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文|混史小郎君

编辑|混史小郎君

«——【· 简介 ·】——»

淀粉基泡沫可用于包装开发，以取代不可生物降解的石化塑料，淀粉基材料机械性能差，耐水性低，这些性能可以通过向本体组合物中添加增塑剂和填料来改善，在目前的工作中， 研究了稻壳灰分含量对热膨胀产生的木薯淀粉基泡沫的物理、形态和机械性能的影响。

该复合材料由木薯淀粉、稻壳灰、水和甘油混合而成，将获得的面团放入金属模具中，然后在热液压压机中膨胀，添加 20-50% 的灰分可提高热稳定性、密度、淀粉基泡沫的生物降解和吸水能力下降。

填充的淀粉基泡沫的内部结构也表现出更小的孔隙。与不含灰分填料的泡沫相比，添加 20-40% 的灰分可提高弯曲拉伸强度，而添加 50% 以上的灰分会降低机械阻力，因此，根据所获得的结果， 稻壳灰可以成为可生物降解的淀粉基泡沫的良好填料。

据海洋保护协会报道，考虑到食品塑料容器是自然界中最常见的垃圾，食品工业对于解决环境问题至关重要，大部分容器是用发泡聚苯乙烯（EPS）泡沫生产的， 因为它强度高、密度低、成本低。

发泡聚苯乙烯泡沫可以回收，但通常不能回收，考虑到EPS泡沫具有较高的生物降解性，会破坏整个生态系统并造成严重的环境污染，使用由具有可生物降解的可再生作物生产的生物塑料，可以最大限度地减少包装对环境的影响，以减少 EPS 等石油基塑料的使用。

淀粉是一种可生物降解的天然聚合物，作为低成本原材料， 为塑料应用提供了多种优势，它是一种丰富且每年可再生的材料， 可从多种植物来源获得，例如玉米、小麦、木薯、马铃薯和豌豆，淀粉基泡沫可以通过多种技术生产，包括挤出或热模烘烤。

在这两种技术中，淀粉都会发生糊化，即天然淀粉转变为热塑性淀粉，尽管热塑性淀粉泡沫作为包装设计的环保材料具有相当大的潜力，但与大多数石油基塑料相比， 它们有两个主要缺点：机械阻力低和对水的亲和力高。

稻米加工产生两种主要残留物：稻壳和稻壳灰，稻壳灰是稻米加工企业通过燃烧稻壳发电而获得的，该残渣具有多孔结构，具有高比表面积和高二氧化硅含量。

«——【· 材料和方法 ·】——»

使用直链淀粉含量为 26%、水分为 11% 的天然木薯淀粉、稻壳灰、甘油和水来开发可生物降解泡沫，二氧化硅含量为 93% 的稻壳灰，RHA 通过 48 目筛，以获得更好的粒径均匀性，甘油充当增塑剂， 在淀粉基泡沫生产过程中，水既充当增塑剂又充当发泡剂。

所设计的泡沫是通过将木薯淀粉、稻壳灰、水和甘油在70℃的恒温槽中混合以获得均匀的混合物和淀粉糊化来制备的，以固体基质（木薯淀粉 + 稻壳灰）计， RHA 含量从 0% 到 60% 不等。

木薯淀粉、稻壳灰和 CS/RHA 泡沫在 105 °C 下干燥过夜，使用光谱仪在4000-650 cm-1的波数范围内以4cm-1分辨率进行32次扫描，通过傅里叶变换红外评估原材料的化学结构和泡沫化学成分。

根据 ASTM D790-02，使用带有 50 N 测力传感器的质构分析仪通过弯曲测试评估机械性能， 对于尺寸为 50 mm × 25 mm 的泡沫样品，在压缩模式下进行分析 ，使用 2 mm s-1的速度和 50 g 的触发力，结果是通过对至少五个独立样本的测量值进行平均而获得的。

