到百格测试5b的要求，为后续溅射镀膜打好基础。
17.可选的，步骤s100中，惰性气体的流量为500～800sccm，调节镀膜腔内的真空度在4～6pa，所述电压为600～1000v。
18.可选的，步骤s100中，单个基体的清洗时间为5～7s/min，清洗的总时间为1～5min，间歇式的清洗一方面避免基体温度大幅度上升导致形变，另一方面缓慢清洗基体表面，防止清洗过度损坏表面。
19.清洗时间的控制可通过三级工件旋转架来实现，例如，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度我30r/min，三级自转速度为60r/min。
20.可选的，步骤s200中，利用扩散泵对镀膜室进行抽气，去除使用过的惰性气体和杂质。
21.步骤s300中进行溅射镀膜，为了保证镀膜效果，需设定合理的工艺参数。
22.可选的，惰性气体的流量为200～500sccm，调节镀膜腔内的真空度在0.2～0.5pa，；电压为530～590v。
23.可选的，步骤s300中，硅靶材的溅射功率为4～6w/cm2，单个基体的溅射时间为3～5s/min，总溅射时间为9～60min，有助于在基体表面形成均匀的镀膜层，单个基体每分钟内的溅射时间相对较短，可有效减缓基体温度的升高；随着总溅射时间的延长，镀膜层的厚度越大。
24.通过设定三级工件旋转架速度控制基体的溅射时间，例如：一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度为60r/min。
25.为了实现高效的镀膜，本发明采用的磁控溅射装置包括放置在腔室中央的三级工件旋转架、设置在三级工件旋转架四周的硅靶材。
26.与现有技术相比，本发明提供一种环保安全的可降解餐具，利用硅材料形成不同厚度的镀膜层，使可降解餐具呈现不同的颜色，从而满足颜色多样化的需求；此外，镀膜能够有效阻隔氧气和水份，有助于延长餐具的使用寿命。根据想要呈现的颜色，采用磁控溅射
法在所述基体表面形成相应厚度的硅镀膜层，该方法操作简单，镀膜效率高。
附图说明
27.图1为不同厚度镀膜层的可降解餐具显示的颜色图，其中，叉子为聚乙醇酸材料，刀具为聚乳酸材料，编号1～14分别表示镀膜层厚度为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140nm。
具体实施方式
28.下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但本发明不仅限于此。
29.实施例1
30.步骤一、将聚乙醇酸材料制备的基体放置在镀膜室的三级工件旋转架上，关闭镀膜腔，形成封闭的镀膜环境；
31.步骤二、使用真空泵对镀膜室进行抽气，使镀膜腔内的真空度达到5pa左右，抽气时间为10min；
32.步骤三、基体接地或接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度为60r/min，向镀膜腔内冲入流量为600sccm的氩气，施加800v电压电离氩气，利用产生氩气离子轰击餐具表面，以清洗基体表面，单个基体的清洗时间为6s/min，清洗的总时间为4min；
33.步骤四、利用扩散本对镀膜腔进行第二次抽气，时间为15min，至真空度抽到0.002pa；
34.步骤五、向镀膜腔内冲入流量为300sccm的氩气，使真空度达到0.5pa，将硅靶材接地或接负极，基体接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度为60r/min，控制硅靶材的溅射功率为4w/cm2，在两极间产生530v的电压以电离氩气产生氩离子，氩离子在电场加速下获得动能轰击硅靶，并带有高能量轰击靶材表面，使硅靶材发生溅射，硅原子在运动中沉积在基体表面形成镀膜层，单个基体的被溅射时间为3s/min，总溅射时间为36分钟，镀膜厚度为55nm。
35.实施例2
36.步骤一、将聚乙醇酸材料制备的基体放置在镀膜室的三级工件旋转架上，关闭镀膜腔，形成封闭的镀膜环境；
37.步骤二、使用真空泵对镀膜室进行抽气，使镀膜腔内的真空度达到5pa左右，抽气时间为10min；
