一种可降解包装材料及其制备方法与流程

本发明涉及环保包装材料，特别是一种可降解包装材料及其制备方法。

背景技术：

1、聚己内酯(polycaprolactone，简称pcl)，又称聚ε-己内酯，是通过ε-己内酯单体在金属阴离子络合催化剂催化下开环聚合而成的高分子有机聚合物。pcl无毒，具有良好的生物降解性，自然环境下6-12个月可完全降解，因而用于制备可降解塑料，在一次性食品和环保包装材料技术领域得到广泛应用。聚乳酸(polylactic acid，简称pla)，又称聚丙交酯，是指以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物，通常使用可再生的植物资源(如玉米、木薯等)提取的淀粉为原料制成，属于新型的可再生生物降解材料。工业化堆肥是指在控制条件下，微生物对固体和半固体有机物质进行降解，产生稳定腐殖质的过程。pla在工业化堆肥条件下降解周期一般为6个月。也有通过化学方法(水解和醇解)在特定的条件下对pla实现回收再利用。

2、无论是pcl，还是pla，均不具备抗菌性能。现有技术出于抗菌需求，一般采用在可降解包装材料中添加抗菌剂，特别是纳米型抗菌剂，以获得具有抗菌功能的可降解包装材料。如：中国发明专利cn 116875012 a(申请号202310959448.5)公开了一种可降解抗菌包装盒及其制备方法，该可降解抗菌包装盒包括以下质量份数的原料：聚乳酸48-52份、淀粉18-22份、填充剂15-20份、增塑剂4-6份、降解助剂1.0-1.5份、抗菌剂0.8-1.0份、分散剂1.5-2.0份；其中，所述抗菌剂为纳米沸石载铜锌银复合抗菌剂，所述复合抗菌剂中铜含量的质量百分比为0.2％-0.3％、ag含量的质量百分比为0.05％-0.1％、zn含量的质量百分比为0.1％-0.2％，所述纳米沸石载铜锌银复合抗菌剂的颗粒粒径为30-50纳米，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌具有一定的杀灭和抑制效果。再如：中国发明专利cn 109438937 a(申请号201811146791.3)公开了一种抗菌型pla基可降解食品包装材料及其制备方法，其将负载有纳米二氧化钛的活性炭与聚乳酸、聚羟基烷酸酯和增塑剂的混合物制得的粒料加入压片机压成膜，得到具有持久长效的抗菌活性的pla基可降解食品包装材料。

3、但是，上述类型的抗菌剂存在如下缺陷：(1)纳米粒子比表面积大，非常容易发生团聚现象，与其他原料混合时很难均匀分散，材料各处无法达到相对均衡的抗菌效果；(2)需要与细菌接触才能起到抗菌作用，当其添加于原料中后仅仅只有存在于表面的少部分发挥抗菌作用，大部分由于被包裹在内部无法发挥应有的抗菌作用。除此之外，虽然pcl和pla都具有生物降解性，但由于包装材料在使用之后大部分随机丢弃在自然环境中进行降解，其在自然环境中的降解周期远大于实验室环境下，因而最终的降解效果无法达到现代社会环境友好型包装材料的预期。

4、因此，如何更好的改善可降解包装材料的降解性能和抗菌性能，既减少环境污染，又发挥良好的抗菌性能，是目前需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述缺点，本发明提供一种可降解包装材料及其制备方法，以解决现有的抗菌型可降解包装材料存在的抗菌性能和降解性能无法满足需要的问题。

2、一方面，本发明提出一种可降解包装材料，由抗菌层和非抗菌层复合而成，抗菌层和非抗菌层分别由抗菌生物降解基体树脂和非抗菌生物降解基体树脂制备而成；

3、所述抗菌生物降解基体树脂包括如下重量份的组分：pbat(中文名：聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯)20-40份、pcl 30-40份、聚乙烯醇1.2-2.5份、助剂2-4份、抗菌可降解纤维30-40份，pbat、pcl、抗菌可降解纤维总重量份数为100份，所述抗菌可降解纤维为负载有金属复合抗菌剂的多孔pcl/pla纤维；

