一種可被生物降解的復合材料開發(fā)

陳 沙

（南惠強塑業(yè)發(fā)展股份有限公司，河南駐馬店 463100）

在中國政府大力倡導發(fā)展環(huán)保循環(huán)經濟的前提下，現階段急需開發(fā)一種用于食品包裝行業(yè)的新材料，在滿足各種加工和使用性能要求的前提下，既能降低成本，又能減少石化碳的排放，從而提升了產品的環(huán)保價值。目前國內外市場上開發(fā)的生物基復合材料要么在聚乙烯或聚丙烯中添加了木粉、竹粉或者秸稈粉等生物質材料，要么添加了淀粉（改性過的）；而在聚乙烯或聚丙烯中，極少有同時添加無機礦物和生物質材料（包括淀粉）的復合材料，這些現有的生物質復合材料雖然降低了碳排放量，增加了生物降解的環(huán)保概念，但仍然存在很多不足之處。比如添加了木粉、竹粉或秸稈粉的復合材料顏色很深，外觀粗糙，且不耐高溫加工（180℃以上），力學性能較差；而加入淀粉（改性過的）的復合材料顏色比較好，白中帶一點黃色，但表面也比較粗糙，且成本偏高（消耗大量糧食），綜合力學性能也很難達到大規(guī)模推廣實用的要求。

經過反復研究及實驗，筆者開發(fā)了一種用于一次性食品包裝行業(yè)的生物基復合材料，該材料是以聚乙烯為基料，再加入淀粉、無機填料等制成。該材料的延展性、耐低溫沖擊性及耐化學腐蝕性突出，可以做很薄的片材或薄壁制品［1－3］，非常適合制作飯盒、餅干盒、水杯及生鮮食品托盤等一次性食品包裝容器，做出的制品可以冷藏冷凍，還可以在微波爐里加熱，價格卻比較低廉。

1 實驗部分

1.1 生產工藝流程

1.1.1 改性淀粉的配制先將食用淀粉、無水氯化鈣、檸檬酸、硬脂酸鈣及環(huán)氧大豆油按一定配比（表1）依次加入到高速混合機中［4］，在130～140℃攪拌20～2 5min左右，混合均勻，然后放料冷卻備用，體系中的水分通過高速混合機的上蓋開孔排出。

1.1.2 高速攪拌混料將㈠中配制好的改性淀粉、滑石粉、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、鋁酸酯、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、氧化鋅、抗氧劑264及鈦白粉按一定配比（表1）加入到高速混合機中，在130 ℃～140 ℃攪拌10～1 5min，混合均勻，然后降溫出料。

1.1.3 擠出造粒將上述物料加入到平行雙螺桿擠出機中，在155～195℃反應擠出，經切粒機拉條切粒得到大小一致、顏色均一的白色粒料。

1.2 具體配方實例及相關數據

五個配方實例如表1。五個配方實例的相關測試數據如表2［5］。

表1 配方實例的各組份及含量

表2 配方實例的各種力學性能及衛(wèi)生指標

2 結果與討論

由表1－2可知，在整個研究開發(fā)的實驗過程中，筆者可以作出以下幾點歸納：

（1）改性淀粉的制作至關重要，它直接影響到復合材料研制的成敗。時間嚴格控制在20～25 min，少于20min［6］，則淀粉很可能改性得不徹底，含水率偏高，特別是改性淀粉的水份超過3.5%以后，會使做出的粒料顏色偏黃、且有黃斑或白點，還可能在粒料內部產生氣泡和空洞；多于25 分鐘，則會使淀粉改性過度，顏色偏黃，甚至嚴重的直接導致淀粉的熱氧化降解［7］。

（2）要想得到大小一致、顏色均一的粒料，必須控制好造粒機各區(qū)的溫度，并且保持良好的抽真空系統(tǒng)，及時排出物料中各種易揮發(fā)的小分子物質，這樣可以大大減少粒料中黑點、黃斑和氣泡的產生。

