一种纤维素基可降解垃圾袋及其制备方法
技术领域
本发明涉及可降解垃圾袋技术领域，尤其涉及一种纤维素基可降解垃圾袋及其制备方法。
背景技术
随着塑料行业的快速发展，塑料制品以其独特的性能以及优良的加工性能在国民经济建设中发挥了巨大的作用。同时塑料的使用量也在逐年提高，传统塑料的不可降解性导致的“白色污染”问题也一直困扰着我们。且塑料大多来源于化石能源，无法实现资源利用的可持续发展。随着环境危机的加剧和环保意识的增强，在积极倡导人与自然和谐发展的今天，寻求绿色环保可降解的新型塑料显得尤为重要。其中纤维素基生物降解塑料被认为是具有商业化潜力的塑料之一。
天然植物纤维是地球生物质资源中可降解的天然高分子材料之一。植物纤维来源广泛、价格低、可降解且降解产物对环境无污染。植物纤维与石油、天然气、煤等资源相比，具有低密度、高的比强度、可再生、易加工、良好的生态相容性和对人体危害小等优点。利用植物纤维代替煤、石油和天然气等不可再生资源，对缓解能源危机与环境污染问题具有重要意义。但单独使用其力学性能较低，与之相比，合成的可降解树脂如聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯虽力学性能较强，但高成本限制了其大规模生产。因此，将纤维素与可降解树脂进行共混，制备复合材料，则纤维的加入降低了生产成本，且可降解树脂可以提高共混物的力学性能，实现了力学性能与成本的优化平衡。不仅如此，开发利用由植物纤维素与可降解树脂共混制备的可降解塑料，一方面减少了对石油资源的开采利用，另一方面还提高了植物纤维的利用率。
纤维素是亲水性的，可降解树脂是疏水性的，两者界面性能存在差异导致界面黏合性较差，以及纤维素本身固有的高吸水性对可降解塑料的力学性能有负面影响。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种纤维素基可降解垃圾袋及其制备方法，本发明可降解，且力学性能好。
本发明提出的一种纤维素基可降解垃圾袋，其原料按重量百分比包括：酯化纤维素10-50％、可降解高分子材料50-90％；
其中，酯化纤维素的制备方法包括如下步骤：取植物纤维提取纤维素；将熔融的戊二酸酐与浓硫酸混匀，然后加入纤维素，通入惰性气体进行常压反应，再减压反应，然后过滤，洗涤滤饼，烘干得到酯化纤维素即可。
优选地，纤维素与戊二酸酐的质量比为1:6-12。
优选地，常压反应和减压反应的温度均为100-180℃。
优选地，常压反应时间为1-3h，减压反应时间为3-8h。
优选地，取植物纤维提取纤维素的方法为：取植物纤维用水抽提去除糖类化合物得到中间物料；然后将中间物料加入双氧水、氢氧化钠、乙二胺四乙酸和硫酸镁的混合水溶液中，进行反应，然后过滤，洗涤滤饼，烘干得到纤维素。
优选地，在植物纤维提取纤维素的过程中，中间物料和混合水溶液的重量体积(g/mL)比为1:10-50。
优选地，在植物纤维提取纤维素的过程中，混合水溶液中，双氧水的含量为1-3wt％，氢氧化钠的含量为2-10wt％，乙二胺四乙酸的含量为1wt％，硫酸镁的含量为0.5wt％。
优选地，在植物纤维提取纤维素的过程中，反应温度为30-70℃，反应时间为40-120min。
优选地，在植物纤维提取纤维素的过程中，烘干温度为80-150℃。
优选地，植物纤维包括棉花纤维、椰壳纤维、黄麻纤维、剑麻纤维、苎麻纤维、竹纤维、木棉纤维中的至少一种。
优选地，可降解高分子材料包括聚乳酸、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸/丁二酸丁二醇酯共聚物中的至少一种。
上述浓硫酸为质量分数为98％的硫酸水溶液。
上述通入惰性气体进行常压反应的目的是及时除去反应过程中产生的水。
本发明还提出了上述纤维素基可降解垃圾袋的制备方法，包括如下步骤：将酯化纤维素和可降解高分子材料真空干燥后混匀，然后熔融共混，自然冷却至室温，经双螺杆挤出机挤出得到母粒；将母粒吹塑成型得到纤维素基可降解垃圾袋。
