改性納米碳酸鈣增強澱粉基生物降解塑膠研究

《改性納米碳酸鈣增強澱粉基生物降解塑膠研究》是依託鄭州大學，由寧卓遠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：改性納米碳酸鈣增強澱粉基生物降解塑膠研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：寧卓遠
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

澱粉基生物降解塑膠是最具前景的生物降解塑膠之一，由熱塑性澱粉和可降解聚酯、以及增容劑羥基功能化聚酯共混製備。由於糧食安全的原因，國家政策限制澱粉的資源化套用，且存在著燃料乙醇行業對澱粉的需求競爭，因此如何在澱粉加入量適當降低，同時多種可降解聚酯價格仍較高的條件下，降低澱粉基生物降解塑膠的成本，提高力學性能，使其能夠大規模商品化套用，成為亟待解決的課題。為達到上述目標，本課題擬採用改性納米碳酸鈣與澱粉基生物降解塑膠共混。技術路線是合成主鏈含大量酯鍵、端基為羧基的新型樹枝狀大分子作為改性劑，對納米碳酸鈣進行表面改性。這些是本課題的創新點，尚未見到報導。最佳化樹枝狀大分子合成工藝參數，探索改性碳酸鈣的機理。調整改性納米碳酸鈣與熱塑性澱粉、可降解聚酯、增容劑的相對比例，研究納米碳酸鈣在澱粉基塑膠基質中的分散機制，最佳化加工參數，以期能夠得到成本降低、力學性能提高的新型降解塑膠。

結題摘要

澱粉基生物降解塑膠是最具前景的生物降解塑膠之一，通常由熱塑性澱粉（TPS）和可降解樹脂共混製備。如何提高其力學性能，使其大規模商品化套用，已成為亟待解決的課題。本課題合成了可降解的端羧基超支化聚酯，創新性的以之改性納米碳酸鈣，改性後加入TPS和可降解樹脂共混物以提高其綜合力學性能，最終目標是使其達到聚乙烯（PE）的水平。 分別採用一步法和兩步法合成了多種端羧基超支化聚酯，並用於納米碳酸鈣的改性。並對檸檬酸與聚乙二醇6000縮聚進行了合成條件最佳化，最優條件為反應溫度160℃，催化劑對甲苯磺酸加入量為反應物總質量的3.0%，第一步常壓反應3h，再0.6kPa減壓反應1小時，第二步常減壓反應時間均為3h，特性黏度最高為37.6ml/g，最佳化了此聚酯改性納米碳酸鈣反應條件，結果為加入聚酯的羧基摩爾數與碳酸鈣質量3%的硬脂酸相同，DMF中75℃改性1h，吸油值最低為36.0%。還探索和最佳化了檸檬酸和12-羥基硬脂酸的縮聚及此聚酯對納米碳酸鈣改性條件，得到最低吸油值為23.5。 採用多種增塑劑在雙螺桿擠出機中製備TPS，並最佳化了甘油增塑TPS的加工條件，最優條件為甘油加入量占原澱粉質量的50%，加工溫度175℃，螺桿轉速為120r/min，此條件下製備的TPS最有利於後續與可降解樹脂共混。分別對TPS和可降解樹脂質量比6:4、7:3進行共混，加入改性納米碳酸鈣和（或）兩親性聚酯增容劑，結果表明，加入改性納米碳酸鈣同時提高了共混物的拉伸強度σ和斷裂伸長率ε。共混物σ已達到聚乙烯15MPa的水平，在TPS與聚乳酸（PLA）質量比6:4，加入TPS和PLA總質量5%的改性納米碳酸鈣，當σ為12～22MPa時，ε最高為27.3%。經過後續實驗研究改性效果更好的納米碳酸鈣，加入TPS與可降解樹脂的共混物，有望使其ε繼續提高，最終達到PE的ε值160.0%水平。進而使澱粉基生物降解塑膠的大規模日常套用成為可能，同時研究改性納米碳酸鈣的增強增韌及多相均勻分散機理，將為包括澱粉基生物降解塑膠在內的生物質共混材料的性能增強提供重要理論依據。