一种环保生物基材料及其制备方法与流程

本技术涉及生物基塑料，尤其是涉及一种环保生物基材料及其制备方法。

背景技术：

1、塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应合成高分子化合物，合成的原料组分通常包括树脂基体、填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等，树脂基体是高分子化合物，约占塑料总重量的40-100％，塑料的基本性能主要决定于树脂的本性，塑料作为一种新型的材料，应用于范围越来越大，用途也越来越广泛。

2、随着塑料的广泛使用，塑料污染也随之而来，塑料污染不仅造成空气、土地、水体等环境危害，而且如果动物误食了塑料，会引起动物肠道等消化疾病，危害动物的身体健康。

3、随着人们生活水平的提高和生活条件的改善，人们开始意识到塑料对社会环境的影响，各行各业努力开发研究环保型的材料制品，其中生物基降解塑料日新月异，比如聚乳酸生物基塑料，这类塑料能够在微生物如细菌和霉菌作用下而降解，生成对环境无害的二氧化碳和/或甲烷、水等，进而不会对环境造成污染；但是聚乳酸生物基塑料制品具有力学性能差、容易断裂等缺陷，这些缺陷严重阻碍了这些塑料制品的应用。

技术实现思路

1、为了改善聚乳酸生物基塑料的力学性能差、容易断裂的问题，本技术提供了一种环保生物基材料及其制备方法。

2、本技术提供了一种环保生物基材料，采用如下的技术方案：

3、一种环保生物基材料，以重量份数计，包括以下原料：90-110份聚烯烃树脂、50-70份聚乳酸、30-50份复合植物粉料、4-6份液体石蜡、5-10份滑石粉、2-8份抗氧剂、3-9份增塑剂和1-3份硅烷偶联剂kh560。

4、通过采用上述技术方案，聚烯烃树脂具有较好的耐冲击性能，加工易成型，热分解温度高，聚乳酸是一种生物基树脂，具有较好的生物可降解性，但是聚乳酸不耐热，力学性能差，聚烯烃树脂和聚乳酸混合，不仅改善了混合体系的耐热性，而且提高了体系的力学性能，如冲击强度和断裂伸长率，使得环保生物基材料制品不易撕裂和断裂，复合植物粉料在各种环境中都具备完全的生物降解能力，植物粉料分子降解后，生成二氧化碳和水，不对土壤和空气产生毒害，进一步有助于环保生物基材料的降解，滑石粉具有薄片构型的片状结构，粒度较细可用作聚烯烃树脂的补强填充剂，在环保生物基材料中加入滑石粉不但能够提高环保生物基材料的表面硬度、成型收缩率、拉伸强度、冲击强度、热变型温度等性能，进而改善环保生物基材料的成型稳定性，提高制品的综合性能。

5、液体石蜡具有润滑作用，与聚烯烃树脂、聚乳酸混合，具有一定的抗粘连和控制流动作用，改善体系的收缩率和耐候性，有助于材料的加工成型；抗氧化剂防止塑料加工过程中高温氧化，使得塑料在经过螺杆高温剪切后较大限度的保留其应有的性能，另外能够延缓制品老化速度，延长制品使用寿命；增塑剂的主要作用能够增强塑料制品的柔韧性、可塑性，降低熔融温度和熔体黏度，改善其成型加工性能；硅烷偶联剂kh560能够改善复合植物粉料在体系中的分散效果和粘结性能，有助于复合植物粉料在体系中分散均匀，进而改善后续环保生物基材料的耐热性、耐磨性及加工性能。

6、优选的，所述复合植物粉料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将甘蔗渣粉进行研磨，过筛，得到甘蔗粉末，用乙醇浸泡8-10h，干燥，备用；

