專利名稱：生物降解塑料的生產(chǎn)和用于其生產(chǎn)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由作為原材料的乳酸制得的生物降解塑料的生產(chǎn)方法和用于其生產(chǎn)的裝置。
背景技術(shù)：
使用乳酸作為原材料的聚乳酸——生物降解塑料的主要組分——的生產(chǎn)方法是公知的，并且如圖1所示，常規(guī)方法一般由這樣的合成工藝組成，其中在高的溫度和壓力下，由脫水通過(guò)乳酸的縮聚，經(jīng)過(guò)交酯將乳酸轉(zhuǎn)化成聚乳酸。
生物降解塑料具有作為通常用途塑料的功能和性能，且特征在于當(dāng)在使用之后丟棄時(shí)，塑料容易分解和在自然環(huán)境中變成無(wú)害的和并不污染自然環(huán)境。因此希望所述塑料在近期用于每一個(gè)領(lǐng)域并且是特別有用的材料。
然而，由于上述通常生產(chǎn)方法的生產(chǎn)成本較高，塑料僅用于堆肥袋、用于農(nóng)業(yè)的多膜等，并且所述塑料具有這樣的缺點(diǎn)與通用塑料相比不能達(dá)到足夠的強(qiáng)度和性能，但是由于它的優(yōu)良的生物降解性，它開(kāi)始用于醫(yī)藥領(lǐng)域，如外科縫線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及在低成本下提供這樣生物降解塑料的目的，其中，不采用從上述的乳酸通過(guò)交酯得到的聚乳酸合成方法，而是提供如圖2所示的從乳酸制得聚乳酸的直接合成方法和用于該方法的裝置，因此顯著縮短聚乳酸合成要求的時(shí)間以及降低生產(chǎn)成本。


圖1說(shuō)明顯示聚乳酸常規(guī)合成途徑的化學(xué)公式；圖2說(shuō)明顯示根據(jù)本發(fā)明聚乳酸合成途徑的化學(xué)公式；圖3是顯示在排出出口關(guān)閉狀態(tài)下，用于本發(fā)明生物降解塑料生產(chǎn)方法的裝置的橫截面視圖；和圖4是顯示在排出出口開(kāi)啟狀態(tài)下上述裝置的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
在此方法中，通過(guò)由玉米淀粉代表的淀粉的乳酸發(fā)酵獲得乳酸。使用此乳酸作為原材料，在高的溫度和壓力下，在金屬催化劑存在下通過(guò)脫水，由乳酸的縮聚獲得為生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
將通過(guò)脫水在縮聚期間產(chǎn)生的水汽釋放到系統(tǒng)外部和通過(guò)測(cè)量釋放的水汽數(shù)量而確定反應(yīng)的終點(diǎn)；因此獲得為生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
對(duì)于上述的金屬催化劑，優(yōu)選是氯化鋅、或/和氯化亞錫。即，使用乳酸作為原材料，在高的溫度和壓力下，在氯化鋅或/和氯化亞錫存在下，通過(guò)加速由脫水的上述乳酸縮聚而獲得為生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
在其中以氯化鋅和氯化亞錫結(jié)合用作催化劑的情況下，優(yōu)選氯化鋅的加入量選自0.1-0.3wt％和上述氯化亞錫的加入量選自0.1-1wt％。
此外，由脫水的上述縮聚溫度優(yōu)選選自180-220℃和在由脫水的縮聚時(shí)的真空度為-0.05～-0.08Mpa。
在采用上述結(jié)合的情況下，如果氯化鋅和氯化亞錫加入量的總重量小于0.4wt％，由脫水的縮聚可顯著變緩慢。另一方面，如果總數(shù)量超過(guò)1wt％，僅可進(jìn)行脫水反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)物的碳化。為避免此情況，當(dāng)提高裝置中的真空度時(shí)，加速縮聚反應(yīng)，同時(shí)增強(qiáng)交酯的形成和可發(fā)生如聚乳酸收率下降的麻煩。
為此原因，當(dāng)氯化鋅和氯化亞錫結(jié)合使用時(shí)，總加入量?jī)?yōu)選為0.4-1wt％；氯化鋅的加入量?jī)?yōu)選是0.1-0.3wt％和氯化亞錫的加入量?jī)?yōu)選是0.3-0.7wt％。
作為具體的實(shí)施例，當(dāng)氯化鋅和氯化亞錫結(jié)合使用時(shí)，聚乳酸的重均分子量是110,000，和氯化鋅和氯化亞錫分別是0.1wt％和0.4wt％。當(dāng)氯化鋅和氯化亞錫分別是0.2wt％和0.5wt％時(shí)，聚乳酸的重均分子量是120,000。
