改性淀粉基复合薄膜的加工流变性能与制备研究

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塑料的发明使用给人们带来极大的便利,但因其不可降解,导致了严重的环境污染问题,引起人们对生物可降解材料的重视。据统计世界上所生产的石油有5%-8%用于塑料的生产,石油为不可再生资源,总量有限,寻找一种传统塑料替代品,是高分子材料研究的重要方向。淀粉基材料作为可再生、可降解的高分子材料,拥有成本低、来源丰富的优点。但是,淀粉基材料的加工工艺目前还不够成熟,淀粉基材料的力学性能与防水性能较差,所以淀粉基材料是当前值得研究的方向之一。本文为了更好的控制淀粉的糊化塑化等加工工艺,研究了支链淀粉与直链淀粉含量、甘油含量、不同交联剂种类与含量和聚乙烯醇(PVA)含量对淀粉糊化与淀粉基薄膜加工流变性能的影响。然后以淀粉为主要原材料,以PVA为增强体,以甘油为塑化剂,以戊二醛、柠檬酸为复合交联剂,提升淀粉基薄膜的力学性能与防水性能,通过溶液共混和流延成膜技术制备了淀粉基可生物降解薄膜材料。主要研究结果如下:选取高纯度的玉米支链淀粉、高纯度的玉米直链淀粉,研究了支链淀粉含量与直链淀粉含量对淀粉糊化过程与淀粉糊流变行为的影响。其结果表明,支链淀粉含量越高,淀粉开始糊化的温度越低,淀粉越容易发生糊化,相反,直链淀粉含量越高,糊化所需温度越高,随着直链淀粉含量的增加,淀粉的糊化温度从70℃升到了75℃。糊化过程中,支链淀粉含量越高,储能模量G’、耗能模量G’’、黏度η越大,且支链淀粉含量越少,差别越显著,80℃时,当支链淀粉含量小于30%,G’、G’’、η相差不大,当支链淀粉含量小于30%,G’、G’’、η差距明显;玉米淀粉糊化后,支链淀粉含量小于50%的淀粉糊满足,随着直链淀粉含量的增大,G’、G’’都逐渐增大的规律。淀粉糊的黏度随着温度的下降而逐渐增大,温度的降低对淀粉糊的黏度的影响更显著。支链淀粉对淀粉糊化影响明显,直链淀粉对淀粉糊结构的影响明显。选取木薯淀粉、甘油和PVA,研究了甘油含量与PVA含量对淀粉糊化过程与淀粉糊流变行为的影响。其结果表明,甘油的添加增大了淀粉开始糊化的温度;PVA对糊化温度的影响不大。糊化过程中,淀粉糊的G′、G″因甘油的添加而有所增大;PVA含量越高,G’、G’’越小,当淀粉与PVA的比例为2/3时,G′,G″显著减小。淀粉糊化后,淀粉糊甘油含量越高,G’、G’’越小,30%与40%甘油含量的淀粉糊的G′与G″相差不大,说明甘油的用量30%左右最好;一定含量的PVA增大了淀粉糊的G’,G’’。甘油与PVA促进了淀粉凝胶结构的形成。选取木薯淀粉、甘油和PVA,戊二醛、柠檬酸两种交联剂,研究了温度对交联过程的影响,交联剂含量与种类对PVA/淀粉溶液流变行为的影响。其结果表明,70℃-90℃时柠檬酸的交联效果最好,80℃-90℃时戊二醛的交联效果最好,戊二醛与柠檬酸复配使用最佳交联温度应该选择80℃为好。随着交联剂含量越高,淀粉/PVA材料的G’、G’’、η越大。对比不同交联剂交联样品的G′和G′′发现,柠檬酸的最佳含量为5%-7%。选择5%左右的戊二醛的交联淀粉为好,戊二醛/柠檬酸复配交联的配比为1/1时交联效果最好。另外研究发现,柠檬酸除了可以用于交联淀粉,还可以增强淀粉糊的流动性;戊二醛交联淀粉的效果比柠檬酸更好,戊二醛与柠檬酸复配使用交联淀粉的效果最佳,两种交联剂具有协同作用。选取木薯淀粉、甘油、PVA,以戊二醛与柠檬酸为复合交联剂,通过溶液共混和流延成膜技术制备了淀粉基可生物降解薄膜。结果表明,添加交联剂可显著改善薄膜的力学性能与防水性能。柠檬酸与戊二醛两者复配交联使用,一定程度上增强了薄膜的力学性能与防水性能。淀粉/PVA为2/1,30%的甘油含量(占淀粉与PVA干基重),5%的交联剂含量且两者比例为1/1时,拉伸强度最大达到了8.55MPa。两者对薄膜的断裂伸长率具有协同增长的效果,断裂伸长率最小为203.51%,最大为250.32%。薄膜的吸水率稳定在80%-90%之间。使用复配交联剂交联改性比单独使用柠檬酸,吸水率降低了50%左右。
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