一种可生物降解聚丙烯无纺布及其制备方法与流

本发明涉及可生物降解聚丙烯无纺布，具体涉及一种可生物降解聚丙烯无纺布及其制备方法。背景技术：1、聚丙烯无纺布的应用贯穿于医疗、卫生、防护、日常生活等多个领域，为人们的生活带来了诸多便利，但是聚丙烯无纺布的废弃物在自然条件下需要长达数百年才能完全分解，为环境带来了极大的负担，是聚丙烯无纺布行业发展的痛点。2、生物基塑料是指制备原料来源于玉米、甘蔗、竹子或其他植物纤维素等生物质的类塑料产品，分为可降解和不可降解，生物基塑料的原料来自于自然界的可再生碳源，与传统石油基塑料的碳链不同，生物基塑料能够减少塑料行业对石油化工产品消耗，还能够减少石油化工产品在制备过程中对环境的污染，从而起到节约石油资源和保护环境的双重功效。3、为了提高无纺布的可降解性，越来越多的无纺布制备企业开始使用可降解生物基塑料作为无纺布原料，其中，最常用的可降解生物基塑料为聚乳酸，聚乳酸的降解方式为本体侵蚀，具体的降解原理为当聚乳酸浸入水性介质中或植入体内后，水性介质会渗入聚乳酸中，导致聚乳酸的分子链松弛，酯键水解，分子量降低，逐渐降解为低聚物，此外，聚乳酸中的端羧基对聚乳酸的水解起到了催化作用，随着水解的进行，端羧基的数量增加，降解速度加快，产生自催化效应。4、由上述聚乳酸的降解原理可以看出，聚乳酸的降解条件苛刻，降解速度受温度、水分、酸碱环境等影响大，需要在特定条件下才能够实现快速降解，否则由于聚乳酸对光氧化降解的响应明显高于传统石油基塑料，会更容易在短时间内形成聚乳酸微塑料，聚乳酸微塑料在自然的水、土条件下不能完全降解，如果不能对聚乳酸微塑料进行及时处理，则会导致聚乳酸微塑料在环境中持续积累，造成环境污染。5、为了实现聚乳酸的完全降解，需要使用堆肥降解的方式，但是由于堆肥降解时，需要将聚乳酸与其他垃圾区分开来，单独进行堆肥处理，其过程又会增加大量垃圾分类、堆肥处理上的成本。其他常用的可降解生物基塑料，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸酯，也均存在于聚乳酸相同的降解问题。6、根据2022年9月26日清华大学环境学院与中国石化联合发布的《可降解塑料的环境影响评价与政策支撑研究报告》中显示，可降解塑料制品流向中，有97%在废弃后进行了焚烧和填埋，有3.1%在废弃后直接泄露到了环境中，有0.006%在废弃后进行了厌氧发酵，只有0.001%在废弃后进行了工业堆肥，因此，虽然为了保护环境，在无纺布的制备中使用了可降解生物基塑料，但是由于现有的可降解生物基塑料的降解要求高，降解成本高，再加上现有的降解处理流程不完善，导致了由可降解生物基塑料制备的无纺布不仅不能进行完全降解，还会加重环境中的微塑料污染。7、进一步地，经试验发现，由现有的可降解生物基塑料制备的无纺布还存在以下问题：在制备无纺布中，需要将可降解生物基塑料与其他材料，例如聚丙烯、聚乙烯等进行复合，但是可降解生物基塑料与聚丙烯、聚乙烯等材料的相容性差，影响了制备的无纺布的强度、断裂伸长率、可纺性；可降解生物基塑料的耐紫外性差，影响了制备的无纺布的耐紫外性；可降解生物基塑料的耐高温性差，影响了制备的无纺布的耐高温性；可降解生物基塑料的耐老化性差，影响了制备的无纺布的耐老化性。技术实现思路1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种可生物降解聚丙烯无纺布及其制备方法，能够提高可生物降解聚丙烯无纺布的可降解性的同时，提高无纺布的强度、断裂伸长率、可纺性、耐紫外性、耐高温性、耐老化性。