生物降解（jiě）塑料——澱粉基可降解塑料的製（zhì）備及性能研（yán）究

一、研究背景

由於經濟社會發（fā）展，人們生活（huó）方（fāng）便性的要求，人們在（zài）工作、生（shēng）產、生活的方方麵麵對塑料製品的（de）使用（yòng）越來越多（duō），塑料汙染問題（tí）日益嚴峻。一個石（shí）油衍生塑料袋的平均（jun1）壽命是12年，但要完全降解卻需要500年甚（shèn）至更（gèng）久，塑料製品（pǐn）給環境造成巨大的危害，甚至危及子孫後代。隨著科技的發展，綠色生態和環保意識（shí）的增強，用可降解塑料代替傳統的不可降解塑料（liào）成為（wéi）必然趨（qū）勢。

二、研究的目的及意（yì）義

生物（wù）降解塑料也被稱為（wéi）“綠色生（shēng）態塑料”，指的是在一定條件下能在生物分（fèn）泌酶的作用下分解的塑料材料，特定條件下，最（zuì）終完全降解成H2O、CO2、CH4等無汙染物質的塑料。生物可（kě）降解塑（sù）料（liào）特有的生物降解特（tè）性（xìng），對於生（shēng）態環境環保、減（jiǎn）少（shǎo）“白色汙染”等方麵具有十分（fèn）重大的現實意義。

澱粉基塑料是以澱粉為主要原材料，經過改性塑化後再與其它聚合物共混加工而成的一種塑料產品，屬於（yú）生物塑料的（de）一種。

澱粉是以二氧化碳和水為原料,以太陽光（guāng）線（xiàn）為能源,在植物組織中合成的一種多糖類天然（rán）高分子化合物,通常以15 ～100nm的小顆粒狀態存在,顆粒內存在結晶（jīng）結構,大多數天然澱粉是由直鏈澱粉和（hé）支鏈澱（diàn）粉組成的混合物。澱粉是地（dì）球上產量僅次於纖維素的（de）天然高分子,它來源豐富、可再生、價格低廉,通過改性（xìng）塑（sù）化可用於生產澱（diàn）粉基塑料。澱粉基塑料作為生（shēng）物基材（cái）料中的一個重要（yào）品類，已經（jīng）成功實現產（chǎn）業化生產和應用。

   澱粉塑料還存在一些問題：

（1）降解性能

  現階段大多數全澱粉（fěn）塑料（liào）產品的降解速率太慢，降解速度低於堆積速度。同時由於（yú）產品配方及（jí）生產工藝等（děng）原因（yīn），產品降解速度（dù）的人為控製性不好。

（2）使用（yòng）性能

   國內外研製的全澱粉塑料的使用性能大多（duō）不如現行使（shǐ）用的普（pǔ）通（tōng）塑料,主要表現在耐熱性和耐水性差,物理強度不夠,僅適於製造一次性使（shǐ）用的製品。

（3）價格（gé）

   現在全降解塑料的價格比現行塑料製品高3～8倍，盡管在現有的生物降解塑料種類中，全澱粉塑料是最有希望與（yǔ）普通塑料的價格（gé）都較普通塑料高許多（duō），推廣使用受到限製（zhì）。

三、實驗設計與方法

實驗設計活動（dòng）目的（de）:    基於澱粉塑料製備的現有方法.嚐（cháng）試改變不同條件（如加熱（rè）)及配（pèi）方(如澱粉濃度等),研究製備過程（chéng）中不同（tóng）因素對澱（diàn）粉塑料成膜（mó）特性的影響。

實（shí）驗設計流（liú）程和方法：

（1）預實驗:  參考澱粉塑料製（zhì）備的現有方（fāng）法(實驗中（zhōng）可等比例減少/增大相（xiàng）關物料的使用量)，嚐試研究（jiū）該方（fāng）法是否能夠（gòu）成功製出澱粉塑料,並描述澱粉塑料的成膜狀態（tài）,完成研（yán）究流程記錄表相應部分的填寫記錄。

（2）自（zì）變量分析（xī）:  嚐試分析可能影響澱粉塑料成膜特性的因素/自變量，完成研究流程（chéng）記錄中相應部分的填寫記（jì）錄。

（3） 因變量分析:   參（cān）考相關文獻，結（jié）合現有（yǒu）實驗器材確定針對澱粉塑料可以測試的指標，即驗的因變量，並嚐（cháng）試梳理針對不同因變量的（de）測定方法，完成研究流程記錄表中相應部分的填寫記錄。

（4）實驗設計:  參考澱粉塑料製備的現有方法，嚐試針對不同自變量（liàng）中的含量/水（shuǐ）平（píng）/操作條件（jiàn）等進行調整（zhěng）設計田（tián）老不同白亦具（jù）水之業AL術借（jiè）特性的（de）影響（xiǎng）.確定可探究的（de）方向,完成研究流程記錄表（biǎo）中相應部分的填寫記錄。

