生物降解塑料——澱粉基可降解塑料（liào）的製備及性能研究

一、研究背景

由（yóu）於（yú）經濟社會發展，人們生（shēng）活方便（biàn）性（xìng）的要求，人們（men）在（zài）工作、生產、生活的方方麵麵對塑料製品的使用越來越多，塑料（liào）汙染問題日（rì）益嚴峻。一個石油衍生（shēng）塑料袋（dài）的平（píng）均壽命是12年，但（dàn）要完全降解卻需要500年甚至更久，塑料製品給環境造成巨大的（de）危害，甚至危及子孫後代。隨著科技的發展，綠色生態和環保意識的增強，用可降解塑料代替傳統的不可降解塑料成為必然趨勢。

二（èr）、研究的目的及意義

生物降解塑料也被稱（chēng）為“綠色生態塑料（liào）”，指的是在一（yī）定條件下能在生物分泌（mì）酶的作用下分解的塑料（liào）材料（liào），特定條件下，最終完全降（jiàng）解成H2O、CO2、CH4等無（wú）汙染物（wù）質的（de）塑料（liào）。生物可降解塑（sù）料特有的生物降解特性（xìng），對於生態環境環保（bǎo）、減少“白（bái）色汙染”等方麵具有（yǒu）十（shí）分重大的現實意義。

澱粉基塑料是以澱粉為主（zhǔ）要原材料，經過改性塑化後再與（yǔ）其它（tā）聚合物共混加工而成的一種塑料產品，屬於生物塑料的（de）一種。

澱粉是以二（èr）氧化碳和水為原料,以太陽光線為能源,在植（zhí）物組織中合成的一種（zhǒng）多糖類天然高分子化合物,通常以15 ～100nm的小顆粒狀態存在,顆粒內存在（zài）結晶結構,大多數天然澱（diàn）粉是由（yóu）直鏈澱粉和支鏈澱（diàn）粉組成的混合物（wù）。澱粉（fěn）是地球上產（chǎn）量僅次於纖維素的天然高分子,它（tā）來源豐富（fù）、可再生、價格低廉,通過改性（xìng）塑化可用於生產澱粉（fěn）基（jī）塑（sù）料。澱粉基（jī）塑料作為生物基（jī）材料中的一個重要（yào）品（pǐn）類，已經成功實現（xiàn）產業化生（shēng）產（chǎn）和應用。

   澱粉塑料還存在一些問題：

（1）降解性能

  現階段大多數全澱（diàn）粉塑料（liào）產品的降解速率太慢，降解速度低於堆積速度。同時由於產品配方及生產工藝等原因，產品降解速度的人（rén）為控製性不好。

（2）使用性能

   國內外研製的全澱粉塑料的使用性能大多不如現行使用的普通（tōng）塑（sù）料,主要表（biǎo）現在耐熱性和耐水性差,物（wù）理強度不夠,僅適於製（zhì）造一次（cì）性使用的製（zhì）品。

（3）價（jià）格

   現在全（quán）降解塑料的價格比現行塑（sù）料製品（pǐn）高3～8倍，盡管在現有的生物降解塑料種類中，全澱（diàn）粉塑（sù）料是最有希望與（yǔ）普通塑料的價格都較普通（tōng）塑料高許多，推廣使用受到限製。

三、實驗設計與方（fāng）法

實驗設計活動目的:    基於澱粉塑（sù）料製備的現有方法.嚐試（shì）改變不同條件（如加熱)及配方(如澱（diàn）粉濃度（dù）等),研究（jiū）製備過（guò）程中不同因素對澱粉塑（sù）料成膜特（tè）性的影響。

實驗設計流程和方（fāng）法：

（1）預實驗:  參考澱粉塑料製備的現有方法(實驗中可等比例減少（shǎo）/增大相關物料的使用量)，嚐試研究該方（fāng）法（fǎ）是否能夠成功製出澱粉塑料,並描述（shù）澱粉塑料的成膜狀態,完成研（yán）究流程（chéng）記錄表相應部分（fèn）的填寫記錄。

（2）自變量分析:  嚐試分析可能（néng）影響澱粉塑料成（chéng）膜特性的因素/自變量，完成研究流程記錄中相應部分（fèn）的填寫記錄。

（3） 因（yīn）變（biàn）量分析:   參考相關文獻，結合現有實驗（yàn）器材確定針對澱粉塑料可以測試（shì）的指標，即驗的因變量（liàng），並嚐（cháng）試梳理針對不（bú）同因變量的測定方法，完成（chéng）研究流（liú）程記錄表中相應部（bù）分的填寫記錄。

（4）實（shí）驗設計:  參考澱粉塑料製備的（de）現（xiàn）有方（fāng）法，嚐試針對不同自變量中的含量/水平/操作條件等進行（háng）調整設（shè）計田老不同白亦具水之業（yè）AL術借特性的影響.確定可探究的方向,完成研究流程記錄表中相應（yīng）部分的填寫記錄。

