一种用于加速高分子材料的厌氧生物降解的添加剂及其制备与使用方法与流程

本发明涉及一种适用于在各种条件下的生物降解促进剂，特别是在厌氧条件下，可以在存有生物材料的情况下加速主体聚合物材料的生物降解。本发明还涉及厌氧性生物降解促进剂的制备方法及其使用方法。

背景技术：

1、降低塑料的使用是减少塑料废物的一种方法，但目前针对塑料废物的问题，最妥善的解决方法之一似乎仍然是通过有效的塑料降解来减少塑料废物，为了实现这一目的，最常见的塑料降解方法之一是于聚合物材料中添加氧化降解添加剂。然而，越来越多的国家或地区，如法国、西班牙和新西兰，开始质疑氧化降解添加剂的生物可降解性，且其产生的微碎片/微塑料可能对环境更加有害，并将禁止使用氧化降解添加剂。因此，最近有一些研究侧重于寻找可提高传统塑料生物降解性的可能替代品。

2、美国专利申请公开号us2013/0109781a1公开了一种化学添加剂，它使用呋喃酮化合物作为化学引诱剂，并且指出透过混合该添加剂材料与聚合物材料，可产生至少部分可生物降解的产品。然而，其中没有提供关于这些化学引诱剂如何与微生物在极端环境中(例如，在低温或基本无氧和高温环境中)相互作用以促进生物降解的记载，也没有提供如何通过改性普通塑料来缩短生物降解时间或提高生物降解效率；此外，也指出透过群体感应(quorum sensing)的应用，可以将细菌吸引到聚合物上，以提高聚合物的生物降解性，但此方法并不会改变处理地点的种群动态，相反地，为了试图改变种群动态，必须在化学添加剂中加入额外的微生物，然而，添加的微生物可能与原生微生物不兼容，而在短时间内消失。

3、此外，现有技术也未充分考虑最终产品的食品接触安全方面和其他实际用途。因此，本领域仍需要一种配方/方法来加速聚合物材料(包括传统塑料和普通可生物降解塑料)的生物降解，且考虑到长期的生物降解，在配方中進一步加入生物多样性促进剂，以改变原生微生物种群，从而促进生物降解。

技术实现思路

1、因此，在第一方面，本发明提供了一种用于主体聚合物材料的厌氧性生物降解促进剂(anaerobic biodegradation accelerator，aba)，其中该厌氧性生物降解促进剂包括：

2、载体基质，用于在促进剂中聚集所有其他成分，并协助将其分散到该主体聚合物材料中；

3、至少一种生物组分，用于启动主体聚合物材料的生物降解；

4、保护层，用于保护该生物组分，并延长该厌氧性生物降解促进剂的保质期；

5、生物多样性促进剂，用于促进和稳定该至少一种生物组分的生长；

6、表面活性剂，用于促进该至少一种生物组分与该主体聚合物材料的相互作用；

7、增容剂，用于增加该促进剂与该主体聚合物材料之间的兼容性；

8、抗氧化剂，用于抑制该促进剂在制造、保存和使用过程中的氧化反应；

9、增塑剂，以及；

10、性能调节剂。

11、在一个实施例中，载体基质包括但不限于可生物降解和/或非生物降解材料，其选自聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚醋酸乙烯酯(eva)、聚苯乙烯(ps)、聚甲醛(pom)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(petg)、聚酰胺(pa)、聚碳酸酯(pc)、聚氨酯(pu)、热塑性弹性体(tpe)、醋酸纤维素(ca)、聚氯乙烯(pvc)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚乙烯醇(pva)、聚乳酸(pla)、多羟基脂肪酸酯(pha)、聚丁二酸丁二醇酯(pbs)、聚己内酯(pcl)、聚己二酸丁二酯(pbat)、聚乙醇酸(pga)和聚乳酸-羟基乙酸(plga)，或其任何组合。

