生物降解塑料——淀粉基可降解塑料的制备及性能研究

一、研究背景

由于经济社会发展，人们生活方便性的要求，人们在工作、生产、生活的方方面面对塑料制品的使用越来越多，塑料污染问题日益严峻。一个石油衍生塑料袋的平均寿命是12年，但要完全降解却需要500年甚至更久，塑料制品给环境造成巨大的危害，甚至危及子孙后代。随着科技的发展，绿色生态和环保意识的增强，用可降解塑料代替传统的不可降解塑料成为必然趋势。

二、研究的目的及意义

生物降解塑料也被称为“绿色生态塑料”，指的是在一定条件下能在生物分泌酶的作用下分解的塑料材料，特定条件下，最终完全降解成H2O、CO2、CH4等无污染物质的塑料。生物可降解塑料特有的生物降解特性，对于生态环境环保、减少“白色污染”等方面具有十分重大的现实意义。

淀粉基塑料是以淀粉为主要原材料，经过改性塑化后再与其它聚合物共混加工而成的一种塑料产品，属于生物塑料的一种。

淀粉是以二氧化碳和水为原料,以太阳光线为能源,在植物组织中合成的一种多糖类天然高分子化合物,通常以15 ～100nm的小颗粒状态存在,颗粒内存在结晶结构,大多数天然淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成的混合物。淀粉是地球上产量仅次于纤维素的天然高分子,它来源丰富、可再生、价格低廉,通过改性塑化可用于生产淀粉基塑料。淀粉基塑料作为生物基材料中的一个重要品类，已经成功实现产业化生产和应用。

   淀粉塑料还存在一些问题：

（1）降解性能

  现阶段大多数全淀粉塑料产品的降解速率太慢，降解速度低于堆积速度。同时由于产品配方及生产工艺等原因，产品降解速度的人为控制性不好。

（2）使用性能

   国内外研制的全淀粉塑料的使用性能大多不如现行使用的普通塑料,主要表现在耐热性和耐水性差,物理强度不够,仅适于制造一次性使用的制品。

（3）价格

   现在全降解塑料的价格比现行塑料制品高3～8倍，尽管在现有的生物降解塑料种类中，全淀粉塑料是最有希望与普通塑料的价格都较普通塑料高许多，推广使用受到限制。

三、实验设计与方法

实验设计活动目的:    基于淀粉塑料制备的现有方法.尝试改变不同条件（如加热)及配方(如淀粉浓度等),研究制备过程中不同因素对淀粉塑料成膜特性的影响。

实验设计流程和方法：

（1）预实验:  参考淀粉塑料制备的现有方法(实验中可等比例减少/增大相关物料的使用量)，尝试研究该方法是否能够成功制出淀粉塑料,并描述淀粉塑料的成膜状态,完成研究流程记录表相应部分的填写记录。

（2）自变量分析:  尝试分析可能影响淀粉塑料成膜特性的因素/自变量，完成研究流程记录中相应部分的填写记录。

（3） 因变量分析:   参考相关文献，结合现有实验器材确定针对淀粉塑料可以测试的指标，即验的因变量，并尝试梳理针对不同因变量的测定方法，完成研究流程记录表中相应部分的填写记录。

（4）实验设计:  参考淀粉塑料制备的现有方法，尝试针对不同自变量中的含量/水平/操作条件等进行调整设计田老不同白亦具水之业AL术借特性的影响.确定可探究的方向,完成研究流程记录表中相应部分的填写记录。

（5）确定实验步骤:  实验设计完成后，需在现有淀粉塑料制备方法的基础上确定具体细节，如不同物料配比及用量、混合演加执方法流证成士休和干燥方式等，完成就某一探究方向的详细实验步骤的梳理.完成研究流程记录表中相应部分的填写记录。

（6）实验优化及测试记录:  根据实验结果及现有条件对实验步骤进行优化调整，选择感兴趣的自变量和因变量，完成对某一方向的实验探究分析数据并得出实验结论。

四、实验过程及相应的数据分析

实验1：加热条件对淀粉塑料成膜特性影响分析

(1)材料准备:实验设置5个组别，分别在5个小烧杯中分别加入淀粉3ɡ，白醋2ml，甘油2mL，编号 1不加热、2-加热水、3-微波加热、4电煮锅加热和5-水浴加热。

(2)加热条件设置:将5组分别按下表进行操作

(3)流延成膜:用注射器吸取混合液15mlL (控制每组流延体积一致),小心将其转移至贴有对应编号的塑料培养皿中流延制膜，尽可能使其分布平整,用牙签等工具小心戳破明显的气泡。

(4)干燥揭膜:将装有淀粉混合物的墒养皿置于阴凉、干燥的地方自然冷却4天待培养皿内淀粉混合物充分干燥后揭膜。

(5)成膜评价:选择所关注的因变量，是否成膜、揭膜完整性。外观特点延伸性能、膜厚、阻水性等指标依次对不同组别的淀粉膜进行性能评价。

数据记录与分析1

实验2：甘油含量对淀粉塑料成膜特性影响分析

实验步骤:

(1)材料准备:实验设置4个组别,每个组别中准备水20mL、淀粉1.5g白醋1mL。依次改变4个组别中使用的甘油用量为0mL、0.5mL、1mL 和2mL,编号1、2、3和4。

