淀粉基发泡材料的制备与研究

滕 琴，杨时巧，廖利洹，龙秋满，姜 月，赵向飞

（西北民族大学 化工学院，甘肃 兰州 730124）

泡沫材料可以看作气体充分分散在高分子材料基体中的复合材料。由于气体密度低，气体传热、传音、传质等速度慢，造成了发泡材料具有卓越的综合性能，具体表现在质量轻、蓄热蓄冷、比强度高、隔音减噪、减振等优异性能，广泛应用在建筑、装饰装潢、农业、包装业、交通运输、IT、航天航空等多个领域。目前采用的发泡材料，主要以聚苯乙烯（PS）[1]、软（硬）聚氨酯（PU）[2]、聚氯乙烯[3]和聚烯烃[4]等作为基体广泛应用。然而，传统泡沫塑料因体积大造成回收困难。回收一般要使用有机溶剂处理，也造成严重的环境污染；如果不回收，则降解时间长，一般完全降解要几百年，故长期使用导致了严重的“白色污染[5]”，给地球环境造成了严重的环境负担。因此，寻找一种性能优良，环保可降解的泡沫材料成为解决问题的关键，也成为当务之急。

淀粉是植物经光合作用而形成的碳水化合物，是一种来源丰富、价格低廉的可再生资源，自然界的酶可作用导致降解，成为科研工作者追逐的一种理想生物质资源。然而淀粉亲水性强、塑性差、本身成型能力不足，也给其应用造成一定的困难。因此，科研工作者采用淀粉改性[6]和淀粉复配[7]的方法，使淀粉满足一定的功能和成型要求。

实验以淀粉为原料，将淀粉和偶氮二异丁腈、碳酸氢钠、水、邻苯二甲酸二辛酯、过氧化苯甲酰、三碱式硫酸铅、硬脂酸钡、硬脂酸钙、碳酸钙、固体石蜡、液体石蜡、二氧化钛等进行充分复配，分别在高混-塑炼-模压、塑炼-模压、模压[8]等工艺下进行发泡成型实验，以期制备性能优异、绿色环保的淀粉基发泡材料。

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

实验药品：玉米淀粉（St）（食品级，甘肃昆仑生化有限责任公司）；碳酸氢钠、硬脂酸钙、硬脂酸钡（分析纯，天津市光复精细化工研究所）；偶氮二异丁腈（AIBN）（分析纯，天津希恩思生化科技有限公司）；过氧化苯甲酰（分析纯，烟台市双化工有限公司）；纯金红石二氧化钛（VK-T18）（分析纯，宣城晶瑞新材料有限公司）；邻苯二甲酸二辛酯（分析纯，莱阳市双双化工有限公司）；三碱式硫酸铅（分析纯，萨恩化学技术有限公司）；固体石蜡、液体石蜡（化学纯，成都金山化学试剂有限公司）；碳酸钙（分析纯，北京市红星化工产厂）。

实验仪器：高速混合机SHR-10A（南京橡塑机械厂有限公司）；游标卡尺FSD0621-0115（浙江富斯达工具有限公司）；电子天平JY6001（上海民桥精密科学仪器有限公司）；开放式炼塑机SK160-320（南京橡塑机械厂有限公司）；平板硫化机25T（南京橡塑机械厂有限公司）。

1.2 淀粉基发泡材配方

淀粉基发泡材配方如表1所示。

表1 发泡材料配方

1.3 淀粉基发泡材料制备方法

1.3.1 高混—塑炼—模压工艺

（1）称重：根据配方准确称量各种药品。

（2）高混：将称量好的药品置于高速混合机内，先低速混合2 min，再高速混合5 min，后低速混合2 min。

（3）塑炼：设置开放式炼塑机前辊辊温为115 ℃，后辊辊温为110 ℃，进行预热。辊温到达设定温度后，加入高混后物料进行混炼，直到塑化为止。

（4）模压：设定平板硫化机温度为160 ℃，到达设定温度后，将塑炼样品置于模具中，放入模板间；开始给压，当压力达最大值后，保压模压7～8 min，降压，取出样品。

1.3.2 塑炼—模压工艺

（1）称重：根据配方准确称量各种药品。（2）人工混合均匀。（3）塑炼：设置开放式炼塑机前辊辊温为115 ℃，后辊辊温为110 ℃，进行预热。辊温到达设定温度后，加入混合后物料进行混炼，直到塑化为止。（4）模压：设定平板硫化机温度为160 ℃，到达设定温度后，将塑炼样品置于模具中，放入模板间；开始给压，当压力达最大值后，保压模压7～8 min，降压，取出样品。

1.3.3 模压工艺

（1）称重：根据配方准确称量各种药品。（2）人工混合均匀。（3）模压：设定平板硫化机温度为160 ℃，到达设定温度后，将混合样品置于模具中，放入模板间；开始给压，当压力达最大值后，保压模压7～8 min，降压，取出样品。

2 实验结果与讨论

2.1 高混—塑炼—模压发泡

采用高混—塑炼—模压发泡进行实验，实验结果如图1～2所示。

图1 塑炼过程

图2 模压过程

从图1～2可以看出，淀粉在塑化时呈片状但未连成片，说明淀粉塑化性能得到改善，但塑化未达到预期目的，样品未完全塑化，主要原因为高混阶段和塑炼过程中部分塑化剂损失，导致塑化结果不好。塑化后经模压制备的发泡材料没有塑化也没有发泡，主要是塑化效果不好，塑化过程中发泡剂部分损失，导致模压发泡效果不好。

2.2 塑炼—模压发泡

采用塑炼—模压发泡进行实验，结果如图3～4所示。

图3 塑炼过程

图4 模压过程

从图3～4可以看出，相比相同配方下高混—塑炼—模压工艺，塑炼—模压工艺下原料塑化效果明显改善，塑化物料连成整片。塑炼后，物料经模压制备发泡材料，材料模压后塑化发泡成为一体，但发泡材料强度很差且很脆，主要是在塑化阶段发泡剂大部分已挥发或分解损失，导致模压阶段没有充足的发泡剂，发泡效果不佳。

2.3 模压发泡

采用模压发泡进行实验，结果如图5～6所示。

图5 模压制备

图6 模压制备

从图5～6可以看出，相比其他工艺，该工艺发泡材料性能较好，发泡材料塑化成为一体，泡孔均匀致密，说明直接模压发泡成型与其他成型工艺相比，具有较大的优势，这主要是仅进行模压发泡，塑化剂和发泡剂在成型过程中没有损失，可在模压阶段完全发挥作用，起到很好的发泡效果。

3 结语

实验以淀粉作为原料，碳酸氢钠和偶氮二异丁腈作为复合发泡剂，过氧化苯二甲酰作为交联剂，进行配方复配，经不同工艺进行发泡成型，制备系列淀粉基发泡材料。该发泡材料泡孔均匀致密，采用淀粉为原料可完全生物降解，绿色环保。实验发泡不同工艺：高混—塑炼—模压工艺，塑炼—模压工艺，模压工艺进行对比，结果表明，模压工艺发泡效果较好。因为如果采用其他工序后，再进行模压发泡，在其他工序如高混和塑炼过程中，塑化剂和发泡剂会部分挥发和分解，导致模压阶段塑化和发泡不良，进而影响到最终的发泡效果。所以，实验采用模压工艺可制备较好的发泡材料，发泡效果较好。