今日全生物降解塑料片材制备研究

全生物降解塑料片材制备研究

摘 要 进行了以交联淀粉、纤维素、轻质活性碳酸钙为主要原料的新型全生物降解塑料快餐盒材料的制备研究，选出了制备快餐盒的最佳配方及工艺条件，制出的片材在室温下的拉伸强度为58MPa，耐热水温度高达98.0℃。关键词 生物降解； 交联淀粉； 纤维素； 轻质活性碳酸钙分类号 X384； TQ321MANUFACTURE RESEARCH OF BIODEGRADABLE PLASTICS FILMZhao Hua Xu LifangDepartment of Chemical Engineering, Beijing Institute of Light Industry, Beijing 100037Abstract This paper is a study focused on the manufacture of late-model biodegradable snack containers made of the raw materials of cross-linking starch, cellulose, light calcium carbonate. In which, the best formulation and the best process condition of manufacture of snack containers are selected, the stretching intensity of the manufactured film is 58MPa at room temperature and its hot-water-resistance temperature is 98.0℃.Key words biodegradable; cross-linking starch; cellulose; light active calcium carbonate

随着社会的进步和发展，塑料制品在人们日常生活和国民经济建设中的应用越来越普及。以聚苯乙烯(PS)快餐盒为例，由于它具有应用方便、洁净轻巧、价廉物美、无毒无臭、色泽雪白、生产工艺简单、性能优良等优点，从一问世便受到人们的青睐而得到广泛应用。但由此也带来了塑料废弃物的处理问题。PS耐老化、抗腐蚀、难降解，给人类的生存环境造成了严重的破坏。为了消除和减少这一“白色污染”，人们不得不对废弃物进行处理，如：填埋、焚烧、回收利用等，但这些方法或产生二次污染，或成本高，工艺过程复杂。这样，开发可降解塑料就成为摆在人们面前的一个新课题［1，2］。

目前，降解塑料可分为光降解塑料、生物降解塑料和光-生物降解塑料，出于对生产成本和可再生资源利用的考虑，选择了开发生物降解塑料作为研究课题。

所谓生物降解塑料就是指在一定条件下，能在分泌酶的微生物(如：真菌、细菌等)作用下，导致生物降解的高分子材料。它可根据形式和降解机理分为：生物破坏性塑料(Biodestructible plastics)和完全生物降解塑料(Biodegradable plastics)［3］。前者由于不能彻底降解，具有一定的局限性，所以并不是理想的产品。我们对以交联淀粉、纤维素和轻质活性碳酸钙为主要原料制取全生物降解塑料的工艺进行研究，通过正交实验方法，筛选出了制备全生物降解片材的最佳配方及工艺条件。1 实验部分1.1 主要帮助他们脱贫致富原料及设备玉米淀粉，工业级，北京西郊淀粉厂；纤维素，工业级，北京造纸厂；环氧氯丙烷，化学纯，天津市化学试剂三厂；轻质活性碳酸钙，工业级，天泰化学品有限公司；聚乙烯醇(PVA—1788)，工业级，燕山石油化工厂；双辊筒炼塑机SK-160A，上海第二机械修理厂；压力成型机，YX(D)-45型，湖北省新州县轻工机械厂；拉力试验机，LJ-1000型，广州材料实验机厂。1.2 制备过程1.2.1 交联淀粉的制备

在装有温度计的三口烧瓶中加入10g玉米淀粉和45mL水，剧烈搅拌，升温至40℃，然后加入0.02mL环氧氯丙烷和适量氢氧化钾溶液，调节pH为8～10。恒温反应8h后，进行过滤、洗涤，把滤饼烘干，得到交联淀粉［4］。1.2.2 全生物降解塑料片材制备

取2g交联淀粉，加入15mL水，搅拌，升温至95℃，再加入纤维素，恒温10min。冷却到40℃，加入轻质活性碳酸钙和聚乙烯醇(PVA-1788)，充分搅拌。将上述配料置于双辊筒炼塑机上进行辊压素炼6min，然后放入模板中，在100℃和10MPa的压力下，进行模压5min，得到半成品片材。1.3 产品性能测定

