生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们生活节奏的加快和生活水平的提高，一次性塑料包装袋、包装膜用量越 来越大。大量一次性塑料包装膜、包装袋的使用，给环境造成巨大的污染。一方面，铁路沿 线、旅游景点到处散落一次性购物袋、包装膜，给人们以视觉污染，影响景区生态环境；另一 方面，由于塑料在自然环境中很难自行降解，从而给环境产生更深层次的"白色污染"。因 此，如何解决废弃包装膜和地膜的环境污染问题，是摆在各界政府及科技工作者面前一项 急需解决的难题。
[0003] 寻求塑料的代替物势在必行。20世纪七、八十年代，人们首先想到的就是可降解 的天然高分子生物质材料。日本丰田公司研发用白薯淀粉塑料制成了汽车配件，日本《时代 周刊》2002年5月13日刊登了白薯拯救地球的文章，富士通公司用玉米淀粉塑料制成的电 脑机壳和其它配件已经商业应用。目前，国内外已有多种商品出售，如加拿大St.Lawrance 公司、美国Ampacer公司、意大利Ferruxzi公司等；国内华中农业大学、北京工商大学、长春 应用化学研宄所、天津大学、四川大学等单位也先后研制开发出淀粉基降解塑料，淀粉塑料 的研宄得到不断的深入和发展。从添加淀粉到纸塑替代，从乳酸聚合到热塑性玉米淀粉材 料，可以说技术上有了很大的进展，但产品的性价比还不能与普通塑料相比较，只能用于高 附加值领域。通过现有的技术中，由于淀粉的填充量及淀粉的溶出问题，使得材料无法完全 降解。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的装置及方法，在现有的生产 设备基础上，进行串联重组，获得完整的生产流水线，使得操作更加简单，生产过程更加稳 定，生产效率显著提高，且适合于本发明的生产方法。通过本发明获得的产品可全生物降 解，环保无毒性。
[0005] 为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
[0006] 生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的装置，包括双螺杆挤出机、熔融炉及高速 混合机，双螺杆挤出机连接熔融炉，熔融炉连接高速混合机，高速混合机连接双螺杆挤出 机，其特征在于：双螺杆挤出机的上端设有第一进料口，双螺杆挤出机的左侧设有第一电 机，第一电机上连接有第一电机输出轴，第一电机输出轴上设有主动齿轮，主动齿轮的上端 及下端均连接有从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮相匹配；主动齿轮与从动齿轮上均连接有 螺杆，螺杆相互配合，螺杆位于双螺杆挤出机内，双螺杆挤出机的右侧设有冷却装置，冷却 装置上连接有泥咀，泥咀上连接有出料管及第一送料管，第一送料管的另一端连接熔融炉， 熔融炉的上端连接有第二进料口，熔融炉的下端连接有第二送料管，第二送料管的另一端 连接高速混合机；高速混合机的右侧设有第二电机，第二电机上连接有第二电机输出轴，第 二电机输出轴上设有搅拌桨，搅拌桨位于高速混合机内；高速混合机的下端连接有第三送 料管，第三送料管的另一端连接双螺杆挤出机，第三送料管上设有增压泵。一方面双螺杆挤 出机用于竹纤维素改性，在螺旋挤出的作用下化学接枝，实现竹纤维素改性，结构简单，改 性效果良好；另一方面借助双螺杆挤出机直接注塑得到产品，故其功能多样。主动齿轮与从 动齿轮相互配合工作，实现第一电机同时带动两个螺杆旋转，结构合理，设计巧妙，控制方 便，且减少了电机数量，节约了生产成本。冷却装置起冷却作用，冷却效果良好，降温明显。 熔融炉将物料融化，实现熔融挤出方法制降解材料，操作方便，熔融效果好。高速混合机将 物料充分混合，同时对淀粉实现高混改性，改性后，各组分能够很好的相容，操作方便，混合 效果好。
[0007] 进一步，双螺杆挤出机、熔融炉及高速混合机上均设有法兰。提高双螺杆挤出机、 熔融炉及高速混合机的密封性。
[0008] 进一步，螺杆上设有限位凸起，从动齿轮内设有限位槽，限位凸起与限位槽相匹 配。一方面起连接作用，另一方面起传动作用，使从动齿轮运转带动螺杆运转。
[0009] 进一步，熔融炉内的左端及右端均设有远红外加热管。通电后的远红外加热管发 热，并在熔融炉内形成高温环境，加热快，保温时间长。
[0010] 进一步，出料管上设有第一控制阀。第一控制阀控制出料管。
[0011] 进一步，第一送料管上设有第二控制阀。第二控制阀控制第一送料管。
[0012] 进一步，第三送料管上设有单向阀。防止双螺杆挤出机内的物料回流到第三送料 管内。
[0013] 借助上述装置生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的方法，其特征在于包括如下 制备步骤：
[0014] (a)制备方案设计：
[0015] 召开讨论会，通过相互讨论，并结合实际条件及现有资料，制定完整的制备方案；
[0016] (b)制备准备：
[0017] ①化学药剂准备：
[0018] 根据制备方案准备制备所需的化学药剂，包括：玉米淀粉、竹纤维素、聚乳酸、聚丁 二酸丁二醇酯、增塑剂、偶联剂、抗氧剂、氯乙酰及硝酸铈氨溶液；