（5）確定實驗（yàn）步驟:  實驗設（shè）計完成後，需在現有澱粉塑料製備方法的基礎上確定具體細節（jiē），如不同物料配比及用量、混合演加執方法流證成（chéng）士休和幹（gàn）燥方式等，完成就某一（yī）探究方向（xiàng）的詳細實驗（yàn）步驟的梳理.完成（chéng）研究流程記（jì）錄表中相應部分的填（tián）寫記錄。

（6）實驗優化及測試記錄:  根據實驗結果及現有條件對實驗（yàn）步驟進行優化調整（zhěng），選擇感興趣的自變量和因變量（liàng），完成對某一方向的實驗探究分析數據並得出實驗結論。

四、實驗過程及相應的（de）數據分析

實驗1：加熱條件對澱粉（fěn）塑（sù）料成膜特（tè）性影響分析

(1)材料準備:實驗設置5個組別，分別（bié）在5個小（xiǎo）燒杯中分別加入澱粉3ɡ，白醋2ml，甘油2mL，編號（hào） 1不（bú）加（jiā）熱、2-加熱水、3-微波加熱、4電煮鍋加熱和5-水浴加熱。

(2)加熱條件設（shè）置:將5組分別按下表進（jìn）行操（cāo）作

(3)流延成膜（mó）:用（yòng）注射器吸取混合液15mlL (控製每組流延體積（jī）一致),小心（xīn）將其轉移至貼有對應編號的塑料培養皿中流延（yán）製膜，盡可（kě）能使其分（fèn）布平整,用牙簽等工具小心（xīn）戳破明顯的氣泡。

(4)幹燥揭膜:將裝有澱粉混合物的墒養皿置於陰涼、幹燥的地方自然冷卻4天待（dài）培養皿內澱粉混合物充分幹燥後揭膜。

(5)成膜評價:選擇所關注的因變量，是否成膜、揭膜完整性。外觀特（tè）點延（yán）伸性能、膜厚、阻水性等指（zhǐ）標依次對不同組別的澱粉膜進行性能評價。

數據記（jì）錄與分析1

實驗2：甘（gān）油含量對澱粉塑料成膜特性影響（xiǎng）分析

實驗步（bù）驟:

(1)材料準備:實驗設置4個（gè）組別,每個（gè）組（zǔ）別中準備水20mL、澱粉1.5g白醋1mL。依（yī）次改變4個組別中使用的（de）甘油用量為0mL、0.5mL、1mL 和2mL,編號（hào）1、2、3和（hé）4。

(2)材料混勻:將上述每個組別對應量的水、澱粉、白醋及（jí）甘油倒入塑料燒杯中,用玻璃攪拌棒攪拌，待混合物充（chōng）分混勻後,可停止攪拌(此時混合液呈（chéng）白色)。

(3)水浴加（jiā）熱將裝有混合物的燒杯置（zhì）於沸水浴中加熱,加熱（rè）過（guò）程中不斷用玻璃棒攪拌（bàn）直至混（hún）合（hé）液顏色變（biàn）得透明，控製組別（bié）內（nèi）加熱時間一致，每（měi）個燒杯加熱時間大約在10分鍾。

(4)流（liú）延成膜:用注射器吸取混合液15mL(控製每組流延體積一致)小心將（jiāng）其轉移至（zhì）貼有對應編號的塑料培（péi）養皿中（zhōng）流延製膜盡可能使其分布平整（zhěng）。

(5)幹燥揭膜:將裝有澱粉混合物的培（péi）養（yǎng）皿置於陰涼（liáng）、幹燥的地方自然冷卻3天,待培養皿內澱粉混合物充（chōng）分幹燥後嚐試揭膜。

(6)成膜（mó）評（píng）價:選擇所關注（zhù）的因變量，如是否成膜、揭膜完整性、外觀特點、延伸性能、膜厚、阻水性等指標依次對不（bú）同組別的澱粉膜進行（háng）性能測定。

實驗2數據記錄與分析

實（shí）驗3:不同澱（diàn）粉對澱粉基塑料成膜特性的影響研究。

實（shí）驗步驟：

(1)材料準備（bèi）:實驗（yàn）設（shè）置5個組別（bié）,每個組別中準備水20mL、澱粉1.5g、 白醋1mL、甘油1g。依次（cì）改變5個組別甲便用的澱粉類型為玉米、小（xiǎo）麥、土豆、木薯和綠豆澱粉,編號1、2、3、4、5。

(2)材（cái）料混（hún）勻:將上述每個組別對應（yīng）量的水、澱粉、白醋及甘油倒入塑料燒杯中，用玻璃攪拌棒呈攪拌,待混合物充分混勻後（hòu）,可（kě）停止攪拌(此時混合液白色)。。

(3)水浴（yù）加熱:將裝有（yǒu）混合物的（de）燒杯（bēi）置於沸水浴中加（jiā）熱,加熱過程中不斷用（yòng）玻璃棒攪拌直至混合液顏色變得透（tòu）明，控製組別內加熱時（shí）間一致,每個燒杯加熱時間（jiān）在（zài）大約7分鍾。

