聚乙烯巴西酸盐协同增强淀粉基共混物性能：改善高淀粉含量PBS/CS共混物的相容性、力学性能与可生物降解性

《Polymer》：Enhancing the properties of starch-based blends through the synergistic effect of polyethylene brassylate

本研究针对传统石油基塑料污染问题，探索了以生物可降解材料替代传统塑料的解决方案。研究人员通过引入聚乙烯巴西酸盐(PEB)作为相容剂，系统研究了聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/木薯淀粉(CS)/PEB三相共混物的性能。结果表明，PEB的加入有效削弱了淀粉分子内氢键，显著改善了CS在PBS基质中的分散性和界面相互作用，使高淀粉含量(50 wt.%)共混物的杨氏模量和拉伸强度分别提高了122%和105%，并显著增强了材料的堆肥降解性能。该研究为开发高性能全生物降解塑料提供了新策略，在刚性包装、一次性餐具和农用薄膜领域具有应用潜力。

　　

随着石油基塑料废弃物的大量积累、不当管理和缓慢降解，全球面临严峻的白色污染问题。开发环境友好型替代材料已成为当务之急，生物聚合物作为传统化石基聚合物的潜在替代品应运而生。淀粉因其来源丰富、成本低廉、多功能性和可生物降解性而备受关注，但其高吸湿性、机械强度差、热稳定性低和高粘度等固有缺陷限制了其应用。通过与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等生物聚合物共混来改善淀粉性能已成为一种实用策略，但淀粉与PBS的不混溶性和不相容性导致相分离和弱组分相互作用，严重影响其性能。

为此，研究人员首次提出了聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/木薯淀粉(CS)/聚乙烯巴西酸盐(PEB)三相共混体系，系统研究了PEB作为添加剂对高淀粉含量PBS/CS共混物的增强效果。该研究成果发表在《Polymer》期刊上，为开发高性能全生物降解材料提供了重要见解。

研究团队采用熔融共混法制备了不同组成的双相和三相共混物，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDX)、流变学测试、力学性能测试和堆肥降解实验等多种技术手段，全面评估了PEB添加对共混物结晶行为、热学性质、形态结构、流变特性、机械性能和降解行为的影响。

FTIR分析表明，PEB的加入使OH伸缩振动带发生轻微位移，表明PEB削弱了淀粉分子内氢键，促进了淀粉的热塑化。XRD结果显示，所有三相共混物均显示出PBS和PEB相的特征衍射峰，在高淀粉含量(30%和50%)样品中还检测到淀粉V型结晶多晶型物。PEB的加入降低了PBS的结晶度，特别是在PBS50/50CS/PEB中表现最为明显。

DSC分析揭示了PEB对共混物结晶行为的显著影响。三相共混物中PBS的结晶温度随淀粉含量增加而降低，表明PEB改善了PBS与淀粉之间的相互作用，限制了PBS链的流动性，阻碍了其结晶过程。PEB对淀粉的增塑作用促进了淀粉颗粒的熔解和解缠结，有利于PBS和CS之间的更好掺入和插层。

热稳定性分析显示，PEB的加入显著提高了共混物的热稳定性，特别是在50%淀粉含量时，T_10%和T_50%分别提高了45°C和10°C。DTG曲线表明所有共混物都是不相容的，淀粉相和PBS的分解清晰可辨。

形态学分析是本研究的一大亮点。SEM结果显示，CS90/10PEB共混物呈现出连续相和均匀的断裂形态，无明显残留淀粉颗粒，表明PEB与CS具有良好的亲和性。双相PBS/CS共混物呈现异相表面形态，而三相PBS/CS/PEB共混物则显示出更均匀的形态，CS相的分散和分布得到改善，平均粒径减小至17.29 μm ± 1.57。EDX元素图谱进一步证实了PEB的相容化效果，三相共混物显示出更均匀的元素分布，特别是在PBS50/50CS/PEB中，PEB促进了淀粉域在PBS基质中的精细分散。

力学性能测试获得了令人振奋的结果。纯PBS的杨氏模量和拉伸强度分别为460.94 MPa和35.45 MPa。加入PEB后，PBS50/50CS/PEB的杨氏模量相比PBS50/50CS提高了121%，拉伸强度提高了104%。这种机械性能的显著改善归因于PEB促成的相均质化和界面相互作用增强。

流变学研究表明，所有共混物都表现为假塑性流体，表观粘度随剪切速率增加而降低。PEB的加入影响了淀粉相的粒径分布，改善了CS在PBS基质中的分散性。

堆肥降解实验结果显示，纯PBS的降解率仅为2%，而双相共混物的降解度分别达到18%、35%和93%。引人注目的是，添加PEB的PBS50/50CS/PEB实现了完全降解(100%)，PBS70/30CS/PEB和PBS90/10CS/PEB的降解度分别达到52%和89%，相比对应的双相共混物提高了近三倍。这种降解性能的显著提升主要归因于淀粉中高密度羟基提供的亲水性，以及PEB促进的CS相更好分布所创造的更大微生物攻击表面积。

该研究得出结论，PEB作为一种有效的相容剂，通过其增塑作用和与淀粉的亲和性，显著改善了高淀粉含量PBS/CS共混物的相形态和界面相互作用。PEB包围CS颗粒形成的界面层降低了界面张力，增强了分散相的粘附性，促进了更均匀的形态形成，从而提高了机械性能和降解性能。这些共混物在刚性包装、一次性餐具、农用薄膜、园艺盆和育苗盘等替代传统不可降解塑料的应用中展现出巨大潜力。

研究的创新性在于首次将PEB作为相容剂引入PBS/CS体系，系统阐明了其通过削弱淀粉分子内氢键、促进淀粉热塑化、改善相界面相互作用的多重机制，为设计高性能全生物降解材料提供了新思路和方法学指导。特别是在高淀粉含量条件下实现力学性能和降解性能的同步提升，解决了生物可降解材料开发中常见的力学强度与降解速率难以兼顾的难题，具有重要的理论意义和实际应用价值。