采用改性淀粉与少量聚乙烯醇(ＰＶＡ)等原料共混为基本技术路线,制备可完全生物降解的淀粉基塑料,即可以利用我国丰富的淀粉资源,又可以解决塑料对环境造成的白色污染,本文主要研究了增塑剂及无机填料ＣａＣＯ3、有机填料纸浆等加工助剂对可完全生物降解淀粉基塑料材料的性能影响。该结论为选择材料的配比提供设计基础。
1 可完全生物降解淀粉基塑料的制备
可完全生物降解淀粉基塑料的制备工艺主要是:将增塑剂、改性淀粉与聚乙烯醇溶液等原料共混,在水浴沸腾状态下糊化1小时左右,制得糊化完全且分散均匀的树脂。然后将树脂放入模具并施加压力,使树脂充满模具后,将模具置于130℃烘箱中干燥,便可制得透明的制品。
2 添加剂添加量对可降解材料性能的影响
用可降解淀粉基塑料制备制品时,根据制品的使用要求,需要在制备可降解淀粉塑料时需调整材料配比或着加入不同的加工助剂,来改善制品的性能以满足使用要求。增塑剂主要改善材料的柔韧性,碳酸钙及纸浆起到一定的补强作用
。2.1 增塑剂含量对降解材料性能影响
淀粉基生物降解材料中,甘油及自制增塑剂在一定的温度和压力下对淀粉有增塑作用,增塑剂的含量对降解材料性能有重要影响,表1是增塑剂含量不同的原材料配比试样。由上述试样制得的材料拉伸强度曲线如图1,断裂伸长率曲线如图2。
由图1及图2可知,随着增塑剂添加量的增多,试样强度随之提高,断裂伸长率显著增大。增塑剂的加入使糊化后的淀粉团粒中含有相当数量的多羟基化合物,这对淀粉团粒起增塑作用。这时淀粉团粒的强度较高,有一定的延展性和弹性。随着加入量的上升,这种作用越来越大,降解材料的强度和断裂伸长率均有所提高。尤其是断裂伸长率变化显著。又因为增塑后的淀粉分子间氢键作用被削弱,提高了混容性,所以材料韧性和强度随着增塑剂的含量增大而增大[1,2]。当增塑剂含量大于25%时,材料的断裂伸长率大于100%,表现出优异的韧性。上述试样制备的降解材料,其撕裂强度曲线如图3。由图3知随增塑剂含量的升高,材料的撕裂强度增大。当增塑剂的含量大于20%时,材料的撕裂强度具有增快的趋势。
2.2 无机填料碳酸钙含量对降解材料性能影响
在降解塑料配方中碳酸钙主要起填充作用,可以增加产品的刚度、耐热性、尺寸稳定性和降低成本。表2是无机填料碳酸钙含量不同的原材料配比试样。由上述试样制得的材料拉伸强度曲线如图4,断裂伸长率曲线如图5。由图4可见,随着碳酸钙的加入,试样强度逐步降低。这是由于碳酸钙与有机组分表面间存在空穴,随着碳酸钙的增多,此种空穴缺陷越来越多,组分间结合力下降,导致试样强度下降[3],当碳酸钙的含量大于6%时,拉伸强度具有快速下降的趋势;实验结果还表明,碳酸钙的添加量在一定范围(10%的质量比)内,试样的断裂伸长率几乎无影响。上述试样制备的降解材料,其撕裂强度曲线如图6。
由图6知随碳酸钙含量的升高,材料的撕裂强度降低。当碳酸钙含量大于6%时,材料的撕裂强度具有快速降低的趋势。
2.3 有机填料纸浆的含量对降解材料性能影响
在降解材料中,纸浆主要起到补强及骨架支撑作用。用可降解淀粉基塑料制作一次性餐具及容器时,必须在该塑料中加入一定的补强支撑材料,研究纸浆对该材料性能的影响有重要意义。表3是有机填料纸浆含量不同的原材料配比试样。由上述试样制得的材料拉伸强度曲线如图7,断裂伸长率曲线如图8,撕裂强度曲线如图9。
由图7、图8、图9可知纸浆添加量存在一最佳值,纸浆添加量为此值附近时,试样性能达到最佳状态。这主要是初期加入,纸浆作为一种纤维,对材料起增强作用,随着添加量的增多会达到饱和,在此基础上再加入纸浆,由于纸浆与聚乙烯醇及淀粉的混容性不佳,反而使材料的性能下降。另外,实验数据表明:纸浆对试样断裂伸长率的影响与碳酸钙类似,对性能影响不大。
3 结论
(1)增塑剂用量增大,则产品机械性能及降解性能提高,当增塑剂含量大于25%时,材料的断裂伸长率大于100%,表现出优异的韧性。
(2)碳酸钙作为降低材料成本,改善刚性,尺寸稳定性的填料加入。添加越多则拉伸及撕裂强度越低。应在满足制品使用要求的前提下适当加入。
(3)纸浆对体系有一定的补强作用且存在一个最佳添加值。