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《华中农业大学》 2008年
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淀粉基生物质材料的制备、特性及结构表征

熊汉国  
【摘要】: 随着石油短缺带来的能源危机和废弃塑料引起的“白色污染”日趋严重,对天然生物质材料的研究愈来愈引起各国政府和科学家们的重视与关注。淀粉这类来源广泛的天然高分子多糖,则是生物质材料较理想的选择之一。然而由于淀粉自身的多羟基结构和结晶规整排列,以及由此带来的许多特性,限制了直接将淀粉用于加工或代替塑料薄膜和其它用途的制品,特别是农用地膜,难度更大。为此,本文以淀粉为原料,选用不同的增强剂制备全生物降解包装膜、农用地膜和宠物玩具。根据加工材料的需要,选择不同粒度大小的淀粉,并对其进行特殊的物理和化学修饰,使淀粉分子链形态适应其加工性能。主要研究结果如下: 1.纳米二氧化硅改性淀粉基生物降解包装膜的机理 通过IR、XPS、XRD及DSC分析技术对纳米二氧化硅改性淀粉基生物降解包装膜的微观结构、原子组成变化、聚集态行为及热特性进行表征和分析,探讨了纳米二氧化硅改性淀粉基生物降解包装膜的机理:纳米二氧化硅不仅同ST和PVA分子间形成氢键,同时还通过化学键作用形成新的C-O-Si键,从而使纳米二氧化硅与ST-PVA分子间形成致密的网络结构,进一步揭示了纳米二氧化硅提高ST-PVA膜性能的本质原因。 2.纳米二氧化硅改性淀粉基生物降解包装膜的制备技术 系统的研究了纳米二氧化硅的分散方法以及淀粉的增塑和交联技术。研究结果表明超声波分散方法是分散纳米二氧化硅较理想的分散方法,选用脉冲式(开启3s,停止2s)及超声波振幅为50%的条件下,超声波处理纳米二氧化硅12min,可使纳米二氧化硅均匀的分散在ST-PVA膜中;纳米二氧化硅的最佳添加量为1.5%,可以显著提高ST-PVA膜的耐水性、拉伸强度、断裂伸长率以及在环境中的适应性能;通过正交实验及模糊数学中的综合评价法,确定了三种复合增塑剂水、乙二醇和丙三醇的最佳用量分别为水4%、乙二醇3%和丙三醇9%;乙二醛是淀粉的有效交联剂,乙二醛交联反应的优化条件为乙二醛2.5%、pH为9、反应温度为80℃及交联反应时间为30min;淀粉基生物降解包装膜的力学性能达到国家标准GB/T4456-1996(包装用聚乙烯吹塑薄膜国家标准),并具有很好的环境适应性能和生物降解性能。 3.微细化淀粉的特性及其在生物降解地膜中的应用 利用超声波气流粉碎机制备微细化淀粉,并进一步对微细化淀粉进行疏水化改性,以提高与PCL生物降解高分子材料的相容性。研究结果表明淀粉经微细化处理后,粒径明显下降,表面变得不规则,并且随微细化程度的提高,淀粉分子内的氢键断裂程度提高,淀粉分子表面活性提高以及结晶度下降,经进一步研究发现,过细的淀粉易发生聚集现象。结合成本考虑,选择300目的微细化淀粉较适宜;采用双重增塑改性,确定了PCL增塑改性的条件为增塑剂PEG(Mn=6000)用量为6%,淀粉增塑改性的增塑剂的最佳用量为三乙醇胺4%、聚乙二醇(Mn=400)3%及丙三醇2%;经在甜玉米作物进行田间实验结果表明,淀粉基生物降解地膜具有保温、保水及增加农作物产量的作用,且具有较好的生物降解性能,可以替代非降解性的PE地膜。 4.淀粉的双酯化改性及其在宠物玩具中的应用 较系统的对磷酸化醋酸化双酯化淀粉的微观结构、热特性及晶体结构特性进行了研究,并通过进一步的增强、增塑及交联制备可食性宠物玩具。研究结果表明淀粉经双酯化后,其透光率提高、冻融稳定性和膨胀度增加,双酯化后的淀粉较原淀粉结晶度下降,而保水性和热稳定性提高;当复合增塑剂水和丙三醇用量各为12%、交联剂多聚磷酸钠用量为2%、增强剂明胶用量为20%时,制备的宠物玩具硬度为14042.55g和弹性为0.936。 主要创新点: 1.利用纳米二氧化硅高表面活性的特点,采用超声波分散后用来改性淀粉,从而提高了淀粉基包装膜的性能;发现纳米二氧化硅与ST-PVA间存在氢键及化学键合,探索了纳米二氧化硅提高ST-PVA包装膜的机理。 2.根据热力学原理,利用机械力作用,降低淀粉颗粒的结晶度和簇聚行为,使淀粉无序化程度和反应活性增加,通过具有高反应活性的双氨基硅烷对微细化淀粉进行疏水化改性,同时对微细化淀粉和增强剂PCL进行双重增塑,利用吹膜法成功的制备了具有良好机械性能和降解性能的全生物降解地膜。 3.将淀粉进行双酯化改性后用于制备淀粉基宠物玩具,并采用物性测试仪对淀粉玩具的质构特性进行表征。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TQ321

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【参考文献】
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