4、所述非抗菌生物降解基体树脂包括如下重量份的组分：pbat 20-30份、pcl 30-40份、活化植物纤维粉20-30份、淀粉10-15份、柠檬酸三乙酯8-12份、十二烯基丁二酸1-3份、无机填料8-12份、助剂2-3份，pbat、pcl、活化植物纤维粉、淀粉总重量份数为100份。

5、本发明提出的可降解包装材料由抗菌层和非抗菌层复合而成，实际应用中可以根据产品的抗菌需求选择性的将抗菌层内置或者外置。

6、(1)抗菌层由抗菌生物降解基体树脂制备而成，抗菌生物降解基体树脂的组分包括pbat、pcl、聚乙烯醇、助剂和抗菌可降解纤维，抗菌可降解纤维为负载有金属复合抗菌剂的多孔pcl/pla纤维；pbat兼具pba(中文名：聚己二酸丁二醇酯)和pbt(中文名：聚对苯二甲酸丁二酯)的特性，既有较好的延展性和断裂伸长率，也有较好的耐热性和冲击性能，还具有优良的生物降解性，但是其拉伸强度小，熔体粘度小；pcl具有良好的热塑性和成型加工性以及生物降解性，但是力学强度低，熔点低；pla具有较高的模量和强度，但是耐热性和韧性差；加入聚乙烯醇作为多元醇，通过热加工时的酯交换反应可以降低pla的刚性和疏水性；我们在研究中意外发现，多孔pcl/pla纤维与pbat、pcl、聚乙烯醇、助剂协同作用可以获得柔韧性、强度都相对较好的生物降解基体树脂，而且与不添加多孔pcl/pla纤维相比，其降解时间显著缩短，推测可能是因为多孔pcl/pla纤维表面遍布微孔，这些微孔的产生意味着pcl/pla纤维突破了降解的能垒，再者这些微孔使得其在降解时拥有与降解环境更为充分的接触面和结合力，加速了已有的降解态势，其降解的同时带动其他成分进行降解。除此之外，由于微孔上界面结合力的存在，微孔部分与金属复合抗菌剂更易结合，最终使得金属复合抗菌剂随着pcl/pla纤维均匀分散于抗菌生物降解基体树脂，并最终形成抗菌性能均衡的抗菌层；

7、(2)非抗菌层由非抗菌生物降解基体树脂制备而成，非抗菌生物降解基体树脂的组分包括：pbat、pcl、活化植物纤维粉、淀粉、柠檬酸三乙酯、十二烯基丁二酸、无机填料、助剂；活化植物纤维粉可以在pbat、pcl中更为均匀的分散且结合能力更强，其可以一定程度降低pbat的使用量，既降低生产成本，又有助于改善降解性能；淀粉的加入既有助于成膜，又便于降解，还减少了pbat的使用量；柠檬酸可以起到增韧的作用，十二烯基丁二酸可以进一步促进柠檬酸增韧作用的发挥，改善材料的缺口冲击强度和断裂伸长率；无机填料有助于增强材料的力学强度；pbat、pcl、活化植物纤维粉、淀粉、柠檬酸三乙酯、十二烯基丁二酸、无机填料、助剂按指定的比例配制，协同作用有助于获得韧性、强度及生物降解性都相对优良的非抗菌层，非抗菌层主要用于为抗菌层提供结构强度上的支撑。

8、(3)具体实践中，抗菌层与非抗菌层不局限于只设置一层，本领域技术人员可以根据需要灵活选择和配置。比如应用于对内外两个接触面层均有抗菌需求的包装领域时，优选抗菌层、非抗菌层、抗菌层三层复合，使得材料最终呈现的两个接触面层均具备抗菌作用；另外，抗菌层与非抗菌层的厚度可以通过抗菌生物降解基体树脂和非抗菌生物降解基体树脂的用量配比进行调控，特别是根据其应用领域对硬度、韧性等力学方面性能的要求，适当加厚非抗菌层，以给予抗菌层更好的支撑。

