一种可生物降解的复合泡沫塑料及其制备方法
技术领域
本发明属于环境友好型泡沫塑料技术领域，具体涉及一种可生物降解的复合泡沫塑料，本发明还涉及该塑料的制备方法。
背景技术
传统的泡沫塑料为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）等材质的塑料，在轻量性、隔热性、隔声性、缓冲性、比强度等方面优异，广泛用于绝缘、缓冲、吸收以及承重结构等方面。但都是不可降解的塑料，使用后置于自然环境中几乎不能分解，焚烧处理后又产生大量含有二氧化碳（CO2）、氮、硫、磷、卤素等有毒化合物和有害气体，严重污染了人类赖以生存的自然环境。因此人们迫切需求一种能完全生物降的泡沫塑料取代传统的泡沫塑料。
聚乳酸（PLA）是从玉米、田薯等一些植物中提取的淀粉经酸分解后得到的葡萄糖，再经乳酸菌发酵生成乳酸，乳酸分子中的羧基与羟基在适当条件下合成的高聚物。即PLA是以生物资源为原料，经化学合成得到的生物降解高分子，使用后被分解成二氧化碳和水，完成自然循环，不会污染环境，是一种重要的环境友好新型可降解聚合物；PLA是石油基塑料的理想替代材料，能减少对石油资源的依赖和对环境的污染；同时能够提高农产品的附加值，在包装和生活消费品等领域具有良好的应用前景。
当前，可降解PLA泡沫塑料大多是单一原料的PLA发泡制品，其制备方法主要有：1. 采用耐热性PLA钠米复合材料技术，进行纳米水平的分子设计、化学装饰技术和特殊的熔融混炼技术，提高PLA的熔体强度，用超临界CO2开发高倍率的PLA挤出发泡片材，但成本较高。2. 采用在PLA中混入物理发泡剂的方法制备PLA发泡塑料，这种实施加工方法较为困难，没有推广。3. 以PLA为原料，无填充物，采用化学和物理发泡方法，热压成型制备PLA泡沫塑料，上述方法实施困难，即使应用，熔体强度较差、性价比较高，因此没有推广应用。4. 以PLA为原料，无填充物，采用化学发泡，热压成型制备PLA发泡体，可以代替聚苯乙烯泡沫塑料，但性价比高。
发明内容
本发明的目的是提供一种可生物降解的复合泡沫塑料，解决了现有以单一PLA为主要原料的泡沫塑料的熔体强度不高、加工方法较为困难、成本较高以及界面相容性差的问题。
本发明的另一目的是提供一种上述塑料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种可生物降解的复合泡沫塑料，按照质量百分比，由以下组分组成：麻纤维2%～30%、发泡剂0.2%～2%、发泡助剂0.02%～0.5%、脱模剂0.3%～1.0%、表面处理剂1%～2%，余量为聚乳酸母粒，各组分的质量百分比之和为100%。
本发明所采用的另一技术方案是，一种可生物降解的复合泡沫塑料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按照质量百分比称取2%～30%的麻纤维，0.2%～2%的发泡剂，0.02%～0.5%的发泡助剂，0.3%～1.0%的脱模剂，1%～2%的表面处理剂，余量为聚乳酸母粒，各组分的质量百分比之和为100%；
步骤2：麻纤维表面处理，将上步称取的麻纤维在105℃的干燥箱中干燥6h，然后放入上步称取的表面处理剂中，处理时间为1h～4h，随后将处理后的麻纤维放入105℃的干燥箱中干燥6h，取出冷却至室温；
步骤3：将上步得到的处理后的麻纤维与步骤1称取的聚乳酸母粒、发泡剂、发泡助剂、脱模剂混合，置于168℃～190℃的烘箱中模压发泡成型，时间为10～30min，压强为5～20Mpa，得到本发明可生物降解的复合泡沫塑料。
本发明的特点还在于，
其中的麻纤维采用汉麻、苎麻、亚麻、黄麻、红麻、剑麻、蕉麻、罗布麻中的一种或两种以上的混合物，麻纤维长度为1～5mm。
其中的表面处理剂采用浓度为8%～20%NaOH溶液、马来酸酐、硬脂酸、硅烷偶联剂中的一种或两种以上的混合物。
其中的发泡剂采用偶氮二甲酰胺，发泡助剂采用氧化锌。
其中的脱模剂采用二甲基硅油、MAXI型硅脂或液态石蜡中的一种。
