乙酰化木薯淀粉与蓖麻油共改性可生物降解柔性聚氨酯泡沫的制备及性能研究

本研究针对石油基聚合物不可降解的环境问题，以乙酰化木薯淀粉(ATS)和蓖麻油(CO)为可再生原料，开发了兼具高生物降解性和农业基质应用潜力的柔性聚氨酯泡沫(PU)。通过系统评估ATS(0-60 wt%)和CO(0-30 wt%)浓度对泡沫密度、力学性能、吸水性和微观结构的影响，发现ATS提升泡沫密度(21.7→33.1 kg/m3)和生物降解率(9.2→37.7%)，但降低拉伸强度(101.4→62.3 kPa)。该研究为环境友好型聚合物材料的开发提供了新思路。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，开发可替代石油基聚合物的环境友好型材料成为研究热点。传统聚氨酯(PU)泡沫因其不可降解特性，在废弃后会造成严重的"白色污染"。与此同时，这类材料作为蔬菜种植基质时，其疏水性和低生物相容性也限制了应用。如何通过天然可再生资源改性PU泡沫，使其兼具优良力学性能和快速降解能力，成为材料科学和农业工程交叉领域的重要挑战。

针对这一难题，食品科学与技术研究所的研究团队创新性地将乙酰化木薯淀粉(ATS)和蓖麻油(CO)这两种完全可生物降解的天然原料引入PU泡沫制备体系。通过系统调控ATS(0-60 wt%)和CO(0-30 wt%)的添加比例，采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)等技术对材料进行多维度表征，最终成功开发出适用于蔬菜种植的新型生物基PU泡沫。相关成果发表在《Scientific Reports》上，为解决传统聚合物环境累积问题提供了切实可行的方案。

研究主要采用以下关键技术方法：通过ASTM标准方法测定泡沫密度、拉伸性能和压缩永久变形；利用SEM观察微观结构并计算平均孔径；采用FTIR分析分子间相互作用；参照ASTM D5988-18标准进行堆肥降解实验；以商业PU泡沫为对照，评估泡沫基质对罗勒种子萌发的影响。

研究结果显示，ATS的添加显著改变了泡沫性能：密度从21.7 kg/m³(0%ATS)线性增加至33.1 kg/m³(60%ATS)，这是由于淀粉颗粒填充泡沫孔隙所致。SEM显示平均孔径从0.34 mm缩小至0.186 mm，闭孔率提高。但ATS会削弱力学性能，使拉伸强度下降39%，断裂伸长率降低70%。FTIR证实ATS与PU基质无化学键合，仅为物理填充。值得注意的是，60%ATS样品在91天堆肥中降解率达37.7%，较对照组提升4倍，证实了淀粉的有效降解促进作用。

CO的影响则呈现双重性：虽然30%CO使压缩永久变形从11.4%增至20.5%，但其与ATS协同作用可进一步提升降解性能(ATS60CO30降解率48.6%)。在农业应用中，优化配方ATS45CO10培育的罗勒虽萌发量略低于商业泡沫(81.3% vs 84.7%)，但生长速率更快(第9天茎长4.7 vs 4.2 cm)，且感官评价中色泽和质地得分更高。

该研究证实，通过ATS和CO的协同改性，可制备出兼具实用性能和生态效益的PU泡沫。尽管力学性能有所牺牲，但显著的生物降解特性(较传统泡沫提升4-5倍)使其在可持续农业领域展现出独特优势。特别是作为植物生长基质时，优化的孔隙结构和吸水性能(2600-3820%)为作物提供了有利的微环境。这些发现不仅拓展了生物基材料在循环经济中的应用场景，也为解决塑料污染问题提供了新的技术路径。未来研究可进一步探索淀粉改性工艺与其他植物油源的组合，以平衡力学性能与降解效率的协同优化。