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      一種耐高濕改性淀粉基生物可降解薄膜及其制備方法與流程

      文檔序號(hào):12401237閱讀:326來源:國知局

      本發(fā)明涉及一種耐高濕改性淀粉基生物可降解薄膜及其制備方法,涉及生物可降解材料及其制備領(lǐng)域。



      背景技術(shù):

      淀粉具有天然、來源廣泛、可再生、無污染、成本低、可生物降解等優(yōu)點(diǎn),基于淀粉的生物塑料薄膜是生物降解塑料領(lǐng)域發(fā)展較快的一種。然而,淀粉薄膜由于其自身固有的力學(xué)性能差,對(duì)環(huán)境濕度非常敏感,導(dǎo)致無法滿足大多數(shù)情況下的應(yīng)用要求。聚乙烯醇(PVA)是一種化學(xué)合成的可生物降解的高分子聚合物,具有高抗靜電性、耐磨耐腐蝕、力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),與淀粉有較好的相容性。通常利用聚乙烯醇和淀粉的共混來提高淀粉基材料的力學(xué)性能。然而聚乙烯醇是水溶性高分子,加入淀粉之后制得的淀粉-聚乙烯醇薄膜,耐水性更差。中國專利CN101914223A公開了一種改性淀粉-聚乙烯醇基復(fù)合塑料薄膜的制備方法,方法簡(jiǎn)便,成本低廉,然而對(duì)環(huán)境濕度敏感,力學(xué)性能差的問題依然沒有解決,有待進(jìn)一步改善。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有淀粉基生物可降解薄膜在高濕度條件下力學(xué)性能下降的問題,提供一種新配方的可降解薄膜,利用酶解改性淀粉、聚乙烯醇、水性膨潤土和甘油共混,期間不引入任何其它的化學(xué)交聯(lián)劑,制備工藝簡(jiǎn)單,在滿足了生物可降解性能的同時(shí),也滿足了在高濕度條件下具有較好機(jī)械性能的要求,尤其是斷裂伸長率,極大地改善了薄膜對(duì)于環(huán)境濕度的敏感性。

      本發(fā)明的耐高濕改性淀粉基生物可降解薄膜,由質(zhì)量份數(shù)為10-90份酶解改性淀粉、5-90份PVA、1.5-40份水性膨潤土與4-30份甘油。

      所述的酶解改性淀粉,其淀粉來源為玉米淀粉、大米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉中的一種或多種組合。

      所述PVA的聚合度大于等于1500,醇解度大于等于85%。

      所述的水性膨潤土是一種合成型層狀硅酸鹽黏土,公式為Na+0.7[(Si8Mg5.5Li0.4)O20(OH)4]-0.7。最為代表性的產(chǎn)品是Laponite系列,其單個(gè)片層的直徑約為30nm,厚度約為1nm,在水中有良好的溶脹性。

      本發(fā)明還公開了所述可降解薄膜的制備方法,將淀粉糊化后,經(jīng)淀粉酶酶解,再與PVA溶液,水性膨潤土分散液,甘油進(jìn)行共混;具體步驟如下:

      (1)以淀粉為原料,配制成質(zhì)量濃度為5-20%的淀粉乳;

      (2)將淀粉乳加熱升溫到80-90℃糊化30-60min;

      (3)將糊化后的淀粉降溫到所選淀粉酶最適宜溫度,加入淀粉質(zhì)量0.1-10%的酶液,水解20-240min;

      (4)水解結(jié)束后升溫至100℃滅酶,即得酶解淀粉;

      (5)配置質(zhì)量濃度為5-20%的PVA水溶液;

      (6)將水性膨潤土分散在水中制成納米顆粒分散液;

      (7)將酶解淀粉、PVA水溶液、水性膨潤土分散液、甘油按比例均勻混合,升溫至85-95℃下高速攪拌30-45min;

      (8)降溫至50-70℃,倒模,于溫度35-50℃下干燥24-36h,濕度50-75%下平衡3天,得所述可降解薄膜。

      所述淀粉酶選用α-淀粉酶、普魯蘭酶、β-淀粉酶、異淀粉酶、γ-淀粉酶、葡糖糖轉(zhuǎn)苷酶、葡萄糖淀粉酶、葡聚糖酶中的一種或多種組合。

      上述步驟(7)中的攪拌速率大于等于960rpm/min。

      本發(fā)明的可降解納米薄膜采用淀粉、聚乙烯醇和水性膨潤土為主要組成,經(jīng)三元共混制成,所述組成原料的水性膨潤土通過氫鍵、靜電力等作用對(duì)整個(gè)體系起到支撐和聯(lián)結(jié)作用,提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能。通過淀粉酶水解淀粉,降低淀粉鏈的空間阻礙性,增強(qiáng)淀粉與PVA,水性膨潤土的相容性;此外黏度的降低液有利于水性膨潤土在多組分體系里的分散性。水性膨潤土通過物理交聯(lián)作用,聯(lián)結(jié)淀粉和PVA形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),薄膜具備了更好的持水性能。同時(shí),水性膨潤土納米粒子的小尺寸效應(yīng)、高表面能效應(yīng)提高了整個(gè)體系的力學(xué)性能。所述淀粉、聚乙烯醇和水性膨潤土都是環(huán)境友好型材料,因此本發(fā)明的納米薄膜具有良好的降解性能和生物安全性。

