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耐回生热塑性淀粉的结构与性能研究

马骁飞

  淀粉是可以替代源于石油产品的传统塑料,解决正面临石油原料日益枯竭的资源问题和塑料废弃物污染的环境问题。传统的热塑性淀粉(TPS)以多元醇类为塑化剂,放置过程中易老化变脆,失去使用性能,这主要是由淀粉的重结晶造成的。本文用酰胺类为塑化剂克服淀粉回生,同时改善 TPS 其它性能,并从氢键角度研究了 TPS 中淀粉和塑化剂间的相互作用及其对 TPS 性能的影响;扩大淀粉的使用范围。对解决我国的环境和资源问题有一定的现实意义。本文对比了甲酰胺、乙酰胺和尿素分别塑化 TPS 和甘油塑化 TPS 的热稳定性、流变行为、力学性能、耐回生性能和耐水性能。含有酰胺基团的小分子塑化剂,可以使淀粉塑化、形成均一的连续相。利用红外光谱研究甲酰胺与淀粉形成氢键稳定性。流变性能表明在加工温度范围内,FPTPS、APTPS 和 UPTPS 的剪切应力对温度变化敏感性要小于 GPTPS。力学性能实验表明,FPTPS 强度低韧性好,UPTPS 强度高但韧性差。由于甲酰胺可以和淀粉羟基形成更稳定的氢键,在 RH=0, 50%和 100%环境中,FPTPS 和 UPTPS 都有良好的耐回生性能。塑化剂的耐水性对 TPS 有很大影响;与 GPTPS 相比,FPTPS 和 APTPS 耐水性差,但是 UPTPS 耐水性好。甲酰胺和尿素有良好的相容性,甲酰胺和尿素(重量比为 10%/20%)作为混合塑化剂可以有效抑制淀粉回生,防止尿素结晶析出。这种 TPS 有良好的拉伸强度、伸长率和断裂能,分别达到 4.83MPa、104.6%和 2.17N?m。另外,这种 TPS的耐水性和热稳定性要优于常用的以甘油为塑化剂的热塑性淀粉。在尿素和甲酰胺为混合塑化剂的 TPS 体系中加入纤维,在保持良好的耐回生性同时,可以加强力学强度和热稳定性,这是由于纤维和淀粉化学结构相似,可以形成良好的结合;耐水性进一步提高。FTIR 分析了甘油、甲酰胺或尿素为塑化剂的 TPS 中塑化剂和淀粉间的氢键形成情况,发现在淀粉与塑化剂形成的氢键主要是 C-O-C 基团中的氧原子和C-O-H 基团中的氢原子;过量的塑化剂之间会形成氢键,减弱塑化剂与 C-O-C中 C-O 基团的氢键作用。与甘油相比,甲酰胺和尿素和淀粉形成更稳定的氢键。化学计算方法分析发现淀粉和塑化剂形成氢键键能顺序为:尿素>甲酰胺>甘油,氢键键能分别为 14.167 Kcal/mol、13.795 Kcal/mol 和 12.939 Kcal/mol。淀粉和塑化剂按照 1:1 复合形成的氢键都是两对,其中一对(淀粉中羟基的氢原子与甘油羟基的氧原子、甲酰胺和尿素 C=O 的氧原子形成氢键)占主要地位。……   
[关键词]:热塑性淀粉;甲酰胺;尿素;回生;氢键
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:天津大学2004年