使用Cobb法评估吸水能力，称取2 cm×2cm的样品，并将其放入 100 mL 蒸馏水中 1、15、30、45 和 60 分钟，然后，用薄纸除去多余的水后再次称重，并通过重量分析计算吸收的水量，对每个制剂进行三次重复分析。

根据FTIR光谱可以看出，稻壳灰的添加并没有改变聚合物基体的化学结构，因此，木薯淀粉-稻壳灰混合物只是物理的，它们的结构之间没有形成化学键。

由于与稻壳灰的特征带重叠，在木薯淀粉中观察到的700-1400cm-1范围内的特征带在RHA泡沫光谱中不可见，然而，可以注意到一些差异，因为在 1000–900 cm -1范围内，高灰分泡沫的FTIR曲线与RHA光谱比CS光谱更相似。

正如预期的那样，RHA光谱在3400-3200cm-1区域没有显示峰值，这归因于O-H伸缩键，而 CS则有，随着RHA含量的增加， 没有观察到该峰明显降低，这意味着亲水性并不简单地取决于泡沫成分。

除40RHA外，所有设计的泡沫光谱均在此范围内显示出较大的谱带，与淀粉和甘油的羟基有关，0RHA 样品的该条带更强，这可以用 CS 含量较高来解释，因为热塑性淀粉具有很大的亲水性。

尽管 60RHA 的 CS 含量最低，但与 20RHA 和 40RHA 光谱相比，该样品光谱中的该波段更大。这些结果证实了形态和吸水能力分析的结果，因为 60RHA 样品显示出更多的多孔结构，因此与其他填充样品相比具有更高的吸水能力。

«——【· 热性能与形态学 ·】——»

第一个，在100–200°C 时，与生物聚合物的部分分解和自由水损失有关，第二阶段在 250 至 320 °C 之间，温度更大幅度，样品的重量损失约 20-70%，最后一步与样品热降解有关， 在确定 RHA 和 CS/RHA 复合材料的稳定性方面起着关键作用。

样品中的 RHA 含量越高，观察到的重量损失越少，因为该温度范围内的重量损失主要与 CS 热降解有关，每个样品的残留量几乎完全是初始RHA含量，但也有少量CS在450°C的温度下仍然不分解。

CS 的完全降解需要更高的温度，研究表明源自稻壳灰的二氧化硅具有良好的热稳定性，与未填充的淀粉基泡沫相比，填充碳酸钙的淀粉基泡沫具有更高的热稳定性和更少的重量损失。

结果表现出非常相似的行为，并且 RHA 含量显然对泡沫降解的开始没有太大影响，因为 FTIR 分析的结果表明 RHA 和 CS 之间的混合物只是物理的，RHA不会改变 CS 降解曲线，并且 CS 含量较少的泡沫降解较少，显然， 这只是因为在该温度范围内降解的质量较少。

所有样品均显示出均匀的表面，没有团聚，这表明是均匀的稻壳灰-木薯淀粉混合物，RHA含量越高，表面不规则性越大。

将未填充泡沫与含有RHA的泡沫进行比较，泡沫表面的视觉效果发生明显变化，未填充的泡沫明显更加透明，可以观察结构孔，甚至是封闭的孔，填充的泡沫是不透明的并且视觉上彼此相似。

由于添加了稻壳灰作为填料，淀粉/PBAT 混合物中的不规则性有所增加，例如灰烬的破裂和聚集，在淀粉基泡沫中加入填料，如花生皮、葡萄秆和挥发灰，由于粘合性差，会导致泡沫表面出现明显的空洞或裂纹， 介于亲水性淀粉和疏水性填料之间。

稻壳灰的添加改变了复合材料孔隙的形状和大小，填充样品中的孔隙比未填充样品中的孔隙小，研究还观察到填充泡沫中的孔隙更小，聚合物基质中的 RHA 颗粒充当成核位点，促进形成更多尺寸更小的气泡， 由于添加稻壳灰而导致的孔径减小可以解释填充泡沫密度的增加。

