本发明涉及可降解刀叉用品技术领域，具体涉及一种生物基可降解刀叉材料及其制备方法。
背景技术：
我国是产粮大国,长期以来,各地农村普遍对秸秆进行焚烧处理。据粗略统计,全国焚烧的秸秆约占总储量的30%，焚烧秸秆所带来的废气严重污染空气。近几年,我国频发大范围的深度雾霾,解决这方面的问题已经是刻不容缓的问题。有关资料表明，目前我国粮食总产量为6.1亿吨，秸秆产量约8亿吨，随着粮食产量增加，每年秸秆产量递增1200万吨。秸秆作为粮食作物和经济作物生产的副产物，它含有丰富的蛋白质、维生素、氮、磷、钾、微量元素等，可提炼酒精、生物汽油、木醋酸、木焦油、多寡糖等能源、农药、食品原料和添加剂及炭产品和饲草等。以玉米秸秆为例，一亩地大约可产生1吨秸秆，通过综合利用，可以产出约500千克复合肥、400千克纸浆和100千克酒精。可以说，做好秸秆综合利用，从“禁烧”到综合利用再到产业化，会对我国农业及粮食生产起到“事半功倍”的作用，而由此产生的社会效益更是深远。
众所周知，现在白色污染正在不断的破坏我们赖以生存的环境，全世界正在努力想办法消除“白色污染”给人们带来的危害，许多良田减产，土地沙漠化，河流堵塞，造成洪涝灾害。
外卖已经成为大部分人的生活常态，外卖的载体一次性刀叉的需求也越来越大，2017年中国外卖大数据报告，餐饮大盘收入达到39644亿元，未来预计保持10%左右的增速，中国在线外卖2107年收入达到3000亿元，美团、饿了么、百度外卖三家官方平台数据显示，每天有约6000万份外卖在大街小巷中配送着，这就意味着每天产生大约10多吨的塑料刀叉，这些塑料刀叉被丢弃或者填埋后大约需要上百年的时间，才可能降解，对环境的污染非常严重，对资源的浪费更是严重。
在制备聚合物基蒙脱土纳米复合材料的过程中，由于蒙脱土层间距仅为1nm左右，且层间化学微环境为亲水憎油性，不利于单体或大分子插层。蒙脱土在使用前，通常需要进行有机改性。为了使聚合物能较好地插层剥离蒙脱土，通常需用有机季铵盐、膦盐等有机阳离子化合物或其它具有亲蒙脱土官能团如羟基、胺基等有机物对蒙脱土进行改性，从而使蒙脱土与聚合物本体有较好的相容性和较高的热稳定性。例如在聚合物基层状硅酸盐粘土的纳米复合材料中，亲水性的层状粘土需要经过脂肪胺类表面活性剂的改性，确保其能够与聚合物相容，从而提高材料的气体阻隔性、机械性能、热稳定性以及阻燃性等。蒙脱土的有机化处理通常采用小分子的季铵盐与蒙脱土发生离子交换各种有机阳离子可通过离子交换反应来置换蒙脱土层间原有的水合阳离子，即粘土层间的阳离子和有机阳离子交换形成亲油粘土。
聚酯中的聚乳酸pla、聚己内脂pla、聚乙烯醇、聚羟基烷酸脂、聚丁二酸丁二醇脂的价格偏高，生产出一次性生物降解刀叉高于市场价格1~2倍，不能被消费者和商家任何。而且这些材料本身的物理机械性能和化学性能和普通塑料相比还有很大的缺陷，因此生物基可降解材料和一次性生物基可降解刀叉的需求日益明显和迫切。
为此，人们通过在秸秆粉中加入可生物降解高分子化合物等的研究中，可以在一定程度上改善树脂的性能，提高对秸秆资源的利用。目前以秸秆为原料的材料耐热性能差、冲击强度、韧性达不到要求。有鉴于此，有必要提供一种可以通过工艺配方解决现有的秸秆粉生物基可降解材料耐热性能差、冲击强度、韧性达不到要求。
技术实现要素：
本发明提供一种生物基可降解刀叉材料及其制备方法，所述生物基可降解刀叉材料能够生物降解，通过将秸秆纤维、植物淀粉共混改性，再结合改性钠基蒙脱土在秸秆纤维、植物淀粉材料内部形成插层结构，来显著提升冲击强度、韧性和耐热性。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
一种生物基可降解刀叉材料，所述生物基可降解刀叉材料由以下重量份原料制成：8~25份秸秆纤维、8~25份植物淀粉、10~60份脂肪族聚酯、1~6份钠基蒙脱土、1~6份疏水助剂、4~12份热塑助剂、1~6份复合成核剂、1~6份功能助剂。