38.步骤三、基体接地或接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度为60r/min，向镀膜腔内冲入流量为600sccm的氩气，施加800v电压电离氩气，利用产生氩气离子轰击餐具表面，以清洗基体表面，单个基体的清洗时间为6s/min，清洗总时间为4min；
39.步骤四、利用扩散本对镀膜腔进行第二次抽气，时间为15min，至真空度抽到0.002pa；
40.步骤五、向镀膜腔内冲入流量为300sccm的氩气，使真空度达到0.5pa，将硅靶材接
地或接负极，基体接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度60r/min，控制硅靶材的溅射功率为6w/cm2，并在两极间产生590v的电压以电离氩气产生氩离子，氩离子在电场加速下获得动能轰击硅靶，并带有高能量轰击靶材表面，硅原子在运动中沉积在基体表面形成镀膜层，单个基体的溅射时间为3s/min，总溅射时间为36分钟，镀膜层的厚度为80nm。
41.实施例3
42.步骤一、将聚乳酸材料制备的基体放置在镀膜室的三级工件旋转架上，关闭镀膜腔，形成封闭的镀膜环境；
43.步骤二、使用真空泵对镀膜室进行抽气，使镀膜腔内的真空度达到5pa左右，抽气时间为10min；
44.步骤三、基体接地或接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度为60r/min，向镀膜腔内冲入流量为600sccm的氩气，施加800v电压电离氩气，利用产生氩气离子轰击餐具表面，以清洗基体表面，单个基体的清洗时间为6s/min，清洗的总时间为4min；
45.步骤四、利用扩散本对镀膜腔进行第二次抽气，时间为15min，至真空度抽到0.002pa；
46.步骤五、向镀膜腔内冲入流量为300sccm的氩气，使真空度达到0.5pa，将硅靶材接地或接负极，基体接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度为60r/min，控制硅靶材的溅射功率为4w/cm2，在两极间产生530v的电压以电离氩气产生氩离子，氩离子在电场加速下获得动能轰击硅靶，并带有高能量轰击靶材表面，使硅靶材发生溅射，硅原子在运动中沉积在基体表面形成镀膜层，单个基体的被溅射时间为3s/min，总溅射时间为19分钟，镀膜厚度为30nm。
47.实施例4
48.步骤一、将聚乳酸材料制备的基体放置在镀膜室的三级工件旋转架上，关闭镀膜腔，形成封闭的镀膜环境；
49.步骤二、使用真空泵对镀膜室进行抽气，使镀膜腔内的真空度达到5pa左右，抽气时间为10min；
50.步骤三、基体接地或接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度为60r/min，向镀膜腔内冲入流量为600sccm的氩气，施加800v电压电离氩气，利用产生氩气离子轰击餐具表面，以清洗基体表面，单个基体的清洗时间为6s/min，清洗总时间为4min；
51.步骤四、利用扩散本对镀膜腔进行第二次抽气，时间为15min，至真空度抽到0.002pa；
52.步骤五、向镀膜腔内冲入流量为300sccm的氩气，使真空度达到0.5pa，将硅靶材接地或接负极，基体接阳极，开启三级工件旋转架，设定一级自转速度为3r/min，二级自转速度为30r/min，三级自转速度60r/min，控制硅靶材的溅射功率为6w/cm2，并在两极间产生590v的电压以电离氩气产生氩离子，氩离子在电场加速下获得动能轰击硅靶，并带有高能量轰击靶材表面，硅原子在运动中沉积在基体表面形成镀膜层，单个基体的溅射时间为3s/min，总溅射时间为36分钟，镀膜层的厚度为80nm。
53.以聚乙醇酸的叉子和聚乳酸的刀具为镀膜对象，按照实施例1中步骤和参数分别进行了14组实验，每组实验中仅镀膜时间不同，镀膜时间越长，镀膜层越厚。镀膜完成后，随着镀膜层厚度的增大，叉子和刀具的颜色渐变，具体参见表1和图1。
54.表1镀膜层厚度与餐具显示颜色的关系
[0055][0056][0057]
上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。