蔗髓生物质包装材料的制备、性能及机理研究

发布时间：2020-06-29 21:31

【摘要】：塑料包装在广泛使用的同时也引起了严重的环境污染问题。由于大多数塑料包装制品来源于不可再生的石油资源，因此寻找一种新的行之有效的方法来处理塑料包装材料造成的污染，同时摆脱对石油基材料的过度依赖成为全球的热点问题。本论文以造纸工业的废弃物蔗髓（BP）为原料，分别将其与淀粉熔融共混制备生物质复合包装材料，与亚硫酸盐制浆废液混合制备生物质缓冲包装材料。研究了蔗髓生物质包装材料的增强机理及制备工艺，对所制备材料的力学性能、流变性、热稳定性和吸湿性进行了分析，为蔗髓在新型包装材料领域中的应用提供了依据。采用甘油和尿素混合增塑剂制备热塑性淀粉（TPS），TPS的X-射线衍射说明尿素和甘油的质量比大于1:1时，混合增塑剂能够抑制淀粉的老化回生。扫描电镜（SEM）和转矩流变仪流变曲线显示增塑剂中尿素含量增加，其对淀粉的塑化效果变好。综合力学性能和包装材料加工特性要求，甘油和尿素混合增塑热塑性淀粉的适宜质量比为1:1。以TPS为基体，蔗髓作为增强相通过熔融共混法制备蔗髓/热塑性淀粉复合包装材料（BP/TPS）。研究了混合增塑剂用量、蔗髓用量、转速、加工温度对材料拉伸性能和弯曲性能的影响，同时优化得到最佳的制备工艺为蔗髓用量10wt%（以绝干淀粉质量计），混合增塑剂用量45wt%（以绝干淀粉质量计），m（甘油）：m（尿素）=1:1，转速40r/min，加工温度140°C。此时得到的包装材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为16.71MPa和15.18%，弯曲强度和弯曲模量分别为21.91MPa和1267.55MPa，具有较好的力学性能。研究了40～60目间蔗髓的含量对BP/TPS流变性、力学性能、热稳定性和吸湿性的影响。结果表明，蔗髓含量增加，混合物料塑化时间延长，平衡转矩增大；BP/TPS的拉伸强度和弯曲强度增大，热稳定性提高；在低相对湿度（RH=43%）下，蔗髓加入导致TPS吸湿率上升；在高相对湿度（RH㧐75%）下，蔗髓加入降低了TPS吸湿率。而在RH=75%时，蔗髓对TPS吸湿率的影响取决于其加入量的多少。红外光谱（FT-IR）和扫描电镜（SEM）显示，蔗髓和TPS基体之间形成的分子间氢键以及二者之间良好的界面结合是蔗髓作为增强相的根本原因。研究了蔗髓粒径对BP/TPS的流变性、力学性能和吸湿性的影响，并建立了最大转矩和蔗髓粒径的关系函数。结果表明，随着蔗髓粒径变小，材料的拉伸强度和断裂伸长率都呈现先增大后减小的趋势，其中60～100目间的蔗髓增强热塑性淀粉材料的拉伸性能最好；随着蔗髓粒径变小，BP/TPS包装材料的弯曲强度增加，而弯曲模量降低；当蔗髓含量为10wt%时，在低相对湿度（RH=43%）下，实验中所用四种粒径的蔗髓都不能够抑制TPS的吸湿；而在高相对湿度（RH㧐75%）下，实验中所用四种粒径的蔗髓都能够抑制TPS的吸水。通过对蔗髓进行不同浓度、温度下的碱处理和酸碱混合处理，研究了蔗髓中木素含量对BP/TPS力学性能的影响。结果表明，随着木素含量的降低，BP/TPS材料的拉伸强度逐渐增大，而断裂伸长率呈现先增大后减小的趋势。当在30°C下脱出蔗髓中的木素时，随着木素含量降低，BP/TPS材料的弯曲强度和弯曲模量表现出先减小后增大的趋势，木素含量为12.70%的蔗髓填充的材料的弯曲强度和弯曲模量最大，分别比未处理蔗髓材料增加14%和34%。以蔗髓为基材，蔗渣亚硫酸氢镁制浆废液为胶黏剂，气相法白炭黑为补强填料，通过常温模压工艺制备蔗髓缓冲包装材料（BPCPMs）。研究了蔗髓用量、白炭黑用量、以及白炭黑比表面积对BPCPMs表观密度和力学性能的影响。BPCPMs的微观形态分析表明，气相法白炭黑对于材料的增强是白炭黑填料-聚合物基体间以及白炭黑填料-填料间相互作用的综合结果，白炭黑与基体间的氢键结合以及其在基体中的分散情况均是影响BPCPMs性能的重要因素。BPCPMs具备良好的缓冲性能，可以代替高密度EPS（硬质泡沫塑料）包装脆值较高、质量较大的产品。 BP/TPS和BPCPMs的微生物降解实验结果表明，经过15d处理，前者的降解率都大于80%，后者的降解率最高达到52.5%，说明蔗髓生物质包装材料在霉菌作用下具有良好的降解性能。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB484;TS724
【图文】：

过程图,包装材料,碳循环,生物质

华南理工大学博士学位论文为水和二氧化碳或通过堆肥作为肥料再利用的天然聚合物、竹材、农作物秸秆及其加工剩余物和废弃物，通过物理加工制成性能优异、环境友好、经济附加值高的新材料，合材料[8]。在石油资源日益枯竭的社会环境下，用生物质降解塑料材料，不但能够满足社会发展和人民群众生活的续发展和循环经济的理念。装材料的特点包装材料的核心内容是碳的循环利用，与传统的石油基塑是从可再生的生物质或生物有机物直接转变为聚合物之后示。而传统塑料则是从石油到聚合物再到二氧化碳。

变化图,转矩流变仪,密炼机,单螺杆挤出机

.3.3.1 转矩流变仪的结构与功能转矩流变仪是一种多功能流变学测试系统，其原理是转矩的大小与样品的黏度和功率的多少成正比，通过记录被测试样品在混合过程中对于转子或螺杆产生的反转温度和时间的变化图，可研究样品在加工过程中的分散行为，流动行为和结构变化（定性、交联等）[70]。由于转矩流变仪与实际生产设备（密炼机、单螺杆挤出机、双挤出机等）结构类似，且所用原料量少，所以可以在实验室环境中模拟实际的加工，并实现在模拟过程中对加工温度、速度的精确控制，使试验结果具有重复性。转矩流变仪的基本结构可分为三部分：计算机测量及控制系统，用于实验参数的和实验结果的显示；转矩传感器及驱动系统，用于测量测试过程中转矩、温度和能时间的变化；可更换的实验部件，一般根据实验的需要配备密炼机测量单元或螺杆机（如图 1-4 所示）。

【参考文献】