【摘 要】
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近年来,一次性塑料带来的环境污染与当下环保政策以及“碳中和”的远景目标相背离,“环境友好”型生物可降解材料成为了传统塑料的良好替代品。其中,聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)由于具备优良的生物降解性和良好的延展性而备受人们的关注,但是它刚性较差以及昂贵的价格,限制了其在市场中的应用与发展。同时,蛋壳作为禽蛋重要的加工副产物,可以作为PBAT的生物填充剂。将其磨制成蛋壳粉(ESP)作为天然填料与
【基金项目】
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2019武汉市黄鹤英才优秀青年人才项目; 武汉市农业科学院创新体系青年创新项目(QNCX202207);
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近年来,一次性塑料带来的环境污染与当下环保政策以及“碳中和”的远景目标相背离,“环境友好”型生物可降解材料成为了传统塑料的良好替代品。其中,聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)由于具备优良的生物降解性和良好的延展性而备受人们的关注,但是它刚性较差以及昂贵的价格,限制了其在市场中的应用与发展。同时,蛋壳作为禽蛋重要的加工副产物,可以作为PBAT的生物填充剂。将其磨制成蛋壳粉(ESP)作为天然填料与PBAT熔融共混,在复合材料的性能得到改善的同时,也为促进蛋壳资源化高效利用提供了一种新思路。然而,ESP与PBAT的界面相容性较差,限制了复合材料中ESP的添加量。采用铝酸酯偶联剂(ACA)对ESP进行修饰,能够有效改善与PBAT的界面相容性,提高复合材料的综合性能。本研究采用ACA对ESP进行疏水改性,并使用改性后的ESP填充PBAT制备可生物降解食品包装膜;研究改性ESP的结构与性能,并优化复配工艺,在保证复合材料性能得到改善的同时、降低蛋壳粉基生物降解食品包装膜的成本;探索增塑剂环氧大豆油(ESO)对ESP/PBAT复合薄膜性能的影响,为应用研发高比例的蛋壳粉基生物可降解食品包装膜提供理论依据与实际参考。主要研究内容和结果如下:1.研究了ACA的添加量对ESP改性效果以及ESP/PBAT复合材料结构和性能的影响。结果表明:ACA的添加使ESP表面极性降低,制备出高接触角、低吸油值和沉降体积的改性ESP,且它的红外光谱图出现了ACA(2850 cm-1和2920 cm-1)的伸缩振动峰,证实了ACA与ESP表面发生偶联作用;XRD分析表明ACA的添加不改变ESP内部晶型;改性后的ESP与PBAT熔融共混制备复合薄膜进行结构与性能测试,其中SEM表明,改性ESP包埋在PBAT分子中,ACA的添加显著提高了界面相容性;当ACA的添加量为2%时,制备的ESP/PBAT复合薄膜性能表现最佳:吸水率从1.62%降低到1.19%,断裂伸长率和拉伸强度分别从207.17%和6.1MPa增加至378.51%和12.28 MPa;同时,色差分析表明了ACA的添加对产品的白度影响不大。2.探究了改性ESP对ESP/PBAT复合材料的结构与性能的影响,并对共混体系的复配比进行优化。结果表明:ESP/PBAT复合材料的红外光谱图没有新的振动峰显现,改性ESP表面的长基团与PBAT以物理缠绕的方式结合在一起;XRD分析表明了ESP的添加改变了体系的晶格常数;SEM表明,当复合薄膜的比例为PBAT/ESP(300/150)时,复合材料内部结合紧密,二者具有良好的相容性。此时,薄膜的力学性能和防水性能也明显提高:断裂伸长率为489%、拉伸强度为14.5MPa、吸水率为1.18%;薄膜的白度和亮度都随着改性ESP的添加逐渐变小,但是颜色的变化在可接受范围;改性ESP的添加使ESP/PBAT复合薄膜在pH为13的氢氧化钠水溶液中的降解性能得到改善;体系中改性ESP的加入也提高了复合材料的储能模量和复数黏度,有利于工业化的挤出造粒。3.探究了增塑剂ESO对ESP/PBAT复合薄膜性能的影响。结果表明:当ESO的质量分数为2%时,薄膜拥有最优的防水性能和力学性能,此时薄膜的吸水率从1.2%下降到1.134%,在保证拉伸强度不下降的同时显著提升了薄膜的韧性,断裂伸长率从478%增加到了643%;同时,ESO的添加改善了复合薄膜在pH为13的氢氧化钠水溶液中的降解性能;ESO的添加增加了ESP/PBAT复合薄膜的热稳定性,改善了薄膜的热形变性能。
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