论文总字数：14829字

摘 要

以玉米淀粉为原料，甘油为增塑剂，马来酸酐为改性剂，使用双螺杆挤出机分别制备TPS，MTPS，利用FTIR对TPS和MTPS的结构进行分析，发现MTPS在1720cm^-1处出现了C=O的吸收峰。再分别将TPS，MTPS与不同配比的PLA和PBAT进行共混制备复合材料，利用万能试验机对复合材料的拉伸强度和断裂伸长率进行测试。结果表明，使用MTPS能提高复合材料的力学性能，而且材料的力学性能与组分配比有关，聚乳酸含量从60%降为10%时，复合材料的拉伸强度能从29MPa降到了9MPa，断裂伸长率则从7%提升至26%。

关键词：淀粉 聚乳酸 马来酸酐 改性

Preparation and properties of modified starch / PLA blends

Abstract

TPS and MTPs were prepared by twin-screw extruder with corn starch as raw material, glycerin as plasticizer and maleic anhydride as modifier. The structure of TPS and MTPs was analyzed by FTIR. It was found that the absorption peak of C = O appeared at 1720cm^-1 of MTPs. TPS and MTPs were blended with PLA and PBAT of different proportions to prepare the composite. The tensile strength and elongation at break of the composite were tested by universal testing machine. The results show that the mechanical properties of the composite can be improved by using MTPs, and the mechanical properties of the composite are related to the composition ratio. When the content of PLA is reduced from 60% to 10%, the tensile strength of the composite is reduced from 29MPa to 9MPa, and the elongation at break is increased from 7% to

26%.

Keywords：Starch；Polylactic acid；maleic anhydride；modified

目 录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2聚乳酸 1

1.2.1聚乳酸改性 2

1.3淀粉 2

1.3.1淀粉改性 2

1.4淀粉/聚乳酸复合材料 3

1.4.1相容性研究进展 3

1.4.2相容性研究方法 6

1.4.3降解性研究 6

1.5淀粉/聚乳酸复合材料未来方向 7

1.6课题研究目的及主要内容 7

1.6.1研究目的 7

1.6.2研究内容 7

第二章 实验部分 9

2.1实验原料和设备 9

2.1.1实验原料和试剂 9

2.1.2 实验仪器和设备 9

2.2试样的制备 9

2.3 测试与表征 11

2.3.1 马来酸酐接枝热塑性淀粉的FT-IR测试 11

2.3.2 PLA/ TPS/PBAT复合片材的力学性能测试 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 MTPS粉末的红外光谱 12

3.2 PLA/ TPS/PBAT复合片材力学性能分析 12

第四章 结论与展望 15

4.1结论 15

4.2展望 15

参考文献 16

致谢 18

第一章 绪论

1.1前言

当今时代塑料行业的飞速发展，各种塑料产品凭借来源广泛，性能稳定，价格便宜的优点，方便着我们的生活，但其难降解的特性也产生了越来越严峻的环境污染问题。目前大部分塑料垃圾的处理方式是焚烧发电，土埋或回收利用等。焚烧和填埋并不能从根本上解决污染问题，回收利用也受到工艺和塑料种类的限制，效果甚微。因此，现代材料的设计除了考虑基本的物理化学性能外，还必须要考虑材料的环境性能。日本的山田良一教授于上个世纪90年代提出了环境材料的概念，定义为在材料生命周期中具有资源和能源的消耗少，对生态环境的影响小，再生循环效率高，易生物降解的材料。环境材料综合了材料的三个主要特性：先进性，环境性，舒适性。可生物降解材料即满足这三个特性。可生物降解高分子材料指在自然条件下能够被环境中的一些微生物（细菌，真菌）所分解的高分子材料，它的原料很多都来源于天然高分子，不仅能有效解决塑料废弃物产生的白色污染问题，还能缓解日益紧张的石油资源问题，是现代材料发展的新方向。

可生物降解高分子材料的主要种类有微生物聚酯，脂肪族聚酯，聚乳酸，热塑性淀粉等，其中聚乳酸，热塑性淀粉的原料来自于天然高分子，且可完全降解，是优异的可降解高分子材料。本文研究的淀粉/聚乳酸复合材料就是一种可生物降解的环境友好型材料。在总结了前人关于淀粉/聚乳酸复合材料的研究后，针对热塑性淀粉机械性能差，与聚乳酸相容性不好等问题，采用双螺杆挤出机对玉米淀粉进行反应性挤出，改性剂为多元有机羧酸类，以甘油为主要增塑剂，有机羧酸为次增塑剂，探究不同增塑剂对复合材料中各组分相容性的影响。并对制成的热塑性淀粉/聚乳酸复合材料进行力学性能的测试。

1.2聚乳酸

聚乳酸（PLA），也常被称为聚丙交酯，是目前发展最快的可完全降解脂肪族聚酯材料，一般由乳酸缩聚以及丙交酯开环聚合生成。聚乳酸的合成单体是乳酸，可以用纤维素或淀粉等可再生资源制取。和传统的塑料相比，PLA生物相容性良好且无毒、便于加工，具有不错的热塑性和力学性能，生物及化学降解性能优异，且降解生成的产物为水和二氧化碳，对环境没有污染^［1］。在医疗器械、塑料薄膜、建筑材料、化学纤维、包装塑料等方向有着广大的应用前景^［2］。