2、为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：3、一种可生物降解聚丙烯无纺布的制备方法，包括：制备可降解母粒，制备抗老化母粒，混合，纺丝牵伸；4、所述制备可降解母粒，将聚丙烯、聚己内酯、芥酸酰胺、马来酸酐接枝聚丙烯、第一改性纤维素纳米晶、第二改性纤维素纳米晶、硬脂酸、3-氨丙基三甲氧基硅烷加入高速混合机中混合均匀后，加入长径比为40:1的双螺杆挤出机中熔融挤出、切粒，得到可降解母粒；5、所述制备可降解母粒中，聚丙烯、聚己内酯、芥酸酰胺、马来酸酐接枝聚丙烯、第一改性纤维素纳米晶、第二改性纤维素纳米晶、硬脂酸、3-氨丙基三甲氧基硅烷的重量比为30-40:8-10:10-12:5-7:4-5:3-5:2-3:0.5-1；6、所述双螺杆挤出机的螺杆温度为190-220℃；7、所述聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔融指数为35-40g/10min；8、所述马来酸酐接枝聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔融指数为100-120g/10min；9、所述第一改性纤维素纳米晶的制备方法为，将纤维素纳米晶、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷、四氢呋喃混合后，超声分散，控制超声分散中的频率为20-30khz，时间为30-40min，然后在60-70℃下以200-400rpm的搅拌速度搅拌的同时，滴加盐酸水溶液，滴加结束后，继续搅拌7-8h，离心，控制离心时的转速为7000-8000rpm，时间为8-10min，然后使用四氢呋喃清洗沉淀物3-4次后，冷冻干燥，控制冷冻干燥的温度-40℃至-30℃，时间为20-25h，得到第一改性纤维素纳米晶；10、所述第一改性纤维素纳米晶的制备中，纤维素纳米晶、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷、四氢呋喃、盐酸水溶液的重量体积比为9-10g:100-110ml:1200-1500ml:45-50ml；11、所述盐酸水溶液的浓度为38-40g/l；12、所述盐酸水溶液的滴加速度为5-8ml/min；13、所述第二改性纤维素纳米晶的制备方法为，将纤维素纳米晶、十六烷基三甲氧基硅烷、无水乙醇、水后，超声分散，控制超声分散中的频率为20-30khz，时间为20-30min，然后在60-70℃下以200-400rpm的搅拌速度搅拌的同时，滴加盐酸水溶液，滴加至ph为5.5-6后，继续搅拌2.5-3.5h，离心，控制离心时的转速为7000-8000rpm，时间为8-10min，然后使用无水乙醇清洗沉淀物3-4次，使用水清洗沉淀物3-4次后，冷冻干燥，控制冷冻干燥的温度-40℃至-30℃，时间为20-25h，得到第二改性纤维素纳米晶；14、所述第二改性纤维素纳米晶的制备，纤维素纳米晶、十六烷基三甲氧基硅烷、无水乙醇、水的重量体积比为9-10g:20-25ml:350-400ml:60-70ml；15、所述盐酸水溶液的浓度为38-40g/l；16、所述盐酸水溶液的滴加速度为1-2ml/min；17、所述第一改性纤维素纳米晶和第二改性纤维素纳米晶中纤维素纳米晶的制备方法为，将微晶纤维素、柠檬酸水溶液、硫酸水溶液混合后，在75-85℃下以200-400rpm的搅拌速度搅拌反应7-8h，加入氢氧化钠水溶液将ph调至7，离心，控制离心时的转速为9000-10000rpm，时间为8-10min，然后使用水清洗沉淀物3-4次后，冷冻干燥，控制冷冻干燥的温度-40℃至-30℃，时间为20-25h，得到纤维素纳米晶；18、所述第一改性纤维素纳米晶和第二改性纤维素纳米晶中纤维素纳米晶的制备中，微晶纤维素、柠檬酸水溶液、硫酸水溶液的重量体积比为90-100g:3200-3300ml: 