專利名稱：一種改性大豆蛋白塑料及其制備方法和用途的制作方法
技術領域：
本發明屬于高分子復合材料領域，也屬于天然高分子領域，具體涉及一種改性大豆蛋白塑料及其制備方法和用途。
背景技術：
自20世紀30年代出現高分子合成技術到60年代實現大規模生產，高分子材料 (包括塑料等)雖然只有幾十年的歷史，但發展速度要遠遠超過其它傳統材料。世界塑料年總產量現已超過1.7億噸，用途滲透到國民經濟各個領域，和鋼鐵、木材、水泥并列為四大支柱材料。但由于聚合物分子量大、內部結構穩定、成分復雜、抗侵蝕能力強，自然降解需 200-600年，其對環境的污染是當前一大棘手的問題。石油是目前材料工業，特別是塑料產業的主要原料，它是不可再生資源。由于制造傳統塑料的石油資源日趨枯竭及石油基塑料帶來的全球性環境污染問題，尋找可替代的對環境友好塑料原料、發展非石油基聚合物迫在眉睫，而天然可生物降解塑料正是解決這兩方面問題的有效途徑。蛋白質是一類重要的大分子聚合物，將蛋白質作為可再生資源制備生物可降解的環境友好材料是一個新興課題。在材料領域中正在研究與開發的蛋白質很多，大豆蛋白可生物降解塑料不僅其分解產物能回歸自然被微生物再利用，而且大豆本身是每年都可以進行大量種植的再生資源，另外，還可以提高農業附加值，大豆分離蛋白成本低，來源豐富，應用潛力大，被譽為“生長著的黃金”。大豆蛋白是包含多種氨基酸的復雜大分子，分子間和分子內有很強作用力， 其材料具有剛硬、脆性，力學性能不高等缺點，另外，大豆分離蛋白不耐水，且溫度高于 140-150°C時，蛋白質易分解，引起塑料的力學強度降低，此外大豆分離蛋白流動性差、熔點高而難以加工。從高分子材料科學的角度看，蛋白質是無定形的或部分結晶的玻璃態或高彈態物質，其加工性能是不適于用作塑料的，為此，需要對大豆蛋白進行改性、增塑處理以制備應用范圍較廣的復合材料。故需通過對大豆分離蛋白進行改性來制得大豆蛋白質塑料，在保持材料生物降解性的前提下提高其加工流動性、力學強度、耐水性和耐熱性。大豆蛋白塑料的改性主要涉及增韌劑、增塑劑的添加，與其他高分子共混，對蛋白質進行化學修飾等手段。目前，大多數已知的大豆蛋白塑料的改性方法是加入一些合成材料如水性聚氨酯、復合增塑劑等。申請號為200410013196. 4的中國專利披露了一種水性聚氨酯改性的大豆蛋白質塑料及其制備方法，此方法的缺點在于沒有使用天然增強體材料對大豆蛋白塑料進行增強改性，不能實現復合材料的全降解，給后期處理帶來很大的麻煩。且涉及原材料種類及加工程序繁多，不利于成本、質量控制。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在的上述不足，提供一種天然材
3料改性的大豆蛋白塑料，不含有毒溶劑、制備工藝簡單，成本低，便于實現大豆蛋白塑料的全降解。解決本發明技術問題所采用的技術方案是該改性大豆蛋白塑料包括大豆分離蛋白、天然纖維、增塑劑、潤滑分散劑，其中大豆分離蛋白所占比重為30-90wt%，天然纖維所占比重為5-30wt %，增塑劑所占比重為5-30wt %，潤滑分散劑所占比重為O-IOwt %。由天然纖維增韌，通過簡單工藝加工制得，天然纖維屬于廉價的可再生資源，而且具有可生物降解性，有利于環保。本發明還通過加入增塑劑、潤滑分散劑增加和改善了該改性大豆蛋白塑料的力學性能如抗沖擊強度和韌性等，具有較高的使用價值。優選的是，所述天然纖維包括麻纖維、棉纖維、秸稈纖維、竹纖維、木纖維、蠶絲纖維、毛發纖維中的一種或多種，天然纖維長度在0. I-IOmm范圍內。優選的是，所述增塑劑為乙二醇、甘油、丙二醇，1，3_丙二醇中的一種或多種。