淀粉塑料研究现状

毕业设计（论文）
淀粉塑料研究现状
Starch plastics Research
班级高聚物111 学生姓名杨振学号 1132403127
指导教师杨昭职称讲师
导师单位材料工程系
论文提交日期 2013年1月7日
淀粉塑料研究现状
杨振
徐工院高聚物111 徐州221400
摘要：
发展淀粉降解塑料有利于节省石油资源、保护环境。

国内外这方面的研究较多, 并且在技术的实用性方面也取得了较大进展。

目前研究热点集中在3 个方向: 淀粉与其它可生物降解高分子的直接填充; 对淀粉表面修饰使其能与合成高分
子相容; 在淀粉与合成高分子体系中加入增塑剂。

虽然淀粉基可生物降解塑料在综合性能上还不能与合成高分子相比, 但由于淀粉的综合优势, 淀粉基可生物
降解塑料的研究和发展极具潜力。

关键词：淀粉降解塑料环境污染淀粉塑料
Starch plastics Research
Yang Chen
The Xugong Institute polymer 111 Xuzhou 221400
Abstract：
Development of starch biodegradable plastic in favor of saving oil resources and protect the environment. More research in this area at home and abroad, and has made great progress in the practical aspects of the technology. Current research focus is concentrated in three directions: starch with other biodegradable polymer directly filled; modified starch surface so that it can be compatible with the synthetic polymer; adding plasticizers in starch and synthetic polymer systems. The starch-based biodegradable plastics in the overall performance can not be compared with the synthetic polymer, but great potential due to the comprehensive advantages of starch, starch based biodegradable plastics research and development.
Key Words：Starch Degradable plastics Environmental pollution Starch plastics
目录
引言 (3)
一、国内外现状分析 (3)
1、国外现状 (3)
2、国内现状 (3)
二、淀粉的性质及淀粉塑料降解分类 (4)
1、淀粉的基本性质 (4)
2、淀粉塑料的分类 (5)
三、淀粉塑料的性能 (5)
1、生物可分解特性 (5)
2、热塑可加工特性 (5)
3、高经济价值 (6)
四、淀粉塑料存在的问题 (6)
1、填充型塑料的降解性为达到标准 (6)
2、价格不具有竞争力 (6)
3、综合性能不高 (6)
4、评价方法不一致 (7)
五、淀粉塑料的发展 (7)
结论 (7)
参考文献 (8)
致谢 (8)
引言
近10多年来，全球为应对石油资源日趋贫乏、油价不断飞涨以及环境污染、气候变暖日益严峻的资源、环境问题，引发了对可再生资源为原料的生物质材料的极大关注。

目前已产业化生产的生物质塑料主要包括两大类，一类为以淀粉、植物纤维素等天然高分子为原料，经改性后单独或以不同比例与其它生物降解塑料或与普通塑料共混（或合金化），然后通过热塑料性加工制得可完全生物降解或部分生物降解塑料，如淀粉基塑料。

另一类为以淀粉、糖蜜等可再生资源通过微生物或基因工程直接合成生物降解塑料，如聚羟基烷酸酯（PHA）等；或以淀粉、秸秆等农副产品为原料，通过发酵合成单体，再经化学合成生物降解塑料，如聚乳酸（PLA）等。

淀粉基塑料是当前技术较成熟、产业化规模较大、性价比较适中、市场占有率较高的一类生物质塑料。

其性价比可与普通塑料PE相比拟，有利于推向市场，这为堆肥化处理用垃圾袋提供了可再生、可持续发展和生物降解的选择。

一、国内外现状分析
1、国外现状
塑料制品应用广泛, 但废弃物污染环境。

国外于80 年代对塑料的生物降解开展了研究, 淀粉塑料的生物降解已开发成功并已工业化。

淀粉塑料分为两大类型: 淀粉填充型生物降解塑料和全淀粉或基本全淀粉的生物降解塑料. 前者是在普通塑料中加入淀粉或改性淀粉和其他添加剂制成, 后者以淀粉为主要原料, 添加少量其他助剂经反应制成。

国外概况
淀粉塑料在美国和加拿大都已商品化, 玉米淀粉塑料的重要用途之一是生产垃圾袋, 它是由43 写玉米淀粉和47 % 聚乙烯以及10 %各种助剂组成的。

2、国内现状
我国的地膜覆盖栽培技术虽然在70 年代才开始推广, 比国际上迟了20 年, 但发
展迅速。

19 8 0 年生产地膜0. 25 万t , 覆盖面积16 67 公顷(2. 5 万亩) , 1 9 9 1 年生产
约50 万t , 筱盖面积达46 万公顷(7 0 0 0 万亩) , 预计到2 0 0 0 年, 我国地膜覆盖面积
将达到6 67 万~ 1 0 0 0 万公顷(1 ~ 1. 5 亿亩) 。

