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淀粉来源广泛,价格低廉,是一种可全生物降解的天然高分子,因此淀粉基生物降解塑料是研究得最多的一类生物降解塑料,目前及其今后的主要发展方向是研发性能及成本均满足市场需求的淀粉基全生物降解热塑性塑料(或称:热塑性淀粉塑料)。采用原淀粉与小分子增塑剂及其它添加剂共混塑炼挤出是目前制备淀粉基全生物降解热塑性塑料的最主要方法。
然而,淀粉由于其自身多羟基、耐热性差、吸水等等问题,及其加工过程相变的复杂,淀粉基全生物降解热塑性塑料的热塑化加工及材料性能控制都比通用塑料的来得困难,且制品使用性能及成本均不尽如人意,还需要大力研究。
振动辅助加工技术特别是电磁动态成型加工技术是高分子加工先进技术之一,在过去的研究中展现了强大的生命力;通过对高分子材料加工过程中施加振动力场,能够有效改善高分子材料材料的加工性能及其制品的使用性能。
本文通过反复的实验,摸索出了热塑化挤出法制备热塑性淀粉(TPS)及聚乙烯醇增强热塑性淀粉塑料(PVA/TPS复合材料)等淀粉基生物降解热塑性塑料的工艺条件与设备条件;在此基础上,基于电磁动态成型加工技术,首次进行了这类材料的的动态热塑化挤出制备实验;并在优化的工艺条件下,更进一步地制备了不同配比的纳米碳酸钙(CCR)改性热塑性淀粉塑料(CCR/TPS复合材料),及戊二醛交联剂交联聚乙烯醇/淀粉交联体系(PVA-G-TPS复合材料)。最后对所得的材料进行了力学性能测试、吸水性测试及TG,DSC,WAXD,SEM,FTIR等测试及结构分析。研究结果表明:
1)淀粉基材料的热塑性挤出宜保留一定水分,通过精细调节温度和螺杆转速等工艺条件可以避免水分带来的加工困难。淀粉基材料的热稳定性差,流动性不好,加工设备的选择、设计时应避免使物料停留时间过长、流动阻力过大。
2)振动力场能够强降低加工时的螺杆扭矩,促进淀粉及聚乙烯醇的塑化,改善材料的流动性;振动力场还能够强化纳米碳酸钙填充热塑性淀粉塑料纳米碳酸钙在淀粉基体中的分散,强化淀粉与聚乙烯醇的共混分布,强化戊二醛交联剂与淀粉及聚乙烯醇之间的交联。振动力场对淀粉基材料热塑化挤出的这些影响,使动态挤出所得的材料的拉伸性能明显优于稳态挤出所得的材料。振动力场对材料的耐热性、耐水性、结晶性、分子结构也有影响,但影响很小。
3)在本论文实验条件下,纳米碳酸钙能够提高热塑性淀粉的拉伸性能及耐水性,并削弱热塑性淀粉的结晶,纳米碳酸钙的用量为淀粉用量的3%(质量分率)时最好。聚乙烯醇分子与淀粉分子之间的羟基能形成缔结氢键,两者之间有较好
的相容性,聚乙烯醇增强热塑性淀粉塑料的力学性能要远高于不含聚乙烯醇的热塑性淀粉,并具有更好的耐热性和耐水性。淀粉基材料在湿度较高时高度吸水,而水分对淀粉基材料力学性能有很大影响。交联能够提高聚乙烯醇与淀粉之间的相容性,因此能提高聚乙烯醇/淀粉复合体系的拉伸性能,大幅降低聚乙烯醇/淀粉复合体系的吸水性,并极大的抑制聚乙烯醇/淀粉复合体系的结晶,但交联也会使物料变成红色,交联剂戊二醛的最佳用量为淀粉与聚乙烯醇用量总量的3%(质量分率)。