淀粉基發泡材料的制備與研究

滕 琴，楊時巧，廖利洹，龍秋滿，姜 月，趙向飛

（西北民族大學 化工學院，甘肅 蘭州 730124）

泡沫材料可以看作氣體充分分散在高分子材料基體中的復合材料。由于氣體密度低，氣體傳熱、傳音、傳質等速度慢，造成了發泡材料具有卓越的綜合性能，具體表現在質量輕、蓄熱蓄冷、比強度高、隔音減噪、減振等優異性能，廣泛應用在建筑、裝飾裝潢、農業、包裝業、交通運輸、IT、航天航空等多個領域。目前采用的發泡材料，主要以聚苯乙烯（PS）[1]、軟（硬）聚氨酯（PU）[2]、聚氯乙烯[3]和聚烯烴[4]等作為基體廣泛應用。然而，傳統泡沫塑料因體積大造成回收困難。回收一般要使用有機溶劑處理，也造成嚴重的環境污染；如果不回收，則降解時間長，一般完全降解要幾百年，故長期使用導致了嚴重的“白色污染[5]”，給地球環境造成了嚴重的環境負擔。因此，尋找一種性能優良，環保可降解的泡沫材料成為解決問題的關鍵，也成為當務之急。

淀粉是植物經光合作用而形成的碳水化合物，是一種來源豐富、價格低廉的可再生資源，自然界的酶可作用導致降解，成為科研工作者追逐的一種理想生物質資源。然而淀粉親水性強、塑性差、本身成型能力不足，也給其應用造成一定的困難。因此，科研工作者采用淀粉改性[6]和淀粉復配[7]的方法，使淀粉滿足一定的功能和成型要求。

實驗以淀粉為原料，將淀粉和偶氮二異丁腈、碳酸氫鈉、水、鄰苯二甲酸二辛酯、過氧化苯甲酰、三堿式硫酸鉛、硬脂酸鋇、硬脂酸鈣、碳酸鈣、固體石蠟、液體石蠟、二氧化鈦等進行充分復配，分別在高混-塑煉-模壓、塑煉-模壓、模壓[8]等工藝下進行發泡成型實驗，以期制備性能優異、綠色環保的淀粉基發泡材料。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

實驗藥品：玉米淀粉（St）（食品級，甘肅昆侖生化有限責任公司）；碳酸氫鈉、硬脂酸鈣、硬脂酸鋇（分析純，天津市光復精細化工研究所）；偶氮二異丁腈（AIBN）（分析純，天津希恩思生化科技有限公司）；過氧化苯甲酰（分析純，煙臺市雙化工有限公司）；純金紅石二氧化鈦（VK-T18）（分析純，宣城晶瑞新材料有限公司）；鄰苯二甲酸二辛酯（分析純，萊陽市雙雙化工有限公司）；三堿式硫酸鉛（分析純，薩恩化學技術有限公司）；固體石蠟、液體石蠟（化學純，成都金山化學試劑有限公司）；碳酸鈣（分析純，北京市紅星化工產廠）。

實驗儀器：高速混合機SHR-10A（南京橡塑機械廠有限公司）；游標卡尺FSD0621-0115（浙江富斯達工具有限公司）；電子天平JY6001（上海民橋精密科學儀器有限公司）；開放式煉塑機SK160-320（南京橡塑機械廠有限公司）；平板硫化機25T（南京橡塑機械廠有限公司）。

1.2 淀粉基發泡材配方

淀粉基發泡材配方如表1所示。

表1 發泡材料配方

1.3 淀粉基發泡材料制備方法

1.3.1 高混—塑煉—模壓工藝

（1）稱重：根據配方準確稱量各種藥品。

（2）高混：將稱量好的藥品置于高速混合機內，先低速混合2 min，再高速混合5 min，后低速混合2 min。

（3）塑煉：設置開放式煉塑機前輥輥溫為115 ℃，后輥輥溫為110 ℃，進行預熱。輥溫到達設定溫度后，加入高混后物料進行混煉，直到塑化為止。

（4）模壓：設定平板硫化機溫度為160 ℃，到達設定溫度后，將塑煉樣品置于模具中，放入模板間；開始給壓，當壓力達最大值后，保壓模壓7～8 min，降壓，取出樣品。