作为一种最优选方案，所述生物基可降解刀叉材料由以下重量份原料制成：15份秸秆纤维、15份植物淀粉、30份脂肪族聚酯、3份钠基蒙脱土、2份疏水助剂、8份热塑助剂、4份复合成核剂、3份功能助剂。
作为一种优选方案，所述秸秆纤维为玉米秸秆纤维、小麦秸秆纤维、大豆秸秆纤维、谷糠纤维、稻壳纤维、木质纤维中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述秸秆纤维为玉米秸秆纤维、小麦秸秆纤维按照重量比1:1混合。
作为一种优选方案，所述植物淀粉为马铃薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、芋头淀粉中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述植物淀粉为玉米淀粉。
作为一种优选方案，所述钠基蒙脱土为改性钠基蒙脱土，所述改性钠基蒙脱土的制备方法为：将50～70份乙醇加入到80～120份去离子水中配置成乙醇水溶液，将10～20份钠基蒙脱土加入到乙醇水溶液中，超声处理15～25min，形成稳定的悬浮溶液，按阳离子交换容量60～80mmol/100g钠基蒙脱土计算，加入十八烷基二甲基叔胺，充分反应，用乙醇洗涤2～4次，干燥，研磨，即得所述的改性钠基蒙脱土。
作为一种优选方案，所述脂肪族聚酯为聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯中的一种或两种。
作为一种最优选方案，所述脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯。
作为一种优选方案，所述疏水助剂为乙烯基三乙氧基硅烷、kh-570、kh-550、kh-560、kh-590、三异硬脂酰钛酸异丙脂、三油酰基钛酸异丙脂、十二烷基苯磺酰基、花生油、铝酸脂偶联剂、铝钛复合偶联剂、硬脂酸中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述疏水助剂为乙烯基三乙氧基硅烷、kh-570按照重量比1：2混合。
作为一种优选方案，所述热塑助剂为1，4-丁二醇、2，5-己二醇、丙三醇、乙二醇、丙二醇、山梨醇、木糖醇、麦芽糖醇、甲酰胺、乙酰胺中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述热塑助剂为山梨醇。
作为一种优选方案，所述复合成核剂所述复合成核剂为纳米滑石粉、纳米级轻质碳酸钙、tmc-200、tmc-210、tmc-300、tmc-306、tmc-328、kl-4300、kl-4376、kl4370b中的两种或多种。
作为一种最优选方案，所述复合成核剂为纳米滑石粉、tmc-328按照重量比1：1.5混合。
作为一种优选方案，所述功能助剂为润滑剂、抗氧化剂、增韧相容助剂中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述功能助剂由润滑剂、抗氧化剂、增韧相容助剂按照重量比为1：1：1组成。
作为一种优选方案，所述润滑剂为脂肪酸酰胺类、液体石蜡、固体石蜡、微晶石蜡、聚乙烯蜡、聚四氟乙烯蜡、脂肪酸中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述润滑剂为液体石蜡。
作为一种优选方案，所述抗氧化剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂622、抗氧剂215、抗氧剂b215、抗氧剂b561、抗氧剂bht、抗氧剂t502、抗氧剂dstop、维生素e中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述抗氧化剂为抗氧剂1010。
作为一种优选方案，所述增韧相容助剂为线性聚乙烯、eva树脂、ax8900、eaa、马来酸酐接枝树脂、淀粉基脂肪族聚酯接枝共聚物、淀粉-乙烯类单体接枝共聚物中的一种或多种。
作为一种最优选方案，所述增韧相容助剂为线性聚乙烯。
