黄麻纤维改性淀粉基生物可降解材料的制备及应用_张劲.pdf

新材料与新技术化 工 设 计 通 讯New Material and New TechnologyChemical Engineering Design Communications 61第49卷第4期2023年4月随着经济文化水平的提升，越来越多的人更加注重身体健康，新型烟草制品应运而生1-3。颗粒型加热卷烟是新型烟草制品的重要形式之一。如何将烟草颗粒封装在烟支中，在加热与抽吸过程中不产生掉落与吸入是烟支生产的一个关键工艺技术问题。用于阻隔烟草颗粒的固件材料是颗粒型加热卷烟的重要组成部分之一。目前主要将耐高温塑料固件作为中间段阻隔材料，但塑料制品是不可降解材料，使用后丢弃在环境中不易降解，对环境造成污染。使用生物质材料不仅可以起到促进可持续发展和保护环境的作用，而且原料价格低廉，制备工艺成熟。因此，开发新型生物基热安全阻隔固件材料是颗粒型加热卷烟领域亟须解决的问题。与增塑剂甘油混合在一起，然后使用平板硫化仪热压制备出具有一定形状的复合材料样品。探究不同甘油添加量对复合材料加工性能以及黄麻纤维对复合材料热稳定性的影响，为开发生物基安全阻隔固件提供指导。1 材料与方法1.1 材料和仪器淀粉（购自当地市场）；甘油（纯度99.5%，济南浩然化工科技有限公司）；黄麻纤维（安徽洪燊新材料科技有限公司）；NaOH（国药集团化学试剂有限公司）；去离子水（实验室自制）。转矩流变仪（XSS-300，上海科创橡塑机械设备有限公司）；平板硫化仪（MZ-3012，江苏明珠试验机械有限公司）；电脑拉力试验机（YF-900，扬州市源峰检测设备有限公司）；摆锤式冲击试验机 ZBC 1400-A，美斯特工业系统（中国）有限公司 ；热重分析仪（Q5000IR，TA Instruments Inc.，美国）；差示扫描量热仪（DSC8500，摘要：采用熔融共混的方法，将黄麻纤维、淀粉以及增塑剂甘油混合，然后使用平板硫化仪制备出具有一定形状的复合材料样品，并对复合材料进行力学性能测试以及实际烟支抽吸模拟测试分析。实验结果表明：随甘油添加量增加，复合材料加工性能提升，35%添加量下，甘油在基材中分布均匀，各项指标最优；黄麻纤维可以支撑起整个复合材料，使其在受热后不易软化坍塌，但黄麻纤维破坏了基材的连续性与结构完整性，降低了甘油/淀粉复合材料的热稳定性；在300以下，甘油/淀粉材料不产生有毒有害气体，具有较好热安全性能，黄麻纤维/甘油/淀粉复合材料在200以下未见有害气体生成；经改性后淀粉基复合材料在经过加热后不发生软化坍塌，表面颜色稍有变化，添加黄麻纤维可减小甘油淀粉复合材料热膨胀。关键词：淀粉；黄麻纤维；生物可降解材料；热稳定性；TG-FTIR中图分类号：TQ32文献标志码：A文章编号：10036490（2023）04006103Preparation and Application of Modified Starch-based Biodegradable MaterialsZhang Jin，Zhang Wei-jie，Cao Yun，Zhou Mu-tian，Zhou Shun，Wang Xiao-feng，Xing Wei-yiAbstract:Backgroundbiomass jute fiber,bamboo powder,cornstarch,starch acetate and plasticizer glycerol were mixed by melt blending,and then the composite samples with a certain shape were prepared by flat vulcanization instrument.The composites were then analyzed by mechanics performance testing,characterization and actual cigarette suction simulation test.The results show that:With the addition of glycerol,the processing properties of the composites were improved.With 35%glycerol,the distribution of glycerol in the substrate was uniform and all the indexes were the best.The jute fiber could support the whole composite and relain the shape under high temperature.However,the jute fiber destroyed the continuity and structural integrity of the substrate and reduces the thermal stability of the glycerin/starch composite.The composite materials did not produce toxic and harmful gases under 300 heated.After heating,the modified starch matrix composite did not soften and collapse,and the surface color changed slightly.Adding jute fiber could reduce the thermal expansion of the glycerin starch composite.Keywords:starch:jute fiber;biodegradable materials;thermal stability;TG-FTIR黄麻纤维改性淀粉基生物可降解材料的制备及应用张 劲1，张伟杰2，曹 芸1，周慕天2，周 顺1，王孝峰1，邢伟义2（1.