一种薄膜用生物降解功能母粒及其制备方法

一种薄膜用生物降解功能母粒及其制备方法

阎克林

庆云诺鑫塑胶新材料有限公司，邮编253700   山东省德州市

摘要

本文综合讨论了生物降解功能母粒的关键组成成分和制备工艺。文中分析了用作母粒的基础聚合物的类型，如PLA、PHA等，以及生物降解促进剂和其他添加剂的选择与作用。详细描述了从预混合到熔融混合，再到造粒、冷却和质量检测的全套制备流程。各阶段的关键技术参数也得到了全面考虑。

关键词：

生物降解母粒，基础聚合物，生物降解促进剂，预混合，熔融混合，造粒，质量检测。

前言

随着塑料污染问题日益严重，开发和生产生物降解塑料产品变得越来越重要。其中，生物降解功能母粒作为一种预混合物料，在制备生物降解薄膜等产品中起着至关重要的作用。母粒不仅需要具备优异的生物降解性能，还需要满足工艺生产和应用的其他需求，如流动性、稳定性等。本文分为两大部分：第一部分专注于生物降解功能母粒的组成成分，包括基础聚合物、生物降解促进剂和其他添加剂；第二部分详细描述了从原料准备到成品检测的全流程制备工艺。本研究的目的是为工程师、研究人员和相关产业提供全面而深入的指导。

一、生物降解功能母粒的组成成分

生物降解功能母粒是生物降解塑料制品生产过程中的关键原料之一。它由多个组成成分构成，主要包括基础聚合物、生物降解促进剂以及其他功能添加剂。这些组成成分各自扮演着不同的角色，不仅影响着母粒的物理和化学性质，还决定了最终生物降解薄膜的各种应用性能。

1.1 基础聚合物

基础聚合物作为生物降解功能母粒的主体，通常选择的是生物基或可生物降解的塑料，如聚乳酸（PLA）或聚羟烷酸（PHA）。聚乳酸由玉米淀粉通过发酵和聚合反应得到，不仅来源可再生，而且在一定条件下能完全生物降解。相对而言，聚羟烷酸由微生物通过发酵过程生产，具有更高的生物降解性和生物相容性，但成本相对较高。

选择基础聚合物时，需综合考虑多个因素，包括但不限于生物降解速率、机械性能和成本。例如，聚乳酸具有较好的机械性能和成型性，但其生物降解速度通常较慢；而聚羟烷酸虽然生物降解速度快，但机械性能相对较差。因此，在制备生物降解功能母粒时，可能需要将两者进行合适的比例混合，以获得综合性能更优的产品。

除了生物基聚合物，有时也会使用一些合成聚合物，如聚丙烯或聚乙烯，这通常是为了改善某些特定性能，如加工性或机械强度。

1.2 生物降解促进剂

生物降解促进剂主要用于提高基础聚合物的生物降解速率。常用的生物降解促进剂有酶、金属催化剂和有机降解助剂。酶能特异性地催化基础聚合物的降解，但由于其生物性质，对环境条件（如温度、酸碱度等）非常敏感，因此应用有一定局限性。

金属催化剂，如钴、锰和铁等，通常用于催化氧化降解过程。它们通过促进自由基的生成，加速聚合物链的断裂，从而提高生物降解速度。但这类催化剂可能会对环境和人体健康造成潜在威胁，因此在使用前需要进行全面的环境和生态安全评估。

有机降解助剂如某些多醇、酮和酯类化合物，能与基础聚合物发生化学或物理相互作用，改变其分子结构或增加其表面积，从而提高生物降解速度。但添加过多的有机降解助剂可能会影响产品的其他性能，如机械强度和耐水性。

1.3 其他添加剂

除了基础聚合物和生物降解促进剂，生物降解功能母粒中还常包含其他添加剂，如稳定剂、抗氧化剂和颜色剂。稳定剂主要用于防止聚合物在加工和使用过程中发生降解，常用的有磷酸酯和苯酚类抗氧化剂。

抗氧化剂主要用于防止聚合物在储存和使用过程中因氧气或光照而发生氧化降解，常用的有苯酚类和磷酸酯类抗氧化剂。这些添加剂能与自由基或氧分子反应，从而减缓或阻止氧化降解过程。

颜色剂通常用于赋予母粒特定的颜色或外观。常用的颜色剂有无机颜料和有机染料，选择时需要考虑其与基础聚合物和生物降解促进剂的相容性，以及其对最终产品性能的影响。例如，某些颜色剂可能会降低生物降解速度或影响产品的机械性能。

