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[塑料] 生物降解塑料的改性

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发表于 2013-9-9 11:48:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 846082533 于 2015-12-31 15:02 编辑 <br /><br />使用生物降解塑料是节约能源,解决“白色污染”的根本途径,但它自身存在的一些不足之处大大限制了其使用范围。虽然制成生物降解塑料/淀粉复合材料可以使生物降解塑料的性能得到改善,然而“脆性”仍不能得到解决。对此,毅兴环保塑料有限公司采用塑料改性的方法,使生物降解塑料获得了令人满意的性能。
近年来,由于石油的大量开采和消耗量的急剧增加,使得全球的石油资源供给日趋紧张,同时以石油为原料的合成塑料所引发的“白色污染”问题也日益严重,从而在世界范围内引发了人们对“能源问题”和“环境问题”的深刻反思,也形成了一股开发生物降解塑料的热潮。随着这类新型材料的应用领域的不断拓宽,它们给人类生活将会带来极其深远的影响。
据专家预测,在2010年前,世界生物降解塑料的市场需求将每年增加30%,到2010年生物降解塑料的市场规模将增加到130万t,生产能力将达到100万t。目前,世界上已经工业化生产或正处在工业化阶段的生物降解塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚羟基烷酸酯(PHAs)、聚己内酯(PCL)、聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、对苯二甲酸-丁二醇-己二酸共聚酯(Ecoflex)、聚乙烯醇(PVA)以及聚乙二醇(PEG)等。
当前,生产生物降解树脂和改性生物降解塑料的国家主要有美国、中国、德国、意大利、加拿大、日本等。近年来,中国的开发机构和生产企业对于生物降解塑料的研制开发日渐活跃,并逐渐进入了工业化生产阶段,如浙江海正生物降解塑料股份有限公司生产的PLA、宁波天安生物材料有限公司生产的PHAs、武汉天生成科技有限公司生产的PCL以及河南天冠集团生产的PPC等。其中最值得一提的就是,可完全生物降解的二氧化碳共聚树脂PPC目前只有在国内实现了工业化生产,即河南天冠集团利用中山大学孟跃中教授的技术,成功建成了年产5000t PPC的生产线。该生产线目前已投入了正常生产,而另一10000t/年的生产线也正在筹划之中,预计2年内PPC树脂就可进入国内外市场。
生物降解塑料的改性
生物降解塑料虽然有着其他塑料难以相比的优越性——生物降解性,但它们也有着本身难以克服的不足之处,例如热稳定性较差,对加工条件要求苛刻,热变形温度较低,韧性较差等。因此,对生物降解塑料的改性对于拓展其应用范围来说至关重要。
然而目前,很多公司或研究机构都侧重在生物降解塑料/淀粉复合材料的生产和开发上,例如PLA/淀粉、PCL/淀粉、PVA/淀粉以及PHAs/淀粉等,以降低成本,提高其机械强度和降解速率,但是它们的脆性却致使其不能得到更广泛或更进一步的应用。对此,毅兴行集团旗下之毅兴环保塑料有限公司决定采用塑料改性的途径来改善PLA和PPC的性能。
1、改性PLA
PLA的熔点较低(一般为160~165 ℃),加工温度低,机械强度高,透明度好,有良好的抗溶剂性和耐油性,同时还具有良好的生物降解性和生物相容性,从而被广泛用于一次性餐具、包装、农业以及医疗等领域。在目前所有的生物降解塑料中,PLA以其产量大、价格低、机械强度高、降解速率快、加工和成型容易、品种较多、研究较为成熟,以及“生物基(Bio-based)” 降解性,成为一种竞争力最强的生物降解材料。然而PLA也具有一些不足之处,这包括:
● 脆性较大。PLA本身很脆,韧性较差,使其在应用过程中受到一定的限制;
● 热变形温度较低。PLA的玻璃化转变温度(Tg)较低,热变形温度(HDT)较低(一般为55 ℃左右),从而使其在餐具、包装等领域中的应用受到极大的制约;
● 热稳定性较差。PLA在熔融加工过程中对水份、剪切力、温度以及滞留时间等因素都比较敏感。因此微量水份的存在,或是螺杆的剪切力较强,或是料筒温度较高,或是在料筒中的滞留时间较长时,都会造成PLA发生严重的热分解,从而使其性能直线下降。
针对PLA的不足,毅兴环保塑料有限公司采用多种改性手段:采用环保型增塑剂大大降低了PLA的加工温度,并调整了双螺杆挤出机螺杆组合块之间的夹角,对喂料速率、挤出速率、牵引速率以及切粒速率之间进行了匹配,从而大大减少了PLA在加工过程中的分解现象;采用了特殊的原料干燥设备以及特殊的料条冷却系统,从而消除了水份对PLA加工的影响;采用化学酯交换方法以及物理共混改性方法对PLA进行了增韧改性,得到了机械强度高、韧性好的完全生物降解PLA改性塑料;鉴于PLA热变形温度低的问题,毅兴行集团开发了一系列耐热型改性PLA完全生物降解塑料,最高耐热温度可达到100 ℃,从而为其在餐具方面的应用开辟了一条新的道路。目前,由毅兴行开发的完全生物降解PLA改性料生产的子弹和靶心已在美洲市场上销售。
2、改性PPC
PPC为无定型聚合物,没有熔点,加工温度范围较宽(120~180 ℃),断裂强度较高,韧性极好,即使在低温下也能够保持较好的韧性,而且气密性优异,具有良好的抗溶剂性和耐油性,因而在一次性餐具、包装以及口香糖胶等方面有着广阔的应用前景。与PLA一样,PPC也存在着不足之处:
● 软化温度较低。PPC的软化温度只有35 ℃左右,从而使其在餐具、包装等领域中的应用受到极大的制约;
● 屈服强度较低。PPC的屈服强度较低(20 MPa左右),大大限制了其在工程塑料等方面的应用。
为了进一步拓宽PPC的应用范围,将PPC真正投入到人们的生活中去,毅兴环保塑料有限公司目前与PPC的生产商——河南天冠集团达成了协议,负责其PPC的加工改性与产品开发工作,并与中山大学孟跃中教授的课题组以及鞋类产品生产商洽谈关于交联和发泡PPC用于鞋类产品中的相关问题和方案。中山大学孟跃中教授的课题组在PPC的交联与发泡研究方面,已获得初步的成果,待PPC的交联与发泡技术成熟以后,不仅可以从根本上改善其机械性能,而且还可以进一步拓宽其应用范围,例如用于生产鞋底或鞋垫,从而代替现在使用的不可生物降解的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚氨酯(PU)以及橡胶类材料等。
结语
毅兴环保塑料有限公司目前开发的产品主要有PLA填料增强系列、PLA增韧系列、PLA耐热系列、PLA板材系列、PPC填料增强系列等等。公司的目标是通过改性的手段,克服生物降解塑料的不足之处,发挥它们的优势,使其广泛地应用于人们生活的各个角落,从而从根本上解决“白色污染”的环境问题,为人类社会的可持续发展做出自己的贡献。

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