淀粉基發(fā)泡材料的制備與研究

滕 琴，楊時(shí)巧，廖利洹，龍秋滿，姜 月，趙向飛

（西北民族大學(xué) 化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

泡沫材料可以看作氣體充分分散在高分子材料基體中的復(fù)合材料。由于氣體密度低，氣體傳熱、傳音、傳質(zhì)等速度慢，造成了發(fā)泡材料具有卓越的綜合性能，具體表現(xiàn)在質(zhì)量輕、蓄熱蓄冷、比強(qiáng)度高、隔音減噪、減振等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用在建筑、裝飾裝潢、農(nóng)業(yè)、包裝業(yè)、交通運(yùn)輸、IT、航天航空等多個(gè)領(lǐng)域。目前采用的發(fā)泡材料，主要以聚苯乙烯（PS）[1]、軟（硬）聚氨酯（PU）[2]、聚氯乙烯[3]和聚烯烴[4]等作為基體廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)泡沫塑料因體積大造成回收困難?；厥找话阋褂糜袡C(jī)溶劑處理，也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染；如果不回收，則降解時(shí)間長(zhǎng)，一般完全降解要幾百年，故長(zhǎng)期使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的“白色污染[5]”，給地球環(huán)境造成了嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，尋找一種性能優(yōu)良，環(huán)?？山到獾呐菽牧铣蔀榻鉀Q問(wèn)題的關(guān)鍵，也成為當(dāng)務(wù)之急。

淀粉是植物經(jīng)光合作用而形成的碳水化合物，是一種來(lái)源豐富、價(jià)格低廉的可再生資源，自然界的酶可作用導(dǎo)致降解，成為科研工作者追逐的一種理想生物質(zhì)資源。然而淀粉親水性強(qiáng)、塑性差、本身成型能力不足，也給其應(yīng)用造成一定的困難。因此，科研工作者采用淀粉改性[6]和淀粉復(fù)配[7]的方法，使淀粉滿足一定的功能和成型要求。

實(shí)驗(yàn)以淀粉為原料，將淀粉和偶氮二異丁腈、碳酸氫鈉、水、鄰苯二甲酸二辛酯、過(guò)氧化苯甲酰、三堿式硫酸鉛、硬脂酸鋇、硬脂酸鈣、碳酸鈣、固體石蠟、液體石蠟、二氧化鈦等進(jìn)行充分復(fù)配，分別在高混-塑煉-模壓、塑煉-模壓、模壓[8]等工藝下進(jìn)行發(fā)泡成型實(shí)驗(yàn)，以期制備性能優(yōu)異、綠色環(huán)保的淀粉基發(fā)泡材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：玉米淀粉（St）（食品級(jí)，甘肅昆侖生化有限責(zé)任公司）；碳酸氫鈉、硬脂酸鈣、硬脂酸鋇（分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；偶氮二異丁腈（AIBN）（分析純，天津希恩思生化科技有限公司）；過(guò)氧化苯甲酰（分析純，煙臺(tái)市雙化工有限公司）；純金紅石二氧化鈦（VK-T18）（分析純，宣城晶瑞新材料有限公司）；鄰苯二甲酸二辛酯（分析純，萊陽(yáng)市雙雙化工有限公司）；三堿式硫酸鉛（分析純，薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司）；固體石蠟、液體石蠟（化學(xué)純，成都金山化學(xué)試劑有限公司）；碳酸鈣（分析純，北京市紅星化工產(chǎn)廠）。

實(shí)驗(yàn)儀器：高速混合機(jī)SHR-10A（南京橡塑機(jī)械廠有限公司）；游標(biāo)卡尺FSD0621-0115（浙江富斯達(dá)工具有限公司）；電子天平JY6001（上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司）；開(kāi)放式煉塑機(jī)SK160-320（南京橡塑機(jī)械廠有限公司）；平板硫化機(jī)25T（南京橡塑機(jī)械廠有限公司）。

1.2 淀粉基發(fā)泡材配方

淀粉基發(fā)泡材配方如表1所示。

表1 發(fā)泡材料配方

1.3 淀粉基發(fā)泡材料制備方法

1.3.1 高混—塑煉—模壓工藝

（1）稱重：根據(jù)配方準(zhǔn)確稱量各種藥品。

（2）高混：將稱量好的藥品置于高速混合機(jī)內(nèi)，先低速混合2 min，再高速混合5 min，后低速混合2 min。

（3）塑煉：設(shè)置開(kāi)放式煉塑機(jī)前輥輥溫為115 ℃，后輥輥溫為110 ℃，進(jìn)行預(yù)熱。輥溫到達(dá)設(shè)定溫度后，加入高混后物料進(jìn)行混煉，直到塑化為止。

