生物降解淀粉塑料的特点及应用

朱 赪，刘震宇，夏 炎

（吉林省塑料研究院，吉林 长春 130028）

1 热塑性淀粉的研究现状

1.1 淀粉的结构特性

淀粉是以太阳为能源在植物组织中合成得到的一种高分子碳水化合物，其分子式为（C6H10O5） ,经过研究人们发现，其内部主要是由葡萄糖经过两种不同的连接方式连接起来的，进而可以将其分为直链淀粉和支链淀粉。其中直链淀粉是一种线性的聚合物，呈现出右手螺旋的规则，内部只含有氢原子，属于亲油结构；支链淀粉是一种高度分枝的大分子，是从主链上分出来的部分，呈现出双螺旋的结构[1]。淀粉在显微镜下的显示的结构主要是大大小小的颗粒状的，而且在不同的植物中其颗粒大小有所不同。

1.2 淀粉塑料

淀粉塑料指的是在其结构中含有淀粉及其衍生物的塑料。在二十世纪的七八十年代就有学者尝试了淀粉填充聚乙烯塑料的方法来帮助塑料进行降解。这种淀粉塑料被认为是第一代，主要是由颗粒淀粉直接与聚乙烯进行混合[2]，这种混合比较粗糙，其淀粉含量较低。第二代的淀粉塑料是利用变性淀粉和亲水性的聚合物进行混合，这种淀粉塑料已经初步显示出了较好的降解性能。最新一代的塑料淀粉是通过利用高温高压高湿度条件，将各类淀粉直接进行聚合，并挤出得到塑料制品，这种塑料没有添加任何的聚合物，是完全的掉分塑料，其生物降解性比较强，是真正意义上的生物降解塑料。

1.3 热塑性淀粉的研究现状

当前热塑性淀粉的研究主要有以下几种，首先是化学反应制备的热塑性淀粉，通过将淀粉进行氧化、氨基化以及酯醚化等变形处理，使其得到疏水性集团，从而降低淀粉的吸水速度，同时这种改性后的淀粉颗粒内部的氢键作用减弱，其与聚乙烯等高聚物的形容性增强，方便制出淀粉塑料。其次是淀粉与其它的天然大分子物质进行混合，这些大分子主要有果胶、半乳糖等，通过挤出和注射成型技术将淀粉与天然纤维素进行混合和改性，可以制作出复合材料。还有一种办法是将淀粉与可降解的聚合物进行混合，这样就可以等到填充型的淀粉塑料材料，实现塑料制品的部分降解。

1.4 热塑性淀粉塑料的主要生产工艺

热塑性淀粉的主要办法是挤出和流涎，在挤出工艺中，主要是将原料放入高速混合机中将其混合均匀，然后再利用挤出机基础，在这个过程汇总还需要加入增塑剂进行塑型，增塑剂主要有水和丙三醇。而流涎工艺的步骤主要包括将原料淀粉进行糊化，然后加入高聚物和助剂，将其调和成满足需求的材料。

2 热塑性淀粉结构特点的研究

2.1 直链淀粉含量

利用淀粉与碘可以形成螺旋状络合物的特点可以对其进行检测。其中直链淀粉与碘结合可以生成纯蓝色的碘络合物，而支链淀粉与碘结合生成的是紫红色的碘络合物。因此直链淀粉和支链淀粉与碘结合的产物其光学特性有较大的差异，具有不同的最大吸收峰，以此可以利用此特性进行直链淀粉与支链淀粉的检测。根据我们的测定结果，豌豆淀粉中的直链淀粉含量最高，为54%，玉米淀粉中直链淀粉含量为30%，而木薯淀粉中直链淀粉含量为12%[3]。

2.2 电镜下的形态结构

首先我们对这三种淀粉进行了电镜下的观察，发现含直链淀粉的比例较高的豌豆淀粉由于其颗粒较大，淀粉之间的凝聚现象不明显；玉米淀粉和木薯淀粉的颗粒形态相似且比豌豆淀粉要小，因此其容易形成凝聚体。随后我们向淀粉颗粒中加入增塑剂，淀粉颗粒出现膨胀，随后颗粒之间的距离变小，进而互相挤压，最后慢慢随着实验继续，颗粒之间互相融合，表现出较为均匀的融合现象。我们进一步研究了不同直链淀粉含量对于其热塑性的影响，发现直链淀粉含量越高，淀粉微粒凝聚体尺寸越大，其塑化性也就越差。在不同的混炼方式中，用单螺杆挤出机对淀粉的剪切力较大，因而用其塑化的淀粉颗粒发生了较明显的变形，塑化性较高。

