1、 淀粉基可生物降解塑料设计说明书院 别：化学与材料工程学院专 业：高分子材料与工程姓 名：学 号：1024101指导教师：雷佑安 张艳花日 期：2014 年 1 月 1 日目录1. 设计任务书 .11.1 设计时间及地点 .11.2 设计目的和要求 .11.3 设计题目和内容 .11.4 设计方法和步骤 .11.5 设计成果的编制 .22. 绪论 .33. PBS/淀粉复合生物降解材料 .43.1 淀粉基生物降解塑料简介 .43.2 PBS 简介 .43.2.1 PBS 结构及性质 .43.2.2 PBS 降解机理 .43.2.3 PBS 的综合性能 .53.3 热塑性淀粉的制备工艺 .63.
2、4 前人相关研究 .63.5 研究内容及意义 .64. PBS/淀粉复合生物降解材料的制备及力学性能测试 .84.1 PBS 的选择 .84.2 淀粉含量不同对材料性能的影响研究 .84.3 不同增塑剂类型处理淀粉的复合材料配方对比 .94.4 偶联剂类型对材料的性能研究 .104.5 成型方式的选择 .114.6 配方结果小结 .125. 实验部分 .135.1 实验主要原料和配方设计 .135.2 实验主要仪器及设备 .145.3 共混工艺流程 .145.4 性能测试方案 .155.4.1 标准试样的制备 .155.4.2 测试项目 .155.4.3 性能测试标准 .156. 结语 .16
3、7. 设计体会 .178. 参考文献 .1811.设计任务书1.1 设计时间及地点1、设计时间：2013 年 12 月 23 日 2014 年 1 月 2 日 2、设计地点：9#楼 504 教室1.2 设计目的和要求通过课程设计，要求更加熟悉工程设计基本内容，掌握聚合物配方设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、独立工作和创新能力。1.3 设计题目和内容 设计任务 设计内容和设计成果淀粉基可生物降解塑料关于淀粉基可生物降解塑料研究进展综述设计一种淀粉基可生物降解塑料的制备及性能测试方案。1.4 设计方法和步骤1、设计方案简介 根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现
4、有资料的分析对比，对选定的课题进行综述，确定相关的工艺流程图。2、提供一篇关于所选研究专题的文献综述（主要论述近年来，研究专题国内外研究进展情况，参考文献不少于 10 篇，英文文献不少于 1 篇），综述的内2容及格式完全按照正式发表论文的规范要求。字数不少于 3000 字。3、提供一份所选研究专题的课程设计说明书，内容主要包括设计目的、设计内容、实施方案（主要包括所选用原材料药品、所用实验仪器、实施步骤、性能测试及表征等）、预期达到的主要技术指标及工作进度等，并画出满足上述课程设计任务书的工艺流程图。4、编写文献综述和课程设计说明书。1.5 设计成果的编制本课程的设计任务要求学生做文献综述 1
5、 篇、设计说明书 1 份、图纸 1 张。32. 绪论20 世纪初期，化学改性和人工合成的高分子才刚刚进入人们的视线。Staudinger 提出了高分子的概念后，经过了 10 年的争论到 1930 才基本奠定了高分子学科的基础，从 1935 年杜邦公司成功地合成出尼龙 66，至 1938 年工业化生产之后，直至现在短短的 80 多年时间，高分子材料己经被广泛应用于国民经济各个部门并且极大地改变了我们所生活的世界。以石油化工作为基础的高分子合成化学工业的诞生，极大地促进了塑料的大量生产和应用，塑料制品因其具有生产工艺简单、易于工业化生产、耐水、设备成本要求不高、耐化学腐蚀、相比较其他材料外形美观、