安徽中烟工业有限责任公司烟草行业燃烧热解研究重点实验室，安徽合肥 230088；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230026）收稿日期：20220615基金项目：多功能热安全阻隔固件开发及其在加热卷烟中的应用研究（项目号：安徽中烟工业 2020141）；加热卷烟用固载材料的制备与应用研究（项目号：安徽中烟工业 2022131）。作者简介：张劲（1971），男，安徽宣城人，高级工程师，主要从事产品配方及材料研究工作。通讯作者：周顺（1982），男，安徽淮南人，博士，副研究员，主要从事新型烟草制品和烟草燃烧化学研究工作。新材料与新技术化 工 设 计 通 讯New Material and New TechnologyChemical Engineering Design Communications62 第49卷第4期2023年4月Perkin Elmer，美国）；傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet 6700，美 国）；场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜（Hitachi SU8200，日本）。1.2 淀粉基复合材料制备将黄麻纤维剪切成小段，使用15%的 NaOH 溶液浸泡6 h，以除去纤维中的杂质和果胶，随后用去离子水清洗并烘干备用。按照表1中各配方组成，将淀粉与一定比例甘油/黄麻纤维混合均匀，使用转矩流变仪进行熔融加工成型，加工温度为120，转速为20 r/min。再使用平板硫化仪制备出具有一定形状的样品进行测试。表1 黄麻纤维改性淀粉基生物可降解复合材料各组分配比（质量百分数为占淀粉总量的比例，单位：wt%）编号淀粉甘油黄麻纤维11001502100250310035041004505100351061003530710035501.3 复合材料测试表征1.3.1 力学性能测试拉伸测试在万能电子拉力机上测试。试样样条宽10 mm，厚1 mm，拉伸速度2 mm/min。冲击测试在摆锤式冲击试验机上测试。试样尺寸为80 mm10 mm3 mm，冲击能量为4 J。复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度是通过实验试样的平均值获得。每个条件下取5个样品，取平均值。1.3.2 热重分析（TG）和微分热重分析（DTG）将样品放在热分析仪的炉子内，从室温开始升温至800，升温速率10/min。1.3.3 差示扫描量热测试（DSC）使用差示扫描量热仪，氮气氛围下，升降0/min，温度60200。温速率11.3.4 热重红外联用（TG-FTIR）将样品放在热分析仪的炉子中，同时连接傅里叶变换红外光谱仪，记录样品产生的气体的 FTIR 光谱。从室温开始升温至800，升温速率20/min。1.3.5 扫描电子显微镜（SEM）将材料置于液氮中充分冷冻，再将淬断后的复合材料样品进行喷金处理，通过场发射扫描电子显微镜观察断面微观形貌。2 结果与讨论2.1 甘油含量对复合材料加工性能的影响当甘油添加量为15%和25%时，由于甘油添加量较少，复合材料在熔融再加工过程中较为困难，样品颜色偏黄、表面不平整并且质地硬而脆，不适合再进行二次加工。而随着甘油添加量的增加，样品的硬度逐渐下降，添加45%甘油时，经再加工后样品表面平整，但是由于甘油添加量过高，甘油在材料表面析出，并且使得材料表面发黏，影响后续成型。当甘油添加量为35%时，材料表面较为平整，表面干爽，具有较好加工性，该甘油添加量样品记为对照样。2.2 黄麻纤维/淀粉复合材料力学性能未添加黄麻纤维时，对照样韧性好，冲击强度较高，为37.36 kJ/m2。在拉伸测试中，抗拉强度为3.73 MPa，断裂伸长率为29.75%。添加了10%黄麻纤维后，样品的抗冲击强度降低；添加30%黄麻纤维，样品仍可以保持较好的力学性能，冲击强度为21.38 kJ/m2，在拉伸测试中，抗拉强度为2.87 MPa，断裂伸长率为23.05%。进一步提高至50%时，韧性降低，主要是由于基材的连续性被破坏，在外力冲击下易于产生裂纹而发生断裂。因此，黄麻纤维的添加量不宜过高。添加甘油的淀粉基材料（3号样品）断面相对平整，甘油在基材中分布均匀。加入30%黄麻纤维后，材料断面凹凸不平，有纤维状物质分布在断面，且与基体的相容性较好。2.3 复合材料热性能35%甘油含量的样品在180附近有一个小吸热峰，可能是部分材料在180附近受热熔融导致的。而加入30%黄麻纤维后，180附近的吸热峰消失了，证明材料加入黄麻纤维后，受热后不容易发生熔融，这可能与黄麻纤维的结构有关，可以支撑起整个材料，使其在受热后不容易发生软化坍塌。