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发泡剂体系对淀粉基发泡材料结构及性能影响的研究

发泡剂体系对淀粉基发泡材料结构及性能影响的研究

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作者：施克磊华南理工大学

学位级别：硕士

淀粉基发泡材料是一种绿色、可降解的填充型缓冲材料,对于代替我国传统石油基发泡材料以减少对环境的污染具有重要的意义。但是淀粉基发泡材料存在膨胀率低、机械性能差等缺陷,限制了它的工业化生产和应用。发泡剂在淀粉加工过程起着的... 详细信息

淀粉基发泡材料是一种绿色、可降解的填充型缓冲材料,对于代替我国传统石油基发泡材料以减少对环境的污染具有重要的意义。但是淀粉基发泡材料存在膨胀率低、机械性能差等缺陷,限制了它的工业化生产和应用。发泡剂在淀粉加工过程起着的重要作用,热分解产生的气体会影响淀粉挤出过程中内部气泡核的形成和成长,并提供发泡动力,从而对材料的结构和性能方面造成影响。基于课题组自主研发的“两步法”挤出发泡技术,论文首先以水分子在发泡过程中作用机制进行探讨,并以淀粉粒材为原料制备淀粉基发泡材料,开发了水为发泡剂的发泡剂体系;在此基础上,添加碳酸氢钠与水复配为复合发泡剂体系;并采用单硬脂酸甘油酯对碳酸氢钠进行改性处理,提高其热分解区间,建立不同的复合发泡剂体系,以改善发泡材料的结构和性能,具体研究如下:1. 研究不同水分和温度对于淀粉基发泡材料的影响,开发了水为发泡剂的发泡剂体系,进行淀粉挤出的单一发泡剂体系的建立。结果表明,淀粉粒材中的水含量从12%上升到18%时,淀粉粒材的熔点逐渐从170°C降低到120°C,粒材更易塑化,得到的材料泡孔数量逐渐变多,孔径变大,结构由未完全展开的闭孔结构变为开孔结构;当水分含量为14%-16%时,材料的表观形貌和机械性能最佳:膨胀率由3.6提高到5.5,密度由38.3kg/m降低到30.2kg/m;回弹性和恢复率分别由105.2%、69.3%增加到113.1%、73.7%;随着发泡温度的升高,淀粉塑化效果好,水分的利用率和蒸发速率提高,发泡气体充足,材料的泡孔孔径变大、合并破裂的开孔结构变多;当发泡温度为190°C-205°C时,材料的表观形貌和机械性能最佳:膨胀率由4.2提高至5.3,密度由60.1kg/m降至30.1 kg/m;回弹性和恢复率分别由111.2%、69.8%增加到120.2%、77.7%;2. 采用水和碳酸氢钠为发泡剂进行复配,构建复合发泡剂体系,并研究碳酸氢钠含量对于淀粉基发泡材料的影响。通过研究发现,碳酸氢钠的热分解区间为70°C-160°C,低于挤出机的输送段和熔融段之间的发泡温度(120°C-180°C),可以为淀粉加工过程提供额外的发泡气体,解决水为单一发泡剂时发泡动力不足的问题;碳酸氢钠的含量从0‰提高到6‰的过程中,材料的泡孔数量变多,分布更均匀,得到的材料膨胀率由5.2提高到6.6,密度由34.2kg/m减小到28.1kg/m;回弹性和恢复率分别由113%、73.7%增加到118.5%、80.1%;当碳酸氢钠的含量进一步提高到9‰的过程中,淀粉在挤出过程中出现热降解现象,挤出物熔融强度降低,材料泡孔大量合并,孔径大小不均一;膨胀率减小了2.3,密度增加了22.1kg/m;回弹性和恢复率分别减小了5.2%、6.4%;3. 采用单硬脂酸甘油酯为改性剂对碳酸氢钠进行改性处理,提高其热分解区间,探究改性碳酸氢钠热分解区间温度与发泡温度吻合度对于淀粉基发泡材料的影响。研究发现,碳酸氢钠的热分解区间随着单硬脂酸甘油酯的添加量的增加从70°C-160°C提高到125°C-190°C;当碳酸氢钠的热分解区间从70°C-160°C提高到110°C-180°C时,与挤出机的输送段和熔融段之间的发泡温度(120°C-180°C)比较相近,分解产生的气体可以最大化的利用于淀粉内部气泡核的生成和聚集成长,得到的材料的泡孔数量增加,分布均匀,为完整的开孔结构;膨胀率由6.6提高到7.6,密度由28.3kg/m减小到23.2kg/m;回弹性和恢复率也分别由117.5、74.1增加到127.9、82.2。

关键词：淀粉挤出发泡发泡剂发泡剂体系淀粉基发泡材料

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