本发明的有益效果是，成本低、工艺简单易行、界面相容性较好，所得的泡沫塑料可生物降解、对环境无污染，力学性能较好，综合性能优异，可以广泛应用在建筑及公共设施部件、汽车零部件和电脑零部件、各种包装、防震、隔热等材料领域中。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明可生物降解的复合泡沫塑料，按照质量百分比，其组成为：麻纤维2%～30%、发泡剂0.2%～2%、发泡助剂0.02%～0.5%、脱模剂0.3%～1.0%、表面处理剂1%～2%，余量为聚乳酸母粒，各组分的质量百分比之和为100%。
本发明可生物降解复合泡沫塑料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按照质量百分比称取2%～30%的麻纤维，0.2%～2%的发泡剂，0.02%～0.5%的发泡助剂，0.3%～1.0%的脱模剂，1%～2%的表面处理剂，余量为聚乳酸母粒，各组分的质量百分比之和为100%；
步骤2：麻纤维表面处理，将上步称取的麻纤维在105℃的干燥箱中干燥6h，取出后放入上步称取的表面处理剂中，处理时间1h～4h，随后将处理后的麻纤维放入105℃的干燥箱中干燥6h，取出冷却至室温；
步骤3：将步骤2得到的处理后的麻纤维与聚乳酸母粒、发泡剂、发泡助剂、脱模剂混合，置于168℃～190℃的烘箱中模压发泡成型，时间为10～30min，压强为5～20MPa，得到本发明可生物降解的复合泡沫塑料。
其中的麻纤维采用汉麻、苎麻、亚麻、黄麻、红麻、剑麻、蕉麻、罗布麻中的一种或两种以上的混合物，麻纤维长度为1～5mm。
其中的表面处理剂采用浓度为8%～20%NaOH溶液、马来酸酐、硬脂酸、硅烷偶联剂中的一种或两种以上的混合物。
其中的发泡剂采用偶氮二甲酰胺（AC），发泡助剂采用氧化锌。
其中的脱模剂采用二甲基硅油、MAXI型硅脂、液态石蜡中的一种。
实施例1
先将二甲基硅油或MAXI型硅脂均匀涂抹在发泡成型模具内表面，以形成膜为准，用量不占复合泡沫塑料总份额。将2份汉麻纤维浸在浓度为8%、温度为120℃的NaOH溶液中60min，取出后用温水洗涤数次，放入105℃的烘箱干燥处理6h。然后将处理后的1mm的汉麻纤维与0.2份AC发泡剂、0.06份氧化锌、97.74份PLA在混炼机中进行均匀混合。最后在168℃的烘箱中模压发泡成型，时间为10min，压强为5MPa，制得可生物降解泡沫塑料。得到泡沫塑料的密度为：0.71g/cm3，力学性能表征为：弯曲强度18.97MPa、拉伸强度4.76MPa、断裂伸长率6.71%。生物降解实验，可完全降解。
实施例2
先将二甲基硅油或MAXI型硅脂均匀涂抹在发泡成型模具内表面，以形成膜为准，用量不占复合泡沫塑料总份额。将8份苎麻纤维浸在浓度为8%、温度为120℃的硬脂酸溶液中60min，取出后用温水洗涤数次，放入105℃的烘箱干燥处理6h。然后将处理后的2mm的苎麻纤维与0.4份AC发泡剂、0.12份氧化锌、91.48份PLA在混炼机中进行均匀混合。最后在168℃的烘箱中模压发泡成型，时间为15min，压强为5MPa，制得可生物降解泡沫塑料。得到泡沫塑料的密度为：0.64g/cm3，力学性能表征为：弯曲强度11.56MPa、拉伸强度3.46MPa、断裂伸长率10.92%。生物降解实验，可完全降解。
实施例3
先将液态石蜡均匀涂抹在发泡成型模具内表面，以形成膜为准，用量不占复合泡沫塑料总份额。将15份亚麻纤维浸在浓度为15%、温度为120℃的NaOH溶液中60min，取出后用温水洗涤数次，放入105℃的烘箱干燥处理6h。然后将处理后的2mm的亚麻纤维与0.6份AC发泡剂、0.12份氧化锌、84.28份PLA在混炼机中进行均匀混合。最后在175℃的烘箱中模压发泡成型，时间为15min，压强为20MPa，制得可生物降解泡沫塑料。得到泡沫塑料的密度为：0.66g/cm3，力学性能表征为：弯曲强度10.94MPa、拉伸强度4.27MPa、断裂伸长率20.16%。生物降解实验，可完全降解。
实施例4
先将液态石蜡或MAXI型硅脂均匀涂抹在发泡成型模具内表面，以形成膜为准，用量不占复合泡沫塑料总份额。将20份黄麻纤维与红麻纤维的混合物浸在浓度为1%、温度为120℃的马来酸酐溶液中60min，取出后用温水洗涤数次，放入105℃的烘箱干燥处理6h。然后将处理后的4mm的黄麻纤维与红麻纤维的混合物与0.6份AC发泡剂、0.12份氧化锌、79.28份PLA在混炼机中进行均匀混合。最后在175℃的烘箱中模压发泡成型，时间为20min，压强为10MPa，制得可生物降解泡沫塑料。得到泡沫塑料的密度为：0.57g/cm3，力学性能表征为：弯曲强度11.42MPa、拉伸强度4.47MPa、断裂伸长率21.48%。生物降解实验，可完全降解。
