一种可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄及其生产工艺

本申请是分案申请，原申请的申请号为2020114357486，申请日为2020年12月10日，发明名称为“一种可生物降解的抗菌牙刷及其生产工艺”。

技术领域

本发明属于牙刷日用品技术领域，具体涉及一种可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄及其生产工艺。

背景技术

塑料曾誉为21世纪最伟大的发明之一，具有质轻、机械性能好、可塑性强等特点，在各个行业中具有不可替代的作用，虽然塑料的出现给我们的生活带来了极大的方便，但同时带来了严重的环境问题，由于塑料在自然环境中需要几百年才能降解，因此丢弃的塑料会堆积起来，形成白色污染，漂流到海里面的塑料还会形成海洋垃圾。

牙刷是人们日常生活中不可缺少的生活用品，属于快消品，一般牙刷的使用寿命在3个月左右，传统牙刷的材料普遍采用PP、PETG、PCTA等材料，这些材料都属于不可降解的塑料，使用丢弃后会造成严重的环境污染，而降解材料的出现能够很好的解决这一问题。近年来，大量的可降解塑料被开发了出来，例如PLA、PBS、PHA、PVA、PBAT等，与传统的塑料相比，降解材料的性能和加工都具有很大的差异，降解材料本身的物理性能的差异造成了其使用受限，加工困难也限制了其应用。

因此，将降解材料运用到牙刷上，仍需要解决2个主要问题：①牙刷作为口腔护理用具，其使用环境需要经常接触到水，材料表面容易滋生霉菌，霉菌的存在会加速材料的降解，从而降低了其使用寿命，并且对其物理性能也会产生影响，会出现断裂的风险；②PLA作为生物降解材料，其力学性能与传统材料相比较差，注塑工艺的差异都会影响到材料的性能。

本发明提供了一套技术方案，能够解决牙刷刷柄容易滋生细菌和PLA刷柄韧性不稳定的生产工艺。

发明内容

本发明为了解决现有可降解牙刷刷柄容易滋生霉菌及力学性能低的技术问题，提供一种可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄。

本发明的另一个目的是提供一种可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄的生产工艺。

一种可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄，所述牙刷柄原料组成包括质量比为1～3:10的母粒和PLA，所述母粒由重量组分为75～91份的PBAT、8～20份的牡丹根皮和1～5份的壳聚糖组成；所述牙刷柄制作是先将牡丹根皮和壳聚糖与PBAT混匀后熔融造粒形成母粒，再将母粒与PLA按质量比进行混合及烘干，烘干后进行注塑而得。

本申请提供一种可生物降解的抗菌牙刷柄，牙刷刷柄原料由PLA和母粒以10:1～3比例组成，其中母粒组分配比为75～91份的PBAT、8～20份的牡丹根皮和1～5份的壳聚糖，先将牡丹根皮和壳聚糖与PBAT混匀后熔融造粒形成母粒，再将母粒与PLA混合后进行注塑得到刷柄，由于PLA占总组分比例70％以上，PLA无需先参与挤出造粒，可以保留PLA物理性能，避免PLA因挤出造粒二次加工影响力学性能，另外先制成母粒再加入PLA，可灵活调整抗菌剂和PBAT添加量，以适应不同产品性能要求，并且先将牡丹根皮和壳聚糖与PBAT混匀后熔融造粒形成母粒，可使得抗菌剂在PBAT中均匀分散，再将母粒与PLA混合时，抗菌剂和PBAT再次均匀分散在PLA中，获得分散性更好产品，可避免PBAT和PLA分散效果差出现分层、以及抗菌剂在PLA中产生团聚，造成抗菌性能及力学性能下降，添加PBAT可明显改善产品韧性，且使用了天然抗菌剂，包括植物类抗菌剂牡丹根皮和动物类抗菌剂壳聚糖，对人体无害，通过复配使得牙刷具有抗菌效率高、安全无毒、环保的优点，本申请提供一种天然抗菌、力学性能优异的可生物降解牙刷，解决降解材料表面容易滋生霉菌，牙刷刷柄力学性能降低，使用寿命减少的问题。

