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生物降解塑料添加剂技术
文章来源: 发布时间:2015-03-09 21:52:26
 

前言
随着“白色污染”的日益严重,人们在不断寻找能够有效解决这个问题的方法。经过不断地努力,各种降解塑料相继问世,但是它们也各自存在着不同的问题。青岛康文生物塑料有限公司引进当今世界上先进的完全生物降解塑料技术,主要生产和销售生物降解添加剂,该生物降解添加剂完全符合欧盟《2002/72/EC 食品接触的塑料材料和制品》的指令要求,可以安全地用于食品包装,满足出口产品的绿色包装要求和其他使用要求。
该添加剂解决了淀粉基降解塑料所不能解决的问题:一是可以使塑料制品完全生物降解转变成二氧化碳和水,没有残留物;二是保持或提高塑料制品的物理特性,强度、拉力、弹力、韧性和透明度等;三是可以再回收利用。添加后生产的购物袋、食品包装袋、垃圾袋、农用地膜和一次性餐具比如快餐盒、水杯、筷子、刀叉等在自然界经3-12个月可以被生物降解,完全转化成二氧化碳和水。

一、生物降解塑料添加剂的成分说明及降解原理
1.生物降解添加剂成分说明

类型:母料

可生物降解

载体:聚合物

通用

添加剂

金属离子预降解料、以纤维质为基础的细小颗粒

相对密度

0.96 g/cm 3

2.降解原理
2.1 淀粉基塑料降解原理
人们根据微生物可消耗淀粉的原理,在聚乙烯膜的制造过程中加入淀粉,通过微生物对淀粉的消耗可在塑料膜上形成很多小孔,两、三个月即可由大片变为碎片而分散。但这不是本质的改变,只是形态上由大而小的变化,不能根本上解决“白色污染”。
2.2 生物塑料降解原理
真正解决废弃塑料对环境的污染,是使塑料(聚合物)在自然环境下自然地断裂为小分子。自然界中有水的存在,也有微生物的存在,那些能在微生物的作用下促进水解的高分子称为生物降解高分子。科学研究发现,塑料含有酯基、醚基、酰胺基等高分子,是生物降解高分子,在一定条件下可以被水解而断裂,其产物或被昆虫吞噬,或被植物、土壤吸收,或渗入地下、溶于水中而流入江河湖海,因此可以从根本上避免对环境的污染。
2.3 生物降解塑料添加剂的降解原理
生物降解塑料添加剂包含一种天然纤维质添加成分,该成分呈细小的颗粒形状;既具有可生物降解特性又具有较高的透明度,从而对终端产品的物理性能影响甚微。该生物降解添加剂系列,是以聚烯烃为载体,配以一种天然植物纤维素的复合物。另外,该复合物中还包含一种金属离子预降解成分,以便为聚合物引发光降解的特性。所有的添加成分对环境都无害。
含有生物降解添加剂的塑料薄膜具有生物降解的特性。当其被人们使用并抛弃之后,例如在垃圾堆里,只要有微生物、温热、潮湿并有氧气,塑料制品就会破裂并被分解。生物降解率很大程度上取决于堆场里的自然条件,理想的环境是微生物活跃、温热并且不太干燥。一般在3到7个月内,塑料膜就开始出现裂纹并变脆,其后,在第4-12个月内就开始破裂并被细菌侵蚀消化。
起初的光降解和快速分解是通过添加剂中的金属离子预降解成分促成的。而添加剂中的植物纤维素主要为土壤里的微生物的滋长提供营养,从而使各种菌类在膜的里里外外迅速生长。大大小小的破裂导致膜变得粉碎,并终被生物分解成二氧化碳和水。
3 技术简介
3.1 技术原理
通常人工合成的聚合物,例如聚乙烯和聚丙烯,在自然环境中不易被生物降解。这是因为它们巨大的分子质量(约250,000)抑制了微生物将其当成能源进行生物消化的能力。在自然界中还存在着一些低分子质量的化合物,如:从树里流出的分泌液(树脂等,但是天然橡胶除外),它们的化学结构与聚烯烃比较接近。因此,要想使高分子质量的人工合成聚合物被生物降解,必须降低它们的分子质量,使之与自然界中的低分子质量化合物相当(5,000至10,000之间)。
这个目标可以通过跟某些金属离子(即预氧化剂)的接触反应来实现。如:“Norrish”的化学反应已被发现很多年,这些游离基的过氧化反应可以总结如下,这个过程通过游离基种和金属离子的再生不断重复。