8、(2)将步骤(1)得到的甘蔗粉末加入至naoh溶液中浸泡30-45min，用去离子水洗涤至中性，在温度70-80℃下干燥2-4h，备用；

9、(3)将步骤(2)处理的甘蔗粉末分散于去离子水中，然后加入小麦秸秆纤维、壳聚糖改性石墨烯进行搅拌2-4h，干燥，得到复合植物粉料。

10、通过采用上述技术方案，甘蔗渣粉首先进行研磨制备粉末，然后使用乙醇浸泡，去除甘蔗粉末中的有机杂质，然后将甘蔗粉末与氢氧化钠混合，使甘蔗粉末颗粒得到活化，去除杂质，同时氢氧化钠能够剥蚀甘蔗粉末，使甘蔗粉末颗粒表面呈现变得粗糙，出现孔结构，增加了甘蔗粉末颗粒的比表面积，然后加入小麦秸秆纤维、壳聚糖改性石墨烯，甘蔗粉末颗粒和小麦秸秆纤维均能够负载在壳聚糖改性石墨烯的表面，甘蔗粉末颗粒表面的多孔结构能够吸附小麦秸秆纤维进行负载，壳聚糖改性石墨烯具有化学稳定性好和比表面积大的特点，具有较强的吸附性，使得甘蔗粉末颗粒、小麦秸秆纤维和壳聚糖改性石墨烯之间连接更紧密，形成更致密的网络结构，同时，小麦秸秆纤维具有较好的强度和力学性能，壳聚糖改性石墨烯具有较好的结构强度、热稳定性和拉伸强度，进一步改善了体系的结构强度和力学性能，使得制备的复合植物粉料具有较好的结构强度、热稳定性和拉伸强度，最终应用于制备环保生物基材料，使制备的环保生物基材料具有较高的力学性能和拉伸强度，进而提高环保生物基材料的耐断裂性能。

11、优选的，所述甘蔗粉、小麦秸秆纤维和壳聚糖改性石墨烯的质量比为1:0.5-0.8:0.1-0.3。

12、通过采用上述技术方案，控制甘蔗粉、小麦秸秆纤维和壳聚糖改性石墨烯的质量比在一定的范围内，有助于改善甘蔗粉的综合性能，甘蔗粉、小麦秸秆纤维和壳聚糖改性石墨烯三者形成稳定的三维网状结构，增加复合植物粉料的结构稳定性、力学性能和热稳定性，进而改善后续制备的环保生物基材料的综合性能。

13、优选的，所述壳聚糖改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

14、s1、将壳聚糖溶解于乙酸溶液中，然后加入纳米二氧化硅，在温度60-80℃下搅拌30-40min，得到混合液a；

15、s2、将氧化石墨烯分散于乙醇中，超声1-2h，然后加入木质素，继续超声2-3h，得到混合液b；

16、s3、将步骤(1)得到的混合液a和步骤(2)得到的混合液b混合，搅拌均匀，然后再加入海藻酸钠，继续搅拌2-3h，得到壳聚糖改性石墨烯。

17、通过采用上述技术方案，壳聚糖具有较好的生物相容性、可生物降解性、抗菌性和生物粘附性，二氧化硅具有较大的比表面积、强度、弹性、热稳定性，二氧化硅分散于壳聚糖的结构中，进而改善壳聚糖的结构强度，有助于后续改善环保生物基材料的强度和热稳定性等性能；木质素分散于氧化石墨烯溶液中，使得木质素负载于氧化石墨烯的表面上，防止木质素的团聚，增加了氧化石墨烯的结构强度，后续在环保生物基材料中，改善并提高复合材料的热稳定性、抗氧化性以及耐候性；另外由于木质素具有较多稳定的苯环结构，自身具有抗菌性，能够改善环保生物基材料的抗菌性能。

18、最后将混合液a、混合液b和海藻酸钠混合，负载纳米二氧化硅的壳聚糖和负载木质素的氧化石墨烯混合，两者均具有较强的吸附性能，协同吸附，而且减少氧化石墨烯团聚的机率，得到的混合体系具有较好的生物相容性、热稳定性和力学性能，海藻酸钠进一步增加负载纳米二氧化硅的壳聚糖和负载木质素的氧化石墨烯两者之间的粘结性，有助于增加体系的粘性，具有较好的拉伸性能、弹性和断裂伸长率，后续应用于环保生物基材料中，增加环保生物基材料的热稳定性、拉伸强度和耐撕裂、断裂性能。

19、优选的，所述壳聚糖、氧化石墨烯和海藻酸钠的质量比为1:0.02-0.06:0.4-0.8。

20、通过采用上述技术方案，控制壳聚糖、氧化石墨烯和海藻酸钠的质量比在一定的范围内，得到具有力学性能和热稳定性较高的壳聚糖改性石墨烯，壳聚糖和氧化石墨烯混合改善体系的热稳定性和力学性能，海藻酸钠提高了壳聚糖和氧化石墨烯之间的粘性和结构稳定性，改善了体系的弹性和耐撕裂、断裂性能，有助于后续改善环保生物基材料的综合性能。

