生物降解热塑性淀粉包装材料应用技术的研究开发

生物降解热塑性淀粉包装材料应用技术的研究开发生物降解热塑性淀粉包装材料应用技术的研究开发 匦鳓嘲 生物降解热塑性淀粉 包装材 应用技术的研究开发 一文 王秋利王建清成培芳 淀 粉降解塑 自问世以来得到了迅速发展 先后经历了填充型淀粉塑 接枝共聚型淀粉塑 和热塑性塑 三个阶 段 众多研究结果表明 早期发展的淀粉含 在 的填充型淀粉塑 能降解的仅仅是 其中的淀粉部分 其余部分要达到完全降解则需 要上百 加上其价格比传统塑 高 回收 利 因而这种降解材 并未真正受到大家的欢 迎随后开发出了对原淀粉进 物 或化学改性 处 后再与树脂接枝共混的接枝共聚型淀粉塑 这种淀粉基塑 曾风靡一时 但这种淀粉塑 在 加工和应用性能上仍 想 而价格比现 塑 贵 左右 热塑性淀粉 简称 是对天然淀粉进 物 或化学处 使其 具备热塑加工性 其淀粉含 高达 添加的其它组分能完全降解 热塑性淀粉塑 作 为一种新型的全生物降解材 同原来的淀粉基 塑 相比其优势在于热塑性 完全降解 成 本低 热塑性淀粉的塑化机 众所周知 淀粉是部分结晶 具有双螺旋结 构的天然大分子 淀粉分子中含有大 羟基 使淀 粉分子间及分子内氢键作用很强 其熔融温度高于 分解温度而难于用热塑性塑 的成型方法加工 因 此要使原淀粉具有热塑性 必须使淀粉分子变构而 无序化 形成具有热塑性的淀粉树脂 热塑性淀粉 塑 的加工原 是在热 剪切 和适当增塑剂的作 用下破坏淀粉原有的球晶结构 使淀粉经玻璃化转 变和熔融转变后形成无定形形态 实现了由晶态向 无定形态的 可逆转变 从而使其在开始热分解前 实现熔融 形成热塑性淀粉 图一是淀粉分子在挤 出过程中的转变模型示意图 图一淀粉分子在挤出过程中的转变模型 淀粉分子在增塑剂 机械剪切 和热的作用下 经过颗粒润 胀 破碎 双螺旋结构打开和大分子释放的过程 最终实现完全 熔融 原淀粉在转化为 的过程中 发生了三种 同层次的结 构变化淀粉颗粒的破碎淀粉分子内和分子间的氢键作用被削 弱 部分或全部失去原有的结晶而转化为无定形态淀粉分子部 分降解而导致分子 降低 因此根据淀粉塑化程度的 同 所得 的材 往往是由残余的膨胀淀粉颗粒 部分熔融 变形和破碎的 淀粉颗粒 完全熔融塑化后的无定形态 以及淀粉的重结晶所构 成的复相体系 淀粉结构的复杂性导致了 的加工比通用塑 的加工复杂 得多 通用塑 的加工主要是熔融 凝固的过程 而 加 工过程中则涉及到塑化 熔融 体积膨胀 降解以及淀粉的物 化学反应 由于淀粉基材 的加工性能由淀粉的可塑化程度来 控制 所以淀粉的塑化过程显得尤为重要 而可塑化程度又受 增塑剂含 种类和加工工艺参数影响 加工过程中 使用增塑剂可以明显降低淀粉大分子间的 相互作用 破坏淀粉的高结晶度 使淀粉玻璃化转变温度降 低而具有可塑性 水是最常用的增塑剂 淀粉基塑 加工中水 含 一般控制在 以下 但是由于水在加工中遇热极 稳 定 容 挥发 因此常用高沸点的增塑剂来代替水 这类增塑 剂主要为甘油 山 醇 乙二醇等多元醇类 其中以甘油最为 常用 这类增塑剂的溶度参数较大 并且含有能与淀粉分子中 隆重推介 广东包装 精彩同 十 无限关注一整 系列活动之抢先订阅篇 丞 辫 月 日 月 日 抢先订阅全 杂志将尊事 扼惠前 迂弓在一东包装审子信总丰 发 广告 发生采卷船 赞 套 名暮 国鳓嘲 羟基发生相互作用的基团 能有效地削弱淀粉分 子之间的氢键作用 从而降低淀粉的玻璃化转变 温度 淀粉的玻璃化温度降低程度 仅与增塑剂 的种类有关 还与增塑剂的含 有关 因此可以 通过改变增塑剂的含 来调节材 的 学 为 从而得到 同性能的制品 资 表明 经塑化处 后的淀粉在 之间出现明显的熔融吸 热峰 说明淀粉分子间的氢键作用被弱化 破 坏 分子链的扩散能 提高 材 