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生物降解热塑性全淀粉塑料研制

发布日期:2015-07-20 11:19:17
国内外研究者一直在努力开发对环境无污染塑料。生物降解塑料材料包括合成材料和天然髙分子材 料,由于天然高分子材料资源丰富又可再生,因此格外 引人注目。淀粉由于可再生,来源丰富,价格便宜,人 们将其添加到合成树脂中制成淀粉添加型生物pi解塑 料,但由于其不能完全降解,因而不受欢迎。
20世纪90年代后,美、日和意大利等国大力开发热 塑性淀粉塑料,它可以完全生物降解,且应用性能尚好, 如美国的Wamer-Lamber企业的产品Neven,日本合成 化学工业企业的Econmate AX和意大利Novamont企业 的Mater-Bi等,其淀粉含量在60%?90%。虽然已 投产,但其关键技术仍处于保密状态,且价格比普通塑 料高,因而推广不易,所占现行塑料的总量仍然很小。
国内研究开发淀粉塑料的单位已达60多家,且已成 立“中国降解塑料研究会”,生产企业多达200多家,虽 然发表研究热塑性淀粉塑料的文献不少,但市场产品还 是以填充型或双降解型淀粉塑料为主,热塑性全淀粉生 物降解塑料仍未能规模生产。
大家在国家自然科学基金支撑下,20世纪90年代初 就开始进行热塑性淀粉的研究,并创新工艺将普通淀粉 经热塑处理使其分子结构无序化,然后再经改性成热塑 性淀粉w,这样两步复合工艺尚未见文献报道,相对于国 外应用辐射法使淀粉分子无序化的成本大大降低,最后 在其中加入可完全降解的增塑剂等助剂制成全生物降解 热塑性淀粉塑料,产品的淀粉含量在80%?90%,不仅性 能可以达到实用,保证完全生物降解,且由于工艺路线较为简便,成本远低于国外同类型的生物降解塑料,因此具有良好的发展潜力。
天然淀粉与已增塑 的热塑性淀粉其热性能有很大的不同,淀粉是一种含有 羟基的天然大分子,分子间大量的羟基相互作用,产生很强的范德华力,其中氢键的贡献尤为显著。由于淀粉 大分子间的相互作用力很强,导致较高的断裂强度此外,淀粉是部分结晶的,所以断裂伸长率并不高。当 经过热处理和加入增塑剂等添加剂时,在高温和剪切力 的作用下,淀粉颗粒遭到破坏,增塑剂小分子渗入到淀 粉分子之间,起到稀释剂的作用,从而降低了淀粉分子间的作用力,使材料的断裂强度下降。同时增塑剂小分 子还起到增塑剂的作用,提高了淀粉的链段乃至整个大 分子的运动,因而断裂伸长率提高。
从测试的DSC谱图看来,各种天然淀粉均出现一个 很宽的位于100°C附近的吸热峰,这是因为淀 粉团粒内的平衡水分在温度继续升高时会失去而致分解,因此它不具有热塑性。
大家使其增塑后,在40?160之间出现了明显的 熔融吸热峰,说明了淀粉分子之间的氢键作用 被削弱破坏,分子链的扩散能力提高,材料的玻璃化转 变温度降低,所以在分解前实现了微晶的熔融,由双螺 旋构象转变为无规线团构象,从而使淀粉具备了热塑性加工的可能性。
在光学显微镜下可观察到淀粉是以颗粒状态存在, 每个颗粒构成个完整的球晶,因而淀粉颗粒既有非晶 态部分,又有结晶态部分。原淀粉和热塑性淀粉 的扫描电镜照片。可见经挤出塑化加工后,淀粉的颗粒状结构基本消失,淀粉的球晶结构也受到破坏,只剩下少数晶片分散在非晶态连续相中。
全淀粉热塑性塑料中有两类组份,一是含量达90% 以上的淀粉,其生物降解机理是通过细胞外酶进行水解; 二是添加剂,它是在较低速率下通过吸取在塑料表面的微生物进行生物降解。当然,全淀粉塑料的整体生物降 解取决于不同品种的淀粉、不同类型添加剂和它们的组成。
据报道,全球塑料产量已逾2亿t,其中30%用于包装,这一使用周期短的产品给城市带来了大量垃圾, 长期污染环境,因而希翼完全降解塑料尽快大规模生产, 阻碍它发展的首要问题是成本。
就目前问世的完全降解塑料有多个品种,成本降低可能性最大的要数全淀粉热塑性塑料,因为其原料淀粉是可再生资源,其单位价格远比传统塑料原料低,比现在合成的可降解树脂就更低。就世界而言,美国一直大 力开拓淀粉应用,填充型淀粉塑料一度在美国发展迅速, 也是美国玉米种植协会积极鼓吹推动的结果。在中国,
淀粉近来也是急需开拓其应用,提高其附加值,因此其原料应是充裕的。
中国已下“禁塑令”,应该尽快有替代的新产品。就 大家的研究而言,鉴于所采用的工艺生产成本明显低于 国外同类产品,如果选定好发挥降解优势的最终产品, 有可能推广应用这一新型天然高分子材料,不仅保护了 环境,而且可较大幅度地增加淀粉附加值。
生物降解热塑性全淀粉塑料研制
 
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