優選的是，所述潤滑分散劑為白礦油、石蠟、低分子聚乙烯、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、 硬脂酸酰胺、甲撐雙硬脂酸酰胺和N，N-乙撐雙硬脂酸酰胺中的一種或多種。本發明還提供了上述改性大豆蛋白塑料的制備方法，其包括以下步驟(1)處理天然纖維將天然纖維加入浸泡液中浸泡，慮干后或直接放入干燥箱中烘干，得到處理后的天然纖維；(2)配料、混料將處理后的天然纖維、大豆分離蛋白、增塑劑、潤滑分散劑按上述確定的比重置于混合機中混合均勻，得到擠出原材料；(3)混煉、造粒將擠出原材料置于雙螺桿擠出機中，擠出原材料經混煉、熔融擠出、造粒得到改性大豆蛋白塑料。優選的是，所述步驟(1)中浸泡液為含硅烷偶聯劑的水溶液，硅烷偶聯劑濃度為 0. l_#t%，浸泡時間為2-72小時，所述步驟(1)干燥箱中的干燥溫度為40-120°C，干燥時間為214h。天然纖維表面存在很多膠質、脂肪臘質等雜質，選用適當的偶聯劑對天然纖維表面進行處理，可改善其與其它材料的相容性。優選的是，所述步驟O)中混合機轉速為500-2000rpm，混合時間為30-1000秒。優選的是，所述步驟(3)中雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區溫度范圍均在 100-180°C，雙螺桿擠出機的螺桿轉速為100-250rpm。以上所述的改性大豆蛋白塑料用于制作可生物降解的一次性餐具、食品包裝材料、汽車裝飾用復合材料。本發明的有益效果是(1)利用具有生物降解性的大豆分離蛋白和天然纖維得到環境友好的改性大豆蛋白塑料，不含有毒溶劑，且工藝簡單，原材料廉價易得，生產成本低；(2)增加了大豆分離蛋白和天然纖維產品的附加值；(3)可通過調節各組分的含量得到不同力學性能的改性大豆蛋白塑料的材料， 經測試拉伸強度15-20MPa、斷裂伸長率8-25%，抗彎曲強度22_27MPa，彎曲彈性模量 950-1260MPa，缺口沖擊強度6_14KJ/m2，并具有可完全生物降解特性等，因此能適應不同領域的需求，具有重要的經濟價值。上述改性大豆蛋白塑料可用于可生物降解的綠色材料如一次性餐具、食品包裝、 汽車裝飾用復合材料。
具體實施例方式為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合實施例對本發明作進一步詳細描述。本發明實施例中所采用雙螺桿擠出機為南京誠盟機械有限公司產品，型號 SHJ-36。實施例1采用的原材料為大豆分離蛋白90kg、麻纖維^g(麻纖維平均長度為5mm)、甘油 ^g，不添加潤滑分散劑。將麻纖維加入含硅烷偶聯劑水溶液浸泡2小時后過濾出來，并放入干燥箱中105°C條件下烘干證，獲得處理后的麻纖維。將處理后的麻纖維與大豆分離蛋白、甘油加入混合機中，混合機轉速為lOOOrpm， 混合時間為300秒，得到混合均勻的擠出原材料。將混合好的擠出原材料經計量送料裝置送入雙螺桿擠出機中，在螺桿的高速剪切，混煉和輸送下，經熔融擠出，造粒，得到所需的改性大豆蛋白塑料。本實施例中，所述的雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區的溫度為，一區120°C，二區140°C，三區160°C，四區 180°C，五區160°C，六區140°C。螺桿轉速控制在150rpm左右。制得的改性大豆蛋白塑料性能如下拉伸強度為15. 5MPa，斷裂伸長率為8. 2%, 彎曲強度為22MPa，彎曲彈性模量為950MPa，缺口沖擊強度為6. 8KJ/m2。該改性大豆蛋白塑料可應用于一次性餐具。