地膜栽培技术推广, 据测算可提高产
量15 % ~ 20 % , 但由于地膜残留于土壤中, 污染严重, 据对北京近郊调查, 使用多年地
膜筱盖的地上每亩残留地膜竟达2 3 kg , 使小麦减产20 % , 其他作物的减产幅度为8.
3 % 一54. 2% 不等, 且其残留膜缠绕在秸杆上被牲畜吃了患病甚至死亡。

其他的塑料
制品如快餐盒、塑料袋、各种容器残留也到处可见。

二、淀粉的性质及淀粉塑料降解分类
1、淀粉的基本性质
天然淀粉的高分子链间存在氢键, 分子间作用力较强, 因此, 溶解性差, 亲水而不易溶于水, 且加热不熔融, 300℃以后分解, 成型性能较差。

为改善其加工工艺性能, 一般可通过打开淀粉链间的氢键, 使其失去结晶性的方法来完成。

具体有两种方法, 一种是加热含水量大于90% 的淀粉, 在60~ 70 ℃间淀粉颗粒开始溶胀, 达到90℃以后淀粉颗粒崩裂, 高分子链间氢键被打开, 产生凝胶化; 另一种是在密封状态下加热, 塑炼挤出含水量小于28%的淀粉。

这种过程中淀粉可以熔融, 称为解体淀粉或凝胶化淀粉。

这种淀粉与天然颗粒状淀粉不同, 因其加热可塑, 故称之为热塑性淀粉。

其实, 解体淀粉与热塑性淀粉是有区别的, 从根源上说二者的区别主要是前者仍然具有结晶状的结构, 后者基本没有这种结构。

图1 淀粉的分子结构
图1淀粉的分子结构
Fig. 1 The molecular structure of starch
淀粉作为高分子物质, 其性质自然与分子量、支链以及直支链两种成分的比例有关。

实验证明, 高直链含量的淀粉比较适合于制备塑料, 所得材料具有较好的机械性能。

2、淀粉塑料的分类
一般而言，依照其发展过程，淀粉降解塑料前后共经历了三个主要技术发展阶段，分别为第一阶段的填充型淀粉塑料、第二阶段的淀粉基塑料和第三阶段的全淀粉热塑性塑料。

（1）填充型淀粉塑料：此阶段的产品多由淀粉（约6~20wt%）与聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）等高分子的共混物制备，其最大缺点为产品的淀粉组成经降解后会留下一个不能再降解的塑料聚合物，因此此类塑料亦被称为淀粉填充型塑料或假降解塑料。

（2）淀粉基塑料：此阶段的产品使用聚乙烯醇等亲水性高分子与含量大于50%的淀粉高分子进行共混制备，藉由淀粉高分子和亲水性高分子间的物理和化学反应，此类材料具有较优异的生物可降解特性与可加工性，此类塑料亦被称为生质塑料。

（3）全淀粉热塑性塑料：利用改性方式使淀粉高分子的结构以无序化排列并具有热塑特性，在淀粉含量90% 以上的前提下，于高温、高压和高湿条件下制备全生物可降解塑料，因此全淀粉塑料是真正完全可降解的塑料。

此外，虽然所有的塑料加工方法均可应用于淀粉塑料加工，但全淀粉塑料的加工却需要少量的水与高分子加工添加剂做为增塑剂（如甘油），研究发现，在进行全淀粉塑料加工时，添加20~30% 的水与甘油10~20% 当作增塑剂为最适宜条件。

三、淀粉塑料的性能
1、生物可分解特性
全淀粉热塑性塑料含有80% 的淀粉，其制作过程中额外添加的各类助剂亦具有生物可降解性，因此全淀粉塑料能在使用完后，于短时间内被光或微生物完全降解，全淀粉塑料经降解后生成二氧化碳和水，不会对环境造成任何污染。

2、热塑可加工特性
具有热塑特性的淀粉就像聚乙烯或聚丙烯等泛用塑料一样，可以重复进行塑化加工，全淀粉热塑性塑料可透过剪切速率的调节来调整黏度，以优化其加工性能，透过传统塑料的成形加工技术（如挤出、吹塑、流延、注塑等），可以得到各种淀粉塑料制品，淀粉生质合胶亦为近年来研究之主流。

此外，研究显示，其机械物性如拉伸强度约为8~10Mpa、拉伸长度约为150~200%，可以满足一般塑料制品的需求；而以此类淀粉为基材之热可塑性高分子易受到来源种类与增塑剂所影响，如高直链淀粉因其结晶度较低，以及增塑剂对材料物性严重下降而影响其加工性，是故材料筛选与来源规格控管于此领域格外重要。

3、高经济价值
全淀粉热塑性塑料其原料成本较传统塑料低约20%，也较生物可分解塑料（如PLA 或PHB 等）减少50%以上，极具市场竞争力。

淀粉塑料的物理性质如表1
表1 淀粉塑料的物理性质
Tab.1 Physical properties of pure starch plastic
性能指标
薄膜密度/(g·cm-3) 1.15
薄膜厚度/mm 0.4
光泽度/% 80
拉伸强度/MPa 7~10
断裂伸长率/% 180~260
撕裂强度/(N·mm-1) 33
四、淀粉塑料存在的问题
1、填充型塑料的降解性为达到标准
填充型塑料的降解性能尚不能完全达到满意的程度。