12、载体基质可占厌氧性生物降解促进剂总重量的30％至90％。

13、在一个实施例中，该至少一种生物组分是选自细菌、真菌和酶中的一个或多个，或其任意组合，其在好氧和厌氧条件下具有生物活性和/或酶活性。

14、该细菌可包括但不限于：热梭菌、黄体微球菌、红球菌、栗褐链霉菌、不动杆菌属、产碱菌属、拟无枝酸菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、柠檬酸杆菌属、棒状杆菌属、肠杆菌属、微小杆菌属、赖氨酸芽孢杆菌属、巨型芽孢杆菌、枯草杆菌、微杆菌属、微球菌属、诺卡氏菌属、巴氏杆菌属、假单胞菌属、红球菌属、施莱格尔菌(schlegelella)属、鞘氨醇杆菌属和葡萄球菌属。

15、该真菌包括但不限于：酵母、黑曲霉、阿克霉属、曲霉属、金担子菌属、枝孢菌属、镰刀菌属、黏帚菌属、毛霉属、青霉属、拟盘多毛孢属、原毛平革菌属、链霉菌属、栓菌属和木霉菌属。

16、该酶包括但不限于：α-淀粉酶、过氧化氢酶、纤维素酶、角质酶、解聚酶、酯酶、葡萄糖苷酶、水解酶、漆酶、脂肪酶、锰过氧化物酶、脲酶和蛋白酶，如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶。

17、该生物组分的占比约为厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％至20％。

18、在一个实施例中，该保护层包括阿拉伯胶、海藻酸钠、明胶、壳聚糖、纤维素、聚乙烯醇、聚(乳酸-羟基乙酸)、聚乙二醇或其任何组合的一种或多种保护层材料，并进一步包括表面活性剂。

19、该一种或多种保护层材料的占比约为厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％至30％。

20、在一个实施方案中，该生物多样性促进剂包括但不限于：醣类化合物、含氮化合物、磷化合物或其任何衍生物以及微量营养素；其中该醣类化合物包括环糊精、纤维素、淀粉、蔗糖和葡萄糖；该含氮化合物包括蛋白质、肉类提取物、自溶物、硝酸盐和尿素；该磷化合物包括五氧化二磷、磷酸氢、磷酸二氢根和有机磷酸盐；该衍生物包括果胶、木聚糖、羧酸、氨基酸；该微量营养素包括维生素、矿物质、钾、钙、镁、铁、锰、锌、硼、铜和钼；或其任意组合。

21、该生物多样性促进剂的占比约为厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％至20％。

22、在各种实施例中，该表面活性剂是一种或多种非离子或离子表面活性剂，其中非离子表面活性剂包括聚山梨酸酯、山梨醇酯和烷基酚乙氧基化物；离子表面活性剂包括阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂，两性离子表面活性剂和生物表面活性剂。其中，阴离子表面活性剂包括含有阴离子官能团的化合物，包括硫酸盐、磺酸盐、磷酸盐、羧酸衍生物、烷基硫酸盐、琥珀酸磺酸二辛酯钠、全氟辛烷磺酸、全氟丁烷磺酸、烷基芳醚磷酸盐、烷基醚磷酸盐、烷基醚磷酸酯十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸纳、硬脂酸钠、硬脂酸钙，其中，该烷基硫酸盐包括十二烷基硫酸铵，十二烷基硫酸钠和相关的烷基醚硫酸盐月桂酸钠和聚醚硫酸钠；该阳离子表面活性剂包括盐酸辛烯胺、溴化十六烷基铵、氯化十六烷基吡啶、氯化苯扎氯铵、氯化苯乙氧铵、氯化二甲基十八烷基铵和二十八烷基二甲基铵；两性离子表面活性剂包括十二烷基二甲胺氧化物和肉豆蔻胺氧化物；生物表面活性剂包括糖脂、磷脂、脂肽、中性脂质、脂肪酸和脂多糖；或其任意组合。

23、不同实施例中的表面活性剂的占比约为厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％到10％。

24、在一个实施例中，增容剂包括但不限于扩链剂和偶联剂，其中扩链剂包括改性苯乙烯-丙烯酸聚合物、乳酸、乙二醇和1,4-丁二醇；偶联剂包括马来酸酐、桐油酸酐、环氧化大豆油、亚甲基二苯基二异氰酸酯、丙烯酸和柠檬酸；或其任意组合。