«——【· 吸水与降解能力 ·】——»

稻壳灰的存在影响泡沫的吸水能力 ，与样品 0RHA 相比，在 RHA/CS 比率低于 1 的泡沫中添加稻壳灰，吸水能力降低约 50%。

0RHA和60RHA样品在1、45和60分钟时测量的吸水能力值在统计上相等，30 分钟时，60RHA 样品的 WAC 甚至高于未填充样品 0RHA 的 WAC，与其他填充样品不同，60RHA样品具有互连的开孔结构，这有利于水进入泡沫结构。

在其他填充样品（20RHA、40RHA 和 50RHA）中，在选定的分析时间，WAC 没有显着变化，具有 20%、40% 和 50% RHA 的设计泡沫的疏水行为 可以通过这些泡沫结构中存在的小闭孔以及 RHA 中存在的二氧化硅的低亲水性来解释。

对于所有研究的组合物，吸水能力显示出从1分钟到60分钟统计上显着的增加，这表明，如果有吸水极限，则需要更长的时间才能达到吸水极限，在 60 分钟时， 一些样品开始在水中分解，这会对分析性能产生负面影响。

根据稻壳灰分含量，生物降解过程以不同的方式发生，尽管未填充的泡沫的尺寸随着时间的推移而减小，但泡沫结构保持一致，当淀粉基泡沫埋在土壤中时，随着时间的推移，填充泡沫会破碎成更小的碎片。

这些差异可以通过有机和无机材料不同的降解机制来解释 ，淀粉被微生物消耗，其中的有机碳转化为无机碳，无机材料，如稻壳灰，不会被微生物消耗，但它们的存在不会抑制微生物活动。

当有机基质受到微生物攻击时，填充泡沫的降解过程就会发生，微生物会破坏淀粉和 RHA 之间的界面，从而将样品分解成小块，土壤中的化学变化加速了灰分化合物的扩散， 当降解时，灰烬充当土壤肥料，并提供重要的矿物质来改善土壤质量，例如磷和无定形二氧化硅。

从分析第4周开始，样品表面开始出现裂纹，部分样品的结构也出现断裂，RHA 含量越高，泡沫降解越明显，0RHA和20RHA样品保持其泡沫形状，同时变得更薄且尺寸更小，并且60RHA样品在分析的泡沫中更脆弱。

在分析的第六周，样本的采集变得困难， 因为即使是看起来完好无损的样本，如果受到任何压力也会碎成许多碎片 ，高 RHA 样品的脆性可能与淀粉被微生物消耗时泡沫结构中留下的空隙有关。

需要强调的是，生物降解性不仅取决于聚合物的化学成分，还取决于微生物的存在、可用的水和氧气的量、温度和环境的化学成分，温度是生物降解过程的一个重要因素，因为水解速率和微生物活性都随着温度的升高而增加。

正是对于聚合物的生物降解， 高温高湿的条件以及微生物的酶活性是导致聚合物链缩短和弱化的主要因素 ，生物降解测试并未严格控制湿度和温度，这可能会影响此处获得的结果。

«——【· 结论 ·】——»

稻壳灰作为木薯淀粉基泡沫的填料具有巨大的应用潜力，所设计的泡沫的化学结构不受稻壳灰添加的影响，尽管如此， 填充泡沫的表观密度、热稳定性、耐水性和生物降解率均高于未填充泡沫。

与未填充的泡沫相比，添加 20-40% 的灰分提高了弯曲拉伸强度以及杨氏模量，关于所设计的泡沫的可能应用，其目的是生产食品包装，如托盘和容器、植物管材，甚至杯架等家庭用品。

参考文献：

1.《重复使用设计：消费品包装的生命周期》

2.《包装设计——从概念到货架的成功产品品牌》

3.《用于食品包装的潜在生物基可食用薄膜、泡沫和水凝胶》

4.《用于食品包装的生物基材料——绿色和可持续的先进包装材料》