[发明专利]一种具有生物可降解性的植物纤维塑料及其制备方法

说明书

本发明公开一种具有生物可降解性的植物纤维塑料及其制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将包含植物纤维与碱性增塑剂的原料混合均匀得到混合物，其中碱性增塑剂占植物纤维的20‑100 wt%，优选为30‑40 wt%，更优选为35‑40 wt%；将混合物投入塑炼装置，在高温高碱作用下混合物熔融并经过挤压和/或剪切，通过增塑形成微观无明显纤维形状、流动性好的植物纤维塑料。所述方法可以降低植物纤维塑料的玻璃化温度及加工温度，绿色环保，操作简单高效，能耗低，获得的植物纤维塑料具有优异的流动性和熔融指数，同时也具有良好的生物可降解性，可替代传统的不可降解塑料。

技术领域

本发明属于植物纤维生物质材料技术领域，具体涉及一种具有生物可降解性的植物纤维塑料及其制备方法。

背景技术

塑料制品应用领域广泛，已成为人们生活中不可或缺的一部分。然而塑料原料来源紧张、塑料废弃物的不可降解产生“白色污染”等带来资源和环境问题，制约人类社会的可持续发展。因此，加强农林作物和木材的利用，致力于开发生物可降解性的塑料，制备出新型环保的植物纤维塑料以代替传统塑料制品具有重大意义。

然而，目前植物纤维塑料的制备主要有以下问题：植物纤维本身不具有热可塑性，因此不能在高温条件下熔融加工；传统的酯化、醚化、离子液体和低共熔溶剂等塑化反应虽然可实现植物纤维的塑化加工，但改性后会引起原料较大程度的降解，导致材料力学性能变差。

中国专利CN109721770A公开一种氧化还原性的热塑性和韧性调控方法，包括以下步骤：(1)植物纤维的前处理；(2)加入氧化剂溶液反应后经过滤洗涤得到氧化改性植物纤维；加入还原剂溶液反应后过滤洗涤得到氧化还原改性植物纤维；(3)加入增塑剂与氧化还原改性植物纤维混合均匀；所述增塑剂包含羟基类、离子液体类、低共熔溶剂类、酯类、胺类、缩水甘油醚类或无机盐类。该方法虽然能降低植物纤维原料的玻璃化转变温度，达到加工温度，具有较好的热可塑性，但是需要使用大量氧化剂、还原剂、离子液体类和低共熔溶剂类增塑剂，使成本提高，而且污染环境，工艺操作复杂，难以实现工业化生产，偏离了未来材料绿色可持续发展的原则。

发明内容

为了克服上述存在的问题，本发明基于高温高碱、高剪切和/或挤压、熔融塑化原理对植物纤维直接塑化，提供一种具有生物可降解性的植物纤维塑料及其制备方法。所述方法可以降低植物纤维塑料的玻璃化温度及加工温度，绿色环保，操作简单高效，能耗低，获得的植物纤维塑料具有优异的流动性和熔融指数，同时也具有良好的生物可降解性，可替代传统的不可降解塑料。

第一方面，本发明提供一种具有生物可降解性的植物纤维塑料的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将包含植物纤维与碱性增塑剂的原料混合均匀得到混合物，其中碱性增塑剂占植物纤维的20-100wt％，优选为30-40wt％，更优选为35-40wt％；将混合物投入塑炼装置，在高温高碱作用下混合物熔融并经过挤压和/或剪切，通过增塑形成微观无明显纤维形状、流动性好的植物纤维塑料。

本发明所述制备方法，基于高温高碱、高剪切挤压熔融塑化原理，将植物纤维与碱性增塑剂混炼直接塑化成植物纤维塑料。碱性增塑剂在高温高碱与高剪切挤压条件下破坏植物纤维，使得植物纤维中的三大组分-木质素、半纤维素及纤维素发生酚型木质素酸碱中和反应、酯键木质素皂化反应、半纤维素的乙酰基的皂化反应、半纤维素聚木糖的己烯糖醛酸反应、纤维素剥皮反应等。以上反应大量消耗了碱性增塑剂，也使得三大组分各自的聚合度和分子量降低。而降解的木质素小分子及溶出抽提物又在混炼时发挥着增塑剂的作用。小分子增塑剂与上述三大组分的分子量降低产生协同作用，降低植物纤维的玻璃化转变温度。整个塑化过程中，植物纤维在碱性增塑剂的高温高碱、高剪切熔融塑化作用下由固态转变成黏弹态，最终制备获得黏度低、流动性好、熔融指数高的生物可降解性的植物纤维塑料。

较佳地，所述碱性增塑剂为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氢氧化锂中的一种或多种的混合物，优选氢氧化钠。

较佳地，所述植物纤维包括木材原料纤维、非木材原料纤维、纸浆中的至少一种。