9、优选的，所述无机填料为质量比(1-2)：(0.5-2)：1的滑石粉、钛白粉、碳酸钙的混合填料。

10、优选的，多孔pcl/pla纤维为微米级、表面多孔的pcl/pla纤维，所述金属复合抗菌剂为银和铜的纳米级混合物，所述金属复合抗菌剂与所述多孔pcl/pla纤维的质量比为(1-3)：100，在该负载量范围内，可以以较低的成本获得较好的抗菌性能；银与铜的双金属纳米级混合物中，优选铜的物质的量8-10倍于银的物质的量，该配比下的银与铜的双金属纳米级混合物具有与等物质的量的单质银较为接近的抗菌性能，而且能显著降低成本。

11、优选的，所述活化植物纤维粉由经过强碱溶液处理的植物纤维粉碎而成。本技术中，植物纤维包括但不限于：农作物秸秆、甘蔗渣、竹料。淀粉包括马铃薯淀粉、红薯淀粉、高粱淀粉、小麦淀粉、大米淀粉、玉米淀粉中的至少一种。

12、优选的，所述抗菌生物降解基体树脂和所述非抗菌生物降解基体树脂中的所述助剂为相容剂、润滑剂、扩链剂、封端剂、交联剂中的一种或几种。上述助剂均为本领域常规助剂，本领域技术人员可以择优选择。

13、另一方面，本发明还提出上述可降解包装材料的制备方法，具体包括如下操作步骤：

14、s1、制备多孔pcl/pla纤维膜、活化植物纤维粉；

15、s2、制备负载金属复合抗菌剂的多孔pcl/pla纤维：将所述多孔pcl/pla纤维膜分散于水醇溶液中形成多孔pcl/pla纤维水醇悬浮液，将所述多孔pcl/pla纤维水醇悬浮液与含有银盐、铜盐的水醇溶液混合并加入保护剂搅拌均匀，之后缓慢滴加还原剂，于50-60℃下不断搅拌反应，反应结束后冷却至室温并离心、清洗，干燥后备用；

16、s3、按比例分别称取各个组分并混合均匀，分别入螺杆挤出机造粒，获得抗菌生物降解基体树脂粒和非抗菌生物降解基体树脂粒；

17、s4、将s3获得的抗菌生物降解基体树脂粒和非抗菌生物降解基体树脂粒分别投放到两个螺杆挤出机的喂料桶中，采用计量泵控制各自流量且在模头出口进行双层共挤流延获得复合熔体；

18、s5、将s4获得的所述复合熔体经过流延辊、压辊的作用形成可降解包装材料。

19、需要说明的，如上操作步骤中：

20、(1)s1的具体操作为：将pcl与pla按照质量比1：1溶解于二氯甲烷和n,n-二甲基甲酰胺体积比1：6的混合溶剂中，得到pcl/pla有机溶液；将所述pcl/pla有机溶液放入高压静电纺丝装置中进行静电纺丝，得到pcl/pla纤维膜；将所述pcl/pla纤维膜置于添加有酯酶的pbs缓冲液中于35℃下降解7天，酯酶的浓度为0.075mg/ml，得到多孔pcl/pla纤维膜；其中，降解时间跟酯酶浓度必须严格按照上述技术参数进行，如降解时间过长、酯酶浓度过大，pcl/pla纤维膜过度降解并导致纤维断裂，既影响其后续对金属复合抗菌剂的负载，又不利于力学性能；如降解时间过短、酯酶浓度过小，pcl/pla纤维膜未开始降解或者降解不明显，虽然力学性能较好，但是不利于金属复合抗菌剂的负载，其添加使用后最终形成的抗菌层无法取得良好的抗菌效果。