优选地，真空干燥的温度为60-120℃，干燥时间为4-8h。
优选地，熔融共混的温度为100-200℃，转速为30-80r/min，共混时间为≤10min。
优选地，双螺杆挤出机的温度为100-200℃，转速为10-50r/min。
优选地，吹塑成型的温度为120-220℃。
有益效果：
本发明通过用碱液对纤维进行处理，提取纤维素，以改善纤维素与可降解树脂的界面黏合性；然后对纤维素进行酯化改性得到酯化纤维素以降低纤维素的亲水性，并且使得纤维素能够均匀的分散在可降解树脂中，最后通过控制复合材料的质量比和反应参数，从而得到了具有优异降解性能的可降解垃圾袋；以植物纤维为原料，内含大量的纤维素材料，来源丰富且可再生可降解，对环境无污染，且成本低；本发明的制备方法简单，可批量生产，且可降解垃圾袋的性能优良。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种纤维素基可降解垃圾袋，其原料按重量百分比包括：酯化纤维素30％、聚己内酯70％；
其中，酯化纤维素的制备方法包括如下步骤：
将棉花纤维放入粉碎机中粉碎，然后用80目筛子筛分，取筛分后的纤维放入索氏提取仪器中，用蒸馏水抽提6h，除去单糖、配糖化物、少量低聚糖和水溶性聚糖等糖类化合物，最后抽滤取滤饼，用蒸馏水洗涤3-5次在真空干燥箱中干燥得到中间物料；
然后将中间物料加入含量为1wt％双氧水、含量为3wt％氢氧化钠、含量为1wt％乙二胺四乙酸和含量为0.5wt％硫酸镁的混合水溶液中，于60℃反应80min，然后过滤，用蒸馏水洗涤滤饼至中性，于80℃烘干得到纤维素，其中，中间物料和混合水溶液的重量体积(g/mL)比为1:20；
将熔融的戊二酸酐与6μL浓硫酸混匀，然后加入纤维素，于150℃，通入氮气，常压反应3h，再减压反应6h，然后过滤，洗涤滤饼，于80℃烘干得到酯化纤维素即可，其中，纤维素与戊二酸酐的质量比为1:8。
上述纤维素基可降解垃圾袋的制备方法，包括如下步骤：将酯化纤维素和聚己内酯分别于100℃、80℃真空干燥6h后混匀，然后加入初始转速为20r/min的流变仪中，待原料添加完毕后，调节转速为40r/min，于160℃熔融共混10min，自然冷却至室温，经双螺杆挤出机挤出得到母粒；将母粒于200℃吹塑成型得到纤维素基可降解垃圾袋，其中，双螺杆挤出机各段的温度为180℃，转速为40r/min。
实施例2
一种纤维素基可降解垃圾袋，其原料按重量百分比包括：酯化纤维素20％、聚丁二酸丁二醇酯80％；
其中，酯化纤维素的制备方法包括如下步骤：
将椰壳纤维放入粉碎机中粉碎，然后用80目筛子筛分，取筛分后的纤维放入索氏提取仪器中，用蒸馏水抽提6h，除去单糖、配糖化物、少量低聚糖和水溶性聚糖等糖类化合物，最后抽滤取滤饼，用蒸馏水洗涤3-5次在真空干燥箱中干燥得到中间物料；
然后将中间物料加入含量为2wt％双氧水、含量为4wt％氢氧化钠、含量为1wt％乙二胺四乙酸和含量为0.5wt％硫酸镁的混合水溶液中，于50℃反应100min，然后过滤，用蒸馏水洗涤滤饼至中性，于100℃烘干得到纤维素，其中，中间物料和混合水溶液的重量体积(g/mL)比为1:30；
将熔融的戊二酸酐与10μL浓硫酸混匀，然后加入纤维素，于150℃，通入氮气，常压反应3h，再减压反应6h，然后过滤，洗涤滤饼，于80℃烘干得到酯化纤维素即可，其中，纤维素与戊二酸酐的质量比为1:9。
上述纤维素基可降解垃圾袋的制备方法，包括如下步骤：将酯化纤维素和聚丁二酸丁二醇酯于100℃真空干燥6h后混匀，然后加入初始转速为10r/min的流变仪中，待原料添加完毕后，调节转速为30r/min，于120℃熔融共混5min，自然冷却至室温，经双螺杆挤出机挤出得到母粒；将母粒于140℃吹塑成型得到纤维素基可降解垃圾袋，其中，双螺杆挤出机各段的温度为120℃，转速为30r/min。