可完全生物降解。實施例2采用的原材料為大豆分離蛋白60kg、麻纖維17. ^g(麻纖維平均長度為IOmm)、甘油10kg、乙二醇7. ^g，低分子聚乙烯:3kg，白礦油^ig。將麻纖維加入含2wt%硅烷偶聯劑水溶液浸泡36小時后過濾出來，并放入干燥箱中120°C條件下烘干2h，獲得處理后的麻纖維。將處理后的麻纖維與大豆分離蛋白、甘油、乙二醇、低分子聚乙烯、白礦油置于混合機中，混合機轉速為IOOOrpm，混合時間為300秒，得到混合均勻的擠出原材料。將混合好的擠出原材料經計量送料裝置送入雙螺桿擠出機中，在螺桿的高速剪切，混煉和輸送下，經熔融擠出，造粒，得到所需的改性大豆蛋白塑料。本實施例中，所述的雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區的溫度為，一區100°c，二區120°C，三區140°C，四區 160°C，五區140°C，六區120°C。螺桿轉速控制在150rpm左右。制得的改性大豆蛋白塑料性能如下拉伸強度為19MPa，斷裂伸長率為25%，彎曲強度為26. 3MPa，彎曲彈性模量為1260MPa，缺口沖擊強度為6. 8KJ/m2。該改性大豆蛋白塑料可應用于食品包裝。可完全生物降解。實施例3采用的原材料為大豆分離蛋白30kg、麻纖維Mkg(平均長度為0. 1mm)、秸稈纖維 Mkg (平均長度為0. 5mm)、甘油Mkg、乙二醇Mkg，低分子聚乙烯^g，N, N-乙撐雙硬脂酸酰胺3kg、白礦油^ig。將麻纖維及秸稈纖維加入含0. 硅烷偶聯劑水溶液浸泡72小時后過濾出來，并放入干燥箱中80°C條件下烘干8h，獲得處理后的麻纖維和秸稈纖維。將處理后的麻纖維及秸稈纖維與大豆分離蛋白、甘油、乙二醇、低分子聚乙烯、白礦油置于混合機中，混合機轉速為800rpm，混合時間為300秒，得到混合均勻的擠出原材料。將混合好的擠出原材料經計量送料裝置送入雙螺桿擠出機中，在螺桿的高速剪切，混煉和輸送下，經熔融擠出，造粒，得到所需的改性大豆蛋白塑料。本實施例中，所述的雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區的溫度為，一區120°C，二區140°C，三區140°C，四區 160°C，五區160°C，六區140°C。螺桿轉速控制在150rpm左右。制得的改性大豆蛋白塑料性能如下拉伸強度為18MPa，斷裂伸長率為13%，彎曲強度為25. 6MPa，彎曲彈性模量為1170MPa，缺口沖擊強度為14KJ/m2。該改性大豆蛋白塑料可應用于汽車內外裝飾塑料部件。能完全生物降解。實施例4采用的原材料為大豆分離蛋白30kg、棉纖維Mkg(平均長度為3mm)、竹纖維 Mkg (平均長度為4mm)、丙二醇Mkg、l，3-丙二醇Mkg，石蠟^g，N，N_乙撐雙硬脂酸酰胺 :3kg、白礦油^ig。將棉纖維及竹纖維加入含2wt%硅烷偶聯劑水溶液浸泡M小時后過濾出來，并放入干燥箱中40°C條件下烘干Mh，獲得處理后的棉纖維和竹纖維。將處理后的棉纖維、竹纖維與大豆分離蛋白、丙二醇、1，3_丙二醇、石蠟、N, N-乙撐雙硬脂酸酰胺、白礦油置于混合機中，混合機轉速為2000rpm，混合時間為30秒，得到混合均勻的擠出原材料。將混合好的擠出原材料經計量送料裝置送入雙螺桿擠出機中，在螺桿的高速剪切，混煉和輸送下，經熔融擠出，造粒，得到所需的改性大豆蛋白塑料。本實施例中，所述的雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區的溫度為，一區120°C，二區140°C，三區140°C，四區 160°C，五區160°C，六區140°C。