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 当分子链发生断裂时,一个碳酰基便在分裂处形成。可以通过测定碳酰基的生成数量来跟踪塑料的降解水平,为确定塑料的降解程度提供了方便。
随着分子量的减少,聚合物开始脆化及粉化。当分子量减少至10,000以下后,就容易被自然界的微生物比如细菌和真菌侵蚀了。添加剂中的纤维素促使菌类的大量滋长完成了生物降解过程的第二步。这个自然分解过程逐渐将低分子量的聚合物转变成生物量,直到完全生物降解变成二氧化碳和水。
3.2对环境的影响
人们已经熟知,在聚合物(例如聚乙烯和聚丙烯)中如果存有某些金属离子,便可加速其降解。其氧化原理主要是,金属离子能够加速聚合物的分裂,引起氧化链分离,促使聚合物不断变脆直到降解。但是聚合物在完全降解后残留的金属催化剂剩余物具有潜在的毒性,使得人们反对持续使用这些物质作为预降解离子的原料。这主要是一些含有钴、铜和锰等重金属的金属盐预降解添加剂。
青岛康文生物塑料有限公司研制的生物降解添加剂和复合物不含有上述金属盐,而只包含一些被认为无毒性的金属盐。产品完全符合欧盟《2002/72/EC 食品接触的塑料材料和制品》的指令要求。
4. 降解性能测试
4.1 老化测试
通过在实验室中对样品进行加速老化来确定脆化点,这可以借助于分光镜技术来完成。依据是聚合物被氧化过程中,相对羰基指数会升高。

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包含生物降解添加剂的PE膜和普通PE膜的生物降解性能测试对比
(纵坐标为羰基指数,横坐标为老化时间; 红色虚线为变脆点)

  以上图示表明随着样品被老化时间的增多,羰基指数不断升高,添加剂添加量越大,样品达到变脆点的速度则越快。
4.2 生物降解塑料薄膜降解测试图解

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5周后,普通膜(左图)和降解膜(右图)细菌滋生量对比
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二、完全生物降解添加剂应用说明
1. 使用范围
该生物降解添加剂系列适用范围非常广泛,可以用于LDPE,LLDPE,HDPE,PP,PVC,PET,PS和ABS等塑料原材料上,都可以使其具有完全生物降解性能。
2. 添加剂型号及适用的产品类型

型号 产品种类 型号 产品种类
BD 8220 食品包装袋/编织袋 BD 8550 妇女卫生垫
BD 8234 购物袋 BD 8385 婴儿尿片
BD 8110 垃圾袋 BD 8015 一次性餐具
BD 9226 农用地膜 BD 8038 包装盒

3. 添加比例和降解时间
不同的生物降解塑料制品的降解时间取决于添加剂的添加比例和自然条件,根据实验测试结果总结如下:

添加剂含量

1%

3%

5%

实验测得降解时间

9-12个月

6-9个月

3-6个月

 实际的添加比例和降解时间需要根据用户的具体使用要求和应用情况决定,可以通过调整配方实现用户对降解时间的特殊要求。
4. 生物降解塑料系列产品加工方法
加工方法非常简单,只要将添加剂按照添加比例与塑料原料混合搅拌均匀即可,工艺同添加色母料相同。 添加剂可以用在传统的生产设备和塑料原料中,不需调整和增加其他塑料加工设备。


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