6、制造及安装方便以及价格低廉等多方面的优势，在很大程度上迅速代替了原有的应用较广的金属、木材、玻璃甚至于纸制品。随着塑料产品在人们生活中的广泛应用，其产量的迅速增长，塑料工业也发展迅速，据统计二十世纪九十年代塑料制品的平均年增长率达到了3.6%， 2000 年世界塑料的产量是 1.63 亿吨，据预测 2026 年将达到 3.8 亿吨，20002026 年年均增长速度将为 3.2%。可以看到塑料的应用还在不断地扩大，然而与此同时，有报道称，全球的废弃塑料正以 2500 万吨/年的速度在自然界中堆积。塑料垃圾造成的环境污染己成为全球关注的问题，意大利、丹麦、瑞士、瑞典及美国的一些州立法禁止非降解塑料
7、做为“短期使用”材料或课以附加税，中国在 2008 年 6 月 1 日起实施“限塑令”“白色污染”己成为一个严重的社会问题，如何处理这庞大的塑料垃圾受到人们的普遍关注。过去国外塑料垃圾的处理与城市固体物处理方法一样，仍然是填埋、焚烧和回收利用，美国主要为填埋，日本和德国则以焚烧回收热量为主。但是显然这两种做法不但不能从根本上解决这个问题，还容易造成二次污染。在这样的背景下，人们把注意力投向了可降解高分子材料，脂肪族聚酷由于其生物降解性和经济性，已成为国内外研究的热点。而 PBS 因其具有优异的力学性能、良好的热稳定性和较高的分子量，成为目前国内外研究中最为热点的生物降解高分子材料，而淀粉具有来
8、源广泛、价格低廉、可完全降解及再生4周期短等优点，是最具发展前途的可生物降解材料之一。 13. PBS/淀粉复合生物降解材料3.1 淀粉基生物降解塑料简介普通淀粉粒径为 25m 左右，既可作为制备降解复合材料的一种填料，又可以通过一定改性处理制备降解塑料。淀粉基生物降解塑料分为破坏性生物降解塑料和完全生物降解塑料。前者主要是指将淀粉与不可降解树脂共混，研究开发较早，是淀粉基可降解塑料研究的第一代产品。后者则包括淀粉与可降解聚酯共混材料和全淀粉塑料两种，这两种材料在使用后均能实现彻底降解，目前是国外生物降解材料开发的主流。由于淀粉的成本比普通塑料要低很多。普通食用淀粉的价格为每吨 2200 元，
9、而通用塑料的价格为每吨 13000 元，因此开发全淀粉降解塑料是今后淀粉基生物降解材料的大趋势。淀粉基塑料、聚乳酸（PLA）、PBS 塑料为全球主要三大生物降解塑料品种，约占总产能的 90%。淀粉基生物降解塑料是发展最早、技术最为成熟的的生物降解塑料品种，约占全球生物降解塑料总产能的 41%，但性能较差于PLA、 PBS、 PHA 等品种。随着技术研发的进步， PLA、PBS 等生物降解塑料产品市场将会逐渐增大，预计至 2015 年，PLA、 PBS 产品合计产能占全球生物降解塑料产能的 55%。 23.2 PBS 简介3.2.1 PBS 结构及性质PBS 是一种脂肪族聚酯，脂肪族聚酯属于合成
10、型高分子材料，可被自然界中微生物或动植物体内的酶分解、代谢为 CO2 和 H2O，具有典型的可生物降解特性，大多数脂肪族聚酯的熔点低，而 PBS 例外，因此成为研究热点所在。53.2.2 PBS 降解机理PBS 等一系列脂肪族聚酯的降解，大多数是微生物所分泌的脂肪酶对酯键的水解作用，而且多种细菌及霉菌都可分解或吞噬脂肪族聚酯。首先，微生物通过外界条件侵蚀进入 PBS 的表面，所分泌的脂肪酶使得 PBS 的酯基发生了水解，生成醇、羧酸及少数低分子量化合物。其次，发生完全分解，中间产物通过细菌及霉菌的侵蚀或吞噬而发生代谢，当透气性好时，分解为 CO2 及 H2O；而透气性差时，则分解为 CO2 及
11、甲烷。3.2.3 PBS 的综合性能聚丁二酸丁二醇酯(PBS)由丁二酸和丁二醇经缩聚而得，作为一类典型的生物降解脂肪族聚酯，由于其综合性能优异，性价比合理而备受青睐， 3具体可以从以下几个方面进行分析：首先，PBS 类聚酯具有很好的综合性能，不仅力学性能可以满足通用塑料的使用要求，而且其只在堆肥等接触微生物的条件下才降解，在正常储存和使用过程中性能非常稳定。第二，PBS 加工性能非常好，可在通用加工设备上进行各类成型加工，是目前通用型降解塑料中加工性能最好的。第三，PBS 系列聚酯具有出色的耐热性能，热变形温度接近 100，改性后可超过 100（在完全可生物降解聚酯中耐热性能最好），满足日常用
