生物降解淀粉塑料的特點及應用

朱 赪，劉震宇，夏 炎

（吉林省塑料研究院，吉林 長春 130028）

1 熱塑性淀粉的研究現狀

1.1 淀粉的結構特性

淀粉是以太陽為能源在植物組織中合成得到的一種高分子碳水化合物，其分子式為（C6H10O5） ,經過研究人們發現，其內部主要是由葡萄糖經過兩種不同的連接方式連接起來的，進而可以將其分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。其中直鏈淀粉是一種線性的聚合物，呈現出右手螺旋的規則，內部只含有氫原子，屬于親油結構；支鏈淀粉是一種高度分枝的大分子，是從主鏈上分出來的部分，呈現出雙螺旋的結構[1]。淀粉在顯微鏡下的顯示的結構主要是大大小小的顆粒狀的，而且在不同的植物中其顆粒大小有所不同。

1.2 淀粉塑料

淀粉塑料指的是在其結構中含有淀粉及其衍生物的塑料。在二十世紀的七八十年代就有學者嘗試了淀粉填充聚乙烯塑料的方法來幫助塑料進行降解。這種淀粉塑料被認為是第一代，主要是由顆粒淀粉直接與聚乙烯進行混合[2]，這種混合比較粗糙，其淀粉含量較低。第二代的淀粉塑料是利用變性淀粉和親水性的聚合物進行混合，這種淀粉塑料已經初步顯示出了較好的降解性能。最新一代的塑料淀粉是通過利用高溫高壓高濕度條件，將各類淀粉直接進行聚合，并擠出得到塑料制品，這種塑料沒有添加任何的聚合物，是完全的掉分塑料，其生物降解性比較強，是真正意義上的生物降解塑料。

1.3 熱塑性淀粉的研究現狀

當前熱塑性淀粉的研究主要有以下幾種，首先是化學反應制備的熱塑性淀粉，通過將淀粉進行氧化、氨基化以及酯醚化等變形處理，使其得到疏水性集團，從而降低淀粉的吸水速度，同時這種改性后的淀粉顆粒內部的氫鍵作用減弱，其與聚乙烯等高聚物的形容性增強，方便制出淀粉塑料。其次是淀粉與其它的天然大分子物質進行混合，這些大分子主要有果膠、半乳糖等，通過擠出和注射成型技術將淀粉與天然纖維素進行混合和改性，可以制作出復合材料。還有一種辦法是將淀粉與可降解的聚合物進行混合，這樣就可以等到填充型的淀粉塑料材料，實現塑料制品的部分降解。

1.4 熱塑性淀粉塑料的主要生產工藝

熱塑性淀粉的主要辦法是擠出和流涎，在擠出工藝中，主要是將原料放入高速混合機中將其混合均勻，然后再利用擠出機基礎，在這個過程匯總還需要加入增塑劑進行塑型，增塑劑主要有水和丙三醇。而流涎工藝的步驟主要包括將原料淀粉進行糊化，然后加入高聚物和助劑，將其調和成滿足需求的材料。

2 熱塑性淀粉結構特點的研究

2.1 直鏈淀粉含量

利用淀粉與碘可以形成螺旋狀絡合物的特點可以對其進行檢測。其中直鏈淀粉與碘結合可以生成純藍色的碘絡合物，而支鏈淀粉與碘結合生成的是紫紅色的碘絡合物。因此直鏈淀粉和支鏈淀粉與碘結合的產物其光學特性有較大的差異，具有不同的最大吸收峰，以此可以利用此特性進行直鏈淀粉與支鏈淀粉的檢測。根據我們的測定結果，豌豆淀粉中的直鏈淀粉含量最高，為54%，玉米淀粉中直鏈淀粉含量為30%，而木薯淀粉中直鏈淀粉含量為12%[3]。

2.2 電鏡下的形態結構

首先我們對這三種淀粉進行了電鏡下的觀察，發現含直鏈淀粉的比例較高的豌豆淀粉由于其顆粒較大，淀粉之間的凝聚現象不明顯；玉米淀粉和木薯淀粉的顆粒形態相似且比豌豆淀粉要小，因此其容易形成凝聚體。隨后我們向淀粉顆粒中加入增塑劑，淀粉顆粒出現膨脹，隨后顆粒之間的距離變小，進而互相擠壓，最后慢慢隨著實驗繼續，顆粒之間互相融合，表現出較為均勻的融合現象。我們進一步研究了不同直鏈淀粉含量對于其熱塑性的影響，發現直鏈淀粉含量越高，淀粉微粒凝聚體尺寸越大，其塑化性也就越差。在不同的混煉方式中，用單螺桿擠出機對淀粉的剪切力較大，因而用其塑化的淀粉顆粒發生了較明顯的變形，塑化性較高。