大部分所谓的可生物降解淀粉塑料都是部分失重、裂成碎片, 虽然有菌落生长和力学性能降低等特征, 但均不能说明产品完全消失。

尤其在淀粉填充型塑料中的PE、PVC 等均不能短时间内降解。

因此该类产品应归属在淘汰行列。

2、价格不具有竞争力
国内外公认降解塑料比同类塑料产品的价格高50%以上, 其中能完全降解的高4~ 8 倍。

3、综合性能不高
淀粉基塑料力学性能一般可以与同类应用的传统塑料相比, 但其综合性能不令人满意。

主要缺点是含淀粉的塑料耐水性都不好, 湿强度差, 遇水后力学性能显著降低, 而耐水性好是传统塑料在使用过程中的主要优点。

在不同场合使用时也产生不同问题, 如主要在列车上使用的光/ 生物降解聚丙烯餐盒与聚苯乙烯泡沫餐盒相比, 显出质软、装热食品易变形, 因而实用性较差。

而且这种餐盒比较费原料, 每个餐盒重量比聚苯乙烯泡沫塑料餐盒重1~ 2 倍。

4、评价方法不一致
由于生物降解塑料的发展较晚也较快, 各国都正在建立健全生物降解塑料的评价方法。

由于世界各地的气候、土壤等自然因素迥异, 致使评价标准很难在短时间内达到统一。

五、淀粉塑料的发展
开发全淀粉热塑性塑料最常使用的方式即是针对天然淀粉进行物理处理或化学处理，经过处理后的淀粉高分子除具备优异的热塑加工性与自然降解特性之外，也带有传统塑料树脂的优异物理性质，与原来的淀粉基塑料比较，其优点有：（1）绿色环保素材经全分解后形成二氧化碳及水；（2）经适当改性与高分子加工可下游产业之需求；（3）价格优势，淀粉取之自然、量多且来源充足，因此全淀粉热塑性塑料的成本低于淀粉基塑料和传统塑料。

我们也应看到，生物降解塑料的潜在市场是巨大的，目前适于使用降解塑料的包装、农用制品及一次性塑料用品约占塑料总产量的30%，全世界降解塑料市场估计为4 000万t，我国则为300万t，因而大家都希望完全降解塑料尽快工业化生产。

国内外众多科学家仍在不断努力，随着技术不断进步，现在已有多种完全降解的降解塑料问世，而且在进一步完善，而国内则研究甚少，有些还是空白，我们必须加强对真正完全降解的塑料研究。

阻碍它发展的首要问题是成本。

就目前问世的完全降解塑料品种而言，成本降低可能性最大的要数全淀粉塑料，因为不管如何，它所需的原料淀粉是可再生资源，其单位价格远比传统塑料原料低，更不说与现在合成的可降解树脂比了。

现在对于可降解塑料的定义逐渐清晰化。

所谓可降解塑料就是必需在废弃后短期内能百分之百降解为无害物质( 如CO2和H 2O) 的塑料。

上文所述的淀粉直接填充型塑料不能完全降解, 因此它不能算作真正意义上的可降解塑料。

降解塑料的研究还不成熟, 在发展过程中出现问题和争议是可以理解的。

可降解塑料总体的发展趋势为: 根据不同用途,开发准时可控性环境降解塑料; 开发高效价廉的各种功能性助剂, 进一步提高准时可控性、用后快速降解性和完全降解性; 加强对全淀粉塑料( 热塑性淀粉塑料) 的研究; 加速研究和建立系统的降解塑料的讲解实验评价方法和标准。

作为可降解塑料的一个重要发展分支的全淀粉型塑料的发展优势在于: 淀粉在一般环境中就具备完全可生物降解性; 降解产物对土壤或空气不产生毒害; 开拓淀粉新的利用途径可促进农业发展。

但是全淀粉塑料研究的程度不深, 显然这方面仍然有巨大的研究空间。

结论
淀粉塑料的开发应用，其主要优点是集实用性、经济性于一体，其原料来自可年年再资源，作为日益减少的石化资源的补充替代，对于摆脱对石化资源的长期依赖、缓解石化资源的供求矛盾有着十分重要的作用，也是当今各国寻求可再生资源替代不可再生资源，确保经济可持续发展的主要方向；另外，当前低碳经济已成为全球瞻目的热点和不可抗拒的发展潮流，淀粉基塑料垃圾袋作为PE塑料垃圾袋的替代品，每年可实现相当可观数量的碳减排。

未来有机会逐步取代传统不可分解塑料之产品，减少塑料废弃物造成的白色污染及焚化处理时生成的废气污染。

参考文献
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[10]赫玉欣, 由文颖, 宋文生等.淀粉基生物降解塑料的应用研究现状及发展趋
势.河南科技大学学报(自然科学版)，2006，（1）
致谢
大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。

首先诚挚的感谢我的论文指导老师-------老师，她在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。

还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢三年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了三年的学习生活。