实施例5
先将二甲基硅油或液态石蜡均匀涂抹在发泡成型模具内表面，以形成膜为准，用量不占复合泡沫塑料总份额。将25份剑麻纤维、蕉麻纤维和罗布麻纤维的混合物浸在浓度为1%、温度为120℃的硅烷偶联剂溶液中60min，取出后用温水洗涤数次，放入105℃的烘箱干燥处理6h。然后将处理后的4mm的剑麻纤维、蕉麻纤维和罗布麻纤维的混合物与0.8份AC发泡剂、0.095份氧化锌、74.005份PLA在混炼机中进行均匀混合。最后在180℃的烘箱中模压发泡成型，时间为25min，压强为15MPa，制得可生物降解泡沫塑料。得到泡沫塑料的密度为：0.49g/cm3，力学性能表征为：弯曲强度11.82MPa、拉伸强度4.85MPa、断裂伸长率22.58%。生物降解实验，可完全降解。
实施例6
先将二甲基硅油均匀涂抹在发泡成型模具内表面，以形成膜为准，用量不占复合泡沫塑料总份额。将30份汉麻纤维浸在浓度为1%、温度为120℃的硅烷偶联剂与硬脂酸偶联剂混合溶液中60min，取出后用温水洗涤数次，放入105℃的烘箱干燥处理6h。然后将处理后的5mm的汉麻纤维与2.0份AC发泡剂、0.5份氧化锌、67.5份PLA在混炼机中进行均匀混合。最后在190℃的烘箱中模压发泡成型，时间为30min，压强为20MPa，制得可生物降解泡沫塑料。得到泡沫塑料的密度为：0.43g/cm3，力学性能表征为：弯曲强度9.84MPa、拉伸强度4.02MPa、断裂伸长率18.75%。生物降解实验，可完全降解。
从原理方面说明本发明的有益效果所在：
1．为克服PLA发泡体自身熔融强度较低而造成发泡过程中气泡破裂和独立泡孔率低，拉伸强度较低、脆性较大的缺陷，采用原料源于自然的麻纤维来增强聚乳酸来提高发泡体的机械强度和熔体强度、增大纯聚乳酸发泡体的韧性、降低PLA成本，从而克服聚乳酸本身的缺陷，达到既降低材料成本又能提高性能的目的。
麻纤维的质量百分比为2%～30%时，发泡体的拉伸强度、弯曲强度随着纤维含量的增加而增大；脆性也将大大改善。当麻纤维含量低于2%时，发泡体的拉伸强度和弯曲强度与纯聚乳酸发泡体的强度相当，脆性较大。当麻纤维含量高于30%时，聚乳酸含量降低，麻纤维不能被全部粘结，导致发泡体的拉伸强度、弯曲强度开始下降。
2．偶氮二甲酰胺为应用较为广泛的高效发泡剂，发气量大，价格便宜，分解温度190～205℃，其分解产物无毒、无臭、不污染。可以制得泡孔均匀、致密、纯白的泡沫体。不易燃，室温贮存甚为稳定。加入氧化锌发泡助剂能够降低发泡剂的分解温度。
发泡剂的质量百分比为0.2%～2%时，发泡体泡孔均匀、致密，且不会有泡孔塌陷与合并。当发泡剂含量低于0.2%时，发泡剂含量太少，发泡体的泡孔较少且分布不均匀；当发泡剂含量高于2%时，泡孔较大导致泡孔塌陷与合并，其拉伸强度和弯曲强度降低。
发泡助剂的质量百分比为0.02%～0.5%时，发泡剂的分解温度介于168℃～190℃之间。当发泡助剂的质量百分比低于0.02%时，发泡剂的分解温度高于190℃，聚乳酸在此温度下的熔体粘度较小，从而导致泡孔较少甚至发泡失败。当发泡助剂的质量百分比高于0.5%时，发泡剂的分解温度低于聚乳酸的熔融温度168℃，从而导致发泡失败。
3．表面处理剂质量百分比为1%～2%时，得到的麻纤维与聚乳酸的界面相容性较好，拔脱强度明显提高。表面处理剂低于1%时，麻纤维亲水性基团仍部分存在，与聚乳酸的疏水基团相容性较差，起不到理想的增容作用，因此界面力学性能较差；当表面处理剂质量百分比高于2%时，麻纤维表面会覆盖过多的处理剂，形成多分子层，易造成填料与树脂之间界面结构的不均匀性，且表面处理剂中未反应的其他基团也会产生不良作用，从而降低复合材料的力学性能。
本发明可生物降解复合泡沫塑料及其制备方法，成本大大较低、工艺简单易行、界面相容性较好，所得的泡沫塑料可生物降解、对环境无污染，力学性能较好，综合性能优异，可以广泛应用在建筑及公共设施部件、汽车零部件和电脑零部件、各种包装、防震、隔热等材料领域中。