削弱淀粉中氢键的机理研究

论文摘要

淀粉塑料是解决白色垃圾的一种重要措施,由于其来源广泛和可降解性而成为研究的热点。但是由于淀粉自身存在着难以加工的缺陷,影响了淀粉作为降解塑料的应用进程。通过外加助剂的方法改善淀粉可加工性,是比较经济的方法。然而,目前尚有许多影响淀粉塑化的因素不够明确。为此,本文从如下几个方面进行了探索:首先,在天然淀粉中添加不同种类、不同用量的增塑剂,在转矩流变仪混炼器上熔融共混,通过平板硫化床,使用磨具热压的方法制成标准样条片材试样。其次,采用傅里叶红外光谱,研究了丙三醇、尿素等增塑剂与淀粉之间的氢键形成情况,发现在淀粉中,与塑化剂形成氢键的主要是C—O—C基团中的氧原子和C—O—H基团中的氢原子;而且过量的塑化剂之间会形成氢键,减弱塑化剂与淀粉的氢键作用,并对比了酰胺类增塑剂与多元醇类增塑剂的塑化效果,得出了酰胺类增塑剂更能与淀粉形成稳定的氢键,削弱淀粉中的氢键的效果更加明显。利用X射线衍射仪,定性的研究对比了天然淀粉和塑化后的淀粉塑料内的结晶情况。天然淀粉为A型结晶,是因为淀粉内有大量的氢键作用而形成的;加入增塑剂后则没有结晶出现,这是由于与甘油等多元醇类增塑剂相比,酰胺类增塑剂可以和淀粉形成更强的氢键,淀粉分子间作用力小,淀粉分子更柔顺,不容易在加工过程中留有残余应力而产生诱导结晶。且小分子助剂更容易渗透入淀粉结晶中,与淀粉形成稳定的氢键,破坏淀粉的A型结晶,说明小分子增塑剂更容易增塑淀粉。采用扫描电子显微镜(SEM)观察样品断面形貌,利用差示扫描量热法(DSC)分析热塑性淀粉材料的玻璃化温度,发现酰胺类增塑剂塑化后的材料的T g要低于多元醇类增塑剂。采用热重分析法(TG)研究增塑剂塑化后的材料的热稳定性,发现酰胺类增塑剂塑化的淀粉塑料的热稳定性要好于多元醇类增塑剂。因此,相比于多元醇类的增塑剂,酰胺类的增塑剂由于碳氧双键使氧原子电子云密度增大,氢键接受体的电负性更大,它们更能削弱淀粉中的氢键,并与淀粉形成更稳定的氢键,使淀粉中的大分子趋于无序化。要解决淀粉难于加工的问题,主要就是要解决如何削弱淀粉内的氢键的问题。通过使用带有强电负性原子或强正电性氢原子的物质,以及带有较大电子云密度的基团的物质作增塑剂,可很好的与淀粉作用,削弱淀粉中的氢键。而具有良好渗透能力的小分子增塑剂(如:水),对淀粉也表现出很强的塑化能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及选题意义
• 1.2 淀粉的结构与特性
• 1.2.1 淀粉的化学结构
• 1.2.2 淀粉的颗粒结构
• 1.2.3 淀粉种类及特性
• 1.3 热塑性淀粉研究进展
• 1.4 关于氢键的研究方法
• 1.4.1 红外光谱法
• 1.4.2 量子化学计算方法
• 1.4.3 其它方法
• 1.5 本论文的研究意义及内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器设备
• 2.3 试样的制备
• 2.3.1 原料的准备
• 2.3.2 淀粉与增塑剂的共混混炼
• 2.3.3 热塑性淀粉的制样
• 2.4 实验方法及表征手段
• 2.4.1 旋转扭矩测试
• 2.4.2 X 射线衍射
• 2.4.3 傅里叶红外光谱
• 2.4.4 DSC 测试
• 2.4.5 扫描电镜观察
• 2.4.6 TG 分析
• 第3章 增塑剂对淀粉的塑化情况研究
• 3.1 前言
• 3.2 TPS 体系旋转扭矩结果分析
• 3.2.1 增塑剂含量对淀粉旋转扭矩的影响
• 3.2.2 增塑剂种类对淀粉旋转扭矩的影响
• 3.3 TPS 体系的微观结构分析
• 3.3.1 不同增塑剂种类TPS 体系的微观结构分析
• 3.3.2 不同增塑剂含量TPS 体系的微观结构分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 热塑性淀粉中的氢键
• 4.1 前言
• 4.2 原理
• 4.2.1 氢键及形成条件
• 4.2.2 氢键的特征
• 4.2.3 丙三醇与淀粉之间可能形成氢键的形式
• 4.2.4 水与淀粉之间可能形成氢键的形式
• 4.2.5 尿素与淀粉之间可能形成氢键的形式
• 4.2.6 二甲亚砜与淀粉之间可能形成氢键的形式
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 红外光谱分析增塑剂对淀粉中氢键的削弱作用
• 4.3.2 增塑剂与淀粉间的力常数变化
• 4.3.3 XRD 分析
• 4.3.4 DSC 分析
• 4.3.5 TPS 材料的热稳定性分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 削弱淀粉中氢键的方法
• 5.1 前言
• 5.2 原淀粉中的氢键及其影响
• 5.3 增塑剂对削弱淀粉中的氢键的影响
• 5.4 混炼方式对削弱淀粉中氢键的影响
• 5.5 混炼温度对削弱淀粉中氢键的影响
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 大摘要