1.3.2 塑煉—模壓工藝

（1）稱重：根據配方準確稱量各種藥品。（2）人工混合均勻。（3）塑煉：設置開放式煉塑機前輥輥溫為115 ℃，后輥輥溫為110 ℃，進行預熱。輥溫到達設定溫度后，加入混合后物料進行混煉，直到塑化為止。（4）模壓：設定平板硫化機溫度為160 ℃，到達設定溫度后，將塑煉樣品置于模具中，放入模板間；開始給壓，當壓力達最大值后，保壓模壓7～8 min，降壓，取出樣品。

1.3.3 模壓工藝

（1）稱重：根據配方準確稱量各種藥品。（2）人工混合均勻。（3）模壓：設定平板硫化機溫度為160 ℃，到達設定溫度后，將混合樣品置于模具中，放入模板間；開始給壓，當壓力達最大值后，保壓模壓7～8 min，降壓，取出樣品。

2 實驗結果與討論

2.1 高混—塑煉—模壓發泡

采用高混—塑煉—模壓發泡進行實驗，實驗結果如圖1～2所示。

圖1 塑煉過程

圖2 模壓過程

從圖1～2可以看出，淀粉在塑化時呈片狀但未連成片，說明淀粉塑化性能得到改善，但塑化未達到預期目的，樣品未完全塑化，主要原因為高混階段和塑煉過程中部分塑化劑損失，導致塑化結果不好。塑化后經模壓制備的發泡材料沒有塑化也沒有發泡，主要是塑化效果不好，塑化過程中發泡劑部分損失，導致模壓發泡效果不好。

2.2 塑煉—模壓發泡

采用塑煉—模壓發泡進行實驗，結果如圖3～4所示。

圖3 塑煉過程

圖4 模壓過程

從圖3～4可以看出，相比相同配方下高混—塑煉—模壓工藝，塑煉—模壓工藝下原料塑化效果明顯改善，塑化物料連成整片。塑煉后，物料經模壓制備發泡材料，材料模壓后塑化發泡成為一體，但發泡材料強度很差且很脆，主要是在塑化階段發泡劑大部分已揮發或分解損失，導致模壓階段沒有充足的發泡劑，發泡效果不佳。

2.3 模壓發泡

采用模壓發泡進行實驗，結果如圖5～6所示。

圖5 模壓制備

圖6 模壓制備

從圖5～6可以看出，相比其他工藝，該工藝發泡材料性能較好，發泡材料塑化成為一體，泡孔均勻致密，說明直接模壓發泡成型與其他成型工藝相比，具有較大的優勢，這主要是僅進行模壓發泡，塑化劑和發泡劑在成型過程中沒有損失，可在模壓階段完全發揮作用，起到很好的發泡效果。

3 結語

實驗以淀粉作為原料，碳酸氫鈉和偶氮二異丁腈作為復合發泡劑，過氧化苯二甲酰作為交聯劑，進行配方復配，經不同工藝進行發泡成型，制備系列淀粉基發泡材料。該發泡材料泡孔均勻致密，采用淀粉為原料可完全生物降解，綠色環保。實驗發泡不同工藝：高混—塑煉—模壓工藝，塑煉—模壓工藝，模壓工藝進行對比，結果表明，模壓工藝發泡效果較好。因為如果采用其他工序后，再進行模壓發泡，在其他工序如高混和塑煉過程中，塑化劑和發泡劑會部分揮發和分解，導致模壓階段塑化和發泡不良，進而影響到最終的發泡效果。所以，實驗采用模壓工藝可制備較好的發泡材料，發泡效果較好。