一种含咖啡渣的高强度PP可降解材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种含咖啡渣的高强度pp可降解材料及其制备方法，涉及高分子化合物的组合物领域。

背景技术：

1、聚丙烯是性能优异的热塑性合成树脂，具有良好的耐化学，耐热，电绝缘性和高机械强度，耐磨性，被广泛应用于服装，汽车，化工等领域中。但是聚丙烯是化石原料来源的产品，具有不可降解性，对环境的危害较大。因此迫切需要开发一种可降解的聚丙烯材料。将咖啡渣引入聚丙烯中可以制备可降解，低毒，可重复加工的聚丙烯，符合可持续的发展观和循环经济的理念。并且咖啡渣为可再生资源，可以减少对化石资源的依赖。但是咖啡渣与聚丙烯混合使用会带来相容性不佳的问题，并且力学性能，降解性能，在环境中的老化性能等受到相互制衡，因此开发一种综合性能优异的聚丙烯材料至关重要。

2、中国发明专利cn202211695079.5公开了一种咖啡香低气味耐热老化聚丙烯材料及其制备方法及应用，通过碱化处理将咖啡渣制成具有多孔结构的改性咖啡渣吸附剂，同时辅以分散剂将其均匀的分散到聚丙烯体系，从而实现具有吸附小分子物及低浓度咖啡香味的聚丙烯材料，但是聚丙烯材料的力学强度下降，在自然环境中长期使用容易老化。中国发明专利cn202111149179.3公开了一种用于车辆内饰材料的包含经热处理的废咖啡渣的聚烯烃类树脂组合物，通过热处理去除低分子量材料的废咖啡渣，在加工过程中减少气体产生，并且可以减少气味和voc的排放，从而减少了源自化石燃料的合成树脂的使用。但是咖啡渣与聚烯烃类树脂的结合效果不佳，结合界面存在力学性能缺陷，抗冲击性能差。

技术实现思路

1、为了制备一种综合性能优异的可降解的高强度pp材料，本发明的第一个方面提供了一种含咖啡渣的高强度pp可降解材料，制备原料以重量份计包括：pp60-70份，增强母粒10-20份，生物质材料10-20份，添加剂0-10份，改性剂0.5-1份，抗氧剂0.5-1份，润滑剂3-6份。

2、作为一种优选的实施方式，制备原料以重量份计包括：pp62份，增强母粒12份，生物质材料14份，添加剂6份，改性剂1份，抗氧剂0.6份，润滑剂4.4份。

3、作为一种优选的实施方式，所述pp在230℃下的熔融指数为15-25g/10min。

4、作为一种优选的实施方式，所述pp在230℃下的熔融指数为18.48g/10min。

5、申请人在实验过程中发现，通过在pp材料中添加生物质材料，不仅可以增强聚丙烯的弯曲模量还能够增加聚丙烯的可降解性能，猜测可能的原因是：咖啡渣中含有大量纤维素，可以在聚丙烯的聚合网络结构中形成刚性的支撑结构，起到补强的作用，当采用熔融指数为15-25g/10min的pp时，咖啡渣等生物质材料可以在聚丙烯中均匀分散，结合性能较好。高于25g/10min熔指的聚丙烯材料与咖啡渣结合，聚丙烯的聚合度较高，咖啡渣在聚丙烯中不易分散，不仅起不到补强作用，咖啡渣还会破坏聚丙烯的聚合规整度，反而使聚丙烯的弯曲模量下降，影响聚丙烯的抗冲击性能。并且高熔指的聚丙烯与咖啡渣的结合比例小，较小的掺入量无法使聚丙烯实现降解效果。

6、作为一种优选的实施方式，所述增强母粒为含玻璃纤维的pp母粒或碳纤维母粒，所述含玻璃纤维的pp母粒中玻璃纤维的质量分数为40-60wt％。

7、申请人发现引入咖啡渣和竹粉的聚丙烯在室外环境中的抗老化性能欠佳，通过引入增强母粒可以，尤其是增强母粒，pp，生物质材料采用(10-20)：(60-70)：(10-20)的重量比可以平衡环保降解，抗老化性能和抗冲击性能，达到综合性能最佳，原因可能是引入的增强母粒可以改善生物质材料应用于聚丙烯后的物理性能，控制其在塑化过程中的占比，使高强度聚丙烯可以正常造粒的前提下，综合性能最佳。

8、作为一种优选的实施方式，所述生物质材料选自咖啡渣、竹粉、木粉、植物纤维中的一种或几种的组合。

9、作为一种优选的实施方式，所述生物质材料中咖啡渣的粒径为140-160目，竹粉的粒径为55-65目。

10、作为一种优选的实施方式，所述生物质材料中咖啡渣的粒径为150目，竹粉的粒径为60目。

11、作为一种优选的实施方式，所述生物质材料为咖啡渣和竹粉的组合，重量比为(1-3)：(2-5)。

12、作为一种优选的实施方式，所述生物质材料为咖啡渣和竹粉的组合，重量比为2：3。

13、申请人在实验过程中发现通过在聚丙烯中掺入咖啡渣可以改善聚丙烯的降解效果，但是聚丙烯的强度增加不明显，甚至出现强度下降的结果，通过将咖啡渣和竹粉共同作用，可以平衡改性聚丙烯的强度和降解效果，猜测可能的原因是：竹粉中含有纤维素和木质素，具有较高的强度和硬度，可以增加聚丙烯的弯曲模量，但是竹粉的纤维素表面含有极性的羟基，与非极性的聚丙烯相容性不佳，而咖啡渣中含有许多咖啡油，可以改善竹粉与聚丙烯的相容性，并且咖啡渣为中空结构，与竹粉结合，可以增加竹粉在聚丙烯中的分散，咖啡渣与竹粉采用2：3的重量比，可以维持改性聚丙烯良好弯曲模量的同时还具有良好的断裂伸长率。并且咖啡渣与竹粉都具有良好的降解性能，使聚丙烯强度增加的同时，降解性能优化。

