专利名称：生物降解塑料的生产和用于其生产的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及由作为原材料的乳酸制得的生物降解塑料的生产方法和用于其生产的装置。
背景技术：
使用乳酸作为原材料的聚乳酸——生物降解塑料的主要组分——的生产方法是公知的，并且如图1所示，常规方法一般由这样的合成工艺组成，其中在高的温度和压力下，由脱水通过乳酸的缩聚，经过交酯将乳酸转化成聚乳酸。
生物降解塑料具有作为通常用途塑料的功能和性能，且特征在于当在使用之后丢弃时，塑料容易分解和在自然环境中变成无害的和并不污染自然环境。因此希望所述塑料在近期用于每一个领域并且是特别有用的材料。
然而，由于上述通常生产方法的生产成本较高，塑料仅用于堆肥袋、用于农业的多膜等，并且所述塑料具有这样的缺点与通用塑料相比不能达到足够的强度和性能，但是由于它的优良的生物降解性，它开始用于医药领域，如外科缝线。
发明内容
本发明涉及在低成本下提供这样生物降解塑料的目的，其中，不采用从上述的乳酸通过交酯得到的聚乳酸合成方法，而是提供如图2所示的从乳酸制得聚乳酸的直接合成方法和用于该方法的装置，因此显著缩短聚乳酸合成要求的时间以及降低生产成本。
图1说明显示聚乳酸常规合成途径的化学公式；图2说明显示根据本发明聚乳酸合成途径的化学公式；图3是显示在排出出口关闭状态下，用于本发明生物降解塑料生产方法的装置的横截面视图；和图4是显示在排出出口开启状态下上述装置的横截面视图。
具体实施例方式
在此方法中，通过由玉米淀粉代表的淀粉的乳酸发酵获得乳酸。使用此乳酸作为原材料，在高的温度和压力下，在金属催化剂存在下通过脱水，由乳酸的缩聚获得为生物降解塑料主要组分的聚乳酸。
将通过脱水在缩聚期间产生的水汽释放到系统外部和通过测量释放的水汽数量而确定反应的终点；因此获得为生物降解塑料主要组分的聚乳酸。
对于上述的金属催化剂，优选是氯化锌、或/和氯化亚锡。即，使用乳酸作为原材料，在高的温度和压力下，在氯化锌或/和氯化亚锡存在下，通过加速由脱水的上述乳酸缩聚而获得为生物降解塑料主要组分的聚乳酸。
在其中以氯化锌和氯化亚锡结合用作催化剂的情况下，优选氯化锌的加入量选自0.1-0.3wt％和上述氯化亚锡的加入量选自0.1-1wt％。
此外，由脱水的上述缩聚温度优选选自180-220℃和在由脱水的缩聚时的真空度为-0.05～-0.08Mpa。
在采用上述结合的情况下，如果氯化锌和氯化亚锡加入量的总重量小于0.4wt％，由脱水的缩聚可显著变缓慢。另一方面，如果总数量超过1wt％，仅可进行脱水反应，导致反应物的碳化。为避免此情况，当提高装置中的真空度时，加速缩聚反应，同时增强交酯的形成和可发生如聚乳酸收率下降的麻烦。
为此原因，当氯化锌和氯化亚锡结合使用时，总加入量优选为0.4-1wt％；氯化锌的加入量优选是0.1-0.3wt％和氯化亚锡的加入量优选是0.3-0.7wt％。
作为具体的实施例，当氯化锌和氯化亚锡结合使用时，聚乳酸的重均分子量是110,000，和氯化锌和氯化亚锡分别是0.1wt％和0.4wt％。当氯化锌和氯化亚锡分别是0.2wt％和0.5wt％时，聚乳酸的重均分子量是120,000。
在其中仅使用氯化锌作为催化剂的情况下，加入量优选为0.2-0.8wt％，和形成聚乳酸的重均分子量为80,000-100,000。
在其中仅使用氯化亚锡作为催化剂的情况下，加入量优选为0.3-1wt％，和形成聚乳酸的重均分子量为100,000-120,000。
当独立地使用这些氯化锌和氯化亚锡任一种时，发现聚合必须的时间变得更长。因此，如果不考虑反应时间，可以单独使用这些催化剂。
从上述内容，确认氯化锌和氯化亚锡作为催化剂的结合使用可缩短聚合时间，使形成聚乳酸的分子量较高和增加聚乳酸的收率。
然后，基于图3和4解释用于上述生物降解塑料生产方法的装置。
此装置具有气密容器1，向该容器中放入原材料乳酸和金属催化剂，降低气密容器1内部压力的压力降低单元2，加热气密容器1的加热设备3，和混合气密容器1中乳酸的混合设备4。
例如，上述的气密容器1由向上开启的容器主体1a和可开启的覆盖体1b组成，该覆盖体开启和紧密地覆盖所述主体的开启部分。
例如，在上述容器1的顶部板，即覆盖体1b上提供用于放入原材料乳酸和催化剂的入口5，和连接到压力降低单元2的排气口6。
另外，采用电加热器形成上述的加热设备3，该加热器接触气密容器上述主体1a的外周围表面，且布置该加热器以围绕主体1a。
此外，在上述气密容器1的顶部板，即容器主体1a的底部板上提供一排出缸7，连接该缸以连通气密容器1的内部空间，以排出合成的聚乳酸；和一在排出缸7外端的产物出口8。
而且在上述排出缸7中，同轴提供螺杆轴9，并且当出口8开启时，螺杆轴9允许气密容器1中的聚乳酸通过上述产物出口8排出。
图3和4显示上述螺杆轴9操作结构的实施例。如所示，采用混合叶片4a形成上述混合设备4，混合叶片4a的轴4b的上端连接到电机4c，及轴4b和混合叶片4a由电机4c旋转。
