全淀粉塑料

热塑性淀粉

全淀粉塑料主要是指热塑性淀粉。热塑性淀粉是在20世纪末期，国际可降解材料领域提出的全淀粉概念的基础上发展起来的。在全淀粉塑料中，不添加传统的石油基塑料，淀粉为主料，淀粉含量高，其他的添加组分都可以降解。

简介

热塑性淀粉也称为“无构淀粉”，通过一定的方法使淀粉结构无序化，使之具有热塑性。淀粉分子为多糖分子结构，含有大量羟基，由于其分子间及分子内氢键的作用，使其熔融的温度较高，而其分解温度要低于其熔融温度，因此在热加工时，淀粉分子未熔化而先分解。传统塑料机械加工方法多采用热加工成型，因此要制得淀粉基全淀粉塑料需要使天然淀粉具有热塑性。这种热塑性可以通过改变淀粉分子内部结晶结构实现。破坏分子内及分子间氢键，打乱淀粉分子双螺旋结晶结构，这样会使淀粉熔融温度降低，使其具有热塑性。

工艺

热塑性淀粉的制备工艺多采用挤出、注射和模压等，使用的增塑剂一般为水、甘油等。荷兰乌德勒支大学van Soest以水为增塑剂对热塑性淀粉的力学性能进行了研究，水的添加量应该在5%—15%之间，低于5%时，材料非常脆，无法进行测定，而添加量大约15%时，材料变得比较软，成型较难，含水量在5%—7%时，材料性能与脆性材料相似，观察不到屈服点。英国曼彻斯特大学Stepto等用水作为增塑剂对马铃薯淀粉进行改性，并对其力学性能进行了分析。他们增塑剂的添加量选取了9.5%、10.8%、13.5%三个水平。通过分析应力一应变曲线可知，试样的起始模量与HDPE, PP接近，为1.5MPa；试样的屈服强度与增塑剂含量成反比，含水9.5%时的试样屈服强度为68 N/mm2，当含水量增加到13.5%时，其屈服强度降为42 N/mm2。荷兰格罗宁根大学Robbert等以甘油作为增塑剂对多种不同淀粉进行了分析。淀粉的玻态转化温度（Tg）对试样的力学性能也有影响。Tg低，实验的拉伸强度、模量、断裂伸长率和冲击强度等增加，而直链淀粉含量高的淀粉中Tg比较低。所以淀粉中直链淀粉含量越高，淀粉产品越柔软。经Robbert实验测定，含25%增塑剂的蜡质玉米的拉伸强度接近10 MPa，断裂伸长率110%，是选用淀粉中综合性能最好的。北京大学与日本原子能研究所的Yosbii等研究了用电子束辐照用甘油和聚乙二醇作为增塑剂的淀粉基塑料。成功制得了淀粉基薄膜，并发现辐照可以使各组分分子发生化学反应，形成完整网络结构，增强薄膜的拉伸性能。

由以上的研究可知，可以对淀粉进行改性，得到热塑性淀粉，并通过改变加工方法、增塑剂种类等手段改善热塑性淀粉的性能。

由于热塑性淀粉具有机械性能差、吸水性强等缺点，研究者开始考虑用纤维作为强化剂，添加到热塑性淀粉基体中，改善材料的性能。天然纤维与淀粉同为多糖分子结构，将纤维与热塑性淀粉共混，能得到较好的强化效果。

巴西圣卡罗斯化学研究所Curvelo等用巨尾按纤维作为强化剂来改善热塑性淀粉的机械性能。强化型热塑性淀粉与未强化型热塑性淀粉相比，拉伸强度增加了100%，弹性模量增加了50%。并且得出材料的吸水性随着纤维含量的增加而减少的结论。

匈牙利布达佩斯大学Gaspar等在用甘油作为增塑剂的热塑性玉米淀粉中加入了纤维素、半纤维素和玉米蛋白，研究发现，半纤维素和玉米蛋白强化型热塑性淀粉的机械强度较好（10.4MP和11.5MPa）。

巴西研究者Guimaraes等对甘蔗纤维和香蕉纤维对热塑性淀粉的强化作用进行了对比。发现强化后的试样拉伸性能明显增强，甘蔗纤维与热塑性淀粉的表面结合性要比香蕉纤维好。

泰国拉卡邦先皇技术学院Prachayawarakorn等对棉纤维强化的热塑性大米淀粉进行了研究，发现在加入棉纤维后材料的拉伸性能增加、吸水性下降。通过对比发现，在加入相同含量（10%）的棉纤维或低密度聚乙烯时，加入棉纤维的试样机械性能、热稳定性、吸水性和生物降解性等指标均较优。

法国鲁昂大学Sreekumar等研究了剑麻纤维对热塑性小麦粉的影响，发现剑麻纤维可以增强热塑性小麦粉的拉伸性能，但是其流动性会下降。

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