热塑性木薯淀粉及其复合材料的回生行为、结构与性能研究

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淀粉是可再生、可降解的绿色天然高分子材料。淀粉的回生过程主要是淀粉分子链的有序化,淀粉在加工、使用或储存过程中会出现回生现象,使材料的力学性能、结晶、硬度等性能发生变化。因此淀粉/二氧化硅复合材料的回生行为研究具有理论和现实意义,目前淀粉回生行为的研究主要集中在食品领域。本文通过添加二氧化硅(SiO2)、聚乙烯醇(PVA)经熔融共混法制备热塑性木薯淀粉(TPS)/SiO2、TPS/PVA和TPS/PVA/SiO2三种淀粉复合材料来研究淀粉复合材料的回生行为,分析其回生过程的结构与性能。利用差示扫描量热法(DSC)、傅里叶红外分析(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、偏光显微镜(PLM)、扫描电镜(SEM)及热重分析(TG)等手段探讨木薯淀粉复合材料在不同回生时间、不同SiO2和PVA用量、不同SiO2表面特性及不同SiO2粒径下的回生行为、结构与性能,主要研究结果如下:木薯淀粉复合材料在不同回生时间下其回生程度、结构及性能存在较大的差异。随回生时间增加,三种体系的淀粉复合材料均会不断的形成淀粉分子间氢键作用,晶体数量增多,回生程度逐渐增大,在21d时达到最大,而且结晶晶型不断发生变化,在21d时形成稳定的Vh型,其热稳定性会降低。淀粉复合材料在不同回生时间下的拉伸强度因受淀粉吸水性的影响而产生变化,吸水越多,拉伸强度越小。SiO2会和淀粉形成稳定的氢键作用,进而削弱淀粉分子间的氢键作用,加入SiO2会抑制淀粉复合材料的回生。其用量对淀粉复合材料的影响由SiO2的团聚作用和自身所带的羟基决定。5份SiO2用量会促进淀粉复合材料的回生程度,降低其热稳定性,但得到拉伸强度较大和耐水性较好的复合材料;7份SiO2用量团聚效果明显,削弱了淀粉复合材料的氢键作用,具有抑制淀粉复合材料回生的效果。改性后的SiO2有效控制淀粉复合材料的回生,与淀粉有更好的相容性和分散性,可以防止SiO2粒子在基体材料中发生团聚而脱落的现象,可以提高淀粉复合材料的拉伸强度和耐水性,降低其热稳定性。SiO2的粒径大小决定其表面活性,进而影响着其在聚合物中的作用效果。200nm粒径的SiO2可以有效抑制淀粉的回生,得到热稳定性较好的淀粉复合材料,而粒径为20nm时可以得到耐水性和力学性能较好的淀粉复合材料。PVA会与淀粉形成氢键,削弱淀粉分子间的氢键作用,从而抑制淀粉的回生程度。40份PVA用量会降低TPS/PVA复合材料的熔融焓,得到拉伸强度和接触角较大但热稳定性较低的TPS/PVA复合材料。PVA会破坏淀粉的双折射行为,使其偏光十字结构不明显。施加应力作用会促进淀粉复合材料的短期回生,但对长期回生有一定的抑制作用。应力作用使FTIR谱图中的羟基峰发生蓝移,破坏淀粉的偏光十字结构,增加SiO2与淀粉的相容性和结合性。SiO2粒径为23μm时极大的促进TPS/SiO2复合材料的回生。
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