21、(2)s2中需要使用到多孔pcl/pla纤维的水醇悬浮液，其具体的制备操作是：将s1得到的所述多孔pcl/pla纤维膜清洗、烘干后经高速均质机剪切分散于水醇溶液。高速均质机型号及厂家不限，任何可以将多孔pcl/pla纤维膜剪碎、搅拌形成稳定的多孔pcl/pla纤维的水醇悬浮液的现有技术均可；其相关工作参数本领域技术领域可以根据具体的设备灵活选择和调控。

22、(3)活化植物纤维粉，无论是一种还是多种，均按照如下操作进行制备：先将原料粉碎至不超过100目，之后浸泡于质量浓度为10％-15％的碱溶液中至少30min，再进行水洗，干燥后将所得产物用高压均质机分散于体积分数为80％-90％乙醇溶液中，调节溶液ph值至5-7，于90-100℃下浸泡至少100min，再进行醇净，干燥后备用。

23、(4)计量泵用于控制抗菌生物降解基体树脂粒和非抗菌生物降解基体树脂粒的配比，以获得合适厚度的抗菌层及非抗菌层。

24、优选的，s2中，所述水醇溶液为体积比1：3的水与乙醇的混合溶液，所述银盐在所述水醇溶液中的浓度为0.002-0.004mol/l，所述铜盐的浓度8-10倍于所述银盐的浓度。在体积比1：3的水与乙醇溶液中，上述物质的量浓度的银盐与铜盐在还原剂的作用下被同步、缓慢还原成球形产物并直接附着于多孔pcl/pla纤维的表面。本反应体系反应条件绿色温和，易实现且可规模化。

25、优选的，s2中，所述还原剂为水合肼，水合肼的物质的量3倍于所述银盐与所述铜盐总的物质的量，所述多孔pcl/pla纤维的质量30-100倍于银盐与铜盐全部被还原后得到的单质银和单质铜的总质量。为了确保银盐与铜盐的完全反应，水合肼物质的量大于银盐与铜盐总的物质的量，但是也不宜过大，过大会使得银盐和铜盐被还原的速度过快，短时间生成大量产物，这样既容易导致颗粒团聚，又会使得颗粒粒径变大，不利于其发挥良好的抗菌性。经付出创造性劳动，本技术发现，当水合肼的物质的量3倍于银盐与铜盐总的物质的量且多孔pcl/pla纤维的质量30-100倍于银盐与铜盐全部被还原后得到的单质银和单质铜的总质量时，银和铜被还原的速度适中，且还原得到的产物粒度适中，可以及时、均匀分散于多孔pcl/pla纤维上，如多孔pcl/pla纤维的用量过小，还原得到的产物由于没有足够的附着点会进一步长大和团聚；如多孔pcl/pla纤维的用量过大，还原得到的产物相对量不足，多孔pcl/pla纤维表面的复合金属抗菌剂负载量不够，无法有效发挥抗菌作用，上述两种情况都不利于得到抗菌性良好的负载金属复合抗菌剂的多孔pcl/pla纤维。

26、为了避免产生的双金属复合纳米材料聚集造成其颗粒粒径过大、在多孔pcl/pla纤维的表面分布不均及容易被氧化等问题，优选添加聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂和抗坏血酸作为还原保护剂，聚乙烯吡咯烷酮和抗坏血酸协同作用，进一步促使所得的双金属的球形纳米产物均匀附着于多孔pcl/pla纤维表面且不被氧化，保持抗菌活性。

27、另外，本发明还提出上述可降解包装材料的应用，其可以在具有抗菌要求的包装领域进行应用，包括但不限于食品包装。

28、本发明将多孔pcl/pla纤维负载金属复合抗菌剂形成极易被降解且具有良好抗菌作用的抗菌可降解纤维，再将其与pbat、pcl、聚乙烯醇、助剂混合制成抗菌生物降解基体树脂，抗菌生物降解基体树脂与非抗菌生物降解基体树脂共挤形成具有抗菌层和非抗菌层的复合型可降解包装材料，该包装材料兼具良好的抗菌性能和可降解性能，可以用于有抗菌需求的技术领域，包括但不限于食品包装、医药包装等领域。