2.1 實驗注意事項

筆者在試驗中歸納出以下幾點注意事項：

（1）改性淀粉時，一定控制好水汽的排放，盡量避免水汽在高速混合機鍋蓋內壁冷凝后再回流到高速攪拌的物料中，這樣可以避免大多數淀粉凝膠的形成，從而使粒料表面形成的白點大大減少，提高外觀質量［8］；有關實驗及文獻資料證實，盡量讓改性淀粉的含水率控制在3.5%以下，這樣可以降低材料內部氣泡形成的概率，同時擠出的粒料含水率應控制在1%（不含1%）以下，否則做出的制品外觀會有水花、不光滑，而且有可能在制品內部產生空隙，降低材料的強度［9］。

（2）平行雙螺桿擠出機造粒時最高幾個區(qū)的溫度不應超過195℃，一般情況下，最高加工溫度控制在190～195℃，擠出機機筒上接近摸頭的那幾個區(qū)溫度應降至155～160℃，出口的模頭溫度應控制在165～170℃。溫度過高，部份淀粉熱氧化降解，從而導致粒料發(fā)黃、發(fā)脆；溫度過低則會導致材料塑化不良，粒料表面不光滑，力學性能下降。

2.2 實驗結果討論

根據表1、表2的相關數據，以及一線生產工人和客戶的反饋信息可以得出該生物基復合材料有以下若干優(yōu)點：

（1）該材料力學性能較好，做出制品的各項使用性能滿足日常生活所需。

（2）該材料的原料低廉、來源廣泛，生產工藝穩(wěn)定成熟，便于大規(guī)模量產和后加工。

（3）做成制品后，衛(wèi)生指標的各項檢測結果全部達標，對人體無害（參照GB18006.1－2009）。

（4）該材料的耐化學腐蝕性、抗冷凍性、耐熱性都比較好，做出的制品可以盛裝酒精、油脂等液體，也可以盛裝熱開水（100℃左右），還可放入冰箱冷凍保存。

（5）根據以上五個配方的性能數據得出：在一定范圍內微調配方對材料的綜合性能影響比較小，材料的穩(wěn)定性和通用性很好，可根據用戶需求在一定范圍內任意地微調配方。

3 結 語

在市面上大力推廣此生物基新材料必將能大量替代現有的淀粉基PP材料，這樣一來用該材料做出的一次性食品包裝容器環(huán)保性會更好，可以到達到節(jié)能減排的功效，更好地保護環(huán)境，也為國家節(jié)省了大量的不可再生能源。同時該材料的實用性很突出，綜合性能優(yōu)良，在各種環(huán)境中都能使用，且制作配方的原料來源廣泛，價格低廉。如果該材料能得到政府方面的大力支持，可以預想其產品推廣會更順利，能帶給廣大老百姓更多實惠的產品及一種全新的消費理念。

1 吳強.淀粉類生物降解材料研究進展［J］.甘肅科技，2002（4）：51～54

2 朱立紅，傅和青.淀粉研究及其在包裝上的應用［J］.包裝工程，2004，25（4）：65～68.

3 張力田.變性淀粉［M］.廣州：華南理工大學出版社，1991：121～123

4 楊中文.實用塑料測試技術［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2011

5 梁訓漢，周燕鐘，趙學融，等.幾種改性淀粉的研究［J］.天津造紙，1990（2）：23～24

6 杜一娟，李淑娥，閻金宏.改性淀粉材料的合成與應用［J］.天津化工，1992（1）：6～19

7 白福成，葉永成，張海波.淀粉基降解塑料的研究進展［J］.現代塑料加工應用，2000，125：66～69

8 陳立班，楊淑英，何樹杰.二氧化碳環(huán)氧丙烷共聚過程的計算機模型［J］.高分子材料科學與工程，1998（3）