二、生物降解功能母粒的制备工艺

制备生物降解功能母粒的过程涉及多个关键工艺步骤，从原料的预混合和熔融混合到造粒、冷却，最后到质量检测与优化。这些步骤不仅需要精确的温度和速度控制，还要考虑到各种物理和化学反应，以确保最终产品具有出色的生物降解性和其他相关性能。

2.1 预混合与熔融混合

预混合是制备母粒的第一步，通常涉及将基础聚合物、生物降解促进剂和其他添加剂混合在一起。在这一阶段，料仓的设计和搅拌器的选择都非常关键。例如，料仓通常需要具有防潮、防氧化的特点，而搅拌器需要能够产生均匀的剪切力以保证良好的混合效果。

接下来的熔融混合阶段通常在双螺杆挤出机中进行。这种设备具有高剪切和混合能力，能够处理多种不同的聚合物和添加剂。然而，挤出机的操作参数，包括螺杆转速、挤出温度和进料速度，都需要仔细调整。过高的螺杆转速可能导致聚合物热降解，而不当的挤出温度和进料速度则可能影响混合均匀性。

熔融混合完成后，通常需要进行在线的流变性能测试，以评估混合物的加工性能。测试结果有助于进一步优化挤出机的操作参数，例如，通过调整螺杆转速，以达到理想的流变性能。

2.2 造粒与冷却

完成熔融混合后，混合物通过造粒机转化为母粒。造粒机的设计和操作对母粒的尺寸和形状有显著影响，这进一步影响了最终产品的性能。常用的造粒机类型有水环式、风冷式和地下式，每种类型都有其特点和适用范围。例如，水环式造粒机适用于大多数熔体粘度低的聚合物，而风冷式造粒机则更适用于熔体粘度高或热敏性强的材料。

冷却过程也不可或缺，通常通过冷却塔或水浴来完成。冷却速度和时间直接影响母粒的晶结构和物理性能，因此需要严格控制。例如，快速冷却通常会导致非晶态结构，这有助于提高生物降解速度，但可能降低机械性能。

除了冷却方法，冷却介质的选择也是一个需要考虑的因素。水是最常用的冷却介质，但在某些情况下，可能会选择其他液体或气体，如冷却油或氮气，以防止母粒表面的氧化或吸湿。

2.3 质量检测与优化

最后一个环节是质量检测与优化。常用的测试方法包括熔流指数测试、生物降解性能测试以及机械性能测试。熔流指数用于评估母粒的加工性能，通常需要控制在一个相对窄的范围内，以确保后续加工流程的稳定性。

生物降解性能测试通常通过测定CO2释放量或者残余质量来进行。这些测试结果不仅能够证明产品是否符合相关生物降解标准，还可以用于进一步优化基础聚合物和添加剂的比例。

机械性能测试包括拉伸强度、冲击强度和硬度等，这些指标需要与预定的应用场景相匹配。例如，如果母粒用于制造包装膜，那么其拉伸强度和透气性可能是需要特别关注的性能指标。

通过这一系列严格的质量检测和优化，能够确保生物降解功能母粒不仅具有优良的生物降解性，还能满足各种工艺和应用需求。

三、结论

生物降解功能母粒作为一种关键的预混合物料，对于生产具有环保特性的生物降解薄膜具有重要意义。该母粒的组成成分和制备工艺各有其复杂性和挑战。组成成分主要包括基础聚合物、生物降解促进剂和其他添加剂，每种成分都有其独特的作用和应用范围。制备工艺从预混合到熔融混合、再到造粒和冷却，都需要精确的控制和优化。质量检测与优化环节确保了最终产品具备优良的生物降解性和应用性能。

综合考虑各种因素，制备优质的生物降解功能母粒需要综合多学科的知识，包括材料科学、化学工程和环境科学等。通过优化组成成分和工艺参数，有望进一步提高生物降解功能母粒的性能和经济效益，从而推动生物降解材料在各个应用领域的广泛采用。总体而言，生物降解功能母粒是解决塑料污染问题和推动可持续发展的重要途径之一。

参考文献：

[1] 李成，王鹏，熊松阳 一种薄膜用生物降解功能母粒及其制备方法 江西省萍乡市轩品塑胶制品有限公司;2020-11-01

[2]吴学红，陈亚男，赵敏等.可降解柔性相变薄膜的制备及其热性能[J]. 化工学报 2023