21、优选的，所述滑石粉的预处理方法，包括以下步骤：

22、(1)将滑石粉在温度300-500℃下煅烧1-2h，然后浸泡于醋酸溶液中，去离子水洗涤至中性，干燥，备用；

23、(2)将步骤(1)处理的滑石粉研磨，过筛，然后加入月桂酸多元醇酯和茶多酚，搅拌2-5h，得到预处理后的滑石粉。

24、通过采用上述技术方案，滑石粉进行高温煅烧，去除滑石粉结构中的杂质，增大了滑石粉颗粒中的孔结构，扩大了滑石粉的比表面积，同时提高滑石粉的抗高温性，醋酸和滑石粉混合，进一步去除滑石粉中的有机杂质，同时活化了滑石粉颗粒，改善了滑石粉的力学性能，月桂酸多元醇酯可以较好地与滑石粉表面的极性基团结合，改善滑石粉的表面活性，提高滑石粉的抗腐蚀性和抗菌性，同时茶多酚能够负载于滑石粉的孔隙内，月桂酸多元醇酯有助于茶多酚的负载，由于茶多酚具有良好的抗氧化性和抗菌性，进而赋予滑石粉具有较好的性能，在后续应用于环保生物基材料中，提高了材料的抗氧化性、抗菌性和抗腐蚀性能。

25、优选的，所述聚烯烃树脂为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种。

26、通过采用上述技术方案，聚烯烃树脂无毒、无味，作为环保生物基材料，具有优良的耐低温性能，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，电绝缘性优良，可用吹塑、挤出、注射成型等方法加工，广泛应用于制造薄膜、中空制品、纤维和日用杂品等。

27、优选的，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂2246和抗氧剂245中的一种或几种。

28、通过采用上述技术方案，抗氧剂是一种能有效降低塑料材料自氧化反应速度、延缓塑料材料老化降解的添加剂，添加至环保生物基材料中，能够延缓材料制品老化速度，延长材料制品使用寿命。

29、优选的，所述增塑剂为甘油、乙二醇、山梨醇、木糖醇、麦芽糖醇、二甘醇、聚乙二醇、脂肪酸单甘酯和尿素中的一种或几种。

30、通过采用上述技术方案，增塑剂能够增加环保生物基材料的柔韧性，改善环保生物基材料的断裂伸长率，同时降低材料加工成型温度，有助于材料的加工。

31、第二方面，本技术还提供了一种环保生物基材料的制备方法，包括以下步骤：将聚烯烃树脂、聚乳酸、复合植物粉料、液体石蜡、滑石粉、抗氧剂、增塑剂和硅烷偶联剂kh560混合均匀，控制温度120-140℃，搅拌30-50min，然后加入到双螺杆挤出机中挤出、造粒，控制各区温度均为170℃，得到环保生物基材料。

32、通过采用上述技术方案，采用上述制备方法，使各原料混合均匀，操作简单，容易加工，有助于后续的工业化生产。

33、综上所述，本技术具有如下有益效果：

34、1、本技术中聚烯烃树脂具有较好的耐冲击性能，加工易成型，热分解温度高，聚乳酸是一种生物基树脂，具有较好的生物可降解性，但是聚乳酸不耐热，力学性能差，聚烯烃树脂和聚乳酸混合，不仅改善了混合体系的耐热性，而且提高了体系的力学性能，如冲击强度和断裂伸长率，使得环保生物基材料制品不易撕裂和断裂。

35、2、本技术中复合植物粉料在各种环境中都具备完全的生物降解能力，植物粉料分子降解后，生成二氧化碳和水，不对土壤和空气产生毒害，进一步有助于环保生物基材料的降解，滑石粉具有薄片构型的片状结构，粒度较细可用作聚烯烃树脂的补强填充剂，在环保生物基材料中加入滑石粉不但能够提高环保生物基材料的表面硬度、成型收缩率、拉伸强度、冲击强度、热变型温度等性能，进而改善环保生物基材料的成型稳定性，提高制品的综合性能。

36、3、本技术中增塑剂的主要作用能够增强塑料制品的柔韧性、可塑性，降低熔融温度和熔体黏度，改善其成型加工性能；硅烷偶联剂kh560能够改善复合植物粉料在体系中的分散效果和粘结性能，有助于复合植物粉料在体系中分散均匀，进而改善后续环保生物基材料的耐热性、耐磨性及加工性能。