[发明专利]一种可生物降解的紫外阻隔和耐候微纳复合材料和应用

说明书

本发明公开了一种可生物降解的紫外阻隔和耐候微纳复合材料和应用，该材料由由1～100质量份核壳结构微纳颗粒和50～10000质量份可生物降解聚合物基体在温度100～250℃下熔融共混5～40min得到，可用作各类紫外防护及耐候性的薄膜、片材或板材。所含微纳颗粒为一种核壳型改性生物基材料，壳以多巴胺聚合物为主，核为木质素，通过调控壳层形貌和材料组成，可有效地提高微纳颗粒的力学性能，提高其紫外阻隔和耐候稳定性以及与聚合物基体的相容性。本发明具有良好的紫外阻隔和耐候性能，经济环保，操作简易，在紫外防护和耐候聚合物材料制备方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于微纳复合材料制备技术领域，涉及一种可生物降解的紫外阻隔和耐候微纳复合材料和其应用。

背景技术

随着经济社会的快速发展，高分子材料尤其是塑料薄膜、片材及板材的广泛使用给人们的生活带来了极大的便利。目前使用的大多数聚合物材料，比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等，作为食品包装、文具用品、餐饮具用品、工艺机电包装等制品，涉及我们生活的方方面面。但这些聚合物一般化学性质稳定，难以降解，他们的使用，尤其是在多采用一次性消费品的农业及包装业中大量使用，引发了严重的白色污染。在农业、包装业及医疗行业中，许多塑料制品并不需要太长的使用寿命，因此，人们开展了各种关于可自然条件下降解的聚合物的研究工作。可降解聚合物中的重要分类可生物降解聚合物已成为当今研究的热点，它是指在一定时间和适当的自然条件下能够被微生物(如真菌、细菌、藻类等)或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的聚合物材料。目前已经商品化的可生物降解聚合物主要有脂肪族聚酯、聚醚、聚乙烯醇和聚多糖。

20世纪以来，由于人类活动的影响，臭氧层逐渐遭到破坏，太阳光中的辐射到地面上的短波长紫外线增加，紫外线量增加和短波化会对人类(包括生物界)产生重大危害和影响，也是聚合物光降解导致性能劣化的根本原因，紫外线阻隔及聚合物耐候改性技术也受到越来越多的关注。作为包装用薄膜材料，其紫外光阻隔性是影响其使用价值的一个重要指标；而对所有户外使用的聚合物材料而言，拥有良好的耐候性，更是保证其寿命内正常使用的关键所在。

目前，普遍采用添加紫外线吸收剂或者紫外线的方法来制备紫外阻隔薄膜、耐候片材和板材。现有的有机紫外线吸收剂按照化学结构可分为：水杨酸酯类、二苯甲酮类、苯并三唑类、三嗪类等，如CN102756522A中引入苯并三唑、苯甲酮等制备三层聚乙烯复合薄膜；CN104371233A中采用聚乙烯醇、磷酸钠钛和丙三醇，通过溶液共溶-浸渍提拉法制备了抗紫外塑料薄膜；CN103507348A中引入市售光稳定剂UV-327，通过热压和冷压相结合的方法，制备了一种阻燃耐候连续纤维增强热塑性复合板材。但紫外线吸收剂往往易在聚合物基体中迁移及团聚，其中一些甚至会对人体健康或环境产生负面影响。无机紫外线屏蔽剂多为金属氧化物，如TiO₂、CeO₂、SiO₂、ZnO等，CN101012343A利用含有无机粒子的涂层，制备抗紫外薄膜；CN101555340A通过溶液共混或者熔融挤出的方法，制备了含有金属氧化物纳米粒子的抗紫外高透明光学薄膜及片材。然而，无机紫外线屏蔽剂的紫外光阻隔能力及与聚合物体系相容性有限，往往还会催化聚合物基体降解。

除了上述有机光稳定剂及无机紫外光屏蔽剂，天然产物中也存在良好的紫外吸收性物质，其中木质素是除纤维素之外地球上最丰富的生物质材料，本身含有大量的苯环、羰基等共轭基团，具有的酚羟基不仅有利于吸收紫外线，还具有清除自由基的功能，是一种良好的天然紫外光吸收剂及抗氧剂。黑色素是一种在生物体中普遍存在的生物大分子。它除了具有生物学功能外，还具有光防护、热调节、金属离子螯合、自由基清除等众多许多吸引人的特性。在聚乙烯醇薄膜中加入乌贼黑素可以显著提高薄膜的紫外阻隔性和光稳定性(ACS Sustainable ChemistryEngineering,2016,4(4):2252-2258)。黑色素中含有的羟基、氨基和羧基等官能团，使得其能与聚合物链中的极性基团的形成氢键，进而大幅增强所得复合材料的力学性能。将天然紫外线吸收剂引入可生物降解薄膜材料，无疑为实现生物基材料高附加值利用及制备高性能可降解紫外阻隔材料的提供了新思路。