（5）確定實驗步驟:  實驗設計完成後，需在現有澱粉塑料製備方（fāng）法的基（jī）礎上確定具體細節，如不同（tóng）物料（liào）配比及用量、混合演加執方法流（liú）證成士休和幹燥方式等，完成就某一探究方向的詳細實驗步驟的（de）梳理.完成研（yán）究流程記錄表中相應部分的填寫記錄。

（6）實驗優化（huà）及測試記錄:  根據（jù）實驗結果及（jí）現有條件對實驗（yàn）步驟進行優化（huà）調整，選（xuǎn）擇感（gǎn）興趣的自變量和因變量，完成對某（mǒu）一方向的實驗（yàn）探究分析數據並得出實驗（yàn）結論。

四、實驗過程及相應的數據分析

實驗1：加熱（rè）條件對澱粉塑料成膜特性影響分析

(1)材料準備:實（shí）驗設置5個組別，分別在5個小燒杯中分別加入澱粉3ɡ，白醋2ml，甘油2mL，編號 1不加熱、2-加熱水、3-微波加熱、4電煮鍋（guō）加熱和5-水浴（yù）加熱。

(2)加（jiā）熱條件設置:將5組分別按下表進行操作（zuò）

(3)流延成膜:用注射器吸取混合液15mlL (控製每組流延體積一致),小心（xīn）將其轉移至貼有對應編號的塑料（liào）培養皿中流（liú）延製膜，盡可能使其分布平整,用牙簽等工具小心戳破明顯的氣（qì）泡。

(4)幹燥揭膜:將裝有（yǒu）澱粉混合物的墒養皿置於（yú）陰涼、幹燥的地方自然冷卻4天待培（péi）養皿內澱粉混合物充分幹燥後揭（jiē）膜。

(5)成膜評（píng）價:選擇所關注的因變量，是否成膜、揭膜完整性。外觀特點延伸性能（néng）、膜厚、阻水性等指標依次對不同組別的澱粉膜進（jìn）行性能評價。

數據記錄與分析1

實驗2：甘油含量（liàng）對澱粉塑料成膜特性影響分析（xī）

實驗步驟:

(1)材料準備:實驗（yàn）設置4個組別,每個組別中準備（bèi）水20mL、澱粉1.5g白醋1mL。依次改變4個組別中使用的甘油用量為0mL、0.5mL、1mL 和2mL,編號1、2、3和4。

(2)材料混勻:將上述每個組（zǔ）別對應量的水、澱粉、白醋及甘油倒入塑料燒杯中,用玻璃攪拌棒攪拌，待混合物充分混勻後,可停止攪拌(此時混合液呈白（bái）色)。

(3)水浴加熱將裝有混合物的燒（shāo）杯置於沸水浴中加熱,加熱（rè）過程中不斷用玻璃棒攪拌直至混合液顏色變得透明，控製（zhì）組別內加熱時間一致，每個燒（shāo）杯加熱時（shí）間大約在10分鍾（zhōng）。

(4)流延成膜:用注射（shè）器（qì）吸取混合液15mL(控製每組流延（yán）體積一致)小心將其轉移至貼有對應編號的塑（sù）料培養皿中流（liú）延製膜盡可能使其分布平整。

(5)幹（gàn）燥揭膜:將裝有澱粉混合物的培養（yǎng）皿置於陰涼、幹燥的地方自然冷卻3天,待培養皿內澱粉混合物（wù）充（chōng）分幹燥後嚐試揭膜。

(6)成膜評價:選擇所關注的因變量，如是否成膜、揭膜完整性、外觀特點、延（yán）伸性能、膜厚、阻水性等指標依次對不同組別的澱（diàn）粉膜進行性能測定。

實驗2數據記（jì）錄與分（fèn）析

實驗3:不同澱粉對澱粉基塑料成膜特性的影（yǐng）響（xiǎng）研究。

實驗步驟：

(1)材料準備:實驗設置5個組別,每個組別中準備水20mL、澱粉1.5g、 白醋1mL、甘油1g。依次改變5個（gè）組別甲便用的澱粉類（lèi）型為玉米、小麥、土豆（dòu）、木薯和（hé）綠豆澱粉,編（biān）號1、2、3、4、5。

(2)材（cái）料混勻:將上述每個（gè）組別對應量的水、澱（diàn）粉、白醋及甘油倒入塑料燒杯中，用玻璃攪（jiǎo）拌棒呈攪拌,待（dài）混合物充分（fèn）混勻後,可停止攪拌(此時混合液白色)。。

(3)水浴加熱（rè）:將裝有混合物（wù）的燒（shāo）杯置於沸水浴中加熱,加熱過程中不斷用玻璃棒攪拌直（zhí）至混合液顏（yán）色變（biàn）得透明，控製組別內（nèi）加熱時間一致,每個燒杯加熱時間在大約7分鍾。

