乳酸增塑劑對可降解一次性餐飲具負重性能的影響

王銀泉 劉 鑫 趙麗梅

（蚌埠市產品質量監(jiān)督檢驗研究院，安徽 蚌埠 233000）

近年來，各國對環(huán)境保護問題日益關注，越來越多的國家禁止塑料一次性餐飲具的生產和使用，一次性餐飲具因為其腐蝕性強和不易降解會對環(huán)境造成嚴重的“白色污染”，這與現(xiàn)在“人類與環(huán)境和平共處的主體”相悖。而且這些塑料餐飲具會對土地造成危害，假以時日土地將不能繼續(xù)耕種[1]。針對這一問題，使用另外一種材料代替塑料成為主要的任務，一次性可降解餐具可以解決這一問題，可降解餐具其材料主要包括玉米稈、麥秸、花生殼等，通過添加食用粘合劑、再通過模具進行熱壓最后做成不同類型的產品。這種一次性可降解產品不會造成污染，使用后會自然降解而且其強度高，可塑性強，外觀也比塑料一次性餐飲具美觀。國家針對這種產品制定了《一次性可降解餐飲具通用技術條件》，但是這種理想型的餐具目前也存在一定的問題。臺州富嶺塑膠有限公司、國家塑料制品質量監(jiān)督檢驗中心、安徽豐原生物新材料有限公司等企業(yè)繼續(xù)對可降解餐飲具產品進行開發(fā)和改進[2]。

聚乳酸（PLA）又稱為聚丙交酯，其原料是乳酸，主要來自淀粉（如玉米、大米）等發(fā)酵，屬于“綠色塑料”，是國家大力推廣的一種綠色包裝材料，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。PLA 應用領域也比較廣泛，除了在一次性餐飲具的使用外，還在汽車車門、服裝、電器和醫(yī)療衛(wèi)生等領域有應用。開發(fā)聚乳酸材料不僅能對環(huán)境問題的緩解有幫助而且對全球能源的節(jié)省起到關鍵性作用[3]。

1 聚乳酸材料性能

聚乳酸材料擁有良好的透明性和一定的韌性、生物相容性及耐熱等性能，這些性能是其能作為可降解材料的重要因素。聚乳酸材料熱穩(wěn)定性好，加工溫度與傳統(tǒng)纖維相比要更耐溫。光學方面，聚乳酸材質折射率較低、抗紫外線強度高，光澤度強等優(yōu)點。化學性能方面，脫色能力和抗菌性能是可降解材料的兩個主要指標，聚乳酸可以很好地將二者結合。由于聚乳酸材料使用后能被自然界中的微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，如何控制其材料性能會成為一個難點，力學性能差影響可降解性能，如何保障力學性能的穩(wěn)定是研究可降解聚乳酸材料的另一個難點。目前，可以通過添加增塑劑的方式將淀粉與聚合物充分混合通過模具成為可降解一次性餐具，主要的方法是將PVC 樹脂、DOP、聚酯增塑劑同時加入，可以使聚乳酸塑化完全，增加了分子間的相互運動。而且聚酯增塑劑相容性高，耐久性強，增塑效率高，是目前提高淀粉基可降解聚乳酸一次性餐具力學性能的最好方法之一[4-5]。

2 聚乳酸增韌研究

聚乳酸屬于硬質材料，彈性模量高，但質地脆，難以滿足高韌性的要求。要增加其韌性必須考慮其沖擊強度和拉伸強度兩方面。沖擊強度是材料韌性的一種指標，通常定義為試樣在沖擊載荷的作用下折斷或折裂時，單位面積所吸收的能量。沖擊強度和拉伸延展相互作用于材料樣品上造成材料的形變并最終到達斷裂的過程，這一過程材料不斷吸收能量，材料的韌性就是其吸收能量的過程[6-7]。在沖擊測試中，由于能量的吸收，會產生裂紋，通過觀察裂紋的缺口來判斷其所受的沖擊能力強度，要想增加其沖擊強度就要減小其缺口，使聚乳酸內部發(fā)生團聚，降低缺口沖擊強度，也可以改變其斷裂方式，提高韌性。斷裂方式對外部溫度和能量的要求較高，要改變其載荷類型，所以選用增加聚酯增塑劑方式增韌，加強其沖擊強度，改善其拉伸韌性，使其發(fā)生彈性形變相對容易，更容易實現(xiàn)分子間的聚合使生產的成品可塑性增強[8-9]。

