淀粉基納米復(fù)合膜的制備、成膜機理及應(yīng)用研究.pdf

1、傳統(tǒng)的石油基塑料在自然條件下很難降解，造成了非常嚴重的包裝污染和生活垃圾問題，嚴重破壞了地球生態(tài)環(huán)境。在20世紀70年代，歐美、日本等發(fā)達國家最先提出了可降解塑料的概念，并開發(fā)了一系列可降解塑料制品，其中淀粉基全降解塑料是最主要的可降解塑料品種之一。但是淀粉基全降解塑料至今沒有在國內(nèi)外大規(guī)模推廣使用，主要原因是其力學(xué)性能相對傳統(tǒng)塑料較低，另外其較強的親水性限制了應(yīng)用范圍。本研究選擇了合適的淀粉和聚乙烯醇(PVA)為成膜基材，通過改變淀粉

2、/PVA比例、優(yōu)化造粒和吹膜工藝，制備了力學(xué)性能達到傳統(tǒng)塑料的淀粉基納米復(fù)合膜，并研究了力學(xué)性能提高的機理；在保持力學(xué)性能的前提下，后續(xù)的研究著重改善淀粉膜的阻水、阻氣和親水性能，并對淀粉膜性能的穩(wěn)定性及應(yīng)用性能進行了評價，為淀粉膜在生產(chǎn)和生活的推廣應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。主要研究結(jié)果如下：
　　1.不同分子形態(tài)淀粉、PVA對淀粉膜的性能有明顯影響。與低聚合度PVA相比，淀粉與高聚合度 PVA形成的復(fù)合膜表面更為致密，界

3、面親合力更強，相容性更好。高粘度淀粉與高聚合度 PVA共混制備的復(fù)合膜表面分布著未塑化的淀粉顆粒，充分塑化的淀粉有利于蒙脫土插層結(jié)構(gòu)的形成；HP/24復(fù)合膜的綜合性能最好，抗拉強度和斷裂伸長率分別為7.84 MPa和184.0％，水蒸氣滲透系數(shù)為3.18×10-10 g·m-1·s-1·Pa-1、接觸角為66.1°、600 nm下的透光率為22.6%。
　　2.純淀粉膜表面存在納米顆粒的團聚現(xiàn)象，形成了少量的納米插層結(jié)構(gòu)；加入PV

4、A，納米顆粒的團聚現(xiàn)象消失，復(fù)合膜呈現(xiàn)出明顯的多層納米結(jié)構(gòu)，淀粉和 PVA分子鏈插入到 OMMT片層，增大了片層之間的間距并形成了有序規(guī)整的插層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了納米粒子在復(fù)合膜基體中高度“插層型”均勻分散和納米片層“砌磚式”分層排列，有利于提高復(fù)合膜的力學(xué)性能和阻隔性能。
　　3.純淀粉膜為均一連續(xù)的體系，只有淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，淀粉相為連續(xù)相；當 PVA比例升高到30%時，出現(xiàn)淀粉和 PVA的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，淀粉膜基體屬于淀粉-P

5、VA共連續(xù)相；當PVA比例升高到50%時，淀粉與PVA之間的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度差值縮小，復(fù)合膜的界面附著力增強，兩者的相容性提高，膜基體的連續(xù)相由淀粉相向PVA相轉(zhuǎn)變，淀粉相轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?，連續(xù)相的轉(zhuǎn)變有利于提高復(fù)合膜的力學(xué)性能。
　　4.復(fù)合膜的橫向、縱向抗拉強度和斷裂伸長率分別達到30.18 MPa、25.57 MPa和196.30%、224.40%，與純淀粉膜相比，最大增加了28.0倍和1.2倍，達到 GBT4456-2008(包

6、裝用聚乙烯吹塑薄膜)中對 PE-MD薄膜(10 MPa,150%)、PE-LD/PE-LLD薄膜(11 MPa,150%)力學(xué)性能的限定要求，復(fù)合膜的水蒸氣滲透系數(shù)和氧氣滲透系數(shù)分別降為1.92×10-10 g·m-1·s-1·Pa-1、4.11×10-16 cm2·s-1·Pa-1，阻隔性能大幅提高，且膜的表面形態(tài)發(fā)生截然不同的變化，更加平整和連續(xù)，沒有任何獨立域和裂紋出現(xiàn)。
　　5.添加1%、2%的檸檬酸主要起增塑改性作用，添

7、加更多的檸檬酸，將會導(dǎo)致淀粉分子的水解。硼酸能夠與淀粉/PVA形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，降低復(fù)合膜的抗拉強度。檸檬酸、硼酸和淀粉/PVA體系發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生了疏水性基團（酯基），提高了復(fù)合膜的疏水性、阻水性和凝膠質(zhì)量，降低了復(fù)合膜的溶脹度，接觸角最大為91.58°，水蒸氣滲透系數(shù)最低為0.87×10?10 g·m?1·s?1·Pa?1，溶脹度最低為4.97 cm-2。
　　6.添加十二碳二元酸可顯著改善淀粉/PVA復(fù)合膜的阻隔性能。添加6%的二

8、元酸時，淀粉膜阻氧性能和疏水性能最好，氧氣滲透系數(shù)為3.22×10-16 cm2·s-1·Pa-1，接觸角為105°。添加12%的二元酸時，復(fù)合膜具有最佳的延展性，斷裂伸長率為239.52%
　　7.對淀粉/PVA/PLA三元復(fù)合膜增容改性能夠有效改善其性能。對 PLA增容改性，能夠降低復(fù)合膜的結(jié)晶度，增強界面附著力，提高復(fù)合膜的阻隔性能和疏水性能，水接觸角最大為104°，表現(xiàn)為疏水特性；淀粉/PVA/PLA復(fù)合膜的橫向、縱向抗拉

9、強度和斷裂伸長率分別為13.82 MPa、12.04 MPa和150.2%、182.6%，淀粉/PVA/PLA/g-PLA復(fù)合膜的橫向、縱向抗拉強度和斷裂伸長率分別為21.6 MPa、19.4 MPa和299.7%、327.7%，能夠滿足更多包裝的需求。
　　8.添加 PVA可顯著提高淀粉基復(fù)合膜的抗老化性能。在23℃，53%RH儲存18個月后， PVA添加比例為30%以下的淀粉膜，其抗拉強度增加，斷裂伸長率降低，水分含量降低，變