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淀粉和纤维在生物降解包装材料中的应用

时间:2007-12-11 17:36:28来源:国际包装网作者:王建清、王立元

  摘要:淀粉和植物纤维是两大天然高分子材料。在可降解材料中研究和应用较为广泛,本文综述了淀粉和纤维在生物降解包装材料中利用的现状及发展前景。
  关键词:淀粉;纤维;生物降解包装材料
  众所周知,聚合物工业的发展导致环境污染的不断加剧。塑料质轻且体积大,废料处理困难,填埋、焚烧都不是理想的解决办法,“白色污染”已成为全球性问题。另外,石油资源日益减少,寻找新的非石油生产聚合物迫在眉睫。近几十年来人们在不断地通过各种途径寻求可以代替传统塑料的可完全降解的材料,经过了反复争论和多年实践,已达成共识,降解材料必须在废弃后的较短时间内能够全部降解成为无害物质,如二氧化碳和水。天然可降解物质的利用对于制备可降解材料具有极其重要实际意义,淀粉、植物纤维、甲壳质、壳聚糖等为主体的天然高分子材料正适应了这种完全环保的要求和趋势。淀粉作为天然高分子物质,来源丰富价格便宜,在微生物作用下分解为葡萄糖,最后代谢为水和二氧化碳,是一种取之不尽的可再生资源。天然淀粉是以15~100μm的小颗粒形式存在,颗粒内存在结晶结构的高分子化合物。淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成,直链淀粉是葡萄糖以α-D-1,4糖苷键结合的链状化合物,相对分子质量为(20~200)×104。支链淀粉中葡萄糖单元的连接方式除α-D-1,4糖苷键外,还存在α-D-1,6糖苷键,相对分子质量为(100~400)×106。天然植物纤维同样也是符合可持续发展要求的可再生资源,植物大量的产生纤维,它是地球上最丰富的碳水化合物,在自然界中可被微生物分解酶降解,为植物或微生物作为营养源而摄取。
  淀粉和植物纤维这两大天然高分子材料各自在降解材料中均有着广泛的研究和应用,包括一次性餐饮具、医药包装材料、模塑制品、泡沫塑料等领域。淀粉和植物纤维就结构本身而言非常相似,但二者的构型和组成不同。纤维的主要成分纤维素是直链淀粉的异构体,葡萄糖单元通过β-1,4-苷键相连,氧原子和羟基成反式结构。这个微小的不同造成了直链淀粉和纤维素的空间构型的不同,直链淀粉的构型比较弯曲,而纤维素则相对要直,结果是两种异构体在溶液中的溶解性能和对化学物质的反应性差异很大,也在很大程度上导致了淀粉和纤维宏观性能上的巨大差异。而且,二者不经过化学改性及特定工艺条件在分子领域内难以进行一般的交联、接枝等化学反应。然而,人们总是想方设法的把这两大天然高分子聚合物有机地结合起来,使其易于加工成型且具备良好的使用性能和降解性能。
  1.淀粉和纤维在生物降解包装材料中利用的现状
  淀粉与其他一些天然高分子物质如纤维素、半纤维素、木质素、果胶、甲壳质、蛋白质等复合制造完全生物降解材料,是近年来发展很快的一种全天然生物降解材料。它具有很多优势,所需原料为可再生资源,其单位价格远比传统塑料低,平均成本随产量的递增而降低;并且能完全生物降解,降解产物对环境无危害,燃烧时不会产生有害气体;同时还具有一定的热塑性,可通过不同方法成型,是一种理想的生物降解材料。其膜材、片材可作为各类包装材料,也可加工成各种制品,用途广泛。目前,淀粉与纤维的综合应用在天然物质为原料的生物降解材料中占有重要的一席之地,尤其是在包装领域中应用越来越广阔。大致分为如下两方面:
  1.1在一次性餐饮具、食品包装托盘、包装用膜材和片材中的应用
  李及珠等人研究了生物/光降解PS淀粉塑料发泡快餐具存在的问题,通过将植物纤维混入PS淀粉树脂中,促使多组分交联,使分子链从原来的线形或轻度支链形结构转化为三维网状结构,形成纤维增强淀粉塑料泡沫,从而有效提高快餐具制品的降解性能、力学性能、加工性能,并降低成本。
  制品中淀粉含量对生产工艺和各方面性能有着显著的影响。淀粉含量越高降解性能越好,但达到25%之后,制品的物理性能明显下降,其强度、刚性、表面质量和使用性能与PS泡沫塑料餐具相比,有明显的差异。在挤出发泡片材过程中,淀粉含量越高,其熔体强度越低,导致泡孔壁强度不足,难以承受气泡膨胀,结果泡体易破裂,产品开孔率高,引起泡孔密度和抗压缩性能下降;且淀粉含量越高,吹胀中丁烷越易逸出损耗而造成泡孔坍塌,片材明显收缩,发泡倍数明显下降,既增加了生产成本,又使制品表面出现皱纹而影响外观质量;淀粉含量高的PS熔体流动性明显降低,适合于发泡的熔体粘弹性难以稳定维持,又不能通过提高料温来降低熔体粘度(易使淀粉变焦、泡体塌瘪现象加剧),从而使挤出机的生产能力明显降低,质量稳定性差,有时出现横向波纹。
  将植物纤维混入PS淀粉树脂中作为工艺和性能改进的手段,植物纤维与塑料的相容性较差,与淀粉一样具有很强的吸水性;因此使用时,必须先进行改性及添加必要的相容、分散助剂,以保证混合均匀。首先应考虑植物纤维的粒度和添加量,为了使挤出发泡能形成均匀细密的泡孔、发泡过程连续稳定、制品机械性能明显提高,必须使纤维原材料细化,一般要达100目以上。纤维在配方中的质量分数对发泡质量和制品的物理机械性能有很大的影响。实验发现,不加纤维的淀粉塑料发泡片材,气泡膨胀易合并成大气泡,开孔率高,泡体收缩率大,这是熔体强度较弱的缘故。加入纤维后,熔体高分子交联形成三维网状结构,使熔体强度提高,有利于气泡均匀膨胀而形成致密均匀的泡孔,也减少了挤出膨胀中气体的逸出,片材收缩率明显降低;但纤维素加入量过大时,熔体强度过高,弹性不足,气泡难以迅速均匀膨胀,故泡孔小而少,发泡倍数明显降低。植物纤维混入同时也须进行改性处理,马来酸酐是一种极性与非极性材料良好的相容剂,纤维经马来酸酐、钛酸酯偶联剂处理后与淀粉PS树脂混合,会明显提高其相容性,并使混合物强度提高。马来酸酐一端含有酸酐基,能够与纤维的羧基发生酯化反应,减少纤维中的活性羧基,降低纤维的极性;另一端是大分子链,与PS基体有良好的相容性,通过其与PS的缠结作用使纤维与PS基体有着很强的界面结合,因此也强化了熔混物的三维网状结构。
  赵华等研究了利用改性淀粉、纤维、轻质碳酸钙及聚乙烯醇等为主要原料制备全降解塑料片材的工艺。改性淀粉为阳离子淀粉,阳离子淀粉是淀粉与含有胺基、亚胺基、铵、锍等基团的物质进行化学反应制得的。反应后淀粉基团带有阳离子电荷,各基团之间离子键相互作用,又加上原有氢键的作用,增加了粘性,同时阳离子基团对带阴离子电荷的纤维素有吸附作用,从而使阳离子淀粉在纤维素和碳酸钙之间起离子桥的作用,将三者紧紧的结合在一起。反应式为:

 

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