400-600ml；19、柠檬酸水溶液的浓度为1000-1200g/l；20、硫酸水溶液的浓度为800-900g/l；21、所述氢氧化钠水溶液的浓度为300-350g/l；22、所述制备抗老化母粒，按重量份计，将聚丙烯、填料、光稳定剂、抗氧剂、聚乙烯蜡、硬脂酸、3-氨丙基三甲氧基硅烷加入高速混合机中混合均匀后，加入长径比为40:1的双螺杆挤出机中熔融挤出、切粒，控制螺杆温度为200-230℃，得到抗老化母粒；23、所述制备抗老化母粒中，聚丙烯、填料、光稳定剂、抗氧剂、聚乙烯蜡、硬脂酸、3-氨丙基三甲氧基硅烷的重量比为70-80:7-8:6-7:3-4:3-4:1.5-2:1-2；24、所述聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔融指数为35-40g/10min；25、所述光稳定剂为光稳定剂2020、光稳定剂119、光稳定剂770中的一种或几种；26、所述填料的制备方法，包括：硅烷改性，柠檬酸接枝，钙离子化；27、所述硅烷改性，将云母粉、3-氨丙基三甲氧基硅烷、无水乙醇、水后，超声分散，控制超声分散中的频率为20-30khz，时间为20-30min，然后在40-50℃下搅拌4-5h，离心，控制离心时的转速为6000-7000rpm，时间为5-7min，然后使用无水乙醇清洗沉淀物3-4次，使用水清洗沉淀物3-4次后，冷冻干燥，控制冷冻干燥的温度-40℃至-30℃，时间为20-25h，得到硅烷改性云母粉；28、所述硅烷改性中，云母粉、3-氨丙基三甲氧基硅烷、无水乙醇、水的重量体积比为50-60g:60-80ml:600-700ml:100-120ml；29、所述云母粉的粒径为100-200nm；30、所述柠檬酸接枝，在冰水浴中，将柠檬酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺、n-羟基丁二酰亚胺、水混合后，以100-300rpm的搅拌速度继续搅拌10-20min，进行超声震荡，控制超声震荡的频率为20-30khz，时间为1-1.5h，然后加入硅烷改性云母粉，在20-40℃下以100-300rpm的搅拌速度继续搅拌4-5h，离心，控制离心时的转速为6000-7000rpm，时间为5-7min，使用水清洗沉淀物3-4次后，冷冻干燥，控制冷冻干燥的温度-40℃至-30℃，时间为20-25h，得到初级填料；31、所述柠檬酸接枝中，柠檬酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺、n-羟基丁二酰亚胺、水、硅烷改性云母粉的重量体积比为25-30g:25-30g:25-30g:700-1000ml:60-65g；32、所述钙离子化，将初级填料、氯化钙、水混合后，在20-40℃下以100-300rpm的搅拌速度继续搅拌10-15min，离心，控制离心时的转速为6000-7000rpm，时间为5-7min，冷冻干燥，控制冷冻干燥的温度-40℃至-30℃，时间为20-25h，得到填料；33、所述钙离子化中，初级填料、氯化钙、水的重量体积比为80-100g:10-12g:500-600ml；34、所述混合，将聚丙烯、可降解母粒、抗老化母粒加入高速混合机混合均匀后，得到混合料；35、所述混合中，聚丙烯、可降解母粒、抗老化母粒的重量比为96-97.4:0.6-1.5:2-2.5；36、所述聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔融指数为35-40g/10min；37、所述纺丝牵伸，将混合料加入长径比为40:1的双螺杆挤出机中熔融挤出，然后经过过滤器过滤、计量泵计量，通过模头纺成连续的纤维；将纤维进行冷风牵伸后，均匀铺在网带上成网，然后经过上下压辊后，经过热轧机热轧，得到可生物降解聚丙烯无纺布；38、所述螺杆温度为230-240℃，计量泵转速为5-8rpm，模头温度为250-270℃；所述冷风牵伸时的冷风温度为10-15℃，网带速度为400-450m/min，热轧机的轧辊温度为150-170℃，压力为100-120dan/cm。39、一种由前述的制备方法制得的可生物降解聚丙烯无纺布。