生物降解熱塑性全淀粉塑料研制分析

李正陽

(深圳市福田區精呈威塑膠技術服務咨詢部，廣東 深圳 518028）

進入21世紀，隨著塑料制品的廣泛應用，雖然給人們的生活帶來了極大的便利，但是卻給人們賴以生存的地球環境造成了嚴重的污染。由于對于塑料制品的焚燒處理依然需要大量的資金投入，而且經常也不能得到切實的落實，人們隨手丟塑料垃圾袋的現象時有發生，所以人們對于塑料制品給地球帶來的生態問題越來越擔憂。

1 可降解塑料現狀分析

針對塑料制品帶來的相關問題，國內外都進行了廣泛的研究，并紛紛制成了一些可以降解的塑料。美國、意大利、日本等國家都已經研發出了具有熱塑性并且使用性能良好的可降解塑料，該塑料的淀粉含量處于60%～90%，但是，由于產品的價格比一般塑料產品的價格要貴，所以在市場上并沒有得到非常廣泛的應用。

在我國，眾多企業和機構也對淀粉塑料進行了不懈的研究，然而只是研究出了填充型或者是雙降解的淀粉制造的塑料，至于天然全淀粉的熱塑性的可降解塑料并沒能夠實現規模化的生產。

2 全淀粉塑料定義

全淀粉塑料一般是指淀粉含量在90%以上，而其他10%則是沒有毒性并且是可以降解的塑料制品。它的主要原理是以天然淀粉為主要原料，對其分子結構進行改變實現其無序化，制成淀粉樹脂再加上一些必要的試劑，最后加工成全淀粉的可降解塑料產品。這種產品因為工藝簡單、成本低廉并且具有很好的環保作用，因而有很好的發展前景。

下文則是具有熱塑性的、全淀粉的、可降解塑料制品的常見的具體的研制方法。

3 研制方法

3.1 制作

所需設備：攪拌器（高速）；高1 m的雙筒冷凝器；寬1.2 m的自制流延機；單螺桿和雙螺桿擠出機；煉塑機（雙輥筒）；100 L的夾層反應鍋，最好是搪瓷。原料:馬鈴薯、大米、玉米等淀粉含量較高的植物。輔助劑：抗氧化劑、抗凈化劑、丙三醇、EVA、纖維素等。

3.1.1 熱塑性的淀粉的制備

將淀粉放在密閉的容器里，以每分鐘10 ℃的速率進行加熱，在加熱到178 ℃后開啟，淀粉為透明的熔狀體，等到其冷卻后進行粉碎。

之后利用淀粉和聚酯在復合后擠出或者流延，或者是將淀粉和增塑劑進行電磁振蕩后共同擠出，亦或是淀粉和酯化的PVA進行復合成為均質的聚合物的合成等方法，從而使淀粉具備熱塑性。

3.1.2 淀粉塑料制備

可以使用兩種工藝。一種工藝是將具備熱塑性的淀粉和纖維素、水、多元醇類的增塑劑等輔助劑等進行高度的混合，5 m后用雙螺桿將各部分溫度控制在114～170 ℃，轉速控制在300進行機塑化擠出，接著等到冷卻后以后進行粉碎并且造粒，實現吹塑、吸塑、壓片等二次加工以后制成最終的產品。

另一種工藝則是將上述所給出的配方的原料兌進八倍的水并且注到反應鍋里，90 ℃的時候進行共混，經過流延機，以每分鐘3 m的流速流延之后進行干燥制膜。

3.2 檢測

產品制成以后，要對其性能進行檢測，具體包括：

（1）要利用DSC示差掃描對制成的淀粉塑料粒進行熱失重的分析以及熱分析從而為加工提供參數；

（2）按照標準對薄片和薄膜的力學性能進行檢測；

（3）對天然的淀粉以及塑化的淀粉進行紅外線或是掃描電鏡分析并提供準確的參數；

（4）對產品的降解性進行分析。

3.3 結果與討論

3.3.1 熱塑性淀粉結構分析

天然的淀粉一般是顆粒狀態，既有結晶態的部分,又有非結晶態的部分，并且每個顆粒都形成一個球晶。然而，經過塑化的淀粉只有少量的晶片在非晶態中分散，球晶結構以及顆粒結構都遭到破壞。

