改性淀粉机(α-磷酸锆对热塑性淀粉塑料的改性研究)

Posted 2023-05-27

篇首语：搓绳不能松劲，前进不能停顿。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了改性淀粉机(α-磷酸锆对热塑性淀粉塑料的改性研究)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

改性淀粉机(α-磷酸锆对热塑性淀粉塑料的改性研究)

一、可降解塑料遇上新追求者，人民的美好生活开始了

绿色包装是指能够循环利用、再生利用或自然降解，并在产品的整个生产周期中对人体和环境不造成危害的适度包装。发达国家对发展绿色包装提出了“3R1D”原则，即Reduce（减量化），Reuse（重复使用），Recycle（再循环），Degradable（可降解），因此，绿色包装实际上是包装材料的绿色化。今天我们要聊的，就是新型材料—热塑性淀粉（TPS）遇上完美伴侣“磷酸锆”的故事

热塑性淀粉作为天然高分子，而淀粉具有来源广泛、价格低廉、可完全生物降解及再生周期短等优点，已被广泛应用于可降解塑料、包装制药及农业等领域。

当前，淀粉塑料是生物降解塑料中发展最快、最有广阔前景的一大类。也是最具发展前途的绿色包装材料之一。

然而，由于淀粉自身的亲水性，与石油基塑料相比，存在着力学性能以及耐水性能不足两大缺点，从而限制了淀粉塑料的进一步应用。

对的地方相遇-热塑性淀粉（TPS）+“耀隆磷酸锆” 完美绽放“热塑性淀粉塑料”的美，从而更好的满足人们对美好生活向往的更进一步需求！

1、什么是热塑性淀粉？

由于淀粉属于多糖高分子化合物，分子中含有大量的羟基，能够形成大量分子内和分子间氢键，形成微晶结构的完整颗粒，导致其熔融加工温度远高于其热分解温度，因而不具备热塑加工性，大大限制了淀粉的应用。然而，淀粉中加入小分子增塑剂后，在热和剪切力的作用下可以制备热塑性淀粉，从而改善淀粉的加工性能和使用性能，实现淀粉的广泛应用。

2、哪些行业最先受益？

包装！热塑性淀粉可广泛替代普通塑料应用于各类包装和一次性用品领域。例如：可食性餐具是利用淀粉、蛋白质、纤维素等固有的特性，把它们和其它可食性助剂按一定的比例组合，经搅拌和捏合后，采用一定技术精制而成。其优点是经快餐、速食等容纳后，既可食用，又可回收做高档饲料，遇冷水后能在一定时间内膨胀至降解，对土壤不但无害而且有益，基本上能达到无垃圾、无污染的目的。根据不同使用场合再另加不同组分，例：抗湿剂等。但在冷食业使用的可食性餐具——“蛋筒”，只能盛放冷食——冰淇淋和固体奶油，该蛋筒怕水、怕热、刚性差，尚不能视为真正意义的可食性餐具。

二、热塑性淀粉塑料遇见α-磷酸锆的发展，擦出咋样的花火？以下资讯供参考。

α-磷酸锆对热塑性淀粉塑料的改性研究

1、摘要

通过挤出注塑工艺制备了α-磷酸锆（α-ZrP）改性的热塑性淀粉塑料,研究了不同含量的α-ZrP对其拉伸强度、冲击强度、耐水及转矩流变性能的影响。结果表明，当α-ZrP含量为0.2%时，淀粉塑料的拉伸强度从未加时的1.94 MPa达到最高的4.5 MPa,断裂伸长率有所下降，冲击强度由50.4 kJ/m² 增加到55.32 kJ/m²。表面接触角由46.34°增加到70.46°，耐水性改善明显，转矩流变曲线表明此时具有较高的峰值扭矩，加工性能有所下降。

2、引言

α-磷酸锆(α-ZrP)具有类似蒙脱土的层状结构，较高的纯度及离子交换能，同时也更易于插层和剥离，因此，已被应用于淀粉塑料中。WU等采用正定胺（BA）改性层状的甘氨酸-N,N-甲基磷酸锆（ZDGMP）,得到BA-ZDGMAP并应用于热塑性豌豆淀粉中，他们还通过浇铸工艺将α-ZrP添加到豌豆淀粉中制备纳米复合薄膜，研究发现，添加后体系的力学性能都显著提高，吸水率也明显降低。

采用绵竹耀隆化工有限公司的α-ZrP,先通过正丁胺对其进行剥离处理，从而增大α-ZrP的层间距，进一步利用α-ZrP离子交换能力，将α-ZrP添加到阳离子淀粉和玉米淀粉的混合物中，以甘油为增塑剂，热塑性淀粉塑料。

本文旨在利用阳离子淀粉中的铵根离子与α-ZrP层间的质子发生离子交换反应，促进淀粉分子插入α-ZrP层间，形成插层结构（如图1所示）从而提升热塑性淀粉塑料的力学及耐水性能。