40、与现有技术相比，本发明的有益效果为：41、（1）本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布，与常规的可降解无纺布的降解原理不同，常规的可降解无纺布在降解时，采用化学降解与生物降解结合的方法，在降解初期，进行化学降解，在光或热老化下，分子链断裂，形成分子量为5000道尔顿以下的低分子降解物，从而确保具有足够低的分子量进行生物降解，在降解后期，进行微生物降解，环境中的微生物分泌的消化酶，能够将低分子降解物转化成二氧化碳，水，生物质，因此，常规的可降解无纺布的耐紫外性和耐高温性差。而本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布在无氧环境下会在无纺布表面形成一个由微生物组成的生物膜，生物膜是由微生物分泌的酸和酶形成的，酶使聚丙烯无纺布变得“亲水性”，促进聚丙烯无纺布水解，随着微生物分泌酶和水，水的积累扩大了聚丙烯无纺布结链，使微生物能够从头到尾消耗聚丙烯链，将聚丙烯链分解成胺基酸、脂肪酸、糖，并分泌出信号分子，吸引其他微生物从而创造出一种进食效应，该降解过程的最终残余物只有沼气和腐殖质（有机物），没有毒素或微塑料残留，沼气能够被收集并形成洁净的生物燃料。且本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布的降解能力强，既能够在填埋场进行生物降解，又能够在堆肥条件下进行自然分解，在几年内就可以实现自然降解；42、（2）本发明的可生物降解聚丙烯无纺布的制备方法，能够提高可生物降解聚丙烯无纺布的可降解性，按照gb/t 33797-2017标准对本发明制备的聚丙烯无纺布进行生物降解率测试，在15d后的生物降解率为0.89-1.08%，在30d后的生物降解率为2.80-3.03%，在38d后的生物降解率为4.60-5.25%，在45d后的生物降解率为5.28-5.65%；43、（3）本发明的可生物降解聚丙烯无纺布的制备方法，能够提高可生物降解聚丙烯无纺布的强度、断裂伸长率，本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布的cd强力为48.0-49.9n/5cm，md强力为92.8-95.2n/5cm，cd伸长率为85.2-95.1%，md伸长率为89.3-96.7%；44、（4）本发明的可生物降解聚丙烯无纺布的制备方法，能够提高可生物降解聚丙烯无纺布的可纺性，本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布在纺丝牵伸中纺丝正常；45、（5）本发明的可生物降解聚丙烯无纺布的制备方法，能够提高可生物降解聚丙烯无纺布的耐紫外性，将本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布按照astm g154进行耐紫外性测试，具体为使用uvb-313紫外线灯管，辐照度为28w/m2，黑板温度70℃，8h，冷凝温度50℃，4h，黑板温度50℃，210h后，cd强力保留率为81.24-84.11%，md强力保留率为91.41-94.05%，cd伸长率保留率为56.80-59.07%，md伸长率保留率为60.28-63.76%；46、（6）本发明的可生物降解聚丙烯无纺布的制备方法，能够提高可生物降解聚丙烯无纺布的耐高温性，将本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布置于60℃下进行高温处理30d，cd强力保留率为79.51-82.89%，md强力保留率为80.20-89.12%，cd伸长率保留率为42.77-60.31%，md伸长率保留率为47.52-58.31%；47、（7）本发明的可生物降解聚丙烯无纺布的制备方法，能够提高可生物降解聚丙烯无纺布的耐老化性，将本发明制备的可生物降解聚丙烯无纺布置于常温下进行老化处理90d，cd强力保留率为87.53-89.78%，md强力保留率为88.36-92.10%，cd伸长率保留率为80.26-87.14%，md伸长率保留率为82.12-84.87%。