螺桿轉速控制在IOOrpm左右。制得的改性大豆蛋白塑料性能如下拉伸強度為19MPa，斷裂伸長率為11%，彎曲強度為26. 3MPa，彎曲彈性模量為1050MPa，缺口沖擊強度為15KJ/m2。該改性大豆蛋白塑料可應用于汽車內外裝飾塑料部件。能完全生物降解。實施例5采用的原材料為大豆分離蛋白30kg、木纖維^g(平均長度為5mm)、竹纖維 Mkg (平均長度為5mm)、蠶絲纖維^g (平均長度為7mm)、毛發纖維^g (平均長度為7mm)， 丙二醇Mkg、1，3-丙二醇Mkg、石蠟^g、甲撐雙硬脂酸酰胺:3kg、白礦油^ig。將木纖維、竹纖維、蠶絲纖維和毛發纖維加入含2wt%硅烷偶聯劑水溶液浸泡M 小時后過濾出來，并放入干燥箱中105°C條件下烘干證，獲得處理后的木纖維、竹纖維、蠶絲纖維和毛發纖維。將處理后的木纖維、竹纖維、蠶絲纖維、毛發纖維與大豆分離蛋白、丙二醇、1，3_丙二醇、石蠟、甲撐雙硬脂酸酰胺、白礦油置于混合機中，混合機轉速為500rpm，混合時間為 1000秒，得到混合均勻的擠出原材料。將混合好的擠出原材料經計量送料裝置送入雙螺桿擠出機中，在螺桿的高速剪切，混煉和輸送下，經熔融擠出，造粒，得到所需的改性大豆蛋白塑料。本實施例中，所述
6的雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區的溫度為，一區100°c，二區140°C，三區140°C，四區 160°C，五區180°C，六區140°C。螺桿轉速控制在250rpm左右。制得的改性大豆蛋白塑料性能如下拉伸強度為16MPa，斷裂伸長率為5%，彎曲強度為20. 5MPa，彎曲彈性模量為980MPa，缺口沖擊強度為10KJ/m2。該改性大豆蛋白塑料可應用于汽車內外裝飾塑料部件。可完全生物降解。實施例6采用的原材料為大豆分離蛋白30kg、木纖維^g(平均長度為4mm)、竹纖維 Mkg (平均長度為4mm)、蠶絲纖維^g (平均長度為8mm)、毛發纖維^g (平均長度為8mm)， 丙二醇Mkg、硬脂酸鈣^g、硬脂酸鋅^g、硬脂酸酰胺^g、石蠟^g、甲撐雙硬脂酸酰胺 :3kg、白礦油^ig。木纖維、竹纖維、蠶絲纖維和毛發纖維加入含2wt%硅烷偶聯劑水溶液浸泡M小時后過濾出來，并放入干燥箱中105°C條件下烘干5h，獲得處理后的木纖維、竹纖維、蠶絲纖維和毛發纖維。將處理后的木纖維、竹纖維、蠶絲纖維、毛發纖維與大豆分離蛋白、丙二醇、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、硬脂酸酰胺、石蠟、甲撐雙硬脂酸酰胺、白礦油置于混合機中，混合機轉速為 500rpm，混合時間為1000秒，得到混合均勻的擠出原材料。將混合好的擠出原材料經計量送料裝置送入雙螺桿擠出機中，在螺桿的高速剪切，混煉和輸送下，經熔融擠出，造粒，得到所需的改性大豆蛋白塑料。本實施例中，所述的雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區的溫度為，一區100°c，二區140°C，三區140°C，四區 160°C，五區180°C，六區140°C。螺桿轉速控制在250rpm左右。制得的改性大豆蛋白塑料性能如下拉伸強度為15MPa，斷裂伸長率為8%，彎曲強度為18. 8MPa，彎曲彈性模量為1075MPa，缺口沖擊強度為9. ^(J/m2。該改性大豆蛋白塑料可應用于汽車內外裝飾塑料部件。能完全生物降解。