12、品的耐热需求，可用于制备冷热饮包装和餐盒。第四，PBS 类聚酷生产设备已经国产化。PBS 聚酯可通过对 PET、PBT 聚酯设备略作改造进行生产，目前我国聚酯设备生产能力严重过剩，改造生产PBS 为过剩的聚酯设备提供了新的机遇。第五，PBS 类聚酯用途极为广泛。PBS 制品易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢，最终分解为二氧化碳和水，是典型的可完全生物降解聚合物材料。同时，PBS 具有良好的生物相容性和生物可吸收性，在食品包装、瓶子、超市袋、卫生用品、地膜和堆肥袋等方面，具有广阔的应用前景。 4但是 PBS 也存在着一些诸如生产成本过高、降解速率慢等问题，限制了其6在人们生活以及工
13、业生产中的进一步应用。故而有必要对其进行改性以达到生产生活的要求。目前研究较热的与 PBS 共混的可生物降解高分子材料有淀粉、纤维素聚乳酸(PLA) ，聚丁二酸已二酯 (PHS)等。3.3 热塑性淀粉的制备工艺首先称取一定量的淀粉和塑化剂，如淀粉与塑化剂按一定比例加入到水浴锅后用恒速搅拌器进行搅拌，两种塑化剂或几种塑化剂需预共混的；先把相关的塑化剂称取后置于恒温水浴锅中进行溶解搅拌，温度设为90。然后加入淀粉，高速搅拌2h 后，将混合物封闭在塑料袋中放置24h，经转矩流变仪的密炼机进行混炼，根据设定的实验方案把温度设在80一150之间的某个温度上，混炼1520min，得到 TPS。3.4 前人
14、相关研究李陶等进行共混物降解实验发现:提高 PBS 含量能够明显降低材料的降解速率，从而为制备降解速度可控的环境友好高分子材料提供了新的途径。 5张敏等利用热压工艺得到了 PBS/秸秆纤维复合材料。研究结果表明：采用质量分数为1.5%的壳聚糖作为偶联剂，得到的 PBS/秸秆纤维复合材料的力学性能最好，其拉伸强度为21.93MPa，断裂伸长率为4.15%。 6马涛、于大海等以玉米淀粉为原料，以醋酸酐为乙酰化试剂，氢氧化钠为催化剂，利用微波辐射技术制得乙酰化淀粉。用制备的乙酰化淀粉与聚丁二酸丁二醇酯（PBS）共混，制备了可生物降解热塑性淀粉塑料。 73.5 研究内容及意义本课题关键在于通过对淀粉进
15、行表面处理(改善淀粉的加工性)的基础上，与 PBS 共混，采用偶联剂表面处理解决两者相容性的问题，使得淀粉在基体树脂中均匀分散。希望在结合实验和相关研究的基础上，制备出力学性能达到日常生活和生产使用的要求，同时降低成本，并能够改善基体树脂可生物降解性7的复合材料，本设计研究内容：符合试验条件和性能的玉米原淀粉以及 PBS 的选择。同时进行相关的流变性能的试验，通过试验来确定试验所需的温度、转速、保压时间等等相关的工艺条件参数。热塑性淀粉的制备，选用不同的塑化剂来对玉米原淀粉来进行塑化，采用宏观性能与微观机理相结合的研究方法，通过比不同配方所得的热塑性淀粉的流变性能、外观颜色、成型后的韧性、微观
16、形貌、回生性能、热稳定性、以及所制备试样的力学性能来确定最终的塑化配方。为改进热塑性淀粉与 PBS 之间的相容性，通过选择不同的偶联剂(如:硅烷偶联剂、不同的铝酸酯偶联剂）处理对改性材料力学性能的影响。制定相关的正交试验的配方，随后根据正交试验所得结果综合相关性能的测试选择最佳配方。共混所制备的试样的相关性能测试:通过转矩流变仪的流变曲线，扫描电子显微镜(SEM)的微观形貌观察，对复合材料表面微观形貌和拉伸破坏断面进行观察。以及 X 射线衍射(XRD)分析、差示扫描量热法 (DSC)分析、傅立叶红外光谱(FTIR) 分析、力学性能、流变性能的综合分析，验证相关的实验所制备材料试样效果。本研究从近年来淀粉/PBS 复合生物降解塑料的配方进行系统分析研究，通过考察各种助剂等对材料力学性能及结构的影响，找出最佳方法和组分比例获得性能最优的材料，总结出一种非常好的制备方法进行阐述说明。
