1. 课题背景

1.1 塑料污染治理与可降解塑料的发展

塑料污染已成为全球性环境问题。根据国家发展改革委和生态环境部发布的《“十四五”塑料污染治理行动方案》，科学推广塑料替代产品、加强可降解塑料研发是解决塑料污染的重要方向。淀粉基可降解塑料因其来源广泛、可再生、成本低廉且可生物降解的特性，成为替代传统石油基塑料的理想选择。

淀粉是自然界中产量仅次于纤维素的天然高分子材料，其分子结构以直链淀粉和支链淀粉为主（化学式为（C₆ H₁₀ O₅ ）ₙ ）。通过化学改性（如酯化、交联等），可将其转化为热塑性淀粉（TPS），再与其他聚合物共混制备淀粉基塑料。此类塑料分为生物基塑料（部分生物降解）和生物降解塑料（完全降解），其应用前景广阔。

1.2 课题意义

本课题以玉米淀粉为主要原料，探究不同制备条件（如加热方式、增塑剂种类、原料比例等）对淀粉基塑料成膜性能的影响，旨在优化制备工艺，为低成本、高性能可降解塑料的研发提供实验依据。

2. 实验过程

2.1 实验材料

原料：玉米淀粉、马铃薯淀粉、甘油、白醋、植物油、聚乙烯醇（PVA）、蔗糖。

器材：烧杯、玻璃棒、电子秤、培养皿、注射器、弹簧测力计、恒温水浴锅。

2.2 实验设计

实验分为六组，探究以下变量对淀粉基塑料性能的影响：

实验一：探究加热条件对淀粉塑料的性能影响

自变量：加热条件

因变量：成膜特性

实验二：探究淀粉含量对淀粉塑料的性能影响

自变量：淀粉含量

因变量：成膜特性

实验三：探究甘油对淀粉塑料的性能影响

自变量：甘油含量

因变量：成膜特性

实验四：探究白醋含量对淀粉塑料的性能影响

自变量：白醋含量

因变量：成膜特性

实验五：探究淀粉种类对淀粉塑料的性能影响

自变量：淀粉种类

因变量：成膜特性

实验六：探究增塑剂种类对淀粉塑料的性能影响

自变量：增塑剂种类

因变量：成膜特性

2.3 实验步骤

淀粉糊化：将淀粉与蒸馏水按比例混合，加热至糊化状态。

增塑剂添加：加入甘油或其他增塑剂，搅拌至均匀。

成膜与干燥：将混合液倒入培养皿，静置成膜后烘干。

性能测试：用弹簧测力计测定膜的抗拉强度，观察膜的延展性及外观。

2.4 实验结果与分析

2.4.1 加热方式的影响

水浴加热（80℃）的淀粉基塑料成膜均匀、表面光滑，抗拉强度显著高于直接加热组。原因是水浴加热温度稳定，避免了局部过热导致的淀粉焦化。

2.4.2 淀粉用量的影响

淀粉用量为 1.5g 时，膜的机械性能最佳（抗拉强度：12.5MPa）。过量淀粉（2.0g）导致膜脆化，而过少（1.0g）则成膜不完整。

2.4.3 增塑剂种类的比较

甘油作为增塑剂效果最优，其分子中的羟基与淀粉形成氢键，增强柔韧性；植物油和 PVA 因相容性较差，成膜易开裂。

2.4.4 酸性条件的优化

添加 1ml 白醋的组别成膜延展性提升 20%，因酸性环境促进了淀粉分子链的水解和重组。

3.课题报告

淀粉基可降解塑料的制备及性能研究

赵云汉

摘要：塑料污染是当前全球环境治理的重要挑战，开发可降解塑料是解决这一问题的有效途径。本课题以玉米淀粉为主要原料，通过化学改性和工艺优化，制备淀粉基可降解塑料，并探究其成膜性能。实验结果表明：水浴加热（80℃）、淀粉用量 1.5g、甘油 1ml、白醋 1ml 时，淀粉膜的机械性能与延展性最佳，抗拉强度达 12.5MPa，延展性提升 20%。直链玉米淀粉因其线性结构更易成膜，甘油作为增塑剂效果显著。本研究为低成本、高性能可降解塑料的研发提供了实验依据。

