【原創(chuàng)】無機(jī)材料在降解塑料中的應(yīng)用
“禁塑令”出臺(tái)以來，可降解塑料儼然成為塑料行業(yè)的環(huán)保新風(fēng)尚。據(jù)了解，我國(guó)可降解塑料產(chǎn)業(yè)鏈大多分布在廣東、山東、江蘇等地，PLA、PBAT是目前產(chǎn)能產(chǎn)量較為穩(wěn)定的可降解材料，也是未來主要的發(fā)展方向。
另一方面，PLA拉伸強(qiáng)度和楊氏模量較高，但延伸率最低、韌性差。PBAT與一般塑料相比，存在結(jié)晶性較差、熔體強(qiáng)度較低、價(jià)格較高等問題，限制了其在纖維和膜材料等其他領(lǐng)域應(yīng)用。對(duì)此，很多學(xué)者研究將碳酸鈣、滑石粉、蒙脫土等無機(jī)材料應(yīng)用于降解塑料，以改善產(chǎn)品的加工性能、降低生產(chǎn)成本，并拓寬其適用范圍和領(lǐng)域。
碳酸鈣
CaCO3是塑料工業(yè)中用量最大的無機(jī)填料之一。納米CaCO3粒子具有尺寸小，比表面面積大，表面原子處于高度活化狀態(tài)的特點(diǎn)，與聚合物有很強(qiáng)的界面相互作用，可對(duì)聚合物進(jìn)行增韌增強(qiáng)，使塑料為基體的塑料/納米復(fù)合材料具有無機(jī)，有機(jī)和納米材料的綜合優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于塑料填充改性中。
肖運(yùn)鶴經(jīng)過研究測(cè)試發(fā)現(xiàn)從碳酸鈣的含量為0%開始到碳酸鈣含量為50%，碳酸鈣與PBAT的共混塑料的拉伸性能出現(xiàn)了先是增加后來下降的現(xiàn)象，而加入偶聯(lián)劑KH560和增容劑ADR時(shí)，明顯提高了碳酸鈣含量在50%的PBAT與碳酸鈣的共混塑料的拉伸性能，并且在偶聯(lián)劑使用含量在2%，增溶劑含量在1%時(shí)，其共混塑料的拉伸性能達(dá)到峰值。
楊冰研究發(fā)現(xiàn)同樣是以PBAT為基體材料，填料為碳酸鈣含量50%時(shí)的共混制作出的復(fù)合材料，使用雙層包覆技術(shù)制作出來的可完全生物降解的復(fù)合材科力學(xué)性能良好。使用雙層包覆法加入0.5%KH560和0.5%鈦酸酯102對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性。制備出的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度有所增加，相對(duì)于助劑不變的情況下對(duì)碳酸鈣單層包覆法進(jìn)行表面改性，制備出的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有不小的提升。
馮潮等通過雙螺桿擠出機(jī)將碳酸鈣母粒與PBAT熔融共混制成均相材料。結(jié)果表明：隨著碳酸鈣含量的增加，PBAT的斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)碳酸鈣母粒含量為40%時(shí)，PBAT斷裂伸長(zhǎng)率降低了59.68%，拉伸強(qiáng)度降低了56.19%；沖擊強(qiáng)度隨碳酸鈣含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)碳酸鈣母粒含量40%時(shí)，PBAT沖擊強(qiáng)度升高了46.52%；碳酸鈣含量的增加對(duì)PBAT的維卡軟化溫度影響不大；PBAT的密度隨著碳酸鈣含量的增加而增大，當(dāng)碳酸鈣母粒含量為40%時(shí)，密度為1.44g/cm3，升高了19%。
劉逸涵等將碳酸鈣改性得到鋁酸酯碳酸鈣（Al-CaCO3），并研究其對(duì)PLA降解性能的影響。結(jié)果表明：Al-CaCO3可極大地提高PLA的降解性能。純PLA在8d內(nèi)僅降解約20%，而Al-CaCO3添加量在30%以上時(shí)，可在3d內(nèi)使PLA完全降解，有利于材料的應(yīng)用和家庭與工業(yè)堆肥。
滑石粉
滑石粉具有熔點(diǎn)高、分散性較好等優(yōu)越性能，且其價(jià)格低廉?；厶砑拥缴锟山到馑芰现锌稍黾硬牧系膭傂?、熱變形溫度、尺寸穩(wěn)定性、表面硬度等；同時(shí)，超細(xì)滑石粉還可作為聚乳酸（PLA）的無機(jī)成核劑，添加適量超細(xì)滑石粉，可提高聚乳酸的結(jié)晶度和結(jié)晶速率，大大提高其力學(xué)性能。將其用于PBS的填充，可以有效地改善PBS的熱穩(wěn)定性以及力學(xué)性能，并且可以有效地降低生產(chǎn)成本。
趙研在其研究中，首先使用偶聯(lián)劑對(duì)滑石粉進(jìn)行預(yù)處理，然后將PBS與滑石粉進(jìn)行共混，最終形成PBS/滑石粉復(fù)合材料。其研究結(jié)果表明：PBS基體與滑石粉的相界面十分模糊，這一點(diǎn)說明該實(shí)驗(yàn)得到了混合程度好的復(fù)合材料；并且和純PBS比較，最終得到的PBS/滑石粉復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和拉伸輕度都得到了一定程度地提高。說明滑石粉對(duì)材料改性確實(shí)能起到增強(qiáng)作用。
蒙脫土
蒙脫土作為一種來源豐富、價(jià)格便宜、具有一定膨脹性能和極大表面積的層狀硅酸鹽，層狀結(jié)構(gòu)賦予了蒙脫土一定的功能性，使制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能和阻隔性能有很大提升。
Fukushima等將PBAT分別與5%（w）和10％（w）的黏土納米顆粒（包括改性前后的蒙脫土、改性前后的氟鋰蒙脫石和未改性的海泡石）熔融共混來制備PBAT基納米復(fù)合材料。結(jié)果表明，黏土在PBAT中分布和分散都很好，與PBAT基體呈現(xiàn)很高的化學(xué)親和力；并可以改善PBAT的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。
B.W.Chieng等制備插層和剝離型PBS／PBAT／有機(jī)化蒙脫土（OMMT）納米復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)OMMT的增強(qiáng)作用改善了納米復(fù)合材料的相容性、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性。S.Livi等利用不同離子液體處理MMT得到MMT–201和MMT–1，用于填充PBAT制備納米復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的拉伸彈性模量最高可提高25%，同時(shí)對(duì)水和CO2的阻隔性能降低。
小結(jié)
可降解塑料國(guó)內(nèi)起步晚、增速快、行業(yè)空間大。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，在“十四五”期間，我國(guó)的可降解塑料市場(chǎng)將以11.3%的年復(fù)合增速增長(zhǎng)，到2025年實(shí)現(xiàn)500億元以上的營(yíng)收規(guī)模。未來，加強(qiáng)新品種的研發(fā)，更深入研究無機(jī)材料的應(yīng)用，開發(fā)低成本、高性能的可生物降解聚合物及其復(fù)合材料是一種理想且可持續(xù)的策略。
參考資料：
馮潮等.碳酸鈣含量對(duì)PBAT物理性能的影響
張宗飛等.可降解塑料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
陳科等.國(guó)內(nèi)外新型可降解塑料研究進(jìn)展
陜潔等.可生物降解塑料的合成及其改性
晏永祥等.可生物降解塑料PBAT共混改性研究進(jìn)展
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