本发明还提供了一种生物基可降解刀叉材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）对秸秆纤维和植物淀粉烘干处理，按照配比称取原料，将秸秆纤维、植物淀粉、钠基蒙脱土、疏水助剂加入到高速混料机中，混匀；
（2）将热塑助剂、功能助剂加入到高速混料机中，所述高速混料机的温度为80～100℃，转速为2000～3000r/min,混料时间为10～30min；
（3）将脂肪族聚酯、复合成核剂加入高速混料机中，所述高速混料机的温度为80～100℃，转速为800～1200r/min,混料时间为5～10min，降温至60～65℃，再混料5～10min，冷却，得到混合料；
（4）将混合料倒入双螺杆机中熔融挤出，分区段设置温度，其中，前段和后段的温度均设置为130～145℃，中间段的温度设置为145～165℃，再通过风冷拖链式双螺杆造粒机造料，即得所述的生物基可降解刀叉材料。
作为一种优选方案，所述步骤（1）中高速混料机的温度为90~110℃，转速为1000~1500r/min，混料时间为10-20min。
本发明的有益效果：（1）本发明所述的生物基可降解刀叉材料由秸秆纤维、植物淀粉、脂肪族聚酯、钠基蒙脱土、疏水助剂、热塑助剂、复合成核剂、功能助剂制成，能够在135天内自动分解，不会造成环境污染，且制作成本相比于塑料大幅度降低；（2）本发明所述的生物基可降解刀叉材料主要原料为秸秆，通过利用秸秆制作可降解材料，能够有效解决秸秆利用难问题，变废为宝，同时能够有效解决目前废气秸秆燃烧污染空气；（3）本发明所述的生物基可降解刀叉材料通过将秸秆纤维、植物淀粉共混改性，能够有效的利用植物纤维的韧性强度高和热塑性能，再结合改性钠基蒙脱土在秸秆纤维、植物淀粉材料内部形成插层结构，来显著提升冲击强度、韧性和耐热性；（4）本发明所述的改性钠基蒙脱土通过使用改性来显著提升蒙脱土的层间距，通过特定的十八烷基二甲基叔胺进行改性，来显著提升其综合性能，使其有更好的相容性、热稳定性、机械性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，本发明所述的份均为重量份。
实施例1
一种生物基可降解刀叉材料，所述生物基可降解刀叉材料由以下重量份原料制成：15份秸秆纤维、15份植物淀粉、30份脂肪族聚酯、3份钠基蒙脱土、2份疏水助剂、8份热塑助剂、4份复合成核剂、3份功能助剂。
所述秸秆纤维为玉米秸秆纤维、小麦秸秆纤维按照重量比1:1混合。
所述植物淀粉为玉米淀粉。
所述脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯。
所述疏水助剂为乙烯基三乙氧基硅烷、kh-570按照重量比1：2混合。
所述热塑助剂为山梨醇。
所述复合成核剂为纳米滑石粉、tmc-328按照重量比1：1.5混合。
所述功能助剂由润滑剂、抗氧化剂、增韧相容助剂按照重量比为1：1：1组成。
所述润滑剂为液体石蜡；所述抗氧化剂为抗氧剂1010。
所述增韧相容助剂为线性聚乙烯。
所述的生物基可降解刀叉材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）对秸秆纤维和植物淀粉烘干处理，按照配比称取原料，将秸秆纤维、植物淀粉、钠基蒙脱土、疏水助剂加入到高速混料机中，混匀,高速混料机的温度为100℃，转速为1200r/min，混料时间为15min；
（2）将热塑助剂、功能助剂加入到高速混料机中，所述高速混料机的温度为90℃，转速为2500r/min,混料时间为20min；
（3）将脂肪族聚酯、复合成核剂加入高速混料机中，所述高速混料机的温度为90℃，转速为2500r/min,混料时间为8min，降温度62℃，再混料8min，冷却，得到混合料；
（4）将混合料倒入双螺杆机中熔融挤出，分区段设置温度，其中，前段和后段的温度均设置为130～145℃，中间段的温度设置为145～165℃，再通过风冷拖链式双螺杆造粒机造料，即得所述的生物基可降解刀叉材料。