(2)材料混匀:将上述每个组别对应量的水、淀粉、白醋及甘油倒入塑料烧杯中,用玻璃搅拌棒搅拌，待混合物充分混匀后,可停止搅拌(此时混合液呈白色)。

(3)水浴加热将装有混合物的烧杯置于沸水浴中加热,加热过程中不断用玻璃棒搅拌直至混合液颜色变得透明，控制组别内加热时间一致，每个烧杯加热时间大约在10分钟。

(4)流延成膜:用注射器吸取混合液15mL(控制每组流延体积一致)小心将其转移至贴有对应编号的塑料培养皿中流延制膜尽可能使其分布平整。

(5)干燥揭膜:将装有淀粉混合物的培养皿置于阴凉、干燥的地方自然冷却3天,待培养皿内淀粉混合物充分干燥后尝试揭膜。

(6)成膜评价:选择所关注的因变量，如是否成膜、揭膜完整性、外观特点、延伸性能、膜厚、阻水性等指标依次对不同组别的淀粉膜进行性能测定。

实验2数据记录与分析

实验3:不同淀粉对淀粉基塑料成膜特性的影响研究。

实验步骤：

(1)材料准备:实验设置5个组别,每个组别中准备水20mL、淀粉1.5g、 白醋1mL、甘油1g。依次改变5个组别甲便用的淀粉类型为玉米、小麦、土豆、木薯和绿豆淀粉,编号1、2、3、4、5。

(2)材料混匀:将上述每个组别对应量的水、淀粉、白醋及甘油倒入塑料烧杯中，用玻璃搅拌棒呈搅拌,待混合物充分混匀后,可停止搅拌(此时混合液白色)。。

(3)水浴加热:将装有混合物的烧杯置于沸水浴中加热,加热过程中不断用玻璃棒搅拌直至混合液颜色变得透明，控制组别内加热时间一致,每个烧杯加热时间在大约7分钟。

(4)流延成膜:用注射器吸取混合液15mL，小心将其转移至贴有对应编号的塑料培养皿中流延制膜,控制每组流延体积一致,尽可能使其分布平整。

(5)干燥揭膜:将装有淀粉混合物的培养血置于阴凉、干燥的地方自然冷却2天，待培养皿内淀粉混合物充分干燥后尝试揭膜。

(6)成膜评价:选择所关注的因变量，如是否成膜、揭膜完整性、延伸性能、膜厚、阻水性等指标依次对不同组别的淀粉膜进行性能测定。

实验3数据记录与分析

五、实验结论与思考

实验1：加热条件对淀粉塑料成膜特性影响分析

天然淀粉为天然的多羟基化合物，分子间存在大量的氢键，这种分子间强的相互作用使其分解温度低于熔融温度，导致天然淀粉没有可加工性，淀粉加热水就会糊化，会变成糊状的、半透明的胶体溶液，还会具有一定的粘稠性。

通过实验，可发现:

1、在不加热条件下无法成膜，

2、热水混合时能否成膜与热水及淀粉与热水的比例有密切关系〔需保证相应热条件下有限的淀粉可以完全糊化);

3、微波加热、电煮锅加热及水浴加热条件下均能实现混合液微沸状态，能够保证其充分糊化，因而可以成膜。

实验2：甘油含量对淀粉塑料成膜特性影响分析

通过实验，可发现:

1、在淀粉中加入小分子增塑剂，经过高温、高压和剪切作用能够使淀粉具加工性能，使天然淀粉变成热塑性淀粉。

2、不添加甘油时制备出的淀粉塑料具有质脆的特点，成膜表现不佳，添加一定程度的甘油，膜的抗拉强度变弱，但是延伸率上升。

实验3：不同淀粉对淀粉基塑料成膜特性的影响研究

推测不同淀粉制备出的淀粉膜性能存在差异的原因是淀粉中的直链淀粉和支链淀粉含量不同，分子结构及理化性质存在较大差异。

通过实验，可发现不同淀粉制备淀粉塑料成膜特性有明显差异，具体表现为:

1、玉米淀粉和小麦淀粉做出的淀粉膜手感、质地类似以，土豆淀粉和木薯淀粉做出的淀粉膜手感相似。

2、拉伸性能最好的膜为绿豆淀粉膜，最差的是小麦淀粉膜。

3、抗拉强度最好的是玉米淀粉膜，抗拉强度最差的是土豆淀粉膜。

实验结论：

1、淀粉通过加热会变成一定的粘稠性糊状的、半透明的胶体溶液，故能成膜。在选定的5种处理方式种，水浴加热成膜膜的延伸性最好。

2、淀粉必须辅以增塑剂进行增塑才能获得热塑性和柔韧性。甘油在0-2ml范围内，在甘油量为1ml时膜的质地软度和延伸性的性能结合表现最好。

3、不同淀粉制备出的淀粉膜性能存在差异的原因是淀粉中的直链淀粉和支链淀粉含量不同，分子结构及理化性质存在较大差异。根据数据玉米淀粉的成膜性能最好。

实验反思：

实验2第一次实验失败，几乎都干裂严重成碎片，经老师提醒可能是放在空调房间不是自然干燥造成的，第二次实验都成膜了，所以温度变化大对成膜的性能有影响。

   成膜性能检测用的是弹簧测力计，每次实验裁取的大小要一致，不能太小不好检测。由于我第一组实验有一张膜干裂，使能取材的面积受限，所以可能测试延伸性值不是很准确。测试时读取的测试值由于个人反应差异也可能使数据不是很准确。

六、实验总结汇报

   实验完成后，形成PPT、海报并合作完成课题报告。（见文件包）