一种秸秆基生物降解复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物可降解食品包装材料，具体涉及一种秸秆基生物降解复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、一次性餐具在目前生活中扮演着不可或缺的角色，其广泛应用极大地方便了人们的生活，但同时也带来了严峻的环境污染问题。传统石油基一次餐具因降解周期长，对自然生态和生物多样性造成了严重影响。因此，科研界积极寻求环保替代品。聚乳酸（pla）凭借其源可再生植物资源（如玉米、蔗糖）的环保性和易于生物降解的优势（通过主链酯键的自然断裂分解为二氧化碳和水），成为了替代传统一次性餐具的重要候选材料。然而，pla材料在实际应用中，特别是在一次性餐具等消费频繁的领域，因其硬度高而韧性不足，以及缺乏足够的抑菌性能，限制了其广泛应用。

2、为增强pla的抗菌性能，现有技术已尝试采用多种抗菌剂，包括氧化锌（专利cn108752884a）、改性木质素和改性壳聚糖（专利cn111286178a）等。氧化锌以其广谱抗菌性和相对安全性受到关注，但其在pla中的分散性和长期稳定性仍需优化；改性木质素和改性壳聚糖则利用天然高分子的生物相容性和可降解性，通过化学改性提升抗菌效果，但它们的抗菌强度和环境适应性仍有提升空间。

3、秸秆纤维作为农作物废弃物（如玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆等）的转化产物，具有丰富的资源基础和潜在的环保价值。将秸秆转化为生物降解的一次性餐具，不仅能实现农业废弃物的资源化利用，减轻环境处理压力，还能促进循环经济的发展。但纯秸秆纤维复合材料在力学性能、耐水性等方面存在明显不足，难以直接满足市场多样化需求，特别是在一次性餐具领域，对材料的抑菌性、力学强度均有较高要求，以确保食品安全，预防微生物污染引发的食源性疾病。

4、基于以上背景，本发明制备出一种兼具抑菌和高力学强度的秸秆基生物降解复合材料，用于制备一次性餐具，不仅为pla材料的抑菌性能提升提供了新的思路和方法，也为秸秆等农业废弃物的资源化利用开辟了新途径，对于推动绿色环保材料的广泛应用和环境保护事业的可持续发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种秸秆基生物降解复合材料，该材料以天然秸秆为基体，而后与改性聚乳酸、抑菌剂等复合制得，是一种具有优异的力学性能、耐水性好、可生物降解的绿色环保材料。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种秸秆基生物降解复合材料，包括以下重量份的成分：秸秆纤维10-20份、改性聚乳酸65-80份、抑菌剂2-5份、甘油0.5-1.5份、海藻酸钠1-3份；

4、所述抑菌剂的制备包括如下步骤：

5、（1）将邻氨基联苯、硝酸钾、硫酸混合后反应，反应完成后，将反应液倒入水中，反应液经后处理即得中间体1；

6、（2）将中间体1和2-氯-4-氟-5-硝基三氯甲苯加入到溶剂中，加入四氯化锡进行反应，反应结束后，将反应液进行后处理，即得中间体2；

7、（3）将中间体2加入乙醇中，再加入催化剂，于氢气氛围下反应，反应结束后，反应液经后处理即得中间体3；

8、（4）将中间体3、缩水甘油基三甲基氯化铵加入到乙酸溶液中进行反应，反应完成后，将反应液进行后处理，即得所述抑菌剂。

9、进一步地，步骤（1）所述邻氨基联苯、硝酸钾和硫酸的用量比为10mmol：（50-70mmol）：（20-30ml），所述反应的温度为-5-0℃，反应的时间为4-6h。

10、进一步地，步骤（2）所述溶剂为硝基苯，所述中间体1、2-氯-4-氟-5-硝基三氯甲苯、四氯化锡的摩尔比为1：（1.5-2）：（0.05-0.12），反应温度为170-180℃，反应时间为20-24h。

11、进一步地，步骤（3）所述催化剂为pd/c，所述中间体2和催化剂的质量比为1：（0.1-0.15）。

12、进一步地，步骤（4）所述中间体3和缩水甘油三甲基氯化铵的摩尔比为1：（10-12），所述反应温度为50-60℃，所述反应时间为4-6h。

13、进一步地，所述改性聚乳酸的制备包括如下步骤：

14、将乳酸单体在真空条件下与催化剂、多元酸或羟基酸混合，加热、经共聚反应得到改性聚乳酸。

15、更进一步地，所述乳酸单体为l-乳酸。

16、进一步地，所述催化剂为氯化亚锡，所述多元酸为丁二酸，所述羟基酸为‌酒石酸或羟基‌乙酸中的一种。

17、进一步地，所述聚乳酸、催化剂、多元酸或羟基酸的质量比为1：（0.001-0.003）：（0.05-0.07），所述加热反应的温度为200-220℃，反应时间为2-4h。