优选的，所述壳聚糖的脱乙酰度为90％，分子量为7×10

优选的，所述PBAT的重均相对分子质量为6×10

优选的，所述PLA为分子量1.0×10

优选的，所述牡丹根皮的细度为10～100目。本申请的牡丹根皮是天然植物的提取物，对金黄色葡萄球菌、白色葡萄球菌、绿脓杆菌、炭疽杆菌、变形杆菌、甲型链球菌、乙型链球菌等多种细菌均有明显的抑菌作用，本申请的牡丹根皮优选采用自然晒干，温度小于60℃大于40℃，自然晒干能保证牡丹根皮酚苷类成分(如牡丹酚原苷、牡丹皮苷C、丹皮酚)含量损失最小，当温度高于60℃后，随着温度升高，丹皮酚受热挥发含量降低，而丹皮酚等是牡丹根皮对细菌具有一定抑制作用。将牡丹根皮研磨加工，研磨至10-100目，可将牡丹根皮细化，能够更好分散在PBAT中，提高抗菌剂的微观分散性，搅拌熔融挤出造粒制得高抗菌剂浓度的抗菌母粒，再进行后续加工，在整个过程中，抗菌剂通过后续加工过程中再次分散，得到比直接共混法微观分散性更好的抗菌制品，整体分散性良好，仅有少量团聚，生物降解塑料具有良好的降解性，废弃后能不依赖光照自然分解，适合日常废弃塑料的场景。

一种可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮晒干后研磨至10～100目，将75～91份PBAT、8～20份研磨后的牡丹根皮和1～5份壳聚糖进行混合搅拌，搅拌后进行熔融造粒，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒与PLA按质量比为1～3:10的比例进行混合及烘干，烘干后进行注塑，得牙刷柄。

一种可生物降解的抗菌牙刷的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮晒干后研磨至10～100目，将75～91份PBAT、8～20份研磨后的牡丹根皮和1～5份壳聚糖进行混合搅拌，搅拌后进行熔融造粒，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒与PLA按质量比为1～3:10的比例进行混合及烘干，烘干后进行注塑，得刷柄。

优选的，步骤(1)中的混合搅拌是在高速搅拌机中以70r/min的搅拌速度搅拌10～20分钟。先将牡丹根皮和壳聚糖分散在PBAT中制成母粒，再将母粒与PLA混合再次分散，提高产品分散性，得到比直接共混法微观分散性更好的抗菌制品。

优选的，步骤(1)中的熔融造粒采用双螺杆挤出机，双螺杆挤出机各段温度设定为：模头温度190～210℃、第一段190～200℃、第二段180～190℃、第三段170～185℃、第四段160～180℃。

优选的，步骤(2)中的烘干是在除湿干燥烘料机中以80℃的干燥温度干燥3～6h。

优选的，步骤(2)中的注塑采用注塑机台，螺杆直径为45mm；

注塑工艺参数如下：各段注塑温度设定为：射嘴180～210℃、第一段180～210℃、第二段180～200℃、第三段160～180℃；注塑压力40～60Mpa、注塑时间10～20s、保压压力40～60Mpa、保压时间10～20s、保压速度20～35％、冷却时间20～60s、冷却水温度20～25℃。解决了牙刷刷柄注塑加工技术难题，提供了一种牙刷的生产工艺参数，能够将PBAT和PLA很好相容。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本申请提供一种可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄，牙刷柄原料由PLA和母粒以10:1～3比例组成，其中母粒组分配比为75～91份的PBAT、8～20份的牡丹根皮和1～5份的壳聚糖，先将牡丹根皮和壳聚糖与PBAT混匀后熔融造粒形成母粒，再将母粒与PLA混合后进行注塑得到刷柄，由于PLA占总组分比例70％以上，PLA无需先参与挤出造粒，可以保留PLA物理性能，避免PLA因挤出造粒二次加工影响力学性能，另外先制成母粒再加入PLA，可灵活调整抗菌剂和PBAT添加量，以适应不同产品性能要求，并且先将牡丹根皮和壳聚糖与PBAT混匀后熔融造粒形成母粒，可使得抗菌剂在PBAT中均匀分散，再将母粒与PLA混合时，抗菌剂和PBAT再次均匀分散在PLA中，获得分散性更好产品，可避免PBAT和PLA分散效果差出现分层、以及抗菌剂在PLA中产生团聚，造成抗菌性能及力学性能下降，添加PBAT可明显改善产品韧性，且使用了天然抗菌剂，包括植物类抗菌剂牡丹根皮和动物类抗菌剂壳聚糖，对人体无害，通过复配使得牙刷具有抗菌效率高、安全无毒、环保的优点，本申请提供一种天然抗菌、力学性能优异的可生物降解牙刷，解决降解材料表面容易滋生霉菌，牙刷力学性能降低，使用寿命减少的问题。