由以上對本發明實施例的詳細描述，可以了解本發明解決了目前大豆蛋白塑料難以加工的困難情況，同時引入的生物易降解材料使改性大豆蛋白塑料實現了完全降解，且加工工藝簡單，未引入有毒溶劑或反應物，并可通過調節組分實現其在一次性餐具、食品包裝、汽車裝飾等領域的應用。可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種改性大豆蛋白塑料，其特征在于包括大豆分離蛋白、天然纖維、增塑劑、潤滑分散劑，其中大豆分離蛋白所占比重為30-90wt%，天然纖維所占比重為5-30wt%，增塑劑所占比重為5-30wt %，潤滑分散劑所占比重為O-IOwt %。
2.根據權利要求1所述的改性大豆蛋白塑料，其特征在于所述天然纖維包括麻纖維、 棉纖維、秸稈纖維、竹纖維、木纖維、蠶絲纖維、毛發纖維中的一種或多種，天然纖維長度在 0. I-IOmm范圍內。
3.根據權利要求1所述的改性大豆蛋白塑料，其特征在于所述增塑劑為乙二醇、甘油、 丙二醇，1，3-丙二醇中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的改性大豆蛋白塑料，其特征在于在所述潤滑分散劑為白礦油、石蠟、低分子聚乙烯、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、硬脂酸酰胺、甲撐雙硬脂酸酰胺或N，N-乙撐雙硬脂酸酰胺中的一種或多種。
5.一種制備權利要求1-4任一所述的改性大豆蛋白塑料的方法，其特征在于包括如下步驟(1)處理天然纖維將天然纖維加入浸泡液中浸泡，慮干后或直接放入干燥箱中烘干， 得到處理后的天然纖維；(2)配料、混料將處理后的天然纖維、大豆分離蛋白、增塑劑、潤滑分散劑按確定的重量比例稱量后，置于混合機中混合均勻，得到擠出原材料；(3)混煉、造粒將擠出原材料置于雙螺桿擠出機中，擠出原材料經混煉、熔融擠出、造粒得到改性大豆蛋白塑料。
6.根據權利要求5所述的改性大豆蛋白塑料制備方法，其特征在于所述步驟(1)中浸泡液為含硅烷偶聯劑的水溶液，硅烷偶聯劑濃度為0. l_#t%，浸泡時間為2-72小時。
7.根據權利要求5或6所述的改性大豆蛋白塑料制備方法，其特征在于所述步驟(1) 干燥箱中的干燥溫度為40-120°C，干燥時間為2- 小時。
8.根據權利要求5所述的改性大豆蛋白塑料制備方法，其特征在于所述步驟O)中混合機轉速為500-2000rpm，混合時間為30-1000秒。
9.根據權利要求5所述的改性大豆蛋白塑料制備方法，其特征在于所述步驟(3)中雙螺桿擠出機從喂料口到模頭各區溫度均在100-180°C范圍內，雙螺桿擠出機的螺桿轉速為 100-250rpm。
10.權利要求1-4任一所述的改性大豆蛋白塑料用于制作可生物降解的一次性餐具、 食品包裝材料、汽車裝飾用復合材料。
全文摘要
本發明提供一種改性大豆蛋白塑料及其制備方法和用途，其包括大豆分離蛋白、天然纖維、增塑劑、潤滑分散劑，其中大豆分離蛋白所占比重為30-90wt％，天然纖維所占比重為5-30wt％，增塑劑所占比重為5-30wt％，潤滑分散劑所占比重為0-10wt％。所述原材料經混合機混合后再用雙螺桿擠出機進行混煉、熔融擠出、造粒制得。該改性大豆蛋白塑料可實現完全生物降解，且加工工藝簡單，并可通過調節組分實現其在一次性餐具、食品包裝、汽車裝飾等領域的應用。
文檔編號C08K5/01GK102276991SQ201110202840
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月13日 優先權日2011年7月13日
發明者唐少俊, 張正光 申請人:奇瑞汽車股份有限公司