在其中僅使用氯化鋅作為催化劑的情況下，加入量?jī)?yōu)選為0.2-0.8wt％，和形成聚乳酸的重均分子量為80,000-100,000。
在其中僅使用氯化亞錫作為催化劑的情況下，加入量?jī)?yōu)選為0.3-1wt％，和形成聚乳酸的重均分子量為100,000-120,000。
當(dāng)獨(dú)立地使用這些氯化鋅和氯化亞錫任一種時(shí)，發(fā)現(xiàn)聚合必須的時(shí)間變得更長(zhǎng)。因此，如果不考慮反應(yīng)時(shí)間，可以單獨(dú)使用這些催化劑。
從上述內(nèi)容，確認(rèn)氯化鋅和氯化亞錫作為催化劑的結(jié)合使用可縮短聚合時(shí)間，使形成聚乳酸的分子量較高和增加聚乳酸的收率。
然后，基于圖3和4解釋用于上述生物降解塑料生產(chǎn)方法的裝置。
此裝置具有氣密容器1，向該容器中放入原材料乳酸和金屬催化劑，降低氣密容器1內(nèi)部壓力的壓力降低單元2，加熱氣密容器1的加熱設(shè)備3，和混合氣密容器1中乳酸的混合設(shè)備4。
例如，上述的氣密容器1由向上開(kāi)啟的容器主體1a和可開(kāi)啟的覆蓋體1b組成，該覆蓋體開(kāi)啟和緊密地覆蓋所述主體的開(kāi)啟部分。
例如，在上述容器1的頂部板，即覆蓋體1b上提供用于放入原材料乳酸和催化劑的入口5，和連接到壓力降低單元2的排氣口6。
另外，采用電加熱器形成上述的加熱設(shè)備3，該加熱器接觸氣密容器上述主體1a的外周?chē)砻?，且布置該加熱器以圍繞主體1a。
此外，在上述氣密容器1的頂部板，即容器主體1a的底部板上提供一排出缸7，連接該缸以連通氣密容器1的內(nèi)部空間，以排出合成的聚乳酸；和一在排出缸7外端的產(chǎn)物出口8。
而且在上述排出缸7中，同軸提供螺桿軸9，并且當(dāng)出口8開(kāi)啟時(shí)，螺桿軸9允許氣密容器1中的聚乳酸通過(guò)上述產(chǎn)物出口8排出。
圖3和4顯示上述螺桿軸9操作結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。如所示，采用混合葉片4a形成上述混合設(shè)備4，混合葉片4a的軸4b的上端連接到電機(jī)4c，及軸4b和混合葉片4a由電機(jī)4c旋轉(zhuǎn)。
例如，在容器頂部的上部上，即在覆蓋體1b的上部上，在氣密容器1的外部放置電機(jī)4c，和上述軸4b直接連接到電機(jī)4c的驅(qū)動(dòng)軸和垂直布置在氣密容器1中的中心部分。
上述軸4b的下端具有同軸地以連接排布置的上述螺桿軸9，并且將螺桿軸9插入排出缸7中。
另一方面，將上述電機(jī)4c支撐在支架10上，支架10由流體壓力缸11支撐，和如圖3所示，支架10和電機(jī)4c由流體壓力缸11的收縮運(yùn)動(dòng)而下降，伴隨著上述螺桿軸9與軸4b和混合葉片4a一起的下降。換言之，將螺桿軸9在排出缸7中向產(chǎn)物出口8推動(dòng)，因此倚靠在連接到產(chǎn)物出口8的部分上形成的區(qū)段12而止擋于螺桿軸9的端面，并關(guān)閉出口8。
在關(guān)閉上述出口8的狀態(tài)下，混合葉片4a按向前的方向由電機(jī)4c驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在容器中的乳酸被混合，并且通過(guò)壓力降低單元2和加熱設(shè)備3，在高溫和減壓下上述的脫水縮聚被加速。
如圖4所示，上述支架10和電機(jī)4c由上述流體壓力缸11的伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)提起，它伴隨著上述螺桿軸9與軸4b和混合葉片4a一起的上述移動(dòng)。即，將螺桿桿在排出缸7內(nèi)提起以從區(qū)段12離開(kāi)，因此釋放產(chǎn)物出口8。
在開(kāi)啟上述出口8的情況下，在相反方向通過(guò)反轉(zhuǎn)電機(jī)4c而旋轉(zhuǎn)軸4b，允許螺桿軸9逆向旋轉(zhuǎn)。因此，將合成的聚乳酸向產(chǎn)物出口8輸送并從相同的出口8排出。
如重復(fù)地提及，將預(yù)定數(shù)量的乳酸和催化劑放入聚合裝置(氣密容器1)。在操作混合設(shè)備4的同時(shí)，將容器1的內(nèi)部使用壓力降低單元2降低壓力并同時(shí)由加熱設(shè)備3加熱到180-220℃。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，在容器1中產(chǎn)生水，即水汽，并將此水汽由壓力降低單元2釋入到系統(tǒng)外部，因此允許更高比例聚乳酸和更低比例交酯的形成。