      與現(xiàn)有技術(shù)相比較,本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì):

      (1)本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單,制備過程不引入其他的化學(xué)交聯(lián)劑,綠色無污染。

      (2)本發(fā)明提供的改性淀粉基薄膜在保證了其可降解的條件下,在高濕度條件下具有良好的機(jī)械性能,尤其是斷裂伸長率,最高可達(dá)300%-460%。

      (3)通過淀粉酶水解淀粉,降低淀粉鏈的空間阻礙性,能有效地增強(qiáng)淀粉與PVA,水性膨潤土的相容性,進(jìn)一步增強(qiáng)薄膜的拉伸性能。

      (4)水性膨潤土納米粒子具有小尺寸效應(yīng)、高表面能效應(yīng),可以通過物理交聯(lián)作用,聯(lián)結(jié)淀粉和PVA形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而提高了淀粉基薄膜的耐高濕特性。

      具體實(shí)施方式

      以下結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

      實(shí)施例1:10g玉米淀粉加入190mL去離子水中,于90℃,720rpm下攪拌30min。將糊化后的淀粉水溶液降溫到55℃,加入1g α-淀粉酶酶液,水解20min。將玉米糊于100℃,720rpm下攪拌30min滅酶。將5gPVA加入95mL去離子水中溶解,將滅酶后的玉米糊、PVA溶液、1.5g LRD(Laponite RD)和4g 甘油于95℃,960rpm下攪拌30min,得到均勻粘稠的共混液;將共混液于50-70℃抽真空,再澆筑于底面平整,直徑為13cm的圓形PE盤中,使共混液自然平流,共混液的質(zhì)量控制在40g-50g,于溫度35℃下干燥36h制得所述可降解薄膜。平均膜厚0.7mm,在濕度50%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為423.4%,在濕度75%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為432.17%。

      實(shí)施例2: 90g大米淀粉和小麥淀粉的混合粉末加入360mL去離子水中,于80℃,720rpm下攪拌30min。將糊化后的淀粉水溶液降溫到55℃,加入0.09g α-淀粉酶和異淀粉酶混合酶液,水解120min。將淀粉糊于100℃,720rpm下攪拌30min滅酶。將90gPVA加入360mL去離子水中溶解,將滅酶后的淀粉糊、PVA溶液、40g LRD(Laponite RD)和30g 甘油于85℃,960rpm下攪拌45min,得到均勻粘稠的共混液;將共混液于50℃抽真空,再澆筑于底面平整,直徑為13cm的圓形PE盤中,使共混液自然平流,共混液的質(zhì)量控制在40g-50g,于溫度40℃下干燥24h制得所述可降解薄膜。平均膜厚0.8mm,在濕度50%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為455.6%,在濕度75%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為458.7%。

      實(shí)施例3:50g小麥淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉的混合粉末加入450mL去離子水中,于90℃,720rpm下攪拌60min。將糊化后的淀粉水溶液降溫到55℃,加入2.5g普魯蘭酶酶液,水解240min。將淀粉糊于100℃,720rpm下攪拌30min滅酶。將50gPVA加入450mL去離子水中溶解,將滅酶后的淀粉糊、PVA溶液、10g LRD(Laponite RD)和15g 甘油于90℃,960rpm下攪拌40min,得到均勻粘稠的共混液;將共混液于70℃抽真空,再澆筑于底面平整,直徑為13cm的圓形PE盤中,使共混液自然平流,共混液的質(zhì)量控制在40g-50g,于溫度50℃下干燥24h干燥制得所述可降解薄膜。平均膜厚0.7mm,在濕度50%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為210.3%,在濕度75%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為346.7%。

      實(shí)施例4:采用與實(shí)施例1相同的方案制備可降解薄膜,其區(qū)別在于,將糊化后的淀粉水溶液降溫到55℃,加入1%的β-淀粉酶,水解20min。在濕度50%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為405.7%,在濕度75%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為445.2%。

      實(shí)施例5:采用與實(shí)施例1相同的方案制備可降解薄膜,其區(qū)別在于,將糊化后的淀粉水溶液降溫到55℃,加入8%的 γ-淀粉酶、葡糖糖轉(zhuǎn)苷酶和葡萄糖淀粉酶混合酶液,水解40min。在濕度50%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為375.4%,在濕度75%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為411.6%。

      對(duì)比例1:6.7g玉米淀粉、3.3g PVA、3g 甘油加入300mL去離子水中,于95℃,960rpm下攪拌30min,得到均勻粘稠的共混液;將共混液于50-70℃抽真空,再澆筑于底面平整,直徑為13cm的圓形PE盤中,使共混液自然平流,共混液的質(zhì)量控制在40g-50g,室溫下干燥制得所述可降解薄膜。平均膜厚0.6mm,在濕度50%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為157.2%,在濕度75%條件下平衡72h后,斷裂伸長率為110.6%。

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