1.2.1聚乳酸改性

聚乳酸分子中含有许多酯基，使材料具有了一定的疏水性；PLA材料质地硬且较脆；热变形温度低（55℃），断裂伸长率较低（小于10%）^［3］，这些限制了其在一些特定领域的广泛使用，影响了使用需求，因此需对其进行改性。常用的改性方法有化学改性，物理改性，复合改性^［4］。化学改性采用嵌段，接枝，交联等方法能够从结构上改善PLA材料的缺点，改性效果优异，例如引入柔性链分子、杂链分子或极性分子共聚可提高PLA材料的韧性或耐热性能，引入交联结构可以提高聚乳酸的稳定性，但是化学改性的反应过程复杂，成本高，还会造成环境污染。物理改性PLA的方法工艺简单易于实现，而且成本低，但是改性效果一般情况下会受到材料相容性的影响，在提高材料一种性能的同时往往会降低另一种性能^［5］。例如，有人把聚乳酸与聚乙烯（PE），聚苯乙烯（PS）等高分子材料共混，虽然可以起到增韧的效果，但是却大大影响到了聚乳酸的可降解性能和生物相容性。复合改性是采用颗粒，纤维，纳米材料对PLA进行增强改性，使不同材料在性能上产生协同效应，最终制得综合性能良好的复合材料。例如Arroyo OH的实验中发现加入蒙脱土可以增加材料的拉伸模量和强度^［6］。目前采用新型材料（纳米材料等）改性PLA制备复合材料已经成为PLA改性的主要研究方向之一。

1.3淀粉

淀粉作为一种大宗农产品，在我们的生活中随处可见。淀粉具有广泛的来源、价格便宜、可持续再生、环保无污染的优点，使用淀粉这种可再生的资源在一定程度上能够缓解石油资源的短缺，因此越来越受到人们的青睐，作为新型材料在塑料工业上具有广阔的应用前景^［7］。但是天然淀粉分子链间和分子内存在着很多氢键，使其有一定的规整结晶性，溶解性较差，具有亲水性但不易溶的特点，机械性能较差，而且直接加热无熔融过程，达到300℃便会分解，可以通过对淀粉进行改性，来解决这些问题。

1.3.1淀粉改性

目前工业上对淀粉的改性方法主要有物理，化学，酶法，复合改性等^［8］。其中，化学改性中的酯化改性受人青睐。酯化改性就是通过在淀粉中加入酯化剂，使淀粉发生酯化反应，淀粉中的一些羟基酯化后生成酯基，同时也影响了淀粉分子的结构及规整性，削弱了淀粉的结晶性^［9］，减弱分子链之间的氢键作用，使淀粉分子链变得更加疏松，拥有了良好的流动性，达到了塑化淀粉、改变淀粉加工性能的目的，使淀粉热加工和制膜有了可能性^［10］。淀粉酯化后改善了老化回生，脱水缩合的问题，具有高稳定性，高粘度，生产工艺简单，价格低廉的优点，因此应用很广泛。马来酸酐（MAH）因为具有出色的物理和化学性能，研究中常用其作为酯化淀粉的酯化剂。MAH酯化淀粉常用的方法有湿法改性，干法改性，有机溶剂法改性。湿法改性存在副反应，反应效率低；有机溶剂法则存在成本高，污染严重的问题；干法改性反应效率高，工艺简单且污染较小，成为淀粉酯化改性的研究热点。谭登峰等人利用干法改性，以木薯淀粉作为原料，进行了马来酸酐酯化淀粉的工艺研究^［11］，实验采用了反应共混法，通过对密炼过程中温度，时间，转速及马来酸酐用量的调整，研究其对酯化反应效率的影响，结果表明增高温度和增长时间能提升马来酸酐的取代度，通过FTIR吸收峰的变化能够判定马来酸酐是否成功接枝到淀粉分子链上。

1.4淀粉/聚乳酸复合材料

在环境污染问题日益严重的今天，研究出一种性能优异的可降解材料是世界关注的新课题。淀粉、聚乳酸都拥有着出色的降解性能，但也各有不足。通过将淀粉，聚乳酸混合制备复合材料可以综合它们的优良性能，因此淀粉/聚乳酸复合材料在可降解材料领域有很好的发展前景。通过对其进行研发，推广使用，可以缓解石油资源日益枯竭带来的危机，解决塑料污染问题。目前国内外对淀粉/聚乳酸复合材料的研究主要集中于热塑性淀粉的改性，相容性的研究以及降解性的研究。

1.4.1相容性研究进展

聚乳酸与天然淀粉直接混合时相容性较差，会使共混材料的性能受到制约。原因是淀粉因为羟基的存在具有亲水性，而聚乳酸则因为酯基是疏水性的，两者界面结合力较差，这导致复合材料不耐水，质地较脆，力学性能也不理想。因此改善复合材料的相容性是提升材料性能的首要前提，很多学者对淀粉/聚乳酸的相容性问题开展了研究。目前常用的方法有加入增塑剂，加入增容剂，在淀粉上引入疏水基团，或在聚乳酸上引入疏水基团这四种方法^［12］。国内外的研究也大致围绕这四个方向。

1.塑化改性

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