广西大学学报(自然科学版)
Journal of Guangxi University(Nat Sci
Ed)
1999年 12月 第24卷 第4期 Vol.24 No.4
1999.12
淀粉存在下聚乙烯光降解特性研究*
梁兴泉** 贾德民 张惠林
摘 要 采用材料拉伸强度试验机和Rheometrics SR500#平板流变粘度计对淀粉/聚乙烯复合材料的光降解特性进行了研究.结果表明，当w(淀粉)≥30%时，能明显加速聚乙烯的光降解反应.因此，除非淀粉质量分数很小，否则在淀粉/聚乙烯降解塑料中添加光敏剂是不必要的.
关键词 淀粉；聚乙烯；共混物；流变性；降解
分类号 TB 324
Studies on the Degradation Behavior of the Starch/Polyethylene Blends
Liang Xingquan Jia Demin
Faculty of Material Science & Engineering, South China University of Technology,
Guangzhou,510641
Zhang Huilin
Department of Mechanic Engineering,Hong Kong University, Hong Kong Abstract The samples of starch/polyethylene blends have been studied with tensile testing and rheological measurement before and after exposed in sunlight. The results showed that the tensile and the viscosity of the most composite sample decrease after 2 weeks exposed in sunlight. The content of starch is important in the degradation process of the blends. The content increasing will cause the speed of the blend degradation increasing in the sunlight.
Key words starch；polyethylene；blend；rheolgical property；degradation
随着人类对环境的日益重视和“白色污染”的加剧，对可降解塑料的研究已成为令世界瞩目的热点之一［1］.在各种类型的降解塑料中，以淀粉和聚乙烯为主要原料制成的降解复合材料因具有成本低廉和加工方便等优点而倍受世界各国研究者的重视［2～6］.但这类降解复合材料中含有大量的聚乙烯，这些聚乙烯最终是否能在环境中降解一直受到人们的质疑［7］.为此，许多研究者在淀粉／聚乙烯降解复合材料中添加了一
定的光敏剂，期望聚乙烯在光敏剂的作用下能迅速降解.本文对淀粉存在下聚乙烯光降解的特性进行了一系列研究.
1 实验部分
1) 原料：木薯变性淀粉；上海产低密度聚乙烯（MI2.0）.2) 样品的制备：将聚乙烯投入双辊开炼机上辊炼，辊炼温度约为110 ℃；聚乙烯树脂熔融包辊后开始分批加入变性淀粉，加完后混炼至肉眼看不到淀粉颗粒即可出料；所得片材在平板硫化机上于160 ℃下压成0.5～1 mm 的均匀薄片作为试样.3) 环境光降解试验条件：按国家标准GB 3681—83所规定的方法进行，试验场地具有典型的亚热带气候特征，试验期间气温在18～32 ℃之间；试验样品每周采样一次，采样时间为每天早上9∶00，样品风干后进行各种测试.4) 样品测试条件：样品的拉伸强度用材料拉伸强度试验机测定；流变粘度用美国Rheometrics公司生产的Rheometrics SR500#平板流变粘度计测定，温度固定在130 ℃.
2 结果与讨论
2．1 降解前淀粉质量分数对聚乙烯拉伸强度以及流变粘度的影响
淀粉和聚乙烯性质相差甚远，因此，淀粉的加入有可能对聚乙烯流变粘度和力学性能产生影响，而流变粘度和力学性能的改变会直接导致材料加工和使用性能的改变.为此，我们对降解前的淀粉/聚乙烯复合材料的流变粘度和力学性能与淀粉质量分数的关系进行了一系列的研究，其结果如图1和图2所示.从图1和图2所示结果可见，淀粉的掺入，导致聚乙烯的力学性能明显劣化，其流变粘度则呈上升的趋势.但与力学性能变化趋势相比，流变粘度变化的趋势较为平缓.实际上流变粘度只在淀粉质量分数为20%～30%之间有较大的变化，在淀粉质量分数为20%以下和30%以上，流变粘度并无多大变化.这一结果表明，淀粉的掺入并未使聚乙烯的分子量产生下降.流变粘度的突变很可能与淀粉在聚乙烯基体内的相分布变化有关，而力学性能的劣化则与淀粉的掺入导致聚乙烯分子基体内的缺陷增加有关.
图1 光照前淀粉质量分数拉 图2 光照前淀粉质量分数对 伸性能的影响 流变粘度的影响
2.2 不同光降解时期淀粉质量分数对聚乙烯拉伸强度以及流变粘度的影响
拉伸强度降低是聚合物降解和老化的直接结果，而流变粘度则在一定程度上反映了聚合物分子量的变化.为了探讨淀粉对聚乙烯光降解的影响，我们考察了光照后不同时期的样品的拉伸强度和流变粘度，以了解聚乙烯的降解情形.结果如图3和图4所示.
