乳酸增塑劑對(duì)可降解一次性餐飲具負(fù)重性能的影響

王銀泉 劉 鑫 趙麗梅

（蚌埠市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽 蚌埠 233000）

近年來(lái)，各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日益關(guān)注，越來(lái)越多的國(guó)家禁止塑料一次性餐飲具的生產(chǎn)和使用，一次性餐飲具因?yàn)槠涓g性強(qiáng)和不易降解會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的“白色污染”，這與現(xiàn)在“人類(lèi)與環(huán)境和平共處的主體”相悖。而且這些塑料餐飲具會(huì)對(duì)土地造成危害，假以時(shí)日土地將不能繼續(xù)耕種[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，使用另外一種材料代替塑料成為主要的任務(wù)，一次性可降解餐具可以解決這一問(wèn)題，可降解餐具其材料主要包括玉米稈、麥秸、花生殼等，通過(guò)添加食用粘合劑、再通過(guò)模具進(jìn)行熱壓最后做成不同類(lèi)型的產(chǎn)品。這種一次性可降解產(chǎn)品不會(huì)造成污染，使用后會(huì)自然降解而且其強(qiáng)度高，可塑性強(qiáng)，外觀也比塑料一次性餐飲具美觀。國(guó)家針對(duì)這種產(chǎn)品制定了《一次性可降解餐飲具通用技術(shù)條件》，但是這種理想型的餐具目前也存在一定的問(wèn)題。臺(tái)州富嶺塑膠有限公司、國(guó)家塑料制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、安徽豐原生物新材料有限公司等企業(yè)繼續(xù)對(duì)可降解餐飲具產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)和改進(jìn)[2]。

聚乳酸（PLA）又稱(chēng)為聚丙交酯，其原料是乳酸，主要來(lái)自淀粉（如玉米、大米）等發(fā)酵，屬于“綠色塑料”，是國(guó)家大力推廣的一種綠色包裝材料，滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展的要求。PLA 應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，除了在一次性餐飲具的使用外，還在汽車(chē)車(chē)門(mén)、服裝、電器和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有應(yīng)用。開(kāi)發(fā)聚乳酸材料不僅能對(duì)環(huán)境問(wèn)題的緩解有幫助而且對(duì)全球能源的節(jié)省起到關(guān)鍵性作用[3]。

1 聚乳酸材料性能

聚乳酸材料擁有良好的透明性和一定的韌性、生物相容性及耐熱等性能，這些性能是其能作為可降解材料的重要因素。聚乳酸材料熱穩(wěn)定性好，加工溫度與傳統(tǒng)纖維相比要更耐溫。光學(xué)方面，聚乳酸材質(zhì)折射率較低、抗紫外線(xiàn)強(qiáng)度高，光澤度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)性能方面，脫色能力和抗菌性能是可降解材料的兩個(gè)主要指標(biāo)，聚乳酸可以很好地將二者結(jié)合。由于聚乳酸材料使用后能被自然界中的微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，如何控制其材料性能會(huì)成為一個(gè)難點(diǎn)，力學(xué)性能差影響可降解性能，如何保障力學(xué)性能的穩(wěn)定是研究可降解聚乳酸材料的另一個(gè)難點(diǎn)。目前，可以通過(guò)添加增塑劑的方式將淀粉與聚合物充分混合通過(guò)模具成為可降解一次性餐具，主要的方法是將PVC 樹(shù)脂、DOP、聚酯增塑劑同時(shí)加入，可以使聚乳酸塑化完全，增加了分子間的相互運(yùn)動(dòng)。而且聚酯增塑劑相容性高，耐久性強(qiáng)，增塑效率高，是目前提高淀粉基可降解聚乳酸一次性餐具力學(xué)性能的最好方法之一[4-5]。