3 热塑性淀粉的性能研究

3.1 热塑性淀粉的力学性能

我们的试验使用拉伸强度和断裂伸长率来表示其力学性能。首先是测试不同直链淀粉含量对于热塑性淀粉的力学性能的影响，发现当热塑性淀粉中直链淀粉的含量在25%左右时，其拉伸强度最大，同时，随着测试样品中的直链淀粉含量的增加，其断裂伸长率的变化并不大。其次是探究使用不同的增塑剂对于热塑淀粉力学性能的影响，通过实验我们发现，使用甲酰胺和乙二醇的热塑性淀粉，其拉伸强度的差别不是很大，并且使用这两种增塑剂，当其用量增加时，材料的拉伸强度降低而断裂伸长率增加，但是在使用甘油时却出现了脆性断裂。此外，使用甘油作为增塑剂的材料，其拉伸强度要远高于其他两种，我们通过分析这几种物质的特性，推测可能是由于乙二醇和甲酰胺的分子量较甘油的比较小，其在材料中运动的能力较强，因此能够破坏淀粉各个分子键间的作用力，因此其断裂伸长率较甘油的要高。其中，甲酰胺作为增塑剂时，其材料的端来额伸长率是最高的，而拉伸强度最低，因而从力学新歌能上来说，甲酰胺的增塑性最好。最后我们研究了纤维的加入对于热塑性淀粉的力学影响。随着想爱你为含量的增加，淀粉材料的拉伸强度是先减小、后增大的，纠其原因可能是少量的纤维加入淀粉材料中可能使其分散性不好，从而降低了拉伸强度，但是当纤维量达到一定程度后，这种分散性就被提升了，因而其拉伸强度也有所提升。

3.2 热塑性淀粉的吸水性能

我们的试验使用各个时间点的含水量及其变化来表示热塑性淀粉的吸水性。首先是利用不同增塑剂对于热塑性淀粉的吸水性能的影响，我们发现随着甘油的用量增加，热塑形淀粉的平衡吸水率有所提升。但是对于使用了甲酰胺和乙二醇的热塑性淀粉，在实验的过程中含有吸水和脱水两个过程，我们不能很好地得出其具体的脱水性能参数。其次是探究了直链淀粉的含量对于热塑性淀粉的吸水性影响，最终我们发现不同含量质量淀粉对于热塑性淀粉的吸水性能影响不大。最后我们研究了PLA 对于热塑性淀粉的吸水性能的影响，发现在PLA 加入之后，热塑性淀粉的平衡吸水率有所下降，而且在与此同时，淀粉材料的吸水速率明显下降。

3.3 热塑性淀粉的生物降解性能

我们使用土埋法对热塑性淀粉的生物降解性能进行了测试，将混有PLA 的热塑性淀粉放在有机肥中，观察在不同的时间点其内菌落生长情况，发现在25 天左右，表面就开始出现了菌落，并且随着时间的推移，其表面的菌落就可以通过肉眼看见了，由此间接证明了这种热塑性淀粉具有一定的生物降解性。但是我们对于热塑性淀粉生物性降解性能只是进行了定性的试验分析，并没有进行定量的研究工作下一步需要进一步设计合适的量化方案对其讲解性能进行分析，并且要对不同品种的热塑性淀粉进行分析以及可能的影响其降解速率的主要因素有哪些，了解最适合于热塑性淀粉的原材料[4]。

4 结语

综上所述，通过将天然淀粉进行加热、剪切以及增塑等加以改性，可以使其变为热塑性淀粉材料，通过提高反应温度、增加反应时间以及利用单螺旋挤出机的方式，可以得到最佳的最均匀的热塑性才艾利欧，其中甲酰胺的增塑性能最好，可以降低热塑性淀粉的拉伸强度、增加断裂伸长率。不仅如此，经过证实，热塑性淀粉还有较强的生物降解性能，可以在较短的时间内完成降解，有助于改善塑料产品带来的白色垃圾污染的情况。