(4)流延成（chéng）膜:用注射器吸取混合液15mL，小心將其轉移至貼有（yǒu）對應編號的塑料培養皿中流延（yán）製膜,控製每組流延體積一（yī）致,盡可能使其分布平整（zhěng）。

(5)幹燥揭膜:將裝有澱粉混合物的培養血置於陰涼、幹燥的地方自然冷卻2天，待培養皿內澱粉混合物充分幹燥後嚐試揭膜。

(6)成膜評價:選擇所關注（zhù）的因變量，如是否成膜、揭膜完整性、延伸性能、膜厚、阻水性等指標依次對（duì）不（bú）同組別的澱粉膜進行（háng）性（xìng）能測定（dìng）。

實（shí）驗3數據記錄與分析

五、實驗結論與思考（kǎo）

實（shí）驗1：加熱條件對（duì）澱（diàn）粉塑料成膜特性影響分（fèn）析

天然澱粉為天然（rán）的多羥基化（huà）合物，分子間存在大量的氫鍵，這種分子間強的相（xiàng）互作用使其分解溫度低於熔融（róng）溫度，導致天（tiān）然澱粉沒有可加工性，澱粉（fěn）加熱水就會糊化，會（huì）變（biàn）成糊狀的、半透明的膠體溶液，還會具有一定的（de）粘稠性。

通過實驗，可發現:

1、在不加熱條件下無法成膜，

2、熱水（shuǐ）混（hún）合時能（néng）否成膜與熱水及澱粉與熱水的比例有密切關係〔需保（bǎo）證相（xiàng）應熱條件（jiàn）下有限的澱粉可以完全糊化);

3、微波加（jiā）熱、電煮鍋加熱（rè）及水浴加熱條件下（xià）均能實現（xiàn）混合液微沸狀態，能夠（gòu）保證其充分糊（hú）化，因而可以成膜。

實驗2：甘油含（hán）量對（duì）澱粉塑料成膜特性（xìng）影響分析

通過實驗，可發現:

1、在澱（diàn）粉（fěn）中加入小分子增塑劑，經過高溫、高壓（yā）和剪切作用能夠使澱粉具加工性能，使天然澱粉變成熱塑性澱粉（fěn）。

2、不添加甘油時製備出的澱粉塑料具有質脆的特點，成膜表現不佳，添加一定程度的甘油，膜的抗拉強度變弱，但是延伸率（lǜ）上升。

實驗3：不同澱粉對澱粉基塑料成膜特性的影響研究

推測不（bú）同澱粉（fěn）製備出的澱（diàn）粉膜性（xìng）能存在差異的原（yuán）因是澱粉中的直鏈澱粉和支鏈澱粉含（hán）量不同（tóng），分子結構及理化（huà）性質存在較大差異。

通過（guò）實驗，可發現不同澱（diàn）粉製備澱粉塑料成膜特性有明顯差異，具體表現為:

1、玉米澱粉和小麥澱粉做出的澱粉膜手感、質地類似以，土豆澱粉和木薯澱粉（fěn）做出的澱粉膜手感相似。

2、拉伸（shēn）性（xìng）能最好的膜為綠（lǜ）豆澱（diàn）粉膜，最差的是小麥澱粉膜。

3、抗拉強（qiáng）度最好的（de）是玉米澱粉膜，抗拉強度最差的是土豆澱粉膜。

實驗結論：

1、澱粉通過加熱會變成一（yī）定的粘稠性糊狀的、半透（tòu）明的膠體溶液，故能成（chéng）膜。在選定的5種處理方式種，水（shuǐ）浴加熱成膜（mó）膜（mó）的延伸（shēn）性最好。

2、澱粉必須輔以增塑劑進行增塑才（cái）能獲得熱塑性和柔韌性。甘油在（zài）0-2ml範圍內，在甘油量為1ml時膜的質（zhì）地軟度和（hé）延伸性的（de）性能結合（hé）表現最（zuì）好（hǎo）。

3、不同澱粉製備出（chū）的澱粉膜性能存在差異的原因是澱粉中的直鏈澱粉和支鏈澱（diàn）粉含量不同（tóng），分子結構及理化性質存在較大差異。根據數據玉米澱粉的成膜性能最好。

實驗反（fǎn）思：

實驗2第一次實驗失（shī）敗，幾乎都幹（gàn）裂嚴（yán）重成碎片，經老師提醒可能是放（fàng）在空調房間不是自然幹燥造成的，第二次實驗都成膜了，所（suǒ）以溫度變化大對成膜的性（xìng）能有影響。

   成膜性能檢測用的是彈簧測（cè）力計，每次實驗裁取的大小要一致，不能太小（xiǎo）不好檢測。由（yóu）於我第一組實驗有一（yī）張膜幹（gàn）裂，使（shǐ）能取材的麵積受限，所以可能測試延（yán）伸性值不是很準確。測試時讀取的測試值由於個人反應差異也可能使數據（jù）不是很準確。

六、實驗總結匯報

   實驗完成後，形成PPT、海報並合作完成課題報告。（見文件包）