2.1 聚乳酸增塑機理

增塑可以有效提高PLA 的柔韌性。添加增塑劑可以有效提高PLA 的斷裂伸長率和拉伸任性，可以增加聚乳酸產品的韌性，但是添加增塑劑會出現(xiàn)遷移和空穴的問題。遷移問題會導致產品不穩(wěn)定，力學性能改善效果不明顯。空穴問題則會導致局部剪切應力變小，應力分布不均勻，屈服應力變大，產品發(fā)生變形。缺口沖擊強度降低，在外力作用下，斷裂伸長率顯著增高，脆性的聚乳酸更容易發(fā)生斷裂。如何降低這兩種問題的出現(xiàn)，主要在增塑劑的基礎上繼續(xù)添加相關復合材料，這些材料與增塑劑具有很好的相容性。并且能改變增塑劑可降解性與沖擊性[10]。目前市面上比較好的是聚乙二醇（PEG）和聚三亞甲基碳酸酯兩種材料添加入增塑劑中。PEG 不會影響PLA 的結晶程度和可降解性，而且PEG 和PLA 具有較好的相容性。根據(jù)試驗得出增加PEG 后，斷裂伸長率可以達到200%，聚乳酸的韌性也可以達到150%左右，聚乳酸的斷裂伸長率和沖擊強度都有顯著增強。加入聚三亞甲基碳酸酯這種材料則是不會讓聚乳酸發(fā)生熱變形，避免損失和消耗能量，更好地阻止其發(fā)生彈性形變，從而達到增韌和增塑的作用[11-12]。

聚乳酸本身存在韌性低、可塑性差等缺點，增塑劑的添加很好地解決了這一問題。增塑劑主要提高了聚乳酸本身的機械性能，其中包括斷裂伸長性、抗沖擊性能，在《一次性可降解餐飲具通用技術條件》中負重性能作為一個重要指標影響可降解餐飲具的使用能力。由于可降解餐飲具在運輸過程中會出現(xiàn)擠壓情況，所以負重性能要達到運輸要求[13-14]。常溫下拉伸模量要達到要求的0.5Gpa。現(xiàn)在就通過GB/T 18006.1-2020 負重性能實驗驗證添加增塑劑的聚乳酸產品其延展性能是不是得到提升，負重性能是否增加。

2.2 靜力學分析基礎知識

應力：單位面積上所承受的力。如式（1）所示：

式中：

σij——應力。

ΔFJ——在j 方向的矢力。

ΔAi——在i 方向的受力面積。

在聚乳酸材料的一次性飯盒上施加固定向下的外力Fj 的力，并取飯盒的受力方向上的面積ΔAi，使材料內部產生互相作用的力，從而使飯盒發(fā)生彈性應變。從發(fā)生變形到恢復原狀態(tài)，一次性飯盒發(fā)生能量的釋放，按照載荷的相互作用，正應力σ 和切應τ 也會因為受到外力的作用而增強，方向也會從相互平行變?yōu)橄嗷ゴ怪保靿嚎s的應力和發(fā)生彎曲的應力最后會通過扭轉發(fā)生可見的變形，通過測量變形量就可以得到其變形程度。通過這一機理研究聚乳酸材料添加增塑劑后其變形程度[15]。

2.3 增塑劑對一次性塑料餐飲具負重變化率的影響

根據(jù)GB/T 18006.1-2020中負重試驗的實驗方法[16-17]，取試驗一只，將盛裝食品的主體部分倒扣排放在平滑玻璃板上，再放上另一塊平板玻璃。先用金屬尺測量平板玻璃下表面至桌面的高度。然后將3kg 砝碼置于平板玻璃中央處，負重1min 立即精確測量上訴高度。未添加增塑劑如圖1 所示，添加增塑劑的如圖2 所示。根據(jù)公式（2）得出變化率。

圖1 未添加增塑劑

圖2 添加增塑劑

式中：

W——試樣的負重變化率。

H0——試樣負重前高度，單位為毫米（mm）。

H——試樣負重后高度，單位為毫米（mm）。

H0為53mm，H1為48mm，負重變化率W1 是9.4%。H2為52mm，負重變化率W2 是1.9%。可以看出添加增塑劑的一次性餐飲具負重變化率低，形變量低，韌性更好，餐飲具更穩(wěn)定。通過實驗可以得出添加增塑劑的產品其負重性能更好，韌性更好，增塑劑在一定程度上改變了模型的彈性變量使其具有更好的變形力。另一方面，增塑劑的使用也會導致產品在后續(xù)保存方面存在穩(wěn)定性不足的問題。高溫和潮濕會使可降解餐具發(fā)生溶解，存在隱患，對身體造成影響。人們在日常使用過程中會存在真安全隱患。后續(xù)會繼續(xù)研究如何通過控制增塑劑的量來減少食品安全隱患。

3 結語

我國的可降解材料產業(yè)已具備一定的規(guī)模，技術方面也取得了一些突破。產能方面，目前國內PLA 可降解材料相關產品產能不斷提高已經可以達到量產并且融入人們的生活當中。在產能激增的背后，可降解材料的發(fā)展仍存在若干問題，可降解產品結構不合理，可降解核心技術不成熟，增塑劑的相容性還存在問題，不能大規(guī)模生產等，不過我們會繼續(xù)研究，突破困境，減少與發(fā)達國家的差距。