淀粉基可降解泡沫材料的研究进展

淀粉基可降解泡沫材料的研究进展

作者：孙迪喻亚格任道欢

来源：《中国科技博览》2013年第16期

[摘要]本文简述了目前淀粉基可降解发泡材料的最新研究进展，综述了国内外淀粉基可降解发泡材料的成型研究进展，并对未来的发展做了展望。

[关键词]淀粉；发泡；发泡成型；生物降解

中图分类号：TS236.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0273-01

聚苯乙烯，聚丙烯，聚乙烯和聚氯乙烯泡沫塑料的广泛应用已造成严重的白色污染，开发淀粉基可降解泡沫塑料不仅为更好地利用丰富的天然资源开辟了一条新的途径，而且还可以解决白色污染，另外还能缓解生化能源紧缺的危机。本文就国内外淀粉基可降解泡沫塑料的研究进展作一综述，以期为进一步开展绿色缓冲材料的研究提供指导。

1 天然淀粉泡沫塑料

天然淀粉包括玉米淀粉，土豆淀粉，小麦淀粉，蜡质玉米淀粉，高度支化土豆淀粉，木薯淀粉以及西米淀粉等[1，2]，一般呈粒状，含有不同比例的直链和支链结构。普通淀粉泡沫塑料大都是开孔结构，泡孔均匀性差，较脆；而高直链淀粉泡沫塑料则形成闭孔结构，泡孔小而且比较均匀，压缩强度较普通淀粉泡沫塑料小，脆性明显降低。

2 变性淀粉泡沫塑料

淀粉是一种强极性的结晶性物质，热塑性差，同时淀粉是亲水性物质，由纯淀粉制备的泡沫塑料不适宜在有水或湿度较大的环境中使用，因而要对淀粉进行改性，以适应生产和应用的要求。改性淀粉包括酯化淀粉，醚化淀粉，接枝共聚改性淀粉，酸水解淀粉，交联淀粉和酶转化淀粉等[3]，其中酯化淀粉，醚化淀粉和接枝共聚改性淀粉较为常见。

3 淀粉/合成树脂复合泡沫塑料

3.1 与合成树脂共混

B. Catia 等[4]均各淀粉与聚合物共混挤出，其中包括聚合物A可以与淀粉兼容；B可以与淀粉反应，制得密度为5-13kg/m3，的泡沫塑料。A. Yoshimi等[5]用淀粉与合成树脂PVA和EVOH共混，在非离子表面活性剂，增稠剂及填充材料的存在下，由水发泡制备的淀粉泡沫塑料，具有密度小和表面性能优良等特点。

3.2 与PVA共混

R. L. Shogren等[6]研究了由淀粉/PVA共混烘焙制备泡沫塑料的工艺，结果表明，在较低湿度时，88%醇解的PVA对强度的提高较大，而在湿度较高时，98%醇解的PVA较大；弯曲强度随PVA的分子量的提高而增大；交联剂Ca，Zr等的盐类的加入可以进一步提高耐水性；微观结构分析发现，膨胀的淀粉颗粒镶嵌在PVA中，淀粉在烘焙过程中发生凝胶化，PVA向更高程度的结晶转变。

3.3 与EVOH共混

J. Y. Cha[7]等研究了挤出温度及原料湿含量对淀粉基泡沫塑料物理性能的影响，组分为49%小麦或玉米淀粉，33% EVOH，10.5%水，7%发泡剂及0.5%的成核剂，由单螺杆挤出，螺杆转速为100 rmp。结果表明，体积密度随挤出温度的升高而降低，最大膨胀出现在140℃，密度是聚苯乙烯的4-8倍。

3.4 与商业化生物降材料共混

Qi Fang[8]等用普通（含直链25%）玉米淀粉和蜡质玉米淀粉与Eastar Bio Copolyester 14766 （EBC）以各种比例相混合，双螺杆挤出。研究表明，普通玉米淀粉的水溶性指数低于蜡质玉米淀粉，但两种淀粉制得的泡沫塑料具有相似的机械性能；含EBC 10%的泡沫塑料的压缩强度大于含EBC 25%的压缩强度；含水19%和22%的泡沫制品膨胀率大于含水25%的泡沫制品，含水22%的泡沫制品具有较低的水溶性指数。

4 淀粉基泡沫塑料的成型

4.1 挤出发泡

淀粉挤出发泡成型最早使用在食品中。上世纪80年代末，淀粉挤出发泡成型用于研究淀粉基泡沫塑料以代替聚苯乙烯做松散填充物。其中挤出加工条件、淀粉的组成、发泡剂及湿含量等对淀粉在挤出机中的发泡行为有很大影响。

4.2 模压发泡

Glenn [9] 研究了一种加压/放气模压发泡成型工艺，具体流程为：将淀粉原料在一定条件下置于铝制模具中加热到230℃，并在3.5 MPa压力下压缩10秒，然后释放压力，气体溢出使淀粉膨胀并填满模具。结果表明，小麦，玉米和土豆淀粉在含水量分别为17%，17%和14% 时所得制品的某些物理力学性能与商业化食品包装产品相似，外貌与PS相似。

4.3 烘焙发泡

淀粉的烘焙发泡成型工艺是淀粉与助剂、发泡剂的混合物在烘焙模型中加热发泡的成型方法。烘焙时一般要加入硬脂酸、瓜尔胶等脱模剂，使制品易于脱模。同样，淀粉的组成及加工、发泡条件对淀粉发泡成型也有很大影响。

4.4 超临界流体挤出发泡

超临界流体挤出发泡是一种新近发展起来的新方法，可以应用于生产淀粉基泡沫塑料。该方法通过向熔体中注入超临界CO2以形成微孔结构。Soykeabkaew[10]运用超临界流体挤出法获得了泡孔直径为50-200nm的泡沫，泡孔密度为1×106个/cm3。

5 展望

淀粉基泡沫塑料作为生物降解材料，在开发及应用中具有广阔的前景，通过淀粉的改性及与高聚物的共混，促进淀粉的凝胶化，提高淀粉基泡沫塑料的熔体强度及流动性能，改善其耐水性及湿度敏感性，对其应用具有重大意义。

参考文献

[1]C. Bastioli， V. Bellotti， D. T. Gianfranco and R. Angelos， U. S. Patent， 5736586 （1998）.

[2]J. W. Lawton， R. L. Shogren and K. F. Tiefenbacher， J. Cere. Chem.， 76， 682 （1999）.

[3]T. John， L. K. Christopher and M. Walter， U.S. Patent， 5756556 （1996）.

[4]B. Catia， B. Vittorio and D. T. Gianfranco， U.S. Patent， 5736586 （1998）.

[5]A. Yoshimi， T. Masahiro， U.S Patent， 5308879 （1994）.

[6]R. L. Shogren， J. W. Lawton and K. F. Tiefenbaeher， J. Polym. Sci.， 68， 2129 （1998）.

[7]R. L. Shogren， J. W. Lawton and K. F. Tiefenbaeher， Ind. Crops Prod.， 2002， 16，69 （2002）.

[8]Qi Fang， M. A. Hanna， Bioresour. Technol.， 78， 115 （2001）.

[9]G. M. Glenn， Ind. Crops Prods.， 13， 135 （2001）.