图3 光照后淀粉质量分数对拉 图4 光照后淀粉质量分数流 伸性能的影响 变粘度的影响
由图3可见，光照前，聚乙烯的拉伸强度随着淀粉质量分数的提高而急剧下降；光照1周后，强度下降曲线变得较为缓和；光照2周后，曲线的前半部分更为平缓，后半部分则变陡；光照3周后，变陡的部分前移，淀粉质量分数为50%的样品强度已降到前几周的最低点以下.在这整个光照过程中，淀粉质量分数为0（无淀粉）的聚乙烯的强度几乎没有变化，淀粉质量分数为10%的样品变化也较小.淀粉质量分数越大，曲线的摇摆越大.这一结果表明，淀粉质量分数对聚乙烯的光化学变化具有明显的影响.
由图4可见，样品的流变粘度在光照前随淀粉质量分数变化而变化的趋势很小；光照1周后，样品的流变粘度呈增加的趋势，而且淀粉质量分数越大，粘度增加的绝对值越大；光照2周后，流变粘度变化曲线趋于平缓并稍呈下降趋势；光照3周后，流变粘度急剧下降并趋于零.根据分子量与粘度的相关性可知，光化学反应开始后，聚乙烯分子初期发生交联反应使聚乙烯的分子量升高，从而导致样品的流变粘度升高.光反应的后期，聚乙烯分子主要发生降解断裂反应，分子量随之下降，因而导致样品的流变粘度急剧下降.这一结果也说明了图3所示的样品拉伸强度为什么会在光照后先增加然后减少.
2．3 降解时间对聚乙烯拉伸强度以及流变粘度的影响
为了更好地了解样品在光化学反应过程中的变化以及淀粉对样品的影响作用，我们对同一样品经历不同光照周期后的拉伸强度和流变粘度进行了详细的考察，结果如图5和图6所示.
由图5可见，不含淀粉和淀粉质量分数为10%的样品在整个光照试验的观测周期（3周）内其拉伸强度基本上保持不变；淀粉质量分数为20%的样品在光照试验的观测周期（3周）内其拉伸强度呈恒定上升趋势；淀粉质量分数为30%的样品拉伸强度在前两周呈迅速上升的趋势，第3周开始回落；淀粉质量分数为40%的样品拉伸强度第1周上升较快，第2周上升速度减缓，第3周迅速回落；淀粉质量分数为50%的样品拉伸强度在第1周稍上升后接着就呈回落趋势.这结果说明，淀粉质量分数越大，样品的降解反应速度越快，因此拉伸强度下降越快.图6所示的是各种样品在经历了不同光照周期后的流变粘度值，其变化趋势与图5相近.不同的是，不含淀粉的样品光照后其流变粘度从第2周开始即呈上升趋势；淀粉质量分数为10%的样品在整个光照试验的观测期（3周）内基本保持不变；其余样品的流变粘度均在第2周或第3周开始下降，而且下降的速度与淀粉质量分数呈正比关系.
图5 光照时间对复合材料拉 图6 光照时间对流变粘度的 伸性能的影响 影响
3 结 论
上述研究表明：1) 当w(淀粉)≥30%时，能明显加速聚乙烯的降解反应.因此，除非淀粉质量分数很小，否则在淀粉／聚乙烯降解塑料中添加光敏剂是不必要的；2) 淀粉的存在，尤其是高质量分数淀粉的存在，能明显加速聚乙烯分子的降解.目前,我们正在研究和探索淀粉对聚乙烯光降解作用的影响机理，可以预料，一旦聚乙烯的环境降解机理能为人类所掌握和利用，“白色污染”的问题将从根本上得到解决.
注：国家自然科学基金资助项目
**现在广西大学化学化工学院工作，副教授
作者简介：梁兴泉，39岁，男，博士生
作者单位：梁兴泉 贾德民，华南理工大学材料学院，广州，510641；
张惠林 香港大学机械系,香港
参考文献
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7 Krupp L R，Jewell W J.Biodegradability of modified plastic films in controlled biological environments.Environ Sci Technol, 1992,26：193～198
(责任编辑 唐汉民)收稿日期：1999-09-28
淀粉存在下聚乙烯光降解特性研究
作者：梁兴泉， 贾德民， 张惠林， Liang Xingquan， Jia Demin， Zhang Huilin
作者单位：梁兴泉,Liang Xingquan(广西大学化学化工学院)， 贾德民,Jia Demin(华南理工大学材料学院,广州,510641)， 张惠林,Zhang Huilin(香港大学机械系,香港)
刊名：
广西大学学报（自然科学版）
英文刊名：JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSITY （NATURAL SCIENCE EDITION）
年，卷(期)：1999，24(4)
被引用次数：4次
参考文献(7条)
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7.Krupp L R.Jewell W J Biodegradability of modified plastic films in controlled biological environments 1992
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