(4)流（liú）延成膜:用注射器吸取混合液15mL，小心將（jiāng）其轉移至貼（tiē）有對應編號的（de）塑料培（péi）養皿（mǐn）中流延製膜,控製每組流延體積一致,盡可能使其分布平整。

(5)幹燥揭膜:將裝有澱粉混合物的培養血置於（yú）陰涼、幹燥的地方自然冷卻2天，待培養皿內澱粉混合物充分幹燥後嚐試揭膜。

(6)成膜評價:選擇所關注的因變量，如是（shì）否成膜、揭膜完整性、延伸性（xìng）能、膜厚、阻水性等指標依次對不同組別的澱粉膜進行性能測定。

實驗3數據記錄與分析

五、實驗結論與思考

實驗1：加熱條件對澱粉塑料成（chéng）膜特性影響分析

天然（rán）澱（diàn）粉為天然的多羥基化合物，分子（zǐ）間存在大量的氫鍵，這種（zhǒng）分子間強的相互作用使其分解溫度低於熔融溫度，導（dǎo）致天然澱粉沒有可（kě）加工性，澱粉加熱（rè）水就會糊化，會變成糊狀的、半透（tòu）明的膠（jiāo）體（tǐ）溶液，還會具有一定的粘稠性。

通過（guò）實驗，可發現:

1、在不加熱（rè）條件下無法成膜，

2、熱水混合時能否成膜與（yǔ）熱水及澱粉與熱水（shuǐ）的比例有（yǒu）密切關係〔需保證相（xiàng）應熱條件下有限的澱粉可以完全糊化);

3、微波加熱、電煮鍋加熱及水浴加熱條件下均能實現混（hún）合（hé）液微沸狀態，能夠保證其充分（fèn）糊化，因而可以成膜。

實驗2：甘油含量對澱粉塑料成膜特性影響（xiǎng）分析

通過實驗，可發現:

1、在澱粉中加入小分子增塑劑，經過高溫、高（gāo）壓和剪切作用能夠使澱粉具加工性能，使天然澱粉變成熱塑性澱粉。

2、不添加甘油時製備出的澱（diàn）粉塑料具有質脆的特點，成（chéng）膜表現（xiàn）不佳，添加一定程度的甘（gān）油，膜的抗拉強度變弱，但是延伸率上升（shēng）。

實驗3：不同（tóng）澱粉（fěn）對澱粉基（jī）塑料成膜特（tè）性的（de）影（yǐng）響研究

推測（cè）不同澱粉製備出（chū）的（de）澱粉膜性能存（cún）在差異的原因是澱粉中的直鏈澱粉和支鏈澱粉含量不同，分子結構及理化性質存（cún）在較大差異。

通過實驗（yàn），可發現不同澱粉製備澱粉塑料成（chéng）膜特性（xìng）有明顯差異（yì），具體表現為:

1、玉（yù）米澱粉和小麥澱粉做出的澱粉膜手（shǒu）感（gǎn）、質地類似（sì）以，土豆澱粉（fěn）和木薯澱粉做出的澱粉膜（mó）手感相似。

2、拉伸性能最好的膜為綠豆澱粉膜，最差的是小麥澱粉（fěn）膜。

3、抗拉強度最好的是玉米（mǐ）澱粉膜，抗拉強度最差的是土豆澱粉膜。

實驗結論：

1、澱粉（fěn）通過加熱會變成一定的粘稠（chóu）性糊狀的、半透明（míng）的膠（jiāo）體溶液，故（gù）能成膜。在選定的5種處理方式種，水浴加熱成膜膜的延（yán）伸性最好。

2、澱粉必須輔以增塑劑進行增塑（sù）才能獲（huò）得熱塑性和柔韌性。甘油在0-2ml範圍內，在甘油量為1ml時膜的質地軟度和延伸性的性能結合表現最好。

3、不同澱粉製備出的澱粉膜性能存在差異的原因（yīn）是澱粉中的直鏈（liàn）澱粉和支鏈澱粉含（hán）量不同，分子結構及理（lǐ）化性質存在較大差異。根據數據玉米澱粉的（de）成膜性能最好。

實驗反（fǎn）思：

實驗2第一次實驗失敗，幾乎都幹（gàn）裂嚴重成碎片，經老師提醒可能是放在空調房間不是自然幹（gàn）燥造成的，第二次實驗都成膜了，所以溫度變化大對成（chéng）膜的性能有影響。

   成膜（mó）性能檢測用的是彈簧測力計，每次實驗裁（cái）取的大小要一致，不（bú）能太（tài）小不好檢測。由（yóu）於（yú）我第一組實驗有一張膜幹裂，使能取材的麵積受限，所以可能測（cè）試延伸性值不是很準確。測試時讀取的測試值（zhí）由於個人反應差異也可能使數（shù）據（jù）不是很準（zhǔn）確。

六、實驗總結匯報

   實驗完成後，形成（chéng）PPT、海報（bào）並合作（zuò）完成課題報（bào）告。（見文件包）