本申请提供可抑制霉菌的生物降解PLA牙刷柄的生产工艺，加工简单，成本较低，所制得的可生物降解的抗菌牙刷应用日用消耗品，可提高产品的抗菌性能和耐用性，解决了牙刷刷柄注塑加工技术难题，提供了一种牙刷的生产工艺参数，能够解决牙刷刷柄容易滋生细菌和PLA刷柄稳定性的生产工艺。

具体实施方式

下面结合具体实施例1-4和对比例1-2说明本发明的具体技术方案：

实施例1：

一种可生物降解的抗菌牙刷的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮自然晒干后研磨至10～100目，将PBAT、牡丹根皮和壳聚糖按表1的重量组分在高速搅拌机中，以70r/min的搅拌速度搅拌20分钟进行混合搅拌，搅拌后用双螺杆寄出机进行熔融造粒，其各段温度为：模头温度210℃、第一段190℃、第二段185℃、第三段185℃、第四段170℃，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒与PLA按表2质量比例进行混合，混合后在除湿干燥烘料机中以80℃的干燥温度干燥4h，烘干后在注塑机台进行注塑，注塑机台螺杆直径为45mm，注塑工艺参数如下：各段注塑温度设定为：射嘴200℃、第一段200℃、第二段190℃、第三段180℃；注塑压力60Mpa、注塑时间10s、保压压力50Mpa、保压时间10s、保压速度30％、冷却时间50s、冷却水温度25℃，得刷柄。

实施例2：

一种可生物降解的抗菌牙刷的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮自然晒干后研磨至10～100目，将PBAT、牡丹根皮和壳聚糖按表1的重量组分在高速搅拌机中，以70r/min的搅拌速度搅拌15分钟进行混合搅拌，搅拌后用双螺杆寄出机进行熔融造粒，其各段温度为：模头温度210℃、第一段200℃、第二段185℃、第三段170℃、第四段180℃，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒与PLA按表2质量比例进行混合，混合后在除湿干燥烘料机中以80℃的干燥温度干燥6h，烘干后在注塑机台进行注塑，注塑机台螺杆直径为45mm，注塑工艺参数如下：各段注塑温度设定为：射嘴210℃、第一段210℃、第二段190℃、第三段160℃；注塑压力50Mpa、注塑时间15s、保压压力60Mpa、保压时间10s、保压速度25％、冷却时间40s、冷却水温度20℃，得刷柄。

实施例3：

一种可生物降解的抗菌牙刷的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮自然晒干后研磨至10～100目，将PBAT、牡丹根皮和壳聚糖按表1的重量组分在高速搅拌机中，以70r/min的搅拌速度搅拌10分钟进行混合搅拌，搅拌后用双螺杆寄出机进行熔融造粒，其各段温度为：模头温度190℃、第一段190℃、第二段180℃、第三段185℃、第四段165℃，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒与PLA按表2质量比例进行混合，混合后在除湿干燥烘料机中以80℃的干燥温度干燥3h，烘干后在注塑机台进行注塑，注塑机台螺杆直径为45mm，注塑工艺参数如下：各段注塑温度设定为：射嘴180℃、第一段180℃、第二段190℃、第三段170℃；注塑压力40Mpa、注塑时间20s、保压压力50Mpa、保压时间20s、保压速度20％、冷却时间60s、冷却水温度23℃，得刷柄。

实施例4：

一种可生物降解的抗菌牙刷的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮自然晒干后研磨至10～100目，将PBAT、牡丹根皮和壳聚糖按表1的重量组分在高速搅拌机中，以70r/min的搅拌速度搅拌18分钟进行混合搅拌，搅拌后用双螺杆寄出机进行熔融造粒，其各段温度为：模头温度205℃、第一段190℃、第二段185℃、第三段170℃、第四段165℃，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒与PLA按表2质量比例进行混合，混合后在除湿干燥烘料机中以80℃的干燥温度干燥5h，烘干后在注塑机台进行注塑，注塑机台螺杆直径为45mm，注塑工艺参数如下：各段注塑温度设定为：射嘴200℃、第一段200℃、第二段1℃、第三段170℃；注塑压力50Mpa、注塑时间18s、保压压力60Mpa、保压时间10s、保压速度35％、冷却时间20s、冷却水温度22℃，得刷柄。