产品的拉伸强度σt(MPa)按照有关塑料标准所规定的方法进行测试［5］。

根据填料碳酸钙用量Q碳酸钙、PVA用量QPVA、纤维素用量Q纤维素的变化分别测定产品相应的σt，并分别作图1～3中曲线1。

产品的耐热水性能测试进行如下：取50mL烧杯，加入30mL水，称取0.并使相邻线圈紧密排列呈螺旋线圈2g样品置于水中，以5℃/min的速度使其缓慢升温，测量淀粉明显溶解、水变浑浊的温度T(℃)。根据样品中填料Q碳酸钙，配料QPVA和Q纤维素的不同，记录相应T值，并分别作图1～3中曲线2。2 结果与讨论

在固定交联淀粉用量的条件下，通过四因素、四水平的实验方案，对活性碳酸钙、PVA、纤维素的最佳配方进行了研究。结果表明：各因素对塑料制品的拉伸强度影响程度从大到小依次为纤维素用量(Q纤维素)、成型温度、PVA用量(QPVA)和活性碳酸钙用量(Q活性碳酸钙)，而对耐热水性能的影响程度从大到小依次为PVA用量、活性碳酸钙用量、成型温度、纤维素用量。2.1 活性碳酸钙用量对产品性能的影响

碳酸钙在配料中起填料作用，目的 是为了增大产品的稳定性，降低生产成本。图1中曲线1显示，随着碳酸钙用量增大，产品的拉伸强度逐渐下降。这是因为无机填料与基体树脂界面存在大小不一的空穴，受外力时，这些缺陷使力学性能随无机填料的添加比例提高而下降；曲线2显示，耐热水性能先升后降，这是因为无机填料本身具有耐水性，故其用量增加会使耐水性提高，但加入量过多时，会影响淀粉、碳酸钙和纤维素间的紧密结合，导致耐水性下降。综合考虑，碳酸钙用量取1.2g为宜。

图1 活性碳酸钙用量对性能的影响2.2 PVA用量对产品性能的影响

由图2曲线1、2可看出，PVA用量增加会显著提高产品的拉伸强度和耐热水性能，这是由于PVA所具有的胶粘性和与水的难溶性共同作用的结果。P卸荷后有中途停止现象VA用量超过某一数值时，其对产品性能的影响已不太明显，反而增加生产成本，所以取0.4g为宜。

图2 PVA用量对性能的影响2.3 纤维素用量对产品性能的影响

纤维素在产品中起着骨架作用，它有较强的机械强度和化学稳定性。图3中曲线1代表拉伸强度与纤维素用量相互关系，显示纤维素的加入会显著提高产品的拉伸强度；曲线2代表耐热水性能与纤维素用量相互关系，显示纤维素的加入会提高产品耐热水性能，但加入量过多时，会使淀粉和碳酸钙由连续相转化为非连续相，影响它们和纤维素之间的充分结合，导致耐水性下降。纤维素用量取1.5g为宜。

图3 纤维素用量对性能的影响4 结论

对用交联玉米淀粉、活性碳酸钙和纤维素等为主要原料，制取新型全生物降解片材的配方及制作工艺进行了研究，得到最佳配方为：Q交联淀粉∶Q纤维素∶Q活性碳酸钙∶QPVA=100∶75∶50∶20

通过对片材性能的测试证明，片材在室温下的拉伸强度为58MPa，耐热水温度高达98.0℃。同时，由于采用了淀粉、纤维素等作为主要原料，所以制得的片材具有可生物降解性。因此产品可代替PS用作快餐盒或其它包装材料，对降低环保成本、消除“白色污染”具有十分重要的使用价值。作者单位：北京轻工业学院化学工程系， 北京 100037参考文献1 张 捷，于九皋.多糖类生物降解材料的研究进展.中国塑料，1995，6(9)：17～232 唐赛珍，杨惠娣.中国降解塑料研究开发现状、问题及前景.塑料加工，1995(1)：1～83 钱汉英等.塑料加工实用技术问答.北京：机械工业出版社，19964 赵 华等.改性淀粉的制备与在降解材料中的应用.塑料技术，1999(1)：17～试样必须垂直于实验器的中心轴195 全国塑料制品标准化技术委员会.塑料标准汇编.成都：成都科技大学出版社，1986.175～1不管怎样在软硬之间变化76 赵 华 徐丽芳