实施例2
一种生物基可降解刀叉材料，所述生物基可降解刀叉材料由以下重量份原料制成：20份秸秆纤维、20份植物淀粉、50份脂肪族聚酯、5份钠基蒙脱土、5份疏水助剂、8份热塑助剂、4份复合成核剂、3份功能助剂。
所述秸秆纤维为玉米秸秆纤维。
所述植物淀粉为马铃薯淀粉、玉米淀粉按照重量比为1：1混合。
所述脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯。
所述疏水助剂为乙烯基三乙氧基硅烷、kh-550按照重量比为1：1.2混合。
所述热塑助剂为1，4-丁二醇。
所述复合成核剂为纳米级轻质碳酸钙、kl-4300按照重量比为1~1.5混合。
所述功能助剂为润滑剂、抗氧化剂、增韧相容助剂按照重量比为1:1:1组成。
所述润滑剂为固体石蜡；所述抗氧化剂为抗氧剂dstop；所述增韧相容助剂为ax8900。
所述的生物基可降解刀叉材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）对秸秆纤维和植物淀粉烘干处理，按照配比称取原料，将秸秆纤维、植物淀粉、钠基蒙脱土、疏水助剂加入到高速混料机中，混匀,高速混料机的温度为100℃，转速为1200r/min，混料时间为15min；
（2）将热塑助剂、功能助剂加入到高速混料机中，所述高速混料机的温度为90℃，转速为2500r/min,混料时间为20min；
（3）将脂肪族聚酯、复合成核剂加入高速混料机中，所述高速混料机的温度为90℃，转速为2500r/min,混料时间为8min，降温度62℃，再混料8min，冷却，得到混合料；
（4）将混合料倒入双螺杆机中熔融挤出，分区段设置温度，其中，前段和后段的温度均设置为130～145℃，中间段的温度设置为145～165℃，再通过风冷拖链式双螺杆造粒机造料，即得所述的生物基可降解刀叉材料。
实施例3
一种生物基可降解刀叉材料，其特征在于，所述生物基可降解刀叉材料由以下重量份原料制成：8份秸秆纤维、8份植物淀粉、10份脂肪族聚酯、1份钠基蒙脱土、1份疏水助剂、4份热塑助剂、1份复合成核剂、1份功能助剂。
所述秸秆纤维为玉米秸秆纤维、大豆秸秆纤维按照重量比1:1.6混合。
所述植物淀粉为马铃薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉按照重量比1:1:1混合。
所述脂肪族聚酯为聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯按照重量比为1~0.5混合。
所述疏水助剂为kh-550。
所述热塑助剂为麦芽糖醇。
所述复合成核剂为纳米滑石粉、tmc-210按照重量比为1~0.8混合。
所述功能助剂为润滑剂、抗氧化剂、增韧相容助剂按照重量比为1：1：1组成。
所述润滑剂为聚乙烯蜡；所述抗氧化剂为抗氧剂bht；所述增韧相容助剂为ax8900。
所述的生物基可降解刀叉材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）对秸秆纤维和植物淀粉烘干处理，按照配比称取原料，将秸秆纤维、植物淀粉、钠基蒙脱土、疏水助剂加入到高速混料机中，混匀,高速混料机的温度为100℃，转速为1200r/min，混料时间为15min；
（2）将热塑助剂、功能助剂加入到高速混料机中，所述高速混料机的温度为90℃，转速为2500r/min,混料时间为20min；
（3）将脂肪族聚酯、复合成核剂加入高速混料机中，所述高速混料机的温度为90℃，转速为2500r/min,混料时间为8min，降温度62℃，再混料8min，冷却，得到混合料；
（4）将混合料倒入双螺杆机中熔融挤出，分区段设置温度，其中，前段和后段的温度均设置为130～145℃，中间段的温度设置为145～165℃，再通过风冷拖链式双螺杆造粒机造料，即得所述的生物基可降解刀叉材料。
实施例4
实施例4与实施例1不同之处在于，实施例4所述的钠基蒙脱土为改性钠基蒙脱土，其它都相同。