对比例1：

一种可生物降解的抗菌牙刷的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮自然晒干后研磨至10～100目，将PBAT、牡丹根皮、壳聚糖和PLA按表1的重量组分在高速搅拌机中，以70r/min的搅拌速度搅拌20分钟进行混合搅拌，搅拌后用双螺杆寄出机进行熔融造粒，其各段温度为：模头温度210℃、第一段190℃、第二段185℃、第三段185℃、第四段170℃，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒在除湿干燥烘料机中以80℃的干燥温度干燥4h，烘干后在注塑机台进行注塑，注塑机台螺杆直径为45mm，注塑工艺参数如下：各段注塑温度设定为：射嘴200℃、第一段200℃、第二段190℃、第三段180℃；注塑压力60Mpa、注塑时间10s、保压压力50Mpa、保压时间10s、保压速度30％、冷却时间50s、冷却水温度25℃，得刷柄。

对比例2：

一种可生物降解的抗菌牙刷的生产工艺，包括以下步骤：

(1)母粒的制作：将牡丹根皮自然晒干后研磨至10～100目，将PBAT、牡丹根皮和壳聚糖按表1的重量组分在高速搅拌机中，以70r/min的搅拌速度搅拌20分钟进行混合搅拌，搅拌后用双螺杆寄出机进行熔融造粒，其各段温度为：模头温度210℃、第一段190℃、第二段185℃、第三段185℃、第四段170℃，得母粒；

(2)刷柄的制作：将母粒与PLA按表2质量比例进行混合，混合后在除湿干燥烘料机中以80℃的干燥温度干燥4h，烘干后在注塑机台进行注塑，注塑机台螺杆直径为45mm，注塑工艺参数如下：各段注塑温度设定为：射嘴200℃、第一段200℃、第二段190℃、第三段180℃；注塑压力60Mpa、注塑时间10s、保压压力50Mpa、保压时间10s、保压速度30％、冷却时间50s、冷却水温度25℃，得刷柄。

表1：实施例1～4和对比例1～2的母粒中各组分的重量比

表2：实施例1～4和对比例2的刷柄中各原料组分配比

将实施例1～4和对比例1～2所制得的牙刷产品进行性能测试，测试项目包括抗菌性能、冲击强度和生物分解性能测试，测试数据如表3所示；

表3：实施例1～4和对比例1～2产品的性能测试结果

由实验测试数据可知，相较于对比例1、2，本申请实施例1～4制备的牙刷具有更好的抗菌效果、韧性和分解性能，相较于对比例1直接将PLA、PBAT和抗菌剂一起进行挤出造粒形成母粒，本申请先将牡丹根皮和壳聚糖与PBAT混匀后熔融造粒形成母粒，再将母粒与PLA混合后进行注塑得到刷柄，由于PLA占总组分比例70％以上，PLA无需先参与挤出造粒，可以保留PLA物理性能，避免PLA因挤出造粒二次加工影响力学性能，另外先制成母粒再加入PLA，可灵活调整抗菌剂和PBAT添加量，以适应不同产品性能要求，并且先将牡丹根皮和壳聚糖与PBAT混匀后熔融造粒形成母粒，可使得抗菌剂在PBAT中均匀分散，再将母粒与PLA混合时，抗菌剂和PBAT再次均匀分散在PLA中，而对比例1由于没有先制成母粒再与PLA混合，因此对比例1的PBAT和PLA分散出现分层，且抗菌剂在PLA中产生团聚，造成抗菌性能及力学性能下降，本申请的牙刷刷柄原料由PLA和母粒以10:1～3比例组成，其中母粒组分配比为75～91份的PBAT、8～20份的牡丹根皮和1～5份的壳聚糖，获得分散性更好产品，添加PBAT可明显改善产品韧性，而对比例2牙刷刷柄原料由PLA和母粒以10:0.5比例组成，由于PBAT、牡丹根皮和壳聚糖添加量不足，造成对比例2成品的韧性和抗菌性没有本申请的优秀，本申请使用了天然抗菌剂，包括植物类抗菌剂牡丹根皮和动物类抗菌剂壳聚糖，对人体无害，通过复配使得牙刷具有抗菌效率高、安全无毒、环保的优点，本申请提供一种天然抗菌、力学性能优异的可生物降解牙刷，解决降解材料表面容易滋生霉菌，牙刷刷柄力学性能降低，使用寿命减少的问题。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。