[0019] ②仪器准备：
[0020] 根据制备方案准备制备所需的仪器，包括：高速混合机、双螺杆挤出机、熔融炉、增 压泵、单向阀及控制阀；
[0021] (c)配方分析：
[0022] 根据制备方案，采取对照试验法对多组优选配方进行试验，从而获得优选配方，优 选配方为：玉米淀粉50% -70%，竹纤维素20 % -35%，聚乳酸5% -20%，聚丁二酸丁二醇 酯5% -10%，增塑剂1% -2%，偶联剂0.2% -0.6%，抗氧剂0.05% -0. 15%，硝酸铈氨溶 液 0? 05% -0? 1%、氯乙酰 0? 1% -0? 3%;
[0023] (d)竹纤维素接枝改性：
[0024] 首先通过第一进料口向双螺杆挤出机内投入竹纤维素、氯乙酰、硝酸铈氨溶液、 1/2增塑剂及1/2偶联剂，开启第一电机，螺杆开始转动，控制螺杆的转速为500-620rpm，接 枝改性时间为l〇_15min，最终获得混合物；
[0025] (e)熔融：
[0026] 将混合物输送至熔融炉内，再通过第二进料口将淀粉、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇 酯、1/2增塑剂、1/2偶联剂及抗氧剂加入到熔融炉内，控制熔融炉内的温度在100-150°C， 熔融20-25min至熔融完全，获得第一熔融混合物；
[0027] (f)高速互混：
[0028] 将第一熔融混合物输送至高速混合机内，开启第二电机，控制搅拌桨的转速为 1200-1300rpm，高速混合l-2h后，获得第二熔融混合物；
[0029] (g)挤出：
[0030] 将第二熔融混合物输送至双螺杆挤出机内，上调螺杆的转速至700-750rpm，将第 二熔融混合物完全挤出，挤出的第二熔融混合物在冷却装置内冷却后重新成为固态，最终 通过出料管获得产品。
[0031] 由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0032] 本发明为生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的装置及方法，在现有的生产设备 基础上，进行串联重组，获得完整的生产流水线，使得操作更加简单，生产过程更加稳定，生 产效率显著提高，且适合于本发明的生产方法。通过本发明获得的产品可全生物降解，环保 无毒性。
[0033]一方面双螺杆挤出机用于竹纤维素改性，在螺旋挤出的作用下化学接枝，实现竹 纤维素改性，结构简单，改性效果良好；另一方面借助双螺杆挤出机直接注塑得到产品，故 其功能多样。主动齿轮与从动齿轮相互配合工作，实现第一电机同时带动两个螺杆旋转，结 构合理，设计巧妙，控制方便，且减少了电机数量，节约了生产成本。冷却装置起冷却作用， 冷却效果良好，降温明显。熔融炉将物料融化，实现熔融挤出方法制降解材料，操作方便，熔 融效果好。高速混合机将物料充分混合，同时对淀粉实现高混改性，改性后，各组分能够很 好的相容，操作方便，混合效果好。
[0034] 本发明通过共混共聚反应和挤出合成全生物降解材料，具有以下方面的有益效 果：1、产品具有全生物降解性，环保物毒性和良好的加工性能，不需要添加辅助材料即可直 接将成各种半成品及成品。2、对竹纤维素进行加热高混和羟基化处理，使得竹纤维素能够 很好融入降解材料中，增强了产品的强度，扩大了应用领域。同时提高了淀粉的填充量，解 决了淀粉的溶出问题，使得产品优越，质量稳定；3、在高速混合机内采用高混法预改性技 术，避免了现有工艺需要独立的对淀粉的亲水性进行处理，简化了材料生产工艺，使产品生 产过程均一稳定；4、解决了在较高温度和含水量较多情况下，聚乳酸易分解而失去物理性 能，增塑剂易结块，造成混合不均匀的问题；5、熔融的生产方法增加了原料的相容性；6、采 用聚乳酸及聚丁二酸丁二醇酯助剂，使得淀粉添加量显著上升，产品可达到普通塑料的性 能；7、接枝改性方法增强了竹纤维素的相容性；8、氯乙酰处理竹纤维素进一步提高其相容 性。
【附图说明】
[0035] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0036]图1为本发明生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的装置的结构示意图；
[0037] 图2为本发明中双螺杆挤出机的内部结构示意图；
[0038] 图3为本发明中高速混合机的内部结构示意图；
[0039]图4为本发明中熔融炉的内部结构示意图；
[0040] 图5为本发明中螺杆的结构示意图；
[0041] 图6为本发明中主动齿轮与从动齿轮的连接示意图。
【具体实施方式】
[0042] 如图1至图6所示，生产纤维填充淀粉基全生物降解材料的装置，包括双螺杆挤出 机1、熔融炉11及高速混合机22 ;双螺杆挤出机1的上端设有第一进料口 2,第一进料口 2 用于导入竹纤维素、氯乙酰、硝酸铈氨溶液、增塑剂及偶联剂。双螺杆挤出机1的左侧设有 第一电机3,第一电机3上连接有第一电机输出轴18,第一电机输出轴18上设有主动齿轮 19,主动