聚乳酸微发泡材料开发中取得阶段性进展

2011-11-25 15:32 来源: 中国科学院
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  能源短缺和环境污染是制约中国经济、社会可持续发展的关键问题。石油基聚合物发泡材料的广泛使用已经在全世界范围内引发了“白色污染”问题,开发具有环境降解能力的生物基发泡材料,既能减轻人类对石油资源的过分依赖,又能缓解石油基塑料给生态环境带来的压力,制备生物基聚合物发泡材料已经引起了国内外学术界和工业界的广泛兴趣。不过,聚乳酸树脂熔体强度低,通过商品化的通用聚乳酸树脂来制备性能优异的聚乳酸发泡材料仍存在技术上的难题。2006年以来,日本、荷兰、美国等国的国际大公司通过新型聚乳酸合成工艺或者通过对通用聚乳酸树脂改性的方法,成功实现了聚乳酸发泡材料的商业化。

  2010年以来,翟文涛副研究员和郑文革研究员带领的科研小组开展了聚乳酸微发泡材料的研发工作。2010年12月,科研人员突破了通用聚乳酸微发泡的技术难题,在实验室成功实现了发泡倍率为20-45倍的聚乳酸微发泡粒子(EPLA)的可控制备(中国发明专利,申请号:201110022246.5)。研究发现,该技术制备条件温和、生产过程稳定,具有极高的学术和产业化价值。目前,该课题组成功搭建了实验室中试设备,具备年生产10吨的规模。

  采用传统的水蒸气成型机可以对EPLA进行模压成型。研究人员发现,仅通过对树脂配方和成型工艺的优化,就可以在现有成型设备上实现聚EPLA成型体的连续化制备(图2)。所制备的EPLA成型体的尺寸稳定性好、机械性能优异,所制备的材料已经在拉伸强度和压缩强度上达到甚至超过同密度聚苯乙烯发泡粒子成型体(EPS)的性能(中国发明专利,申请号:201110110427.3)。因此,EPLA成型体有望代替EPS成型体,用于制备绿色缓冲包装材料领域以及餐饮包装材料等。聚乳酸发泡材料具有环境降解的特点,根据其优势,EPLA制品可以用于花卉种植业。例如,将花卉种子/植物苗、培养液、合适土壤放入EPLA制备的发泡盒,并埋入土壤;合适的环境促进花卉快速生长,而发泡盒可以在1年左右自然降解,无需任何后处理。目前,荷兰某公司的EPLA产品已经应用于花卉产业,并取得良好的市场反馈。

  中科院宁波材料所开发的EPLA另一优势在于,EPLA模塑成型体具有优异的耐温性(120度处理22h小时,不会发生明显收缩)和压缩性能。本团队通过热熔胶粘合的方法制备了以硬质EPLA为芯层,具有三明治结构的结构泡沫材料(中国发明专利,申请号:201110109327.9)。该材料可以完全生物降解,有望用于汽车绿色内饰包装材料等领域。

  一次性餐饮包装是聚乳酸环境友好塑料的主要应用领域。目前,聚乳酸材料存在耐温低、质脆、树脂成本高的问题。研究人员发现,微发泡技术可以显著改善聚乳酸树脂的韧性,提高聚乳酸树脂的耐温性(从50-55度提高至80-100度)和显著降低材料的原材料成本(中国发明专利,申请号:201110110336.X)。因此,通过聚乳酸微发泡片材来制备聚乳酸食品包装盒对降低材料成本具有现实意义。如图3所示为宁波材料开发的幅宽为500mm的聚乳酸微发泡片材。通过传统的聚合物片材吸塑工艺,研究人员成功制备了聚乳酸微发泡餐盒(图4)。目前,研究团队正开展聚乳酸微发泡片材稳定化制备研究。

  聚乳酸微发泡材料的研发和销售在国际上正处于蓬勃发展阶段,目前已经取得不俗的市场销售和良好的市场认可,发展前景令人期待。中科院宁波材料所研究人员立足于解决基础科学问题,定位于产品技术开发,已经打通了聚乳酸微发泡材料商业化制备过程中的关键步骤。目前,研究团队已经申请四项中国发明专利,拟申请三项中国发明专利和数篇制品实用新型以及制品外观专利,具有完全的自主知识产权。研究人员欢迎多方资源介入,促进该技术的成熟,进而从实验室的中试到公司的商业化开发,将科学技术转化为现实的生产力。