2 聚乳酸增韌研究

聚乳酸屬于硬質(zhì)材料，彈性模量高，但質(zhì)地脆，難以滿(mǎn)足高韌性的要求。要增加其韌性必須考慮其沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度兩方面。沖擊強(qiáng)度是材料韌性的一種指標(biāo)，通常定義為試樣在沖擊載荷的作用下折斷或折裂時(shí)，單位面積所吸收的能量。沖擊強(qiáng)度和拉伸延展相互作用于材料樣品上造成材料的形變并最終到達(dá)斷裂的過(guò)程，這一過(guò)程材料不斷吸收能量，材料的韌性就是其吸收能量的過(guò)程[6-7]。在沖擊測(cè)試中，由于能量的吸收，會(huì)產(chǎn)生裂紋，通過(guò)觀察裂紋的缺口來(lái)判斷其所受的沖擊能力強(qiáng)度，要想增加其沖擊強(qiáng)度就要減小其缺口，使聚乳酸內(nèi)部發(fā)生團(tuán)聚，降低缺口沖擊強(qiáng)度，也可以改變其斷裂方式，提高韌性。斷裂方式對(duì)外部溫度和能量的要求較高，要改變其載荷類(lèi)型，所以選用增加聚酯增塑劑方式增韌，加強(qiáng)其沖擊強(qiáng)度，改善其拉伸韌性，使其發(fā)生彈性形變相對(duì)容易，更容易實(shí)現(xiàn)分子間的聚合使生產(chǎn)的成品可塑性增強(qiáng)[8-9]。

2.1 聚乳酸增塑機(jī)理

增塑可以有效提高PLA 的柔韌性。添加增塑劑可以有效提高PLA 的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸任性，可以增加聚乳酸產(chǎn)品的韌性，但是添加增塑劑會(huì)出現(xiàn)遷移和空穴的問(wèn)題。遷移問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定，力學(xué)性能改善效果不明顯?？昭▎?wèn)題則會(huì)導(dǎo)致局部剪切應(yīng)力變小，應(yīng)力分布不均勻，屈服應(yīng)力變大，產(chǎn)品發(fā)生變形。缺口沖擊強(qiáng)度降低，在外力作用下，斷裂伸長(zhǎng)率顯著增高，脆性的聚乳酸更容易發(fā)生斷裂。如何降低這兩種問(wèn)題的出現(xiàn)，主要在增塑劑的基礎(chǔ)上繼續(xù)添加相關(guān)復(fù)合材料，這些材料與增塑劑具有很好的相容性。并且能改變?cè)鏊軇┛山到庑耘c沖擊性[10]。目前市面上比較好的是聚乙二醇（PEG）和聚三亞甲基碳酸酯兩種材料添加入增塑劑中。PEG 不會(huì)影響PLA 的結(jié)晶程度和可降解性，而且PEG 和PLA 具有較好的相容性。根據(jù)試驗(yàn)得出增加PEG 后，斷裂伸長(zhǎng)率可以達(dá)到200%，聚乳酸的韌性也可以達(dá)到150%左右，聚乳酸的斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度都有顯著增強(qiáng)。加入聚三亞甲基碳酸酯這種材料則是不會(huì)讓聚乳酸發(fā)生熱變形，避免損失和消耗能量，更好地阻止其發(fā)生彈性形變，從而達(dá)到增韌和增塑的作用[11-12]。

聚乳酸本身存在韌性低、可塑性差等缺點(diǎn)，增塑劑的添加很好地解決了這一問(wèn)題。增塑劑主要提高了聚乳酸本身的機(jī)械性能，其中包括斷裂伸長(zhǎng)性、抗沖擊性能，在《一次性可降解餐飲具通用技術(shù)條件》中負(fù)重性能作為一個(gè)重要指標(biāo)影響可降解餐飲具的使用能力。由于可降解餐飲具在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)擠壓情況，所以負(fù)重性能要達(dá)到運(yùn)輸要求[13-14]。常溫下拉伸模量要達(dá)到要求的0.5Gpa。現(xiàn)在就通過(guò)GB/T 18006.1-2020 負(fù)重性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證添加增塑劑的聚乳酸產(chǎn)品其延展性能是不是得到提升，負(fù)重性能是否增加。

