改性淀粉在降解塑料中的应用探讨

张兰香

南京科亚化工成套装备有限公司

摘要：随着生产工业对于塑料制品的需求量约来越多，与之而来的就是废弃的塑料制品也随着增多，塑料作为一种生物高分子合成材料如何实现其有效的降解一直是个难题。降解塑料一直是现代工业生产包装和环境可持续发展的重要内容，淀粉基降解塑料作为一种成本低，降解完全，且安全性高的降解方式一度成为了研究的热点话题。因此本文以改性淀粉在降解塑料中的应用进行研究和探讨，从而为淀粉及塑料的开发提供更多的可能和建设性意见。

关键词：改性淀粉，降解塑料，应用

1. 前言

目前塑料制品作为人们生活中常用的原料制品之一得到广泛的应用和推广，尤其是在生活和生产中其利用率要远远高于钢铁和纸浆的利用。但由于塑料制品其生产合成方式以及原料等问题一旦失去使用价值作为废弃物进行处理就比较麻烦。目前主要采用的处理方式即通过焚烧处理，再将能量进行回收最后通过填埋的方式降低对环境的污染。但这种处理方式消耗较高的成本的同时填埋在土壤层下也会对土壤造成二次污染，影响土地资源环境和人们的健康。因此需要寻找一种更为安全的降解方式来取代传统的焚烧和填埋，利用生物科学的降解方式让塑料在特定的环境中发生结构变化，从而使其材料性能出现改变和损失。

2. 塑料制品降解的类型

   1. 光降解

光降解主要是利用太阳光照的刺激从而让高分子材料降解为低分子材料的过程，当然在这一过程当中不仅仅是单一的依靠光源，而且还需要一定的辅助性物质配合。比如在塑料制品当中加入光敏性物质从而加快光降解的过程。但光降解由于所处环境的不同最终的效果也不同，因此这种方法受到较大地域的限制^[1]。

1. 2. 生物降解

生物降解重要主要是通过生物与光照，水分等配合作用生成生物有机物分子，比如微生物，降解酶等再配合一定的化学试剂从而将高分子化合物降解成低分子化合物的方式。这种方式较为安全，环保，且成本相对较低，并且降解后可以实现资源回收再利用等。而生物降解塑料也分为两种情况，一种是生物破坏性塑料，即只能将塑料分裂成碎片不能全部降解，另一种是可以完全降解塑料。而完全降解塑料也有几种不同的降解方式^[2]。

1. 1. 1. 天然高分子方式

通过利用淀粉，纤维素，甲壳素等高分子材料或者直接以高分子淀粉为原料进行降解的方法。或者通过淀粉与某些纯天然产物进行混合的方式，以及不添加淀粉仅仅利用纯的纤维素等为原料的降解方式都属于天然高分子形式。

1. 1. 2. 微生物方式

微生物存在于自然界环境中的方方面面，而微生物在某些特定的环境下可以进行发酵，在发酵的过程中可以产生一种特殊的物质，这种物质作为一种能量可以进行储存，即聚酯。聚酯作为一种可将塑料制品降解的物质被广泛的应用于微生物降解的过程中^[3]。

1. 1. 3. 化学合成方式

很多高分子物质经过化学方式合成后是不能被微生物所降解的，但在水溶性高分子中是存在能够被微生物所降解的物质的，将这种物质进行提取并通过化学合成的方式制备的塑料制品就可以被生物降解。比如乳酸，聚乙烯醇等等。

因此，在诸多降解方式当中，天然高分子方式来降解塑料相对降解成本比较低廉，且原材料来源广泛，易获取，并且降解后的材料可以实现二次循环利用，因此得到了更为广泛的应用。而这其中改良性的淀粉在降解塑料制品当中也起到了主要的应用。

3. 淀粉类塑料的类型和发展情况

淀粉作为一种来源范围广泛，生产成本低廉，且可以回收再利用的资源广泛的应用于生物降解机制当中。因此以淀粉作为主要生产成分的塑料制品也成为生物降解塑料当中的主要类型。其中包括改性淀粉，热塑性淀粉，淀粉填充型和热塑性淀粉填充型等。他们也都可以被称作为淀粉塑料。到目前为止，淀粉塑料已经延续了很多年，且不断涌现出新型的产品类型。比如淀粉填充型塑料制品：淀粉填充量在10-20%比例，其余成分为PP或者PE进行补充。这种塑料制品在利用淀粉降解后会留存一部分不能降解的物质，且在其表面会呈现多个孔洞。还有一种塑料制品其淀粉的含量要在一半以上，其余利用亲水性的聚合物补充，淀粉与亲水性聚合物的相互作用铸就了塑料的坚硬性和韧性平衡。这种塑料更容易被淀粉所降解，或者说可降解的部分占比更大一些。而还有一种塑料其主要是由30-60%的淀粉构成，其填充物质为聚乙烯，纤维素等等。其降解效果最佳，特定条件下可以实现全部降解的优势。

4. 改性淀粉在降解塑料中的应用

由于在淀粉中存在大量的羟基从而使得淀粉分子内部和分子之间存在大量的氢键，且性能非常强，因此淀粉在高温加热条件下其可塑性较差，被定义为热不稳定物质。不仅如此，淀粉通常在加热的情况下会出现老化，和焦化等现象。而与其配合的通用树脂与淀粉截然相反，通用性树脂极性较小，且属于疏水性质。淀粉与通用性树脂无论是在结构上还是极性上都表现出较大的差异性，所以二者不容易相溶。因此，如果想要让淀粉能够在树脂中更好的分散开，那么就一定要对淀粉进行改造，采用改性处理的方式来增加淀粉在通用性树脂当中的可溶性，通常使用的方法主要有化学方式和物理方式两种。