的玻璃化转变 温度降低 天然淀粉的双螺旋结构转变为无规线 团结构构象 淀粉实现了分解前微晶熔融态 从 而使原淀粉具有了热塑性加工的可能性 热塑性淀粉的性能 一 热塑性 热塑性是衡 高分子材 的主要指标之一 尤其是玻璃化转变温度 一能决定材 的使用温度 和材 的柔性 淀粉的热塑性与增塑剂 淀粉种 类有很大的关系 增塑剂的影响主要体现在分子 上 一般相对分子 小的增塑剂分子 容 进 入到淀粉分子间 削弱分子间氢键作用 的能 强 所以这种增塑剂效果 好 但所得制品强 度要差些 原淀粉的 一高于 但在增塑 剂存在下经塑化后 淀粉材 的 一降至 左 右 且随着增塑剂含 增大而逐渐降低 高直链 淀粉因其结晶度较低 容 实现可塑性 二 流变性能 熔体的流变特性是衡 材 加工性能的重要 参数 它反映出整个大分子流动性的好坏 而流 动性的好坏又会影响到加工工艺的难 和制品的质 热塑性淀粉塑 在粘流态下其熔体表现为假 塑性流体 表观粘度依赖于剪切速率 因此可以 通过改变剪切速率来调整熔体粘度 优化加工性 能 材 的表观粘度还与增塑剂 温度 润滑 剂 水含 等有关 增塑剂 仅可以充分减小分 子链运动阻 使熔体表观粘度和剪切应 降 低 还可以降低体系的粘流活化能 进而降低熔 体的流动阻 温度也是一个很重要的因素 因 为淀粉晶区的熔融与塑化效果有关 淀粉熔体符 合指数定 一 指数 随温度升高而增加 但常数 随着温 度和水含 的提高而降低 三 学性能 材 的 学性能是热塑性淀粉塑 的另一研 究重点 设备的特殊设计是材 性能优化的一个 方面 另一方面 材 的组成也影响其 学性 能 有关资 表明 甘油等小分子多元醇添加剂 对热塑性淀粉材 的 学性能有很大影响 由甘 油增塑的淀粉具有较高的断裂伸长率 并且其含 越高 断裂伸 长率也越高 但拉伸强度下降 其他的多元醇 淀粉体系都显示 出相似的 学性能变化趋势 水对热塑性淀粉 学性能的影响与 多元醇相似 但断裂伸长率的变化有所 同 从目前的技术水平 看 热塑性淀粉塑 的抗拉强度在 断裂伸长率在 基本可以满足制品需要 但与普通塑 相比还 有待进一步的改进 四 降解性能 热塑性淀粉塑 具有完全生物降解性 淀粉的生物降解能 可通过生物需氧 与化学需氧 的比率来 测定 材 大约在 内分解 考察热塑性淀粉生物降解性的 另一方法是用凝胶渗透色谱法 测 控制混合条件下热塑 性淀粉塑 的分子断裂 混合之后四星期 其分子形成很明显的 低分子 分布 应用及前景 作为一种具有完全生物降解性的材 热塑性淀粉塑 可以 替代普通塑 在许多场合使用 热塑性淀粉塑 在包装方面应用 较多 在农业方面可做农药和肥 用的缓释性包覆材 等在食 品方面 可以满足直接与食品接触的要求 可用于干燥固体食品 的包装 如乳制品和糖果 还可用于快餐容器 一次性塑 刀 叉 超市食品包装盒和包装袋等也可用于代替纸 聚乙烯 金 属箔层压制品的聚乙烯粘结层 使多层包装材 的再循环变得容 对热塑性淀粉塑 的开发工作到目前为止 仍有些困难未克 服 比如这种材 价格过高 耐水性 学性能等还存在 足 随着环保意识的增强和技术的进步 降解塑 的各种性能还将得 到 断提高 有望在 大范围内替代普通塑 尤其是在塑 薄 膜 包装材 医用材 等领域的应用 毫无疑问 生物降解 塑 的潜在市场是巨大的 这种新材 的开发应用将会取代过去 来一直被合成材 垄断的领域 并为包装 业开辟一条对环 境无害的光明之 目前在国外 德国法兰克福 研究所 日本住友商 事 公司 德国 公司 美国国家泡沫化合物公司 美国 公司和意大利 公司等都宣称已成功 研制出 了这种热塑性淀粉塑 可以用于薄膜 片材等的生产 国内 浙江大学 天津大学等曾对淀粉热塑化进 了一些工作 但均未 进入热塑性淀粉塑 产品开发阶段 江西省科学院应用研究所用 四种 同的工艺对淀粉进 了无序