关键字：淀粉基塑料；可降解塑料；增塑剂；成膜性能

1. 引言

1.1 研究背景

传统石油基塑料的不可降解性导致严重的环境污染。根据《“十四五”塑料污染治理行动方案》，推广可降解塑料是减少塑料污染的核心策略之一。淀粉作为天然高分子材料，具有来源广泛、可再生、可生物降解的特性，是制备可降解塑料的理想原料。通过化学改性（如酯化、交联等），淀粉可转化为热塑性材料，进一步与其他聚合物共混，形成性能稳定的淀粉基塑料。

1.2 研究目的

本课题旨在优化淀粉基塑料的制备工艺，探究不同条件（加热方式、增塑剂种类、原料配比等）对成膜性能的影响，为工业化生产提供理论支持。

2. 材料与方法

2.1 实验材料

- 原料：玉米淀粉（直链淀粉含量≥70%）、马铃薯淀粉、甘油（分析纯）、白醋（食品级）、聚乙烯醇（PVA）、蔗糖。

- 器材：恒温水浴锅、电子秤（精度 0.01g）、培养皿、弹簧测力计（量程 0-50N）、注射器。

2.2 实验设计

实验分为六组，分别探究以下变量：

1. 加热方式

2. 淀粉用量

3. 增塑剂种类

4. 酸性条件

2.3 实验步骤

1. 淀粉糊化：将淀粉与蒸馏水按比例混合，水浴加热

至糊化。

2. 增塑剂添加：加入甘油或其他增塑剂，搅拌至均匀。

3. 成膜与干燥：将混合液倒入培养皿，室温静置 24 小时成膜。

4. 性能测试：

- 拉伸性能：用弹簧测力计测定膜断裂时的最大拉力。

3. 结果与分析

3.1 加热方式对成膜性能的影响

水浴加热组（80℃）的淀粉膜表面光滑、厚度均匀，抗拉强度为 12.5MPa，显著高于直接加热组（9.3MPa）。直接加热因温度不均导致局部焦化，降低机械性能。

3.2 淀粉用量的优化

淀粉用量为 1.5g 时，膜的抗拉强度最高（12.5MPa）。过量淀粉（2.0g）导致膜脆化（抗拉强度降至 10.1MPa），过少（1.0g）则成膜不完整。

3.3 增塑剂的筛选

甘油组的延展性最佳（35%），其羟基与淀粉分子形成氢键，增强柔韧性；植物油组因相容性差，膜易开裂（延展性仅 18%）；PVA 组抗拉强度为 9.7MPa。

甘油 聚乙烯醇(PVA) 植物油

3.4 酸性条件的促进作用

添加 1ml 白醋后，膜的延展性提升 20%。酸性环境促进淀粉分子链水解，重组后形成更致密的网络结构。

4. 结论与讨论

1. 最优工艺参数：水浴加热（80℃）、淀粉用量 1.5g、甘油 1ml、白醋 1ml 时，淀粉膜综合性能最佳。

2. 创新发现：直链玉米淀粉（遇碘变蓝）的线性结构更利于分子排列，成膜效果优于支链淀粉（遇碘变红）。因此需要加入白醋提供酸性环境促进淀粉支链水解。

3. 不足与展望：

- 实验测量误差较大，需引入更精密仪器；

- 增塑剂作用机制需结合分子动力学模拟进一步研究；

- 未来可探索淀粉与聚乳酸（PLA）的复配性能。

参考文献

[1] 国家发展改革委, 生态环境部. 关于印发“十四五”塑料污染治理行动方案的通知[Z]. 2021.

[2] 曾勤, 白娟. 淀粉基生物塑料简介及发展趋势[J]. 淀粉与淀粉糖, 2016(4): 10-15.

[3] 微创博志教育. 生物降解塑料——淀粉基可降解塑料的制备及性能研究[Z]. 2024.