3.3.2 熱塑性淀粉性能分析

淀粉是一種天然的大分子，分子間相互作用，產生很大的作用力，這會使分子的斷裂強度比較高。由于淀粉團粒里的水分，在溫度較高時會散失掉，在DSC測試圖譜上則表現為在100 ℃附近出現一個很寬的吸熱峰，所以天然淀粉并沒有熱塑性。

經過增塑以后的淀粉，增塑劑的小分子進入到天然淀粉的分子里面，會降低天然淀粉分子之間的相互作用力，降低材料的斷裂強度，并且起到稀釋的作用。由于淀粉實現增塑后，破壞了分子之間氫鍵的作用，提高了分子鏈的擴散能力，構象從雙螺旋變成了無規則線團，在圖譜上表現為在140～160 ℃出現熔融的吸熱峰，這表明淀粉實現了其熱塑性。

3.3.3 紅外光譜分析

檢測制成淀粉的熱塑性，也要對其進行紅外線光譜掃描分析。如果說淀粉羥基在3 200～3 500 cm-1以及附近的吸收峰在圖像上表現為強而且寬的，那就說明制成的淀粉結構中形成氫鍵締合，從而使偶極矩變大，因此吸收峰就表現為強而且寬。這樣的結果就表明淀粉在經過高溫高壓等特殊處理，結晶區、次價鍵遭到破壞，因而使淀粉有了熱塑性。

3.3.4 生物降解性

全淀粉塑料進行降解有兩種原理。一種是加入一些特殊的添加劑,利用塑料表面微生物實現降解。另一種就是利用細胞外酶實現水解來進行生物降解。不同類型的淀粉塑料的生物降解程度與所用淀粉的種類以及添加劑等都有一定程度的關系。

降解速率的計算公式為:

檢測時間按照具體情況，可以是一年、半年或者三個月。

4 前景

隨著人們生活水平的提升，以及環保意識的增強，可降解塑料的使用越來越受到政府和人們的關注。為了解決塑料制品廣泛應用所帶來的白色污染，不管是國內還是國外，都將研制可降解塑料制品作為一項重要的研究。

據報道，目前國際以及國內對可降解塑料的需求都非常巨大，如美國、西歐、日本等。其中所列三個國家的可降解塑料杯總消耗在2002年為57 000 t，到2007年達到210 000 t，每年的增長率超過30%。這樣的趨勢最近幾年更為劇烈，甚至可以說是驚人。中國作為人口大國，隨著改革開放的不斷加深，人們經濟水平、思想意識、環保觀念的提升，其產品具有極大的市場需求和前景。

利用天然原料來制造一些可降解的塑料制品，因為其健康環保，不會造成污染，所以是一項非常受歡迎的研究項目。近年來，我國淀粉積壓嚴重，運用可以生物降解的具備熱塑性的全淀粉塑料制品，不僅可以解決我國淀粉過多積壓產生的浪費，而且可以有效控制白色污染，實現人們生存環境的有效保護。

但是用天然原理制作塑料制品，也會存在兩個問題，一個是和之前經常使用的聚乙烯或者聚苯乙烯塑料制品相比，成本比較高，價格也要偏高一些。另一方面，天然原料制成的塑料制品的使用性能，可能并不如以往的塑料制品的性能好。然而，由于現在中國民眾經濟水平的提升以及環保意識的加大，這兩個問題并不影響人們對可降解塑料的巨大需求。

5 結語

在全淀粉熱塑性可降解塑料的研制過程中，要對淀粉的力學性能、顆粒細度、淀粉結晶度等方面進行處理。因為全淀粉塑料實施項目的復雜性、各國的科研水平、市場推廣力度等因素的影響，該技術在市場上還沒有得到更為廣泛的應用。

但是，隨著技術水平的不斷提升，人們接受程度的不斷加大，該項技術將會成為必然的發展趨勢，將會對減少白色污染，實現全民環保具有巨大的推動作用。

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