例如，在容器顶部的上部上，即在覆盖体1b的上部上，在气密容器1的外部放置电机4c，和上述轴4b直接连接到电机4c的驱动轴和垂直布置在气密容器1中的中心部分。
上述轴4b的下端具有同轴地以连接排布置的上述螺杆轴9，并且将螺杆轴9插入排出缸7中。
另一方面，将上述电机4c支撑在支架10上，支架10由流体压力缸11支撑，和如图3所示，支架10和电机4c由流体压力缸11的收缩运动而下降，伴随着上述螺杆轴9与轴4b和混合叶片4a一起的下降。换言之，将螺杆轴9在排出缸7中向产物出口8推动，因此倚靠在连接到产物出口8的部分上形成的区段12而止挡于螺杆轴9的端面，并关闭出口8。
在关闭上述出口8的状态下，混合叶片4a按向前的方向由电机4c驱动旋转，在容器中的乳酸被混合，并且通过压力降低单元2和加热设备3，在高温和减压下上述的脱水缩聚被加速。
如图4所示，上述支架10和电机4c由上述流体压力缸11的伸长运动提起，它伴随着上述螺杆轴9与轴4b和混合叶片4a一起的上述移动。即，将螺杆杆在排出缸7内提起以从区段12离开，因此释放产物出口8。
在开启上述出口8的情况下，在相反方向通过反转电机4c而旋转轴4b，允许螺杆轴9逆向旋转。因此，将合成的聚乳酸向产物出口8输送并从相同的出口8排出。
如重复地提及，将预定数量的乳酸和催化剂放入聚合装置(气密容器1)。在操作混合设备4的同时，将容器1的内部使用压力降低单元2降低压力并同时由加热设备3加热到180-220℃。当反应进行时，在容器1中产生水，即水汽，并将此水汽由压力降低单元2释入到系统外部，因此允许更高比例聚乳酸和更低比例交酯的形成。
此外，通过在到压力降低单元2的管线中间插入水汽传感器13且然后由测量设备14测量产生的水汽数量，而确定反应的进展，并且在当产生计算量的水汽量时的时刻终止反应。
将这样获得的聚乳酸——生物降解塑料的主要组分通过上述排出缸7和产物出口8排出到外部。如何从此排出的聚乳酸回收金属催化剂的方法是基于已知技术。
根据本发明，如图2所示可以直接从上述乳酸合成聚乳酸，而不采用常规途径，其中如图1所示从乳酸通过交酯合成聚乳酸，和因此，显著缩短聚乳酸合成要求的时间和降低生产成本。
此外，由于在聚合装置中氧气分压低，即使加热温度变化到一定的程度，与常规聚合方法中的反应时间相比，反应时间节省约50％以及获得具有高质量的聚乳酸而没有产物的碳化。
字母和数字的解释1 气密容器1a 容器主体1b 覆盖体2 压力降低单元3 加热设备4 混合设备4a 混合叶片4b 轴4c 电机5 乳酸和催化剂的入口6 排气口7 排出缸8 产物出口9 螺杆轴10 电机支架11 流体压力缸12 区段13 水汽传感器14 水汽测量设备
权利要求
1.生物降解塑料的生产方法，包括使用乳酸作为原材料；在高温和减压下，在金属催化剂存在下通过脱水，将乳酸进行缩聚；和获得生物降解塑料主要组分的聚乳酸。
2.生物降解塑料的生产方法，包括使用乳酸作为原材料；在高温和减压下，在金属催化剂存在下通过脱水将乳酸进行缩聚；将通过脱水在缩聚期间产生的水汽释放到系统外部；通过在释放水汽的同时测量水汽释放量而确定反应的终点；和获得生物降解塑料主要组分的聚乳酸。
3.根据权利要求1或2所述的生物降解塑料的生产方法，其中，所述金属催化剂是氯化锌和/或氯化亚锡。
4.根据权利要求3所述的生物降解塑料的生产方法，其中，当氯化锌和氯化亚锡的组合物用作催化剂时，氯化锌的加入量是0.1至0.3wt％和氯化亚锡的加入量是0.1至1wt％。
5.根据权利要求1或2所述的生物降解塑料的生产方法，其中，脱水缩聚的温度是180至220℃，且在脱水缩聚时的真空度为-0.05至-0.08Mpa。
6.生物降解塑料的生产装置，包括用于放入作为原材料的乳酸的气密容器；用于降低气密容器内部压力的压力降低单元；用于加热气密容器的加热设备；和用于混合气密容器中乳酸的混合设备。
7.根据权利要求6所述的生物降解塑料的生产装置，其中，在所述气密容器中设置有一具有出口的排出缸，在所述排出缸中同轴设置有一螺杆轴，以及在所述出口开启时，通过所述出口由所述螺杆轴排出在所述气密容器中的聚乳酸。
全文摘要
本发明提供生物降解塑料的生产方法，其中，从乳酸直接合成聚乳酸而不采用从乳酸通过交酯的常规聚乳酸合成途径，并提供其生产的装置。以此方式，显著缩短聚乳酸合成要求的时间和降低生产成本。在生物降解塑料的生产方法中，在高温和减压下，在金属催化剂存在下，由原材料，乳酸的脱水，通过缩聚获得聚乳酸，生物降解塑料的主要组分。
文档编号C08G63/06GK1631932SQ20031012358
公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月25日 优先权日2003年12月25日
发明者山田纯二, 金柬伯, 高村孝次 申请人:J公司株式会社