（4）模壓：設(shè)定平板硫化機(jī)溫度為160 ℃，到達(dá)設(shè)定溫度后，將塑煉樣品置于模具中，放入模板間；開(kāi)始給壓，當(dāng)壓力達(dá)最大值后，保壓模壓7～8 min，降壓，取出樣品。

1.3.2 塑煉—模壓工藝

（1）稱重：根據(jù)配方準(zhǔn)確稱量各種藥品。（2）人工混合均勻。（3）塑煉：設(shè)置開(kāi)放式煉塑機(jī)前輥輥溫為115 ℃，后輥輥溫為110 ℃，進(jìn)行預(yù)熱。輥溫到達(dá)設(shè)定溫度后，加入混合后物料進(jìn)行混煉，直到塑化為止。（4）模壓：設(shè)定平板硫化機(jī)溫度為160 ℃，到達(dá)設(shè)定溫度后，將塑煉樣品置于模具中，放入模板間；開(kāi)始給壓，當(dāng)壓力達(dá)最大值后，保壓模壓7～8 min，降壓，取出樣品。

1.3.3 模壓工藝

（1）稱重：根據(jù)配方準(zhǔn)確稱量各種藥品。（2）人工混合均勻。（3）模壓：設(shè)定平板硫化機(jī)溫度為160 ℃，到達(dá)設(shè)定溫度后，將混合樣品置于模具中，放入模板間；開(kāi)始給壓，當(dāng)壓力達(dá)最大值后，保壓模壓7～8 min，降壓，取出樣品。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高混—塑煉—模壓發(fā)泡

采用高混—塑煉—模壓發(fā)泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 塑煉過(guò)程

圖2 模壓過(guò)程

從圖1～2可以看出，淀粉在塑化時(shí)呈片狀但未連成片，說(shuō)明淀粉塑化性能得到改善，但塑化未達(dá)到預(yù)期目的，樣品未完全塑化，主要原因?yàn)楦呋祀A段和塑煉過(guò)程中部分塑化劑損失，導(dǎo)致塑化結(jié)果不好。塑化后經(jīng)模壓制備的發(fā)泡材料沒(méi)有塑化也沒(méi)有發(fā)泡，主要是塑化效果不好，塑化過(guò)程中發(fā)泡劑部分損失，導(dǎo)致模壓發(fā)泡效果不好。

2.2 塑煉—模壓發(fā)泡

采用塑煉—模壓發(fā)泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 塑煉過(guò)程

圖4 模壓過(guò)程

從圖3～4可以看出，相比相同配方下高混—塑煉—模壓工藝，塑煉—模壓工藝下原料塑化效果明顯改善，塑化物料連成整片。塑煉后，物料經(jīng)模壓制備發(fā)泡材料，材料模壓后塑化發(fā)泡成為一體，但發(fā)泡材料強(qiáng)度很差且很脆，主要是在塑化階段發(fā)泡劑大部分已揮發(fā)或分解損失，導(dǎo)致模壓階段沒(méi)有充足的發(fā)泡劑，發(fā)泡效果不佳。

2.3 模壓發(fā)泡

采用模壓發(fā)泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 模壓制備

圖6 模壓制備

從圖5～6可以看出，相比其他工藝，該工藝發(fā)泡材料性能較好，發(fā)泡材料塑化成為一體，泡孔均勻致密，說(shuō)明直接模壓發(fā)泡成型與其他成型工藝相比，具有較大的優(yōu)勢(shì)，這主要是僅進(jìn)行模壓發(fā)泡，塑化劑和發(fā)泡劑在成型過(guò)程中沒(méi)有損失，可在模壓階段完全發(fā)揮作用，起到很好的發(fā)泡效果。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)以淀粉作為原料，碳酸氫鈉和偶氮二異丁腈作為復(fù)合發(fā)泡劑，過(guò)氧化苯二甲酰作為交聯(lián)劑，進(jìn)行配方復(fù)配，經(jīng)不同工藝進(jìn)行發(fā)泡成型，制備系列淀粉基發(fā)泡材料。該發(fā)泡材料泡孔均勻致密，采用淀粉為原料可完全生物降解，綠色環(huán)保。實(shí)驗(yàn)發(fā)泡不同工藝：高混—塑煉—模壓工藝，塑煉—模壓工藝，模壓工藝進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，模壓工藝發(fā)泡效果較好。因?yàn)槿绻捎闷渌ば蚝?，再進(jìn)行模壓發(fā)泡，在其他工序如高混和塑煉過(guò)程中，塑化劑和發(fā)泡劑會(huì)部分揮發(fā)和分解，導(dǎo)致模壓階段塑化和發(fā)泡不良，進(jìn)而影響到最終的發(fā)泡效果。所以，實(shí)驗(yàn)采用模壓工藝可制備較好的發(fā)泡材料，發(fā)泡效果較好。