25、该增容剂的占比约为厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％至10％。

26、在一个实施例中，增塑剂包括但不限于：水、尿素、甘油、乙二醇、聚乙二醇、桐油酸酐、环氧大豆油、柠檬酸三乙酯和柠檬酸乙酰三乙酯或其任意组合。

27、该增塑剂的占比约为厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％至10％。

28、在一个实施例中，性能调节剂包括但不限于碳酸钙、二氧化钛、滑石粉、有机蒙脱土、膨润土、纳米填料、天然纤维、色母粒、气味母粒或其任意组合。

29、该性能调节剂的占比可以大于厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％至10％。

30、在一个实施例中，该抗氧化剂包括但不限于：抗坏血酸、生育酚、谷胱甘肽、四价[亚甲基(3,5-二叔丁基-4-羟基氢肉桂酸)]甲烷、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、硫辛酸和尿酸，或其任意组合。

31、该抗氧化剂的占比约为厌氧性生物降解促进剂总重量的大于0％至10％。

32、一个实施例中，该主体聚合物材料包括但不限于：聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚醋酸乙烯酯(eva)、聚苯乙烯(ps)、聚甲醛(pom)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(petg)、聚酰胺(pa)、聚碳酸酯(pc)、聚氨酯(pu)、热塑性弹性体(tpe)、醋酸纤维素(ca)、聚氯乙烯(pvc)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚乙烯醇(pva)、聚乳酸(pla)、多羟基脂肪酸(pha)、聚丁二酸丁二醇酯(pbs)、聚己内酯(pcl)、聚己二酸丁二酯(pbat)、聚乙醇酸(pga)和聚乳酸-羟基乙酸(plga)或其任意组合，其中，该主体聚合物材料是常规塑料或通过普通塑料加工技术的任何塑料，普通塑料加工技术过程包括但不限于挤出、树脂制造、发泡、片材生产、热成型、注塑、吹膜、吹塑、纤维/织物和长丝制造。

33、在第二方面中，本发明提供一种将第一方面的厌氧性生物降解促进剂制备为母粒的制备方法，其中该方法包括：

34、将保护层材料引入到至少一种生物组分，以形成围绕该至少一种生物组分的保护层；在第一高温下，将具有保护层的该至少一种生物组分和厌氧性生物降解促进剂中的其余组分和/或材料均质化，以获得混合物；以及

35、在第二高温下挤压该混合物，直到获得母粒。

36、该第一高温的温度范围为室温至80℃。

37、该第二高温的温度范围为50℃至250℃。

38、具有保护层的该至少一种生物组分以及其余组分和/或材料的均质化可在40至1000rpm的混合速度下进行。

39、在第三方面中，提供了一种含有厌氧性生物降解促进剂(aba)的聚合物材料的制备方法，其中包含上述的厌氧性生物降解促进剂，且该厌氧性生物降解促进剂以母粒的形式与该聚合物材料结合，其中该方法包括：

40、将厌氧生物降解促进剂母粒与主体聚合物材料均质化，形成混合物；以及

41、在第三高温下挤压该混合物，以获得含有厌氧性生物降解促进剂的聚合物材料。

42、在一个实施例中，该含有厌氧性生物降解促进剂的聚合物材料中的厌氧性生物降解促进剂的重量比大约占总重量的大于0％到30％。

43、更优选地，该厌氧性生物降解促进剂的量约为该含有厌氧性生物降解促进剂的聚合物材料重量的1％至5％，以利于降低对原始聚合物材料的机械性能和其他性能(包括当应用于食品接触安全产品时的食品接触安全性)的影响。

44、该第三高温的温度范围为50℃至300℃。

45、厌氧性生物降解促进剂母粒与主体聚合物材料的均质化可在40至1000rpm的混合速度下进行。

46、本发明的该含有厌氧性生物降解促进剂的聚合物材料具有与主体聚合物材料相当的可回收性。

47、该含有厌氧性生物降解促进剂的聚合物材料具有优于主体聚合物材料的生物降解性。

48、该主体聚合物材料包括但不限于聚乙烯(pe)、聚甲醛(pom)、聚苯乙烯(ps)、膨胀聚苯乙烯(eps)、聚丙烯(pp)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。