3、实验部分

3.1材料

玉米淀粉：山东恒仁工贸有限公司；阳离子淀粉：浙江益纸淀粉科技股份有限公司；丙三醇（甘油）、正定胺、α-ZrP,分析纯，汕头西陇化工。

3.2 试样制备

3.2.1、α–ZrP：来自绵竹耀隆化工有限公司

3.2.2 、α-ZrP的剥离改性

将α-ZrP按1:2.5物质的量比置于正丁胺中缓慢分散，质量浓度为2g/L,超声处理1h,搅拌24h,取出常温真空干燥。

3.2.3 热塑性淀粉塑料的制备

称取225 g 阳离子淀粉、225 g 玉米淀粉、150 g甘油，然后分别按阳离子淀粉质量的0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%添加剥离改性后的α-ZrP，经高速搅拌机搅拌均匀，通过双螺旋杆挤出机（SHJ-20，南京杰恩特）塑化挤出，各区温度为105、110、116、110℃，转速为150 r/min,挤出后冷却造粒，再用注塑机（90BV,上海纪威）注塑成哑铃状样条，各区温度分别为135、135、125、125、120℃。

3.3 测试与表征

用万能试验机（CMT4204，深圳新三思）按照GB/T 1039-1979 测试样条的力学性能，拉伸速率为20mm/min；用摆锤冲击试验机（XJG-250，承德精密）按照GB/T 1043.1-2008测试样条的冲击强度；用接触角测定仪（DTA100，德国KRUSS）测定表面的润湿性能；利用转矩流变仪（RTOI-55/20，广州普同）测试样品的加工性能，转子转速为20 r/min,前板、中板、后板各区温度为125、125、125℃

4、结果与讨论

4.1拉伸性能

图2所示为热塑性淀粉（TPS）及添加α-ZrP后的淀粉塑料的拉伸测试结果。从图中可以看出，加入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的α-ZrP均能使TPS材料的拉伸强度得到提升，而断裂伸长率有所下降。当α-ZrP添加量为0.2%时，拉伸强度从纯TPS的1.94 MPa提升到4.5 MPa，增强效果十分明显，此时材料的断裂伸长率则从152%下降到98%。这说明，当α-ZrP添加量为0.2%时，α-ZrP在淀粉基体中分散最均匀，阳离子淀粉分子易于与α-ZrP层间质子发生离子交换，从而插入α-ZrP层间，促进了插层结构的形成，因此拉伸强度明显增强。当α-ZrP的添加量进一步增加到0.4%-0.8%时，拉伸强度有所下降，其原因可能是由于α-ZrP在淀粉基体中出现团聚，使阳离子淀粉分子插层困难，因此，拉伸强度明显下降。

4.2 冲击性能

图3为不同的α-ZrP添加量对热塑性淀粉塑料冲击性能的影响。由图可以看出，与纯TPS相比，添加α-ZrP后的淀粉塑料的冲击强度总体来说是明显增强的，但与不同添加量的关系并无明显规律。同时，当α-ZrP添加量为0.2%时，淀粉塑料的冲击强度达到最高55.32 kJ/m2，这与上述的最大拉伸强度测试结果一致。这说明当α-ZrP的含量为0.2%时，在基体中分布较为均匀，能有效形成插层结构，使α-ZrP与基体淀粉大分子之间形成较强的相互作用，从而可以有效吸收冲击能量，提高淀粉塑料的韧性。

4.3 耐水性能

淀粉塑料耐水性能的表征有多种方法，本文主要通过接触角测定仪测试水滴在淀粉塑料表面的接触角来表征样品的耐水性能，结果如表1所示。从表中可以看出，α-ZrP的添加能够明显改善淀粉塑料的耐水性。纯TPS接触角为46.34º，当α-ZrP添加量为0.2%时，淀粉塑料的接触角增加到最大70.46º。这是因为当α-ZrP的添加量为0.2%时，在淀粉基体中分散较均匀，材料中形成的插层结构较多，插层结构的形成能够在淀粉基体中形成曲折路径，对水分子的扩散有一定的抑制作用。当α-ZrP含量进一步增加时，接触角有所降低，可能与其在淀粉基体中出现团聚，插层效果下降有关。

4.4 加工性能

图4 和表 2为使用转矩流变仪得到的未加（TPS）和添加α-ZrP改性淀粉塑料的流变曲线和数据。总体来看，α-ZrP的加入使淀粉塑料的峰值扭矩增加明显。当α-ZrP添加量为0.2%时，淀粉塑料的峰值扭矩最高，达到46.72N·m。这是由于此时α-ZrP在淀粉基体中分数比较均匀，易于剥离，二者能迅速形成插层结构，具有较强的相互作用，因此在加工初始阶段，在一定的温度和剪切力作用下。需要较高的扭矩才能完成塑化混合过程，这表明加工性能比TPS明显降低。当α-ZrP的添加量进一步增加时，峰值扭矩下降，其原因可能是由于过多的α-ZrP使阳离子淀粉插层效率降低，熔体黏度降低，从而易于加工。

5、结论

在热塑性淀粉塑料中添加具有层状结构的α-磷酸锆（α-ZrP），可以有效提高材料的拉伸、冲击和耐水性能。当添加量为0.2%时，最大拉伸强度为4.5MPa,冲击强度为55.32 kJ/m2，表面接触角为70.46º，耐水性能改善明显，这表面α-ZrP和基体淀粉大分子之间形成了有效的插层结构，此时，转矩流变曲线上较高的峰值扭矩则对应于加工性能有所下降。