2.2 靜力學(xué)分析基礎(chǔ)知識(shí)

應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上所承受的力。如式（1）所示：

式中：

σij——應(yīng)力。

ΔFJ——在j 方向的矢力。

ΔAi——在i 方向的受力面積。

在聚乳酸材料的一次性飯盒上施加固定向下的外力Fj 的力，并取飯盒的受力方向上的面積ΔAi，使材料內(nèi)部產(chǎn)生互相作用的力，從而使飯盒發(fā)生彈性應(yīng)變。從發(fā)生變形到恢復(fù)原狀態(tài)，一次性飯盒發(fā)生能量的釋放，按照載荷的相互作用，正應(yīng)力σ 和切應(yīng)τ 也會(huì)因?yàn)槭艿酵饬Φ淖饔枚鰪?qiáng)，方向也會(huì)從相互平行變?yōu)橄嗷ゴ怪?，拉伸壓縮的應(yīng)力和發(fā)生彎曲的應(yīng)力最后會(huì)通過(guò)扭轉(zhuǎn)發(fā)生可見(jiàn)的變形，通過(guò)測(cè)量變形量就可以得到其變形程度。通過(guò)這一機(jī)理研究聚乳酸材料添加增塑劑后其變形程度[15]。

2.3 增塑劑對(duì)一次性塑料餐飲具負(fù)重變化率的影響

根據(jù)GB/T 18006.1-2020中負(fù)重試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法[16-17]，取試驗(yàn)一只，將盛裝食品的主體部分倒扣排放在平滑玻璃板上，再放上另一塊平板玻璃。先用金屬尺測(cè)量平板玻璃下表面至桌面的高度。然后將3kg 砝碼置于平板玻璃中央處，負(fù)重1min 立即精確測(cè)量上訴高度。未添加增塑劑如圖1 所示，添加增塑劑的如圖2 所示。根據(jù)公式（2）得出變化率。

圖1 未添加增塑劑

圖2 添加增塑劑

式中：

W——試樣的負(fù)重變化率。

H0——試樣負(fù)重前高度，單位為毫米（mm）。

H——試樣負(fù)重后高度，單位為毫米（mm）。

H0為53mm，H1為48mm，負(fù)重變化率W1 是9.4%。H2為52mm，負(fù)重變化率W2 是1.9%?？梢钥闯鎏砑釉鏊軇┑囊淮涡圆惋嬀哓?fù)重變化率低，形變量低，韌性更好，餐飲具更穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出添加增塑劑的產(chǎn)品其負(fù)重性能更好，韌性更好，增塑劑在一定程度上改變了模型的彈性變量使其具有更好的變形力。另一方面，增塑劑的使用也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在后續(xù)保存方面存在穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。高溫和潮濕會(huì)使可降解餐具發(fā)生溶解，存在隱患，對(duì)身體造成影響。人們?cè)谌粘Ｊ褂眠^(guò)程中會(huì)存在真安全隱患。后續(xù)會(huì)繼續(xù)研究如何通過(guò)控制增塑劑的量來(lái)減少食品安全隱患。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的可降解材料產(chǎn)業(yè)已具備一定的規(guī)模，技術(shù)方面也取得了一些突破。產(chǎn)能方面，目前國(guó)內(nèi)PLA 可降解材料相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)能不斷提高已經(jīng)可以達(dá)到量產(chǎn)并且融入人們的生活當(dāng)中。在產(chǎn)能激增的背后，可降解材料的發(fā)展仍存在若干問(wèn)題，可降解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，可降解核心技術(shù)不成熟，增塑劑的相容性還存在問(wèn)題，不能大規(guī)模生產(chǎn)等，不過(guò)我們會(huì)繼續(xù)研究，突破困境，減少與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。