将60份乙醇加入到100份去离子水中配置成乙醇水溶液，将15份钠基蒙脱土加入到乙醇水溶液中，超声处理20min，形成稳定的悬浮溶液，按阳离子交换容量70mmol/100g钠基蒙脱土计算，加入十八烷基二甲基叔胺，充分反应，用乙醇洗涤3次，干燥，研磨，即得所述的改性钠基蒙脱土。
对比例1
对比例1与实施例4不同之处在于，所述生物基可降解刀叉材料的制备方法不同，其它都相同。
所述的生物基可降解刀叉材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）对秸秆纤维和植物淀粉烘干处理，按照配比称取原料，将秸秆纤维、植物淀粉、钠基蒙脱土、疏水助剂、热塑助剂、功能助剂、脂肪族聚酯、复合成核剂加入到高速混料机中，混匀,高速混料机的温度为100℃，转速为1200r/min，混料时间为45min；混料结束后，冷却，得到混合料；
（2）将混合料倒入双螺杆机中熔融挤出，分区段设置温度，其中，前段和后段的温度均设置为130～145℃，中间段的温度设置为145～165℃，再通过风冷拖链式双螺杆造粒机造料，即得所述的生物基可降解刀叉材料。
对比例2
对比例2与实施例4不同之处在于，对比例2不含有植物淀粉，其它都相同。
对比例3
对比例3与实施例4不同之处在于，对比例3不含有改性钠基蒙脱土，其它都相同。
对比例4
对比例4与实施例4不同之处在于，对比例5所述的改性钠基蒙脱土的制备方法不同于实施例4，其它都相同。
所述钠基蒙脱土为改性钠基蒙脱土，所述改性钠基蒙脱土的制备方法为：将60份乙醇加入到100份去离子水中配置成乙醇水溶液，将15份钠基蒙脱土加入到乙醇水溶液中，超声处理20min，形成稳定的悬浮溶液，按阳离子交换容量70mmol/100g钠基蒙脱土计算，加入双烯丙基甲基十八烷基溴化铵，充分反应，用乙醇洗涤3次，干燥，研磨，即得所述的改性钠基蒙脱土。
为了进一步证明本发明的效果，提供了以下测试方法：
1.材料的冲击强度根据gb/t1043.1-2008进行测量，耐高温性按照gb/t1634-2004进行测量，断裂伸长率测试按照gb/t16421-1996进行测量，测量结果见表1。
表1测试值
从表1中可看出，本发明所述的生物基可降解刀叉材料具有良好的缺口冲击强度、耐热性、韧性，其中实施例4有着最佳的缺口冲击强度、耐热性、韧性；对比实施例1~3可知，在本发明所述的原料和配比中不同的配比和原料的选取能够影响缺口冲击强度、耐热性、韧性，其中实施例1是其中最佳的配比和原料选取，对比实施例1与实施例4可知，本发明所述的改性钠基蒙脱土能够显著的提升缺口冲击强度、耐热性、韧性；对比实施例4和对比例1可知，本发明所述的生物基可降解刀叉材料的制备方法被替换后，缺口冲击强度、耐热性、韧性显著下降，可知，本发明所述的生物基可降解刀叉材料的制备方法具有一定的特征性；对比实施例4与对比例2可知，本发明所述的植物纤维能够显著提升材料的缺口冲击强度、耐热性、韧性；对比实施例1与对比例3~4可知，本发明所述的改性钠基蒙脱土能够显著提升材料的缺口冲击强度、耐热性、韧性；当本发明所述的改性钠基蒙脱土被替换后，材料的缺口冲击强度、耐热性、韧性显著下降。
2.生物降解性能测试：将上述产品用300克注射机注射得到尺寸为100毫米×10毫米×1.0毫米的标准样条。采用如下标准方法对上述标准样条进行各项性能测试，测试结果如下表2所示：称量并记录此时各标准样条的重量；然后分别将标准样条包裹于纱布间，埋于离地表面20厘米的花圃土壤中；60天后取出洗净后烘干称量并记录重量。用以下的方法计算标准样条的失重率：失重率(％)＝(测试前的重量-埋于土中60天后重量)/测试前的重量×100％，并且测试完全降解后所需的天数，失重率达到98%即视为完全降解。
表2生物降解性测试
从表2中可看出，本发明所述的材料在60天能够降解81.5%，能够在135天内完全降解。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。