14、作为一种优选的实施方式，所述改性剂选自硅烷偶联剂、马来酸酐相容剂、接枝共聚物相容剂中的一种或几种的组合。

15、作为一种优选的实施方式，所述改性剂为硅烷偶联剂，优选的，所述硅烷偶联剂为γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷。

16、申请人发现通过引入改性剂硅烷偶联剂可以明显改善生物质材料引入聚丙烯后产生的不容性问题，并且采用γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷作为改性剂还可以大幅提升改性后的综合性能，猜测可能的原因是：γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷作为改性剂引入可以引入氯丙基极性基团，与竹粉和咖啡渣具有良好的亲和性，硅烷与聚丙烯的非极性基团相互缠绕达到相容的目的，相较于接枝相容剂和马来酸酐类相容剂，硅烷偶联剂改性后可以得到更好的综合性能，原因可能是硅烷偶联剂在此反应工艺条件下反应活性更高，液态的硅烷偶联剂可以与咖啡渣和竹粉充分接触反应，在此温度条件下，既不会对聚丙烯原本的反应造成影响，还可以获得良好的综合性能。

17、作为一种优选的实施方式，所述添加剂选自碳酸钙、滑石粉、玻璃粉、二氧化硅、石英粉中的一种或几种的组合；所述添加剂的粒径为900-1100目。

18、作为一种优选的实施方式，所述添加剂为碳酸钙和滑石粉的组合。优选的，所述碳酸钙和滑石粉的重量比为1：(2-3)。进一步优选，所述碳酸钙和滑石粉的重量比为1：2.5。

19、作为一种优选的实施方式，所述抗氧剂为环氧大豆油。

20、作为一种优选的实施方式，所述润滑剂为pe蜡与硬脂酸的复配物。优选的，所述pe蜡与硬脂酸的重量比为1：(1-2)；进一步优选，所述pe蜡与硬脂酸的重量比为1：1.2。

21、本发明的第二个方面提供了一种含咖啡渣的高强度pp可降解材料的制备方法，包括以下步骤：

22、s1将pp，增强母粒，添加剂，改性剂，抗氧剂，润滑剂加入高速搅拌机中混合均匀得混合物；

23、s2将生物质材料加入双螺杆挤出机中端的侧喂料设备；

24、s3将混合物加入双螺杆挤出机中混炼，并开启侧喂料设备下料；

25、s4挤出后冷却，切粒，即得。

26、作为一种优选的实施方式，所述双螺杆挤出机的第一段和第二段挤出温度为170-190℃，第三段至第六段的挤出温度为180-200℃，反应物在双螺杆挤出机中的总停留时间为1-5min，双螺杆挤出机转速为300-350r/min。

27、作为一种优选的实施方式，所述双螺杆挤出机的第一段温度为170℃，第二段温度为180℃，第三段温度为185℃，第四段温度为190℃，第五段温度为195℃，第六段温度为200℃。反应物在双螺杆挤出机中的总停留时间为1-3min，双螺杆挤出机转速为350r/min。

28、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

29、(1)本发明所述含咖啡渣的高强度pp可降解材料，采用熔融指数在230℃下为15-25g/10min的pp，并且控制pp与生物质材料的重量比为(60-70)：(10-20)，可以使形成的高强度pp在具有一定可降解性能的同时，还维持一定的力学强度，平衡了聚合材料的降解效果和使用性能。

30、(2)本发明所述含咖啡渣的高强度pp可降解材料，采用咖啡渣和竹粉的组合作为生物质材料，并且咖啡渣与竹粉采用(1-3)：(2-5)的重量比，制备得到的高强度pp材料具有良好弯曲模量的同时还具有良好的断裂伸长率，与聚丙烯具有良好的结合性能。

31、(3)本发明所述含咖啡渣的高强度pp可降解材料，采用γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷作为改性剂，并保持γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷的添加量为0.5-1％，可以改善咖啡渣，竹粉与聚丙烯之间的相容效果，增加界面相容性。

32、(4)本发明所述含咖啡渣的高强度pp可降解材料，增强母粒，pp，生物质材料采用(10-20)：(60-70)：(10-20)的重量比，制备的高强度聚丙烯既环保降解，又能够满足室外长期抗老化使用要求。

33、(5)本发明所述含咖啡渣的高强度pp可降解材料，实现了拉伸强度，断裂伸长率，弯曲强度，弯曲模量，冲击强度的综合性能最佳，并且具有一定的可降解效果，耐老化性能优异。