1. 1. 化学方式

通常在改性淀粉中常用的化学方式有很多，比如像酯化，醚化，烷基化，交联改性等等。而现阶段研究较多且应用较为广泛的化学方式主要为来自于德国塑料公司的淀粉乙烯/丙烯酸共聚物，还有来自于美国某公司的淀粉/聚烯烃塑料以及酯化淀粉和糊化淀粉等。比如将偏磷酸钠交联改性和硅烷偶联剂等作用于塑料表面进行处理，让改性淀粉具备更高的亲酯性，同时再配合可以进行生物降解的聚酯类物质，通过甘油，乙二醇以1:2 的比例配置的复合型增塑剂，以及增溶剂等的协作下，其所得膜的耐水性能，机械性能和熔融性能均符合业内的统一指标标准。同时保证了改性淀粉的含量在50%以上，更高的时候可以达到70%以上的水平。除此之外美国通过作物中的淀粉为原材料来对淀粉醋酸酯进行生产制备，并配合以甘油三酯为增塑剂，再搭配生物降解聚酯共同作用挤出的膜，该种塑料柔韧度高且疏水性能好，并且透光度也高，同时具有一定热塑性的特点，即可以实现热压成塑料，具有生物可降解的性能^[4]。不仅如此，针对直链淀粉含量在99%的淀粉作为原料并对其进行接枝共聚，再配合通用类聚酯最后进行塑形，这种塑料产品可以实现完全的生物降解。而且将淀粉含量在70%以上的淀粉羟丙基化后作为原材料直接挤出进行塑形，从而获得的热塑性能极佳的淀粉塑料制品，同样可以实现生物降解，并且产品在性能等方面表现优异。

1. 2. 物理方式

物理方式指的就是通过一些机械手段如利用挤压机对淀粉结构进行破坏，将淀粉变得更微细化，或者通过与一些偶联剂或者淀粉结构破坏成分相结合，从而打破淀粉的内部结构使其能够与人工合成塑料制品相融合。比如利用将淀粉放入高速气流粉碎机，再加入球磨进行联合处理从而获得颗粒直径为3微米左右的超微淀粉颗粒，并将其一同与塑料加工辅助剂和低密度聚乙烯等物质融合在高速加热混合机中再一次搅拌融合，最后挤出塑膜。这种塑料制品首先具备非常好的防水和防油特性，且透气性能良好，在进行填埋降解处理后四个月的时间能够实现70%左右的生物降解比例，降解性能表现优异。再如加拿大某公司通过利用淀粉与硅氧烷在加入一定比例水后相混合制备成的混合液通过80摄氏度的温度条件下进行喷雾式干燥从而得到了混合物的白色粉末。将粉末与氧化剂进行混合制备成初始的母料进行储备，再通过与聚乙烯混合后通过机器吹出塑膜，从而制备而成可降解的塑料制品。这项技术已经实现了批量化的生产。再或者通过一些偶联剂通过对淀粉进行一定的物理方式改造后使其性质得到变化，也可以实现获得疏水性非常好的改性淀粉，再加入一定的光敏剂从而可以将PE进行光敏降解，实现了PE材料在紫外线下被降解的可能性和可控性。

总结

淀粉作为一种物美价廉的天然的高分子化合物不仅仅可以作为能源材料同样可以作为一种可再生的资源来进行利用。尤其是对于本身就属于农业大国的我们来说，淀粉的产量在农作物总产量的占比中占据着重要地位，因此我国淀粉资源是非常丰富的。塑料作为人们生活和工作当中重要的材料来源占据着重要的比重，而传统的塑料降解方式不仅仅浪费大量的人力，物力同时也为环境带来了一定的污染，因此塑料制品的安全降解一直是科研人员亟待解决和优化的主要问题。而随着生物制品的快速发展，越来越多的安全可靠的纯生物材料被广泛的应用于材料科学当中，淀粉作为可降解塑料在经济市场中具有绝对的优势和潜力。其最重要的是淀粉作为一种可降解的物质对人类的生活和环境不会造成污染和危害，因此对改性淀粉在降解塑料中的应用也是非常值得深入研究和探讨的内容，开发淀粉塑料也将具有重要的意义。不仅如此，研发出具备不同功能的降解塑料相关的改性淀粉，不仅可以满足各种用途和渠道的生产需求，同时也将成产成本极大的缩小，减轻危害，营造更加和谐和健康的生态环境。

参考文献

1. 刘娅, 赵国华, & 陈宗道. (2003). 改性淀粉在降解塑料中的应用. 包装与食品机械, 21(2), 4.

2. 陈志民, 陈加福, 许群. 淀粉的改性及其在可降解塑料和橡胶中的应用研究[J]. 世界科技研究与发展, 2007, 29(4):7.

3. 吴登杰. 一种淀粉的改性方法、改性淀粉及在可降解塑料中的应用:, CN105524182A[P].

4. 于浩强. 淀粉的复合法疏水改性及其在生物降解塑料中的应用研究. 济南大学, 2013.