18、本发明的第二目的在于提供秸秆基生物降解复合材料的制备方法。

19、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

20、上述的秸秆基生物降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：

21、a. 按照上述重量份称取秸秆纤维、改性聚乳酸、抑菌剂、甘油、海藻酸钠，搅拌混匀，干燥得到混合物；

22、b. 将步骤a的混合物经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得到粒料；

23、c. 将步骤b的粒料加入模具中，于150℃~180℃、5~10 mpa下热压30-50min，待成型后脱模；

24、d. 将脱模后的样品干燥、消毒，即得生物降解复合材料。

25、更进一步地，所述秸秆纤维为玉米秸秆纤维、大豆秸秆纤维、小麦秸秆纤维中的一种。

26、本发明的第三目的在于提供秸秆基生物降解复合材料的应用。

27、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

28、如上述的秸秆基生物降解复合材料在制备一次性餐具中的应用。

29、与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

30、1. 本发明以秸秆纤维、改性聚乳酸和制备的抑菌剂为原料，得到一种秸秆基生物降解复合材料，可用于制备一次性餐具，该一次性餐具具有优异的力学性能和抗菌性，同时还具有良好的生物降解性，是一种可完全生物降解的绿色环保餐具。

31、2. 本发明结合季铵盐类抑菌剂的特点，即其广谱杀菌性、低毒性和良好的稳定性，设计并制备了一种新型季铵盐类分子抑菌剂。该抑菌剂通过精细的分子结构设计，能够克服传统季铵盐在pla中分散不均、与基体材料相容性差等问题，不仅赋予复合材料抗菌性，同时不影响pla的力学性能。此外，本发明还通过将乳酸单体与多元酸或羟基酸共聚制得改性聚乳酸，通过对聚乳酸的改性及其与秸秆纤维的配比，使得制备的一次性餐具具有优异的力学性能。

32、3. 本发明制备的秸秆基生物降解复合材料能够用于制备一次性餐具，通过抑菌改性处理，延长了一次性餐具的使用寿命，减少了因细菌污染而引发的健康风险，在工业化生产中具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，包括以下重量份的成分：秸秆纤维10-20份、改性聚乳酸65-80份、抑菌剂2-5份、甘油0.5-1.5份、海藻酸钠1-3份；

2.根据权利要求1所述的秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，步骤（1）所述邻氨基联苯、硝酸钾的摩尔比为1：（5-7），其中邻氨基联苯在硫酸中的浓度为0.33-0.5mol/l，所述反应的温度为-5-0℃，反应的时间为4-6h。

3.根据权利要求1所述的秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，步骤（2）所述溶剂为硝基苯，所述中间体1、2-氯-4-氟-5-硝基三氯甲苯、四氯化锡的摩尔比为1：（1.5-2）：（0.05-0.12），反应温度为170-180℃，反应时间为20-24h。

4.根据权利要求1所述的秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，步骤（3）所述催化剂为pd/c，所述中间体2和催化剂的质量比为1：（0.1-0.15）。

5.根据权利要求1所述的秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，步骤（4）所述中间体3和缩水甘油三甲基氯化铵的摩尔比为1：（10-12），所述反应温度为50-60℃，所述反应时间为4-6h。

6.根据权利要求1所述的秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，所述改性聚乳酸的制备包括如下步骤：

7.根据权利要求1所述的秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，所述催化剂为氯化亚锡，所述多元酸为丁二酸，所述羟基酸为‌酒石酸或羟基‌乙酸中的一种。

8.根据权利要求1所述的秸秆基生物降解复合材料，其特征在于，所述聚乳酸、催化剂、多元酸或羟基酸的质量比为1：（0.001-0.003）：（0.05-0.07），所述加热反应的温度为200-220℃，反应时间为2-4h。

9.权利要求1~8任一所述的秸秆基生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.权利要求9所述的秸秆基生物降解复合材料在制备一次性餐具中的应用。

技术总结
本发明属于生物可降解食品包装材料技术领域，具体涉及一种秸秆基生物降解复合材料及其制备方法和应用。该秸秆基生物降解复合材料，包括以下重量份的成分：秸秆纤维10‑20份、改性聚乳酸65‑80份、抑菌剂2‑5份、甘油0.5‑1.5份、海藻酸钠1‑3份。所述抑菌剂是经过一系列化学反应制备得到的具有新型结构的抑菌剂。本发明制得的秸秆基生物降解复合材料是一种具有优异的抑菌性、高力学强度、耐水性好、可生物降解的绿色环保餐具。

技术研发人员：金昊楠,金晓霞
受保护的技术使用者：温州鑫邦环保科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17