此外，通過(guò)在到壓力降低單元2的管線中間插入水汽傳感器13且然后由測(cè)量設(shè)備14測(cè)量產(chǎn)生的水汽數(shù)量，而確定反應(yīng)的進(jìn)展，并且在當(dāng)產(chǎn)生計(jì)算量的水汽量時(shí)的時(shí)刻終止反應(yīng)。
將這樣獲得的聚乳酸——生物降解塑料的主要組分通過(guò)上述排出缸7和產(chǎn)物出口8排出到外部。如何從此排出的聚乳酸回收金屬催化劑的方法是基于已知技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，如圖2所示可以直接從上述乳酸合成聚乳酸，而不采用常規(guī)途徑，其中如圖1所示從乳酸通過(guò)交酯合成聚乳酸，和因此，顯著縮短聚乳酸合成要求的時(shí)間和降低生產(chǎn)成本。
此外，由于在聚合裝置中氧氣分壓低，即使加熱溫度變化到一定的程度，與常規(guī)聚合方法中的反應(yīng)時(shí)間相比，反應(yīng)時(shí)間節(jié)省約50％以及獲得具有高質(zhì)量的聚乳酸而沒(méi)有產(chǎn)物的碳化。
字母和數(shù)字的解釋1 氣密容器1a 容器主體1b 覆蓋體2 壓力降低單元3 加熱設(shè)備4 混合設(shè)備4a 混合葉片4b 軸4c 電機(jī)5 乳酸和催化劑的入口6 排氣口7 排出缸8 產(chǎn)物出口9 螺桿軸10 電機(jī)支架11 流體壓力缸12 區(qū)段13 水汽傳感器14 水汽測(cè)量設(shè)備
權(quán)利要求
1.生物降解塑料的生產(chǎn)方法，包括使用乳酸作為原材料；在高溫和減壓下，在金屬催化劑存在下通過(guò)脫水，將乳酸進(jìn)行縮聚；和獲得生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
2.生物降解塑料的生產(chǎn)方法，包括使用乳酸作為原材料；在高溫和減壓下，在金屬催化劑存在下通過(guò)脫水將乳酸進(jìn)行縮聚；將通過(guò)脫水在縮聚期間產(chǎn)生的水汽釋放到系統(tǒng)外部；通過(guò)在釋放水汽的同時(shí)測(cè)量水汽釋放量而確定反應(yīng)的終點(diǎn)；和獲得生物降解塑料主要組分的聚乳酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物降解塑料的生產(chǎn)方法，其中，所述金屬催化劑是氯化鋅和/或氯化亞錫。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物降解塑料的生產(chǎn)方法，其中，當(dāng)氯化鋅和氯化亞錫的組合物用作催化劑時(shí)，氯化鋅的加入量是0.1至0.3wt％和氯化亞錫的加入量是0.1至1wt％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物降解塑料的生產(chǎn)方法，其中，脫水縮聚的溫度是180至220℃，且在脫水縮聚時(shí)的真空度為-0.05至-0.08Mpa。
6.生物降解塑料的生產(chǎn)裝置，包括用于放入作為原材料的乳酸的氣密容器；用于降低氣密容器內(nèi)部壓力的壓力降低單元；用于加熱氣密容器的加熱設(shè)備；和用于混合氣密容器中乳酸的混合設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的生物降解塑料的生產(chǎn)裝置，其中，在所述氣密容器中設(shè)置有一具有出口的排出缸，在所述排出缸中同軸設(shè)置有一螺桿軸，以及在所述出口開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)所述出口由所述螺桿軸排出在所述氣密容器中的聚乳酸。
全文摘要
本發(fā)明提供生物降解塑料的生產(chǎn)方法，其中，從乳酸直接合成聚乳酸而不采用從乳酸通過(guò)交酯的常規(guī)聚乳酸合成途徑，并提供其生產(chǎn)的裝置。以此方式，顯著縮短聚乳酸合成要求的時(shí)間和降低生產(chǎn)成本。在生物降解塑料的生產(chǎn)方法中，在高溫和減壓下，在金屬催化劑存在下，由原材料，乳酸的脫水，通過(guò)縮聚獲得聚乳酸，生物降解塑料的主要組分。
文檔編號(hào)C08G63/06GK1631932SQ20031012358
公開(kāi)日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者山田純二, 金柬伯, 高村孝次 申請(qǐng)人:J公司株式會(huì)社