3 熱塑性淀粉的性能研究

3.1 熱塑性淀粉的力學性能

我們的試驗使用拉伸強度和斷裂伸長率來表示其力學性能。首先是測試不同直鏈淀粉含量對于熱塑性淀粉的力學性能的影響，發現當熱塑性淀粉中直鏈淀粉的含量在25%左右時，其拉伸強度最大，同時，隨著測試樣品中的直鏈淀粉含量的增加，其斷裂伸長率的變化并不大。其次是探究使用不同的增塑劑對于熱塑淀粉力學性能的影響，通過實驗我們發現，使用甲酰胺和乙二醇的熱塑性淀粉，其拉伸強度的差別不是很大，并且使用這兩種增塑劑，當其用量增加時，材料的拉伸強度降低而斷裂伸長率增加，但是在使用甘油時卻出現了脆性斷裂。此外，使用甘油作為增塑劑的材料，其拉伸強度要遠高于其他兩種，我們通過分析這幾種物質的特性，推測可能是由于乙二醇和甲酰胺的分子量較甘油的比較小，其在材料中運動的能力較強，因此能夠破壞淀粉各個分子鍵間的作用力，因此其斷裂伸長率較甘油的要高。其中，甲酰胺作為增塑劑時，其材料的端來額伸長率是最高的，而拉伸強度最低，因而從力學新歌能上來說，甲酰胺的增塑性最好。最后我們研究了纖維的加入對于熱塑性淀粉的力學影響。隨著想愛你為含量的增加，淀粉材料的拉伸強度是先減小、后增大的，糾其原因可能是少量的纖維加入淀粉材料中可能使其分散性不好，從而降低了拉伸強度，但是當纖維量達到一定程度后，這種分散性就被提升了，因而其拉伸強度也有所提升。

3.2 熱塑性淀粉的吸水性能

我們的試驗使用各個時間點的含水量及其變化來表示熱塑性淀粉的吸水性。首先是利用不同增塑劑對于熱塑性淀粉的吸水性能的影響，我們發現隨著甘油的用量增加，熱塑形淀粉的平衡吸水率有所提升。但是對于使用了甲酰胺和乙二醇的熱塑性淀粉，在實驗的過程中含有吸水和脫水兩個過程，我們不能很好地得出其具體的脫水性能參數。其次是探究了直鏈淀粉的含量對于熱塑性淀粉的吸水性影響，最終我們發現不同含量質量淀粉對于熱塑性淀粉的吸水性能影響不大。最后我們研究了PLA 對于熱塑性淀粉的吸水性能的影響，發現在PLA 加入之后，熱塑性淀粉的平衡吸水率有所下降，而且在與此同時，淀粉材料的吸水速率明顯下降。

3.3 熱塑性淀粉的生物降解性能

我們使用土埋法對熱塑性淀粉的生物降解性能進行了測試，將混有PLA 的熱塑性淀粉放在有機肥中，觀察在不同的時間點其內菌落生長情況，發現在25 天左右，表面就開始出現了菌落，并且隨著時間的推移，其表面的菌落就可以通過肉眼看見了，由此間接證明了這種熱塑性淀粉具有一定的生物降解性。但是我們對于熱塑性淀粉生物性降解性能只是進行了定性的試驗分析，并沒有進行定量的研究工作下一步需要進一步設計合適的量化方案對其講解性能進行分析，并且要對不同品種的熱塑性淀粉進行分析以及可能的影響其降解速率的主要因素有哪些，了解最適合于熱塑性淀粉的原材料[4]。

4 結語

綜上所述，通過將天然淀粉進行加熱、剪切以及增塑等加以改性，可以使其變為熱塑性淀粉材料，通過提高反應溫度、增加反應時間以及利用單螺旋擠出機的方式，可以得到最佳的最均勻的熱塑性才艾利歐，其中甲酰胺的增塑性能最好，可以降低熱塑性淀粉的拉伸強度、增加斷裂伸長率。不僅如此，經過證實，熱塑性淀粉還有較強的生物降解性能，可以在較短的時間內完成降解，有助于改善塑料產品帶來的白色垃圾污染的情況。