实施例3
一种纤维素基可降解垃圾袋，其原料按重量百分比包括：酯化纤维素30％、聚己二酸/丁二酸丁二醇酯共聚物70％；
其中，酯化纤维素的制备方法包括如下步骤：
将剑麻纤维放入粉碎机中粉碎，然后用80目筛子筛分，取筛分后的纤维放入索氏提取仪器中，用蒸馏水抽提6h，除去单糖、配糖化物、少量低聚糖和水溶性聚糖等糖类化合物，最后抽滤取滤饼，用蒸馏水洗涤3-5次在真空干燥箱中干燥得到中间物料；
然后将中间物料加入含量为2wt％双氧水、含量为3wt％氢氧化钠、含量为1wt％乙二胺四乙酸和含量为0.5wt％硫酸镁的混合水溶液中，于50℃反应100min，然后过滤，用蒸馏水洗涤滤饼至中性，于100℃烘干得到纤维素，其中，中间物料和混合水溶液的重量体积(g/mL)比为1:40；
将熔融的戊二酸酐与8μL浓硫酸混匀，然后加入纤维素，于160℃，通入氮气，常压反应3h，再减压反应5h，然后过滤，洗涤滤饼，于100℃烘干得到酯化纤维素即可，其中，纤维素与戊二酸酐的质量比为1:8。
上述纤维素基可降解垃圾袋的制备方法，包括如下步骤：将酯化纤维素和聚己二酸/丁二酸丁二醇酯共聚物于100℃真空干燥6h后混匀，然后加入初始转速为20r/min的流变仪中，待原料添加完毕后，调节转速为30r/min，于140℃熔融共混6min，自然冷却至室温，经双螺杆挤出机挤出得到母粒；将母粒于200℃吹塑成型得到纤维素基可降解垃圾袋，其中，双螺杆挤出机各段的温度为160℃，转速为30r/min。
实施例4
一种纤维素基可降解垃圾袋，其原料按重量百分比包括：酯化纤维素50％、聚乳酸50％；
其中，酯化纤维素的制备方法包括如下步骤：
将竹纤维放入粉碎机中粉碎，然后用80目筛子筛分，取筛分后的纤维放入索氏提取仪器中，用蒸馏水抽提6h，除去单糖、配糖化物、少量低聚糖和水溶性聚糖等糖类化合物，最后抽滤取滤饼，用蒸馏水洗涤3-5次在真空干燥箱中干燥得到中间物料；
然后将中间物料加入含量为3wt％双氧水、含量为10wt％氢氧化钠、含量为1wt％乙二胺四乙酸和含量为0.5wt％硫酸镁的混合水溶液中，于70℃反应40min，然后过滤，用蒸馏水洗涤滤饼至中性，于150℃烘干得到纤维素，其中，中间物料和混合水溶液的重量体积(g/mL)比为1:10；
将熔融的戊二酸酐与12μL浓硫酸混匀，然后加入纤维素，于100℃，通入氮气，常压反应1h，再减压反应8h，然后过滤，洗涤滤饼，烘干得到酯化纤维素即可，其中，纤维素与戊二酸酐的质量比为1:6。
上述纤维素基可降解垃圾袋的制备方法，包括如下步骤：将酯化纤维素和聚乳酸于60℃真空干燥8h后混匀，然后加入初始转速为10r/min的流变仪中，待原料添加完毕后，调节转速为80r/min，于200℃熔融共混2min，自然冷却至室温，经双螺杆挤出机挤出得到母粒；将母粒于220℃吹塑成型得到纤维素基可降解垃圾袋，其中，双螺杆挤出机各段的温度为200℃，转速为10r/min。
对实施例1-4制得的垃圾袋进行性能检测，结果如下表所示：
由上表可以看出，酯化改性后纤维素与蒸馏水的接触角明显增大，这表明经过酯化改性，纤维素结构中羟基数目减少，亲水性降低。这有利于纤维素和疏水的可降解树脂发生有效的界面黏合，提高复合材料的力学性能。实施例1-4的力学性能先增加后降低，而且当酯化纤维素的含量为30％时，其拉伸强度达到最大值。这是由于纤维素含量低时，熔融的可降解高分子材料能完全将纤维素浸润，两者发生有效的界面结合。纤维素含量增多时，容易在可降解高分子材料中分散不均，从而出现团聚现象，对复合材料的力学性能产生不利影响。力学性能表明酯化纤维素与可降解高分子材料的界面黏合性得到改善，界面强度有所增强，这有助于使拉伸作用产生的应力有效地从可降解高分子材料基体经界面转移到酯化纤维素上，提高复合材料的力学性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
