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熱塑性淀粉也稱為"無構(gòu)淀粉",通過一定的方法使淀粉結(jié)構(gòu)無序化,使之具有熱塑性。淀粉分子為多糖分子結(jié)構(gòu),含有大量羥基,由于其分子間及分子內(nèi)氫鍵的作用,使其熔融的溫度較高,而其分解溫度要低于其熔融溫度,因此在熱加工時(shí),淀粉分子未熔化而先分解。傳統(tǒng)塑料機(jī)械加工方法多采用熱加工成型,因此要制得淀粉基全淀粉塑料需要使天然淀粉具有熱塑性。這種熱塑性可以通過改變淀粉分子內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。破壞分子內(nèi)及分子間氫鍵,打亂淀粉分子雙螺旋結(jié)晶結(jié)構(gòu),這樣會(huì)使淀粉熔融溫度降低,使其具有熱塑性。

熱塑性淀粉的制備工藝多采用擠出、注射和模壓等,使用的增塑劑一般為水、甘油等。荷蘭烏德勒支大學(xué)van Soest以水為增塑劑對(duì)熱塑性淀粉的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,水的添加量應(yīng)該在5%一15%之間,低于5%時(shí),材料非常脆,無法進(jìn)行測(cè)定,而添加量大約15%時(shí),材料變得比較軟,成型較難,含水量在5%一7%時(shí),材料性能與脆性材料相似,觀察不到屈服點(diǎn)。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Stepto等用水作為增塑劑對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了分析。他們?cè)鏊軇┑奶砑恿窟x取了9.5%、10.8%、13.5%三個(gè)水平。通過分析應(yīng)力一應(yīng)變曲線可知,試樣的起始模量與HDPE, pp接近,為1.5MPa;試樣的屈服強(qiáng)度與增塑劑含量成反比,含水9.5%時(shí)的試樣屈服強(qiáng)度為68 N/mm2,當(dāng)含水量增加到13.5%時(shí),其屈服強(qiáng)度降為42 N/mm2。荷蘭格羅寧根大學(xué)Robbert等以甘油作為增塑劑對(duì)多種不同淀粉進(jìn)行了分析。淀粉的玻態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)對(duì)試樣的力學(xué)性能也有影響。Tg低,實(shí)驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度、模量、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度等增加,而直鏈淀粉含量高的淀粉中Tg比較低。所以淀粉中直鏈淀粉含量越高,淀粉產(chǎn)品越柔軟。經(jīng)Robbert實(shí)驗(yàn)測(cè)定,含25%增塑劑的蠟質(zhì)玉米的拉伸強(qiáng)度接近10 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率110%,是選用淀粉中綜合性能最好的。北京大學(xué)與日本原子能研究所的Yosbii等研究了用電子束輻照用甘油和聚乙二醇作為增塑劑的淀粉基塑料。成功制得了淀粉基薄膜,并發(fā)現(xiàn)輻照可以使各組分分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成完整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)薄膜的拉伸性能。

由以上的研究可知,可以對(duì)淀粉進(jìn)行改性,得到熱塑性淀粉,并通過改變加工方法、增塑劑種類等手段改善熱塑性淀粉的性能。

由于熱塑性淀粉具有機(jī)械性能差、吸水性強(qiáng)等缺點(diǎn),研究者開始考慮用纖維作為強(qiáng)化劑,添加到熱塑性淀粉基體中,改善材料的性能。天然纖維與淀粉同為多糖分子結(jié)構(gòu),將纖維與熱塑性淀粉共混,能得到較好的強(qiáng)化效果。

巴西圣卡羅斯化學(xué)研究所Curvelo等用巨尾按纖維作為強(qiáng)化劑來改善熱塑性淀粉的機(jī)械性能。強(qiáng)化型熱塑性淀粉與未強(qiáng)化型熱塑性淀粉相比,拉伸強(qiáng)度增加了100%,彈性模量增加了50%。并且得出材料的吸水性隨著纖維含量的增加而減少的結(jié)論。

匈牙利布達(dá)佩斯大學(xué)Gaspar等在用甘油作為增塑劑的熱塑性玉米淀粉中加入了纖維素、半纖維素和玉米蛋白,研究發(fā)現(xiàn),半纖維素和玉米蛋白強(qiáng)化型熱塑性淀粉的機(jī)械強(qiáng)度較好(10. 4 MP和11. 5 MPa)。巴西研究者Guimaraes等對(duì)甘蔗纖維和香蕉纖維對(duì)熱塑性淀粉的強(qiáng)化作用進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化后的試樣拉伸性能明顯增強(qiáng),甘蔗纖維與熱塑性淀粉的表面結(jié)合性要比香蕉纖維好。

泰國(guó)拉卡邦先皇技術(shù)學(xué)院Prachayawarakorn等對(duì)棉纖維強(qiáng)化的熱塑性大米淀粉進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在加人棉纖維后材料的拉伸性能增加、吸水性下降。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),在加人相同含量(10%)的棉纖維或低密度聚乙烯時(shí),加入棉纖維的試樣機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、吸水性和生物降解性等指標(biāo)均較優(yōu)。

法國(guó)魯昂大學(xué)Sreekumar等研究了劍麻纖維對(duì)熱塑性小麥粉的影響,發(fā)現(xiàn)劍麻纖維可以增強(qiáng)熱塑性小麥粉的拉伸性能,但是其流動(dòng)性會(huì)下降。