甘油/淀粉复合材料主要热分解过程发生在250350附近，主要是复合材料中甘油的进一步挥发以及淀粉材料热分解所致。加入黄麻纤维后，复合材料起始热失重温度提前，主要热失重过程为200350，其在800下残炭量增大，并且从 DTG曲线中也可以看出，说明黄麻纤维的加入降低了淀粉基材料的热稳定性，可能是高比例的黄麻纤维破坏了淀粉基材的结构连续性。甘油/淀粉材料在室温 300加热条件下，红外曲线图未见新增峰出现，主要是（2 1002 400）cm-1附近的 CO2特征吸收峰以及（3 5203 790）cm-1处水、甘油等羟基类化合物特征吸收峰，370时，曲线新增 2 100 cm-1、1 720 cm-1、1 060 cm-1等 特 征 吸 收 峰，对应于 CO、含羰基的芳香族化合物，证明材料发生较为剧烈的热裂解。添加黄麻纤维后，复合材料热稳定性降低，红外曲线显示300 时已有大量有害气体产生，这与热重曲线变化趋势相吻合。说明黄麻纤维新材料与新技术化 工 设 计 通 讯New Material and New TechnologyChemical Engineering Design Communications 63第49卷第4期2023年4月的添加降低了甘油/淀粉复合材料在高温下的热稳定性。2.4 复合材料实际应用测试两种淀粉基生物可降解复合材料在加热过程中未出现受热融化。但是甘油/淀粉基复合材料在200 以上时，会发生一定的热膨胀，样品尺寸会略微增加。而对于添加30%黄麻纤维的复合材料，受热过程中的热膨胀现象得到了较好的抑制，说明黄麻纤维的添加可提高复合材料的热加工性，在实际使用过程中可以较好地控制固件尺寸。3 结论添加甘油有利于提高复合材料加工性能提高，但甘油添加量过高会使材料表面黏性增大，影响后续应用；添加黄麻纤维后复合材料热稳定性降低，起始热失重温度降低，CO、羰基芳香族化合物热释放提前，但可减小材料受热后的膨胀。参考文献1 Sun S,Cao W,Chan K,et al.Cigarette smoking increases deaths associated with air pollution in Hong KongJ.Atmospheric Environment,2020,223：117266.2 Li F,Lu Y,Zhang J,et al.Investigation and regional fuzzy health risk management of lead and cadmium in best-selling cigarettes across ChinaJ.Journal of Cleaner Production,2020,261：121005.3 郭新月，杨占平，宋晓梅，等.加热不燃烧卷烟烟气降温技术研究进展 J.中国烟草学报，2020，26（3）：24-32.决方案 J.油气储运，2017，36（1）：28-36.11 曹闯明，黄亦星，刘荣，等.中国海油一体化企业智慧管理平台建设 J.油气储运，2018，37（7）：741-750.12 周达坚，屈挺，张凯，等.数字孪生驱动的工业园区“产运存”联动决策架构、模型与方法 J.计算机集成制造系统，2019，25（6）：1576-1590.13 Grieves M,Vickers J.Digital twin:mitigating unpredictable,undesirable emergent behavior in complex systemsM/Kahlen F J,Flumerfelt S,Alves A,Eds.Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems.Cham:Springer International Publishing,2016:85-113.14 庄存波，刘检华，熊辉，等.产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势 J.计算机集成制造系统，2017，23（4）：753-768.15 陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其应用探索 J.计算机集成制造系统，2018，24（1）：1-18.16 刘大同，郭凯，王本宽，等.数字孪生技术综述与展望 J.仪器仪表学报，2018，39（11）：1-10.17 陈国群，郑建国，柳建军，等.油气管网仿真技术现状与展望 J.油气储运，2014，33（12）：1278-1281.18 陶飞，张萌，程江峰，等.数字孪生车间一种未来车间运行新模式 J.计算机集成制造系统，2017，23（1）：1-9.19 张鹏，冯浩，杨通达，等.数字孪生与 TRIZ 集成迭代参数演化创新设计过程模型 J.计算机集成制造系统，2019，25（6）：1361-1370.20 董绍华，韩忠晨，杨毅，等.物联网技术在管道完整性管理中的应用 J.油气储运，2012，31（12）：906-908，911.21 王昆，李琳，李维校.基于物联网技术的智慧长输管道J.油气储运，2018，37